基于多代理的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型

趙一江 郭晉生

(1.南京地下鐵道有限責任公司運營分公司 南京 210036;2.北京建筑大學“綠色建筑與節(jié)能技術(shù)”北京市重點實驗室 北京 100044)

基于多代理的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型

趙一江1，2郭晉生2

(1.南京地下鐵道有限責任公司運營分公司 南京 210036;2.北京建筑大學“綠色建筑與節(jié)能技術(shù)”北京市重點實驗室 北京 100044)

為解決地鐵運營中集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式復雜所造成的容災能力不強的問題，設(shè)計一種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型。在分析現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災方案的基礎(chǔ)上，基于多代理技術(shù)，建立集中式和分布式兩種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型，提供故障檢測、智能備份、災難容錯、智能恢復等功能;再用仿真實驗驗證其可行性，并對比分析兩種容災模型的優(yōu)缺點，從而在現(xiàn)有環(huán)境下為集成綜合監(jiān)控容災系統(tǒng)提供良好的解決方案。

地鐵;綜合監(jiān)控系統(tǒng);容災;多代理;數(shù)據(jù)服務(wù)模式

1 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)及其容災系統(tǒng)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated monitoring system，IMS)在地鐵運營中起著極其重要的作用，目前已在世界范圍內(nèi)的地鐵、輕軌工作中成功應用。由于國內(nèi)各地的地鐵建設(shè)起步時間不一，建設(shè)環(huán)境不同，綜合監(jiān)控系統(tǒng)沒有明確的結(jié)構(gòu)和定義，其主要區(qū)別在數(shù)據(jù)服務(wù)模式上。有些地鐵公司采用部分集成或準集成方案，即讓各專業(yè)單獨設(shè)立本系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)(如有些地鐵公司的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控(BAS)和綜合監(jiān)控是同一個專業(yè))，其特點是數(shù)據(jù)直接由現(xiàn)場采集，結(jié)構(gòu)相對簡單，維護方便，但集成度不高。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)有些地鐵公司采用深度集成和完全集成方案，即把供電、信號、環(huán)境監(jiān)控、火災報警等系統(tǒng)集成到同一個系統(tǒng)中，通過標準接口將各子系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)相連，實現(xiàn)全過程、全方位監(jiān)控。由于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)模式都不盡相同，所以必須采用第三方數(shù)據(jù)服務(wù)器進行中轉(zhuǎn)、分發(fā)，其結(jié)構(gòu)復雜，維護成本較高。

在深度集成和完全集成等集成度較高的方案中，由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式的復雜性和各種不確定因素的存在，所以在數(shù)據(jù)傳輸過程中系統(tǒng)會發(fā)生故障。為了保證在部分節(jié)點發(fā)生故障(如交換機節(jié)點故障、車站工作站節(jié)點故障等)時系統(tǒng)能正常運行，必須建立容災系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的魯棒性。

多代理技術(shù)是一種結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多線程技術(shù)、人工智能技術(shù)而發(fā)展起來的新技術(shù)。除了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點外，多代理技術(shù)還具有自治性、反映性、能動性、自學習性及社會性等特點。筆者基于比較靈活的多代理技術(shù)，設(shè)計并討論了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的容災模型。

2 現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災方案的問題

目前，很多綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用硬件雙重備份技術(shù)應付容災問題，如采用雙網(wǎng)卡、雙交換機、雙數(shù)據(jù)庫等，這在一定程度上提升了系統(tǒng)的容錯能力，但也有成本高、環(huán)境適應力不強的弱點。在實際運營中，經(jīng)常會遇到工作站硬盤損壞等非備份硬件類故障和交換機光模塊同時損壞等備份類硬件故障，因此采用硬件備份有如下問題:

1)硬件故障無法窮盡，在實際中不可能為每一種硬件做一個備份。

2)對于備份硬件來說，單一硬件發(fā)生故障由于備份硬件的存在，導致工作人員無法及時發(fā)現(xiàn)故障硬件。

3)為可能發(fā)生故障的硬件做備份，無疑增加了硬件成本和軟件的開發(fā)成本，使成本過高。

3 基于多代理的綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型

現(xiàn)有的集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要采取兩種結(jié)構(gòu)模式:一種是基于集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的結(jié)構(gòu)，另一種是基于分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的終端節(jié)點都分布在各地鐵站，各節(jié)點在硬件配置上基本一致，所以可以使各節(jié)點互為備份，構(gòu)建低成本的系統(tǒng)容災模型。

