鐵路行車安全保障系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺的研究與實現(xiàn)

王華偉，史天運，蔣 薈，趙 穎

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

為了保障鐵路行車安全，我國把建立鐵路運輸安全監(jiān)控與預警體系作為科技發(fā)展的重點工作,研究開發(fā)了一系列的行車安全保障系統(tǒng)，包括：鐵路車輛運行安全監(jiān)控5T系統(tǒng)、貨運計量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路安全監(jiān)督管理信息系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的推廣應用，為鐵路行車安全發(fā)揮了重要的作用，成為鐵路運輸安全不可或缺的重要保障，因此，各類行車安全保障系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行直接影響到現(xiàn)場的安全監(jiān)控管理工作。隨著行車安全項目的擴展，系統(tǒng)維護工作量非常龐大，僅靠原來的人工巡查方式已經(jīng)不能滿足日益增長的維護需求，因此迫切需要智能化、信息化手段對系統(tǒng)運行進行動態(tài)檢測、智能評價、實時監(jiān)控和綜合預警，及時有效地發(fā)現(xiàn)并處理影響應用系統(tǒng)運行的問題，提高系統(tǒng)維護工作的質量和效率。

1 系統(tǒng)技術方案

1.1 系統(tǒng)架構

為實現(xiàn)對上述行車安全保障系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控，各系統(tǒng)的結構分析如下：5T系統(tǒng)服務器分別部署在鐵道部、鐵路局、匯聚節(jié)點三級，貨運計量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)服務器分別部署在鐵道部、鐵路局、車站三級，鐵路安全監(jiān)督管理信息系統(tǒng)服務器部署在鐵道部、鐵路局兩級，內部的數(shù)據(jù)傳輸均采用自下而上的級聯(lián)方式。

根據(jù)各行車安全保障系統(tǒng)的結構特點，本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡通道，采用自下而上的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在各被監(jiān)控服務器上部署監(jiān)控軟件，采集系統(tǒng)運行狀態(tài)的相關信息，逐級上傳至各系統(tǒng)的鐵道部級服務器，最終匯總存儲到監(jiān)控服務器上，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行加工、處理和分析評判，最終將結果通過系統(tǒng)終端展示給用戶，系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。多線程處理技術，實現(xiàn)對服務器硬件、網(wǎng)絡狀態(tài)、應用系統(tǒng)、檢測設備狀態(tài)信息的采集；通過基于Socket的數(shù)據(jù)傳輸技術，實現(xiàn)信息的直接發(fā)送；軟件自動升級，減少了500多臺服務器軟件升級維護的工作量。

圖 1 行車安全保障系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺總體架構圖

（2）后臺事務處理。對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和組織，負責信息的更新維護和關聯(lián)匹配，實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)處理事務工作流管理；利用關聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘技術，分析系統(tǒng)預警的報警閾值和報警評判規(guī)則，對系統(tǒng)狀態(tài)進行報警評判；生成匯總統(tǒng)計信息，方便數(shù)據(jù)訪問，提高查詢檢索的效率。

1.2 網(wǎng)絡方案

行車安全保障系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺部署在鐵路綜合IT網(wǎng)中，它與各類被監(jiān)控服務器之間的信息均通過鐵路綜合IT網(wǎng)統(tǒng)一交換。行車安全保障系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺網(wǎng)絡結構如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能由信息檢測傳輸、后臺事務處理和前臺監(jiān)控展示組成，如圖3所示。

（1）信息監(jiān)測傳輸。綜合運用WM I技術、信息共享技術、

圖2 行車安全保障系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺網(wǎng)絡結構圖

（3）前臺監(jiān)控展示。通過直觀的用戶界面，提供實時監(jiān)控、處理反饋、信息查詢、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)維護等應用服務。實現(xiàn)“系統(tǒng)監(jiān)控—異常報警—用戶確認—現(xiàn)場處理—反饋回填”一系列信息化管理，達到從故障發(fā)生到故障恢復的閉環(huán)管理。

圖 3 系統(tǒng)功能結構圖

2 關鍵技術

2.1 基于WM I 的服務器監(jiān)控技術

WM I（W indow s management、Instrumentation，W indow s 管理規(guī)范）是一項核心的 W indow s管理技術，WM I允許用戶使用腳本語言、C# 等編寫的腳本或應用程序訪問和管理W indow s資源，是一種輕松獲取系統(tǒng)信息的工具。本系統(tǒng)利用WM I完成對行車安全保障系統(tǒng)服務器狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)視和控制，提供一種查詢語句—WQL，獲取被監(jiān)控服務器狀態(tài)信息，WQL接口簡單統(tǒng)一，減少了程序的復雜性。其主要原理是，根據(jù)需求調用WM I指令收集各服務器的運行狀態(tài)信息，以數(shù)據(jù)形式傳輸給監(jiān)控服務器，當請求WM I數(shù)據(jù)時，若請求的信息是靜態(tài)的，那么靜態(tài)信息從CIM（Common Information Model）庫中取出，如果請求數(shù)據(jù)是動態(tài)的，那么使用特定的WM I Provider獲取信息，WM I的體系結構如圖4所示。

