軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)集群設(shè)計(jì)

朱小龍 ，張興波 ，趙麗敏 ，陸 晨

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所 研究生部，北京 100083；2.北京國(guó)際系統(tǒng)控制有限公司，北京 100083；3.德州學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山東 德州253300）

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是原有各個(gè)單獨(dú)機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用集成，具有多子站、多子系統(tǒng)和地理分布分散的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其主要功能包括對(duì)設(shè)備的集中監(jiān)控和子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，一般綜合監(jiān)控系統(tǒng)由電力（PSCADA）、信號(hào)（SIG）、環(huán)控（BAS）、乘客信息（PIS）、乘客廣播（PA）、視頻監(jiān)控（CCTV）、火災(zāi)報(bào)警（FAS）、售檢票（AFC）、門(mén)禁（ACS）和屏蔽門(mén)（PSD）等子系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)庫(kù)是軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)交換和共享信息的直接載體。使用MySQL Cluster數(shù)據(jù)庫(kù)集群既能滿(mǎn)足系統(tǒng)較強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可用性的要求（NDB存儲(chǔ)引擎采用內(nèi)存表和無(wú)單點(diǎn)故障設(shè)計(jì)），又具有低成本、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 MySQL Cluster結(jié)構(gòu)

MySQL Cluster由若干個(gè)主機(jī)中內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)組成集群。各個(gè)主機(jī)之間無(wú)共享結(jié)構(gòu)，降低了分布式系統(tǒng)的硬件需求。在MySQL Cluster中，有3種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示為一個(gè)服務(wù)進(jìn)程。MySQL Cluster結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

管理節(jié)點(diǎn)：集群管理服務(wù)器，負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)參數(shù)、管理節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)和停止、運(yùn)行備份。節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)庫(kù)集群的整體配置信息，它必須在其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)程啟動(dòng)之前啟動(dòng)。

數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)：用于存儲(chǔ)集群的數(shù)據(jù)，集群的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)組（Data Group）的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，一個(gè)數(shù)據(jù)組中包含NoOfReplica個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)互為副本，數(shù)據(jù)組中單個(gè)副本節(jié)點(diǎn)故障不影響數(shù)據(jù)庫(kù)的正常使用。在集群中數(shù)據(jù)組按數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的nodeID順序排序來(lái)劃分，NoOfReplica取值范圍為1～4，目前NDB只支持取值1～2。

圖1 MySQL Cluster結(jié)構(gòu)圖

SQL節(jié)點(diǎn)：客戶(hù)端和外部API訪(fǎng)問(wèn)集群數(shù)據(jù)的接口服務(wù)器（MySQL Server）?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用的需求靈活配置和構(gòu)造，如讀寫(xiě)分離和負(fù)載均衡等。

1.2 集群復(fù)制

MySQL Cluster集群支持異步復(fù)制。復(fù)制結(jié)構(gòu)中包含主 服 務(wù) 器 （Master Server）和 從 服 務(wù) 器 （Slave Server）， 數(shù)據(jù)和操作由主服務(wù)器復(fù)制到從服務(wù)器中。NDB二進(jìn)制日志接口線(xiàn)程運(yùn)行在主、從服務(wù)器兩端將數(shù)據(jù)庫(kù)的變化存儲(chǔ)到二進(jìn)制格式的日志文件中，并通過(guò)復(fù)制通道，將主服務(wù)器的變化保存到從服務(wù)器中。集群復(fù)制如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)模型

在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)需要提供的數(shù)據(jù)功能包括：存儲(chǔ)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)狀態(tài)和信息，存儲(chǔ)設(shè)備及系統(tǒng)的配置參數(shù)（包括通信參數(shù)、設(shè)備信息、系統(tǒng)配置和權(quán)限配置等），存儲(chǔ)設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)（包括設(shè)備遙測(cè)或遙信值記錄、操作記錄等）。

數(shù)據(jù)模型參考IEC-61970標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)軌道交通綜合監(jiān)控應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì)公共對(duì)象接口模型CIM（Common Interface Model）做相應(yīng)的拓展設(shè)計(jì)。CIM是一個(gè)抽象模型，由描述系統(tǒng)的有關(guān)對(duì)象組成。這些對(duì)象又劃分成若干個(gè)邏輯包，每個(gè)邏輯包代表了整個(gè)系統(tǒng)模型的某個(gè)部分。核心包用于表示系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)或構(gòu)件；拓?fù)浒糜诒硎緲?gòu)件之間的連接關(guān)系；運(yùn)營(yíng)包用于描述人員、權(quán)限、財(cái)務(wù)等運(yùn)營(yíng)關(guān)系；量測(cè)包和SCADA包用于描述通信、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)，遙控等結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型組織圖如圖3所示。

（1）核心包（Core）：包括車(chē)站類(lèi)、子系統(tǒng)類(lèi)、區(qū)域類(lèi)、設(shè)備類(lèi)、設(shè)備端子類(lèi)。車(chē)站對(duì)象表示軌道交通線(xiàn)上的車(chē)站，一般分為正線(xiàn)車(chē)站和車(chē)輛段兩種類(lèi)型。有站號(hào)、站名等信息。區(qū)域?qū)ο蟊硎镜乩淼膮^(qū)域位置，主要有站廳、站臺(tái)、通道、隧道區(qū)間、大小端機(jī)房等，詳盡的區(qū)域描述有利于提高車(chē)站的應(yīng)急處理效率。子系統(tǒng)對(duì)象表示機(jī)電系統(tǒng)的功能和職責(zé)分類(lèi)，軌道交通綜合監(jiān)控中的子系統(tǒng)主要包括環(huán)控（BAS）、信號(hào)（SIG）、電力（PSCADA）、售檢票（AFC）、視頻監(jiān)控（CCTV）、乘客信息與廣播（PIS&PA）等，運(yùn)營(yíng)中各子系統(tǒng)各司其職，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。設(shè)備對(duì)象描述設(shè)備的基本信息：設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、車(chē)站、區(qū)域、子系統(tǒng)、設(shè)備類(lèi)型等。設(shè)備端子對(duì)象表示設(shè)備的連接屬性，一個(gè)設(shè)備可以對(duì)應(yīng)若干個(gè)設(shè)備連接端子。

（2）拓?fù)浒═opology）：用來(lái)描述設(shè)備的連接屬性，如軌道、道岔的連接，電力線(xiàn)路的連接等。主要包括連接節(jié)點(diǎn)類(lèi)、拓?fù)涔?jié)點(diǎn)類(lèi)和拓?fù)鋶u類(lèi)。設(shè)備都是通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)連接，如果在某個(gè)設(shè)備端子上存在多種連接方式（連接節(jié)點(diǎn)），則構(gòu)成拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，在同一時(shí)刻拓?fù)涔?jié)點