3.1 集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災模型

采用集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點是數(shù)據(jù)源集中，即所有車站的數(shù)據(jù)都存放在位置相對集中的數(shù)據(jù)庫中，各車站通過客戶軟件終端實現(xiàn)對集中式數(shù)據(jù)庫的訪問。在類似結(jié)構(gòu)下，基于多代理技術(shù)的設(shè)計集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災模型，在中央級終端設(shè)置中央監(jiān)控代理，在各車站終端設(shè)置車站代理。其中，車站代理ID嚴格采用順序標號，初始化時各車站代理均要向中央監(jiān)控代理注冊，如圖1所示。

圖1 集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災模型

在實際運營中，中央監(jiān)控代理定時向各車站代理發(fā)送通信原語(如on)詢問各車站代理是否在線。如能得到各車站代理的應答，則說明車站設(shè)備正常，無需處理;如得不到某一個車站代理的應答，則中央監(jiān)控代理向相鄰車站代理發(fā)出冗余請求信號，相鄰車站代理自動修改本站客戶端軟件的權(quán)限配置文件，開放本站客戶端對相鄰站的訪問權(quán)限。由于數(shù)據(jù)源集中存放在中央實時數(shù)據(jù)庫中，所以通過權(quán)限的改變，可以達到對故障車站的數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)容災處理，時序如圖2所示。

圖2 故障情況下集中式容災模型的處理時序

在仿真實驗中，當2號站點發(fā)生故障時，中央監(jiān)控代理首先得到故障信息，將該信息發(fā)送給1號和3號站點;這兩個站點通過修改本站點的權(quán)限配置文件，可以在本站客戶端通過中央數(shù)據(jù)庫的服務(wù)，訪問到2號站點的相關(guān)信息。

3.2 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災模型

分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點是數(shù)據(jù)源非集中，即各車站的數(shù)據(jù)存放在物理上相互獨立的分布式數(shù)據(jù)庫中，這緩解了中央級服務(wù)器的壓力，且具有易于擴展的特點。

與集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式類似，基于多代理技術(shù)構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災模型，在中央級終端設(shè)置中央監(jiān)控代理，在車站設(shè)置車站代理。由于每個車站設(shè)有數(shù)據(jù)庫，車站代理除了要和中央監(jiān)控代理交互本站工作站的狀態(tài)之外，還要承擔備份相鄰站數(shù)據(jù)庫和恢復本站數(shù)據(jù)庫的任務(wù)。在地鐵建設(shè)初期，各站點的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分別建立起本站及相鄰站點結(jié)構(gòu)的庫表，可以解決相鄰站點數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)不一致的問題;采用本站級數(shù)據(jù)庫實時備份到歷史服務(wù)器、相鄰站點數(shù)據(jù)庫夜間備份、相鄰站備份數(shù)據(jù)只保留2天的方法，可以減輕部分網(wǎng)絡(luò)負荷。當然，為了滿足地鐵長期運營的需要，可以在夜間將本站級數(shù)據(jù)備份在中央歷史服務(wù)器中。分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的容災模型如圖3所示(限于篇幅，僅以車站1為例)。

在實際運營中，容災模型涉及兩個關(guān)鍵策略。

3.2.1 備份處理策略

例如，A站的車站代理只需在夜間列車停運后向相鄰站發(fā)出數(shù)據(jù)庫備份請求，相鄰車站代理建立與本站數(shù)據(jù)庫的連接，同時將需要備份的數(shù)據(jù)傳輸至A站的車站代理，由其完成一次備份。備份處理策略時序如圖4所示。

3.2.2 災難處理策略

圖3 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的容災模型

圖4 備份處理策略時序

1)本站數(shù)據(jù)庫發(fā)生故障。由于網(wǎng)絡(luò)中的基本節(jié)點為數(shù)據(jù)庫工作站，只要令本站的車站代理向相鄰站車站代理發(fā)出數(shù)據(jù)訪問請求，使相鄰車站開放對應備份數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限，同時本站的車站代理修改監(jiān)控軟件中的權(quán)限訪問文件及數(shù)據(jù)庫訪問IP地址，將故障記錄在相應的故障文件中，即可實現(xiàn)本站對相鄰站備份數(shù)據(jù)庫的訪問。在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控軟件中有兩個可訪問站點，可以通過查看故障記錄文件來檢查出本站數(shù)據(jù)庫的故障。處理策略的時序如圖5所示。

圖5 災難處理策略的時序

2)本站工作站發(fā)生故障。這時的處理策略與集中式容災模型類似，不同點在于相鄰站不用訪問中央數(shù)據(jù)庫，而是訪問相鄰站點的數(shù)據(jù)庫。

