鐵路調(diào)度系統(tǒng)中虛擬共用信息平臺(tái)研究

趙宏濤，王 濤，張 琦

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所， 北京 100081）

鐵路調(diào)度系統(tǒng)是在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過程中，為了保證完成運(yùn)輸計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖而綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，以列車運(yùn)行調(diào)整為中心，兼顧列車與調(diào)車作業(yè)的高度自動(dòng)化和智能化的調(diào)度指揮和控制系統(tǒng)[1]。我國(guó)現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)正在向著信息密集化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變：各子系統(tǒng)陸續(xù)建成并投入使用，包括全路TDMS/CTC、ATIS、現(xiàn)車系統(tǒng)等；海量數(shù)據(jù)在日常調(diào)度指揮和行車運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生，包括列車實(shí)際運(yùn)行圖、基本圖、日班計(jì)劃、車輛編組信息及信號(hào)設(shè)備狀態(tài)等；大量設(shè)備終端皆需要與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息交互。新技術(shù)的應(yīng)用不可避免地伴隨著新問題的產(chǎn)生：各模塊間信息交流量少，資源共享利用率低、實(shí)時(shí)性差且易產(chǎn)生信息孤島；海量數(shù)據(jù)必然引入效率、安全與可靠性等方面的問題；各應(yīng)用終端直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，大量頻繁并發(fā)的短連接極易造成數(shù)據(jù)讀寫效率的低下。因此設(shè)計(jì)一套虛擬共用安全信息平臺(tái)，為系統(tǒng)提供公共的、可靠安全且高效的數(shù)據(jù)服務(wù)，成為了調(diào)度系統(tǒng)的迫切需要。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬共用信息平臺(tái)是一套整合調(diào)度系統(tǒng)各邏輯子系統(tǒng)、子模塊信息資源，按一定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和協(xié)議格式完成多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入、存儲(chǔ)、分發(fā)、整理和挖掘等功能，并面向外部應(yīng)用提供安全可靠和高效的數(shù)據(jù)服務(wù)的完整物理系統(tǒng)。平臺(tái)采用集中控制管理與分布存儲(chǔ)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，通過用戶身份認(rèn)證、權(quán)限隔離、數(shù)據(jù)加密等安全保障技術(shù)，依靠負(fù)載均衡模塊來協(xié)調(diào)眾多邏輯讀寫單元連接物理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)層。研究建立虛擬共用信息平臺(tái)是調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行信息整合的技術(shù)保障，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)鐵路調(diào)度系統(tǒng)高速發(fā)展的關(guān)鍵。

虛擬，意味著透明、異構(gòu)和分布。從邏輯層面來說，平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)外部應(yīng)用是透明的，用戶不需要關(guān)心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、系統(tǒng)調(diào)用關(guān)系等信息，只需要按照約定連接方式和協(xié)議讀寫數(shù)據(jù)即可；而從物理層面來講，平臺(tái)本身的各模塊、數(shù)據(jù)源可能分布在不同的地理位置，由不同廠商產(chǎn)品以不同格式和協(xié)議組成，例如：數(shù)據(jù)信息可能存儲(chǔ)在Oracle的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可能以XML格式保存在文件系統(tǒng)當(dāng)中。對(duì)各數(shù)據(jù)源形式的高兼容特性，為已部署系統(tǒng)平順過渡和融合到新的平臺(tái)提供了可能。透明保證了平臺(tái)的完整和統(tǒng)一；異構(gòu)可以使現(xiàn)有系統(tǒng)以較少代價(jià)融合進(jìn)新的平臺(tái)；而分布則提供了數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)性能。

共用，意味著平臺(tái)提供統(tǒng)一的接入代理以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和子系統(tǒng)的接入。平臺(tái)的服務(wù)對(duì)象為特定外部應(yīng)用，采集信息以通用格式進(jìn)行融合，并提供信息安全服務(wù)。

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

本文對(duì)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)原則總結(jié)為通用、安全和高效。

通用原則不僅表明平臺(tái)對(duì)少量修飾后的已有系統(tǒng)和未來技術(shù)擴(kuò)展的極大兼容，更表明平臺(tái)在數(shù)據(jù)格式、業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)架構(gòu)和接口定義等方面標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可以擴(kuò)大平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域和適用范圍，也為平臺(tái)的推廣奠定基礎(chǔ)。

調(diào)度系統(tǒng)是鐵路日常運(yùn)輸組織的指揮中樞，確保調(diào)度系統(tǒng)安全，首要任務(wù)是確保系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全。安全設(shè)計(jì)理念應(yīng)該從平臺(tái)設(shè)計(jì)初期就考慮進(jìn)去，并貫穿產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)周期。

平臺(tái)的高效性指平臺(tái)并發(fā)處理數(shù)據(jù)的能力。調(diào)度算法、參數(shù)設(shè)置、異常處理和安全級(jí)別等因素均對(duì)處理效率產(chǎn)生影響。

1.2 平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)總體原則及已有類似系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)[2]，設(shè)計(jì)虛擬共用信息平臺(tái)由4層結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示。

