關(guān)于提高城市軌道交通清分中心處理能力的設(shè)計(jì)研究

朱嘉斌

（蘇州軌道交通有限公司建設(shè)分公司，215006，蘇州∥工程師）

城市軌道交通清分中心是實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化、提高服務(wù)水平的重要基礎(chǔ)。它具有連接各個(gè)線路售檢票系統(tǒng)，處理線網(wǎng)內(nèi)所有交易數(shù)據(jù)的功能。隨著城市軌道交通線路的增多，提高清分中心數(shù)據(jù)處理能力的需求越益迫切。

本文從清分中心系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)需求分析出發(fā)，分別對(duì)清分中心的軟件、硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以整體提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和線路接入能力。

1 清分中心系統(tǒng)處理性能的設(shè)計(jì)要求

為能滿足城市軌道交通實(shí)際客流交易數(shù)據(jù)的處理要求，又能夠合理部署、減小過(guò)高配置帶來(lái)的資源浪費(fèi)，以降低投資，各個(gè)城市應(yīng)根據(jù)自身軌道交通的預(yù)測(cè)客流，對(duì)清分中心系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。本文以一般性城市遠(yuǎn)期處理需求為例，按每日處理300萬(wàn)人次的客流數(shù)據(jù)（750萬(wàn)筆交易數(shù)據(jù)）、2h內(nèi)完成清算批處理、在4h內(nèi)完成累計(jì)2天的最大客流量的交易數(shù)據(jù)清算等幾項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)軟件、硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)研究。

2 硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)器選型

根據(jù)關(guān)鍵性能要求，即2h完成750萬(wàn)筆交易數(shù)據(jù)（300萬(wàn)人次客流）清分、4h內(nèi)完成累計(jì)2天的交易數(shù)據(jù)清算，進(jìn)行分析、配置相應(yīng)硬件設(shè)備。按經(jīng)驗(yàn)，每筆實(shí)際清分交易相當(dāng)于2筆標(biāo)準(zhǔn)TPCC（整體性能計(jì)算單位）交易的處理量。

滿足2h內(nèi)完成對(duì)最大次數(shù)交易量處理的清分系統(tǒng)主機(jī)性能要求為：

（750萬(wàn)筆交易數(shù)據(jù)×2）／（2×60min）＝125 000 TPCC／min

滿足4h內(nèi)完成累計(jì)2天的交易數(shù)據(jù)清算處理的清分系統(tǒng)主機(jī)性能要求為：

（750萬(wàn)筆交易數(shù)據(jù)×2×2）／（4×60min）＝125 000TPCC／min

另外，系統(tǒng)還將預(yù)留70%的處理余量，因此選擇相應(yīng)服務(wù)器設(shè)備需達(dá)到125 000TPCC／min的要求。

2.2 硬件資源分配

對(duì)清分計(jì)算機(jī)主機(jī)資源進(jìn)行合理的應(yīng)用分配，以期達(dá)到負(fù)載均衡、充分發(fā)揮2臺(tái)服務(wù)器的處理能力。

為了預(yù)防單點(diǎn)故障，需要有配置互為備份的2臺(tái)主機(jī)。為了充分利用硬件資源，使用2臺(tái)主機(jī)同時(shí)參與應(yīng)用處理。在系統(tǒng)繁忙時(shí)，可能出現(xiàn)因負(fù)載不均衡導(dǎo)致的系統(tǒng)阻塞和顛簸。為了避免這種情況發(fā)生，隨時(shí)檢測(cè)資源的忙閑狀況，將任務(wù)交給相對(duì)空閑的主機(jī)去做，以均衡負(fù)載，達(dá)到最優(yōu)化的處理性能。

2.3 硬件的擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

考慮后期數(shù)據(jù)處理需求的增長(zhǎng)，清分中心系統(tǒng)只需通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備的擴(kuò)充，即達(dá)到所需要的性能指標(biāo)處理要求。為保證清分中心系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和處理能力，清分中心系統(tǒng)使用了多機(jī)處理方式，以便于實(shí)現(xiàn)對(duì)分布于不同主機(jī)上的同類子系統(tǒng)、進(jìn)程的監(jiān)控。這樣既能從業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高度，又能從具體主機(jī)上的某個(gè)進(jìn)程的深度來(lái)完成具體的管理任務(wù)，并可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展相應(yīng)硬件提高處理能力的目標(biāo)。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

清分中心系統(tǒng)按業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，進(jìn)行區(qū)分優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)處理。

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)處理，如事件（狀態(tài)）、命令、模式切換、參數(shù)同步等，賦予較高的處理優(yōu)先級(jí)；而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求低的數(shù)據(jù)處理，如交易數(shù)據(jù)上傳、寄存器數(shù)據(jù)上傳等，賦予較低的處理優(yōu)先級(jí)。