2.2 基于多線程的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集技術

對行車安全保障系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)包括服務器操作系統(tǒng)狀態(tài)、應用程序狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫狀態(tài)和網(wǎng)絡連接等20多項信息。經(jīng)測試，獲取每項信息并將其存儲在本地所需的平均時間為1.3 s，如采用單線程方式，獲取20種監(jiān)控信息需要的時間為26 s。此外，一旦獲取某項信息發(fā)生異常，將影響后續(xù)信息的采集，這不僅延長了整體的數(shù)據(jù)采集時間，還將影響到監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性。因此，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用基于多線程的處理方式，針對每項服務器監(jiān)控信息的采集事件啟動一個線程，使所有事務并行執(zhí)行。經(jīng)過實驗證明，采用基于多線程的數(shù)據(jù)采集技術獲取上述20種監(jiān)控信息所需要的總時長約為7 s，充分利用了系統(tǒng)資源并提高了信息采集效率。

圖4 WM I體系結構圖

2.3 基于W indows Sockets的數(shù)據(jù)傳輸技術

Socket 是一種網(wǎng)絡編程接口，用于描述網(wǎng)絡通信中的IP地址和端口，Socket在計算機中提供了一個通信端口，可以通過這個端口與任何一個具有Socket接口的應用程序在網(wǎng)絡上傳輸。W indow s Sockets 定義了一系列的標準函數(shù)，以動態(tài)鏈接庫形式供給程序員使用，成為一種通用的網(wǎng)絡通信接口。

圖5 基于Socket的信息傳輸流程

本系統(tǒng)采用基于W indow s Sockets的數(shù)據(jù)傳輸方案，發(fā)送端將數(shù)據(jù)按照預定的格式組成字符串，并轉換為二進制格式，通過與接收端建立Socket連接，以點對點的形式發(fā)送到接收端，接收端通過監(jiān)聽指定的端口，實時接收數(shù)據(jù)并向發(fā)送端發(fā)送響應信息，從而實現(xiàn)信息交互，具體流程如圖5所示。這種數(shù)據(jù)傳輸方案，減少了冗余數(shù)據(jù)，降低了對網(wǎng)絡資源的占用，提高了傳輸速度，能夠及時有效地為用戶提供數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)特點

（1）實現(xiàn)對所監(jiān)控的信息系統(tǒng)軟硬件狀態(tài)的集中監(jiān)控。（2）實現(xiàn)了對安全隱患的及時、有效的監(jiān)控和處理，提高了工作效率和質量。（3）實現(xiàn)了行車安全保障系統(tǒng)維護工作的信息化管理。（4）平臺軟件采用聯(lián)網(wǎng)自動升級策略，大大減少了系統(tǒng)升級維護的工作量。（5）采用基于組件的設計理念，具有良好的擴展性和適用性，可廣泛應用于滿足條件的其他信息系統(tǒng)的監(jiān)控。（6）平臺對服務器CPU、內存、網(wǎng)絡資源的占用較低，不會影響既有系統(tǒng)的正常運行。

4 結束語

本系統(tǒng)已運用到行車安全保障系統(tǒng)的日常維護中，取得了良好的應用效果。通過使用該系統(tǒng)，維護人員能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的安全隱患，對預警信息進行處理，大大提高了系統(tǒng)維護工作的質量和效率；系統(tǒng)有較強的擴展性和適用性，可以廣泛應用于路內其它信息系統(tǒng)的監(jiān)控維護。

隨著本系統(tǒng)的應用和用戶體驗的加深，將圍繞系統(tǒng)檢測報警閾值優(yōu)化、報警數(shù)據(jù)分析、告警短信通知、隱患風險預測等方面進行持續(xù)的研究和改進，系統(tǒng)的研究將為其它信息系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控提供借鑒意義。

[1] 趙 穎，蔣 薈. 鐵路行車安全系統(tǒng)服務器監(jiān)控軟件的設計[C]. 北京：第六屆中國智能交通年會暨第七屆國際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集（上冊）—智能交通，2011.

[2]姜勁松，吳禮發(fā)，張 萍. 基于WM I的系統(tǒng)管理的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用，2004，24（3）：16-18.

[3]周 坤，傅德勝. 基于Windows Socket的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸及其安全[J]. 計算機工程與設計，2007，28（22）：5381-5386.