圖1 虛擬通用信息平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

安全應(yīng)用層：負(fù)責(zé)完成外部應(yīng)用接入、對(duì)外連接代理、數(shù)據(jù)挖掘和威脅屏蔽隔離4項(xiàng)功能。具體主業(yè)務(wù)邏輯（前兩項(xiàng)）由應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，包括：登錄連接、查詢操作、讀寫操作等需要與外部應(yīng)用溝通的處理步驟。數(shù)據(jù)挖掘功能由挖掘模塊提供，借助于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，通過關(guān)聯(lián)分析、規(guī)律尋找和表示，挖掘模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)的大量數(shù)據(jù)中揭示出隱含的、先前未知的并有潛在價(jià)值的信息，為日后的行車調(diào)度優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。應(yīng)用層被安全層完整包裹以保障數(shù)據(jù)安全和平臺(tái)安全，用戶認(rèn)證鑒權(quán)等安全操作在安全層實(shí)現(xiàn)。本邏輯層不關(guān)心數(shù)據(jù)的具體表示形式，只要各類應(yīng)用遵循信息集成的接口規(guī)范，即可有效地、透明地操作底層各類數(shù)據(jù)源。具體數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布形式將在下章詳述。

負(fù)載均衡層：依據(jù)調(diào)度策略將上層接入的工作任務(wù)（負(fù)載）進(jìn)行平衡、分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)讀寫操作單元上進(jìn)行實(shí)施從而共同完成工作任務(wù)，提高系統(tǒng)的整體處理能力。具體策略可以參考多重負(fù)載策略進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，包括隨機(jī)策略、公約輪循策略、最少活躍調(diào)度策略和一致性哈希策略等。數(shù)據(jù)整理優(yōu)化模塊是對(duì)日常采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、歸類編碼和結(jié)構(gòu)調(diào)整的單元，是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)，可以減少存儲(chǔ)空間、提升查詢效率。因?yàn)槠湫枰獜恼Z(yǔ)義層面查找數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，而非原數(shù)據(jù)（Raw Data）級(jí)別的操作，故設(shè)置在負(fù)載均衡層實(shí)現(xiàn)，在資源占用率較低時(shí)運(yùn)行。

邏輯讀寫：層包含大量針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的讀寫單元和一套協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。借助于協(xié)議轉(zhuǎn)換層在各類原始協(xié)議與平臺(tái)存儲(chǔ)統(tǒng)一協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，分布、并行讀寫單元直接且有針對(duì)性地操作對(duì)應(yīng)的底層數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)直連功能。讀寫單元的數(shù)量以最大限度挖掘系統(tǒng)潛能為依據(jù)。

物理存儲(chǔ)層：是平臺(tái)內(nèi)部以及外部應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的最終靜態(tài)存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)以原鐵道部部標(biāo)或特定統(tǒng)一協(xié)議存儲(chǔ)，存儲(chǔ)介質(zhì)可以為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以是XML格式數(shù)據(jù)源或文件系統(tǒng)，依賴于平臺(tái)應(yīng)用環(huán)境及被融合系統(tǒng)原始狀態(tài)。高速緩存用以保存頻繁被讀取且變化較少的數(shù)據(jù)集合，提升查詢速度。

平臺(tái)數(shù)據(jù)流按圖1所示協(xié)議和方向流動(dòng)。

2 關(guān)鍵問題研究

2.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)及計(jì)算

平臺(tái)數(shù)據(jù)來源于外置的信息采集單元和各外部應(yīng)用系統(tǒng)的輸入。隨著平臺(tái)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其所采用的通用協(xié)議將被更多外部系統(tǒng)所采納，信息的表達(dá)和數(shù)據(jù)的傳輸也將更加直接和高效。

在平臺(tái)數(shù)據(jù)量超過單機(jī)承載能力時(shí)，一般會(huì)采用分布式存儲(chǔ)，其在擴(kuò)展性和可用性上會(huì)面臨較大挑戰(zhàn)：如何保證各點(diǎn)間數(shù)據(jù)的同步、如何快速索引數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理位置等問題皆是平臺(tái)設(shè)計(jì)者需要考慮的。

作為一套完整的數(shù)據(jù)提供平臺(tái)，而非簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)堆積，其核心區(qū)別在于是否提供基于存儲(chǔ)的計(jì)算能力。計(jì)算一般分為離線計(jì)算和在線計(jì)算（流式計(jì)算、即時(shí)計(jì)算）兩種。平臺(tái)發(fā)展后期，將能智能處理用戶需求，針對(duì)模糊輸入給出關(guān)聯(lián)輸出。典型應(yīng)用為數(shù)據(jù)挖掘模塊：依據(jù)一個(gè)運(yùn)行在分布式計(jì)算集群上的公用算法平臺(tái)來進(jìn)行各種海量數(shù)據(jù)處理，建立數(shù)據(jù)關(guān)系及數(shù)據(jù)模型，給出內(nèi)在規(guī)律，在準(zhǔn)確輸出的基礎(chǔ)上給出指導(dǎo)意見。