3.3 兩種容災模型比較

對于集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災模型來說，實時服務(wù)器在正常運營時除了要接收來自BAS、FAS(火災自動報警系統(tǒng))、信號、行車等中央服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)，還要通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給各車站的IMS工作站，同時需要定時備份數(shù)據(jù)給歷史服務(wù)器，輪轉(zhuǎn)查詢各車站工作站的在線狀態(tài);在某車站工作站發(fā)生故障的情況下，還需要與故障車站相鄰站的車站代理發(fā)生數(shù)據(jù)通信，若中央服務(wù)器的任務(wù)過重，在實際運營中容易造成服務(wù)器瞬時TCP(傳輸控制協(xié)議)連接請求數(shù)過大，某些請求得不到響應而發(fā)生阻塞。無論在正常還是在非正常情況下，所有數(shù)據(jù)都來源于中央實時服務(wù)器，該模型只能應付車站工作站發(fā)生的故障，對于中央實時服務(wù)器的故障缺乏處理能力。但對于一些已經(jīng)運營的線路來說，綜合監(jiān)控系統(tǒng)是后加的，基本上采用集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式，以降低改造風險和成本。這種模式下的容災模型可以在不增加任何硬件投入和改動的前提下，實現(xiàn)對車站工作站故障的容災處理，比較適合于已經(jīng)開通運營的老地鐵線路。

對于分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災模型來說，由于各車站有自己獨立設(shè)置的數(shù)據(jù)庫，所以中央服務(wù)器只需要提供輪轉(zhuǎn)查詢各車站工作站的在線狀態(tài)功能，而無需再提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能;把數(shù)據(jù)服務(wù)功能分攤到各車站中去，使得整個系統(tǒng)具有較好的負載均衡性。此外，分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災模型不但可以處理車站工作站的故障，而且還可以處理車站數(shù)據(jù)庫的故障，不會發(fā)生集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下容災模型中由于中央服務(wù)器發(fā)生故障而造成系統(tǒng)崩潰的情況，具有更好的容災能力和更快的響應時間。但是，如果用于改造已運營線路，由于需要在各車站增加冗余數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來備份相鄰車站的數(shù)據(jù)，并且各車站工作站增加的數(shù)據(jù)庫備份處理邏輯也各不相同，會使改造成本較高、周期較長、結(jié)構(gòu)比較復雜，因此分布式容災模型比較適合用在各類尚未開通的新線建設(shè)方案中。

4 結(jié)語

在地鐵運營過程中，集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式復雜，會帶來容災能力不高的問題。為此，基于多代理技術(shù)，給出了兩種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災模型并分析了它們的優(yōu)缺點和適用范圍，根據(jù)不同的應用環(huán)境，在不改動現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)備份、災難處理、數(shù)據(jù)恢復等功能，增強綜合監(jiān)控系統(tǒng)的魯棒性與健壯性，在運營中提高了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有良好的應用價值和推廣價值。

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Disaster Tolerance Model of Integrated Monitoring System Based on Multi-Agent Technology

Zhao Yijiang1，2Guo Jinsheng2
(1.Operation Company of Nanjing Metro Co.，Ltd.，Nanjing 210036;2.Beijing Key Laboratory of Green Building and Energy-efficiency Technology，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Abstract:In order to solve the problem of low disaster-tolerant ability arising from the data service pattern complexity for the highly integrated monitoring system in metro operation，an integrated monitoring system of disaster tolerance model has been designed.Based on the analysis of the disaster-tolerant solution of integrated monitoring system，relying on the multiagent technology，authors established two kinds of integrated disaster tolerance monitoring models， namely， centralized model and distributed model.The models can provide the functions including faultdetection， intelligentbackup，disaster tolerance and intelligence data recovery with their feasibility validated through simulation experiment.The advantages and disadvantages of these two kinds of disaster tolerance models were compared and analysed.These models provide a good solution to the integrated disaster tolerance monitoring system in the current environment.

Key words:metro;integrated monitoring system;disaster tolerance;muti-agent;data service mode

U231.96

A

1672-6073(2013)06-0033-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.009

收稿日期:2012-10-19

2012-12-07

作者簡介:趙一江，男，碩士，助理工程師，主要從事地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)管理與研究工作，zhaoyijiang321@163.com郭晉生，女，教授，碩士生導師

北京市重點實驗室開放基金項目(KFJ2013004)

(編輯:郭 潔)