后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)處理進(jìn)程在其任務(wù)隊(duì)列中取出優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)進(jìn)行處理。優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)總是能被很快地優(yōu)先處理掉，而不會(huì)被大量的優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)所阻塞。這樣，就不會(huì)發(fā)生因通信故障恢復(fù)后產(chǎn)生的大量交易數(shù)據(jù)上傳阻塞而導(dǎo)致命令、查詢等得不到及時(shí)響應(yīng)的情況，以滿足快速的響應(yīng)要求。

3.2 并行處理

啟動(dòng)多組應(yīng)用，采用并行數(shù)據(jù)處理技術(shù)以提高應(yīng)用處理能力。

在一項(xiàng)任務(wù)的處理過(guò)程中，主機(jī)內(nèi)部各種硬件資源的使用率是不同的，而每種任務(wù)的硬件資源使用方式又各不相同。所以，同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)處理，可以充分發(fā)揮硬件的處理能力，從而增加數(shù)據(jù)處理的吞吐量。

3.3 緩存技術(shù)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

大量使用內(nèi)存數(shù)據(jù)表和緩存，減少對(duì)硬盤的訪問(wèn)量，可以提升交易的處理速度。

內(nèi)存中處理的速度往往比硬盤訪問(wèn)快一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此將頻繁使用的數(shù)據(jù)強(qiáng)制放在內(nèi)存中，比每次用時(shí)都要從硬盤中讀出來(lái)要高效得多。在操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)層面，有很多內(nèi)存緩存的設(shè)計(jì)。在應(yīng)用層面，強(qiáng)制某些常用的數(shù)據(jù)表放在內(nèi)存中，以達(dá)到高效的處理效果。

3.4 多批次的批處理

為了提高硬件使用效率，采用每日分多批次進(jìn)行交易批處理的方式，充分利用在白天運(yùn)營(yíng)時(shí)的處理能力，而不是將所有批處理都放在晚上運(yùn)營(yíng)結(jié)束后進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)軌道交通票務(wù)清分應(yīng)急系統(tǒng)中，曾經(jīng)可以達(dá)到在日終1h內(nèi)處理最大1 630萬(wàn)人次客流／日（4 000萬(wàn)筆交易／日），完全可以滿足一般地鐵清分系統(tǒng)的要求。

清分中心系統(tǒng)在軟件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)等方面，能夠保證在2倍的時(shí)間里，處理2倍的交易量。

3.5 斷點(diǎn)續(xù)做

在清分中心系統(tǒng)運(yùn)行初期，可能會(huì)因某些異常數(shù)據(jù)導(dǎo)致批處理異常中斷。若每次異常中斷后都要重做，將會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。由于晚間停運(yùn)時(shí)間有限，如果直到第二天早晨仍不能完成日終批處理，將會(huì)產(chǎn)生較大影響。為了避免該類情況發(fā)生，可以對(duì)日終批處理過(guò)程設(shè)計(jì)斷點(diǎn)續(xù)做功能，使得成功完成的每個(gè)步驟（或若干筆交易）保存，當(dāng)發(fā)生異常中斷后，可在人工干預(yù)、排除異常數(shù)據(jù)后，在斷點(diǎn)開始重做，避免了每次都從頭重做的問(wèn)題。上述的斷點(diǎn)續(xù)做的特性，也保證了清分中心系統(tǒng)能在2倍的時(shí)間里，處理2倍的交易量。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)方面的設(shè)計(jì)

從軟件實(shí)現(xiàn)角度分析，制約性能的瓶頸主要是在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的頻繁讀寫上。針對(duì)這一問(wèn)題，采取以下3種方案提升性能。

1）應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)技術(shù)，充分利用物理硬盤的并行性能，提高數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器性能。

2）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的配置進(jìn)行優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)庫(kù)的索引、關(guān)鍵表等能存放在內(nèi)存中，從而加快系統(tǒng)處理的速度。

3）建立高效的索引，在應(yīng)用設(shè)計(jì)方面通過(guò)盡量減少不必要的表操作等措施來(lái)提高處理效率。

以上優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)在模擬平臺(tái)上的反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證表明，可以有效提升城市軌道交通清分中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。清分中心系統(tǒng)性能的提升可為今后復(fù)雜線網(wǎng)的正常運(yùn)營(yíng)提供可靠的保證。

［1］黎江.軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)RAMS設(shè)計(jì)［J］.都市快軌交通，2008，21（2）：83.

［2］楊甲，羅欽，徐瑞華.網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)條件下城市軌道交通票務(wù)清分方法研究［J］.城市軌道交通研究，2009（5）：22.

［3］王富章，李平.關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化AFC系統(tǒng)整合方案的研究［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005（5）：15.

［4］高朝暉，張寧，夏德傳.軌道交通清結(jié)算系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［J］.交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2008，6（2）：31.

［5］牛新奇，潘蔭榮.軌道交通系統(tǒng)中清分算法的研究［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2005（2）：17.

［6］韓宇峰，張嘉玲.實(shí)時(shí)信息技術(shù)在地鐵清分系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.城市軌道交通研究，2010（1）：31.