2.2 平臺(tái)及數(shù)據(jù)安全

平臺(tái)安全包括平臺(tái)整體的安全和數(shù)據(jù)安全。

平臺(tái)的保密性、完整性和可用性是保證行車調(diào)度安全的一個(gè)重要組成部分，根據(jù)國(guó)家等級(jí)保護(hù)防御區(qū)域劃分原則以及信息系統(tǒng)的功能性、安全價(jià)值和面臨威脅的相似性，客運(yùn)專線CTC系統(tǒng)應(yīng)具有四級(jí)信息系統(tǒng)安全保護(hù)能力[3]。包括：防火墻、入侵檢測(cè)、用戶鑒權(quán)認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等措施多應(yīng)用于鐵路調(diào)度系統(tǒng)。這些措施的引入必然導(dǎo)致計(jì)算性能的下降和用戶體驗(yàn)的降低，需站在數(shù)據(jù)和用戶的角度統(tǒng)籌考慮。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布方式

（1）網(wǎng)絡(luò)Socket連接；

（2）B/S（Brower/Server）結(jié)構(gòu)方式；

（3）中間件連接方式；

（4）Web Service連接。

4種方式各有利弊，適用于不同開發(fā)環(huán)境。方式1實(shí)現(xiàn)靈活，但開發(fā)周期長(zhǎng)，編程代價(jià)高，適用于小范圍的特殊環(huán)境應(yīng)用；方式2雖然交互性稍差，但其在可視化方面的優(yōu)勢(shì)，適合用于展示海量數(shù)據(jù)的多樣性、多角度、多層次特性；消息傳輸中間件為應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通提供了可靠的消息通信手段，能夠?qū)崿F(xiàn)不同操作平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)和硬件系統(tǒng)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通信，易于調(diào)試；方式4作為一項(xiàng)較新技術(shù)，可使運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無需借助附加的、專門的第3方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。采用哪幾種方式的組合，需要因地制宜，適當(dāng)擴(kuò)展。

2.4 平臺(tái)及數(shù)據(jù)維護(hù)

平臺(tái)在演進(jìn)，數(shù)據(jù)在源源不斷地增長(zhǎng)，它們的保有和維護(hù)成本也在隨之提高。以FZy-CTC系統(tǒng)為例，調(diào)度命令、行車計(jì)劃、操作日志、各路局和子系統(tǒng)間接口數(shù)據(jù)等信息皆需由數(shù)據(jù)服務(wù)單元永久存儲(chǔ)或中轉(zhuǎn)。因此，需要從大數(shù)據(jù)[4]處理的全局角度來考慮如何從存儲(chǔ)、計(jì)算上盡可能地降低成本，讓平臺(tái)可以持續(xù)。

業(yè)界通常用Volume、Variety、Value和Velocity（簡(jiǎn)稱為“4V”，即數(shù)據(jù)體量巨大、數(shù)據(jù)類型繁多、價(jià)值密度低和處理速度快）4個(gè)特征來顯著區(qū)分大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。借鑒大數(shù)據(jù)領(lǐng)域處理方法，對(duì)虛擬共用信息平臺(tái)的維護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：對(duì)數(shù)據(jù)采用冷熱分離（冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁帶上等）、按業(yè)務(wù)特征進(jìn)行分層壓縮（按列存儲(chǔ)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)差異等）、計(jì)算資源細(xì)粒度錯(cuò)峰化（資源進(jìn)行細(xì)粒度分配或預(yù)估、按照業(yè)務(wù)時(shí)間進(jìn)行波峰與波谷整合）、數(shù)據(jù)生命周期管理（比如進(jìn)行過期垃圾數(shù)據(jù)清除）等手段來節(jié)省成本。

3 調(diào)度系統(tǒng)及信息平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)

整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)中，上層應(yīng)用將專注于用戶交互和具體業(yè)務(wù)邏輯，信息平臺(tái)則側(cè)重于提供底層數(shù)據(jù)服務(wù)功能。借助于平臺(tái)靈活的組織架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、集成分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行深度整合與關(guān)聯(lián)，建立一整套包括數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算、挖掘、可視化呈現(xiàn)的技術(shù)服務(wù)體系，并在此基礎(chǔ)上提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)開發(fā)平臺(tái)完成用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)鑒權(quán)、工作流、監(jiān)控告警、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)開發(fā)等工作，實(shí)現(xiàn)一套完整數(shù)據(jù)服務(wù)虛擬平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)我國(guó)現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套虛擬共用安全信息平臺(tái)用以提供完整數(shù)據(jù)服務(wù)。通過對(duì)平臺(tái)四層邏輯結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述以及對(duì)平臺(tái)實(shí)施過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，分析得出信息平臺(tái)在統(tǒng)一接口、整合服務(wù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)等方面，具有較為顯著的改善作用；且其實(shí)現(xiàn)方式靈活，部署遷移簡(jiǎn)單，易擴(kuò)展，適合應(yīng)用于鐵路調(diào)度系統(tǒng)，有著較好的發(fā)展前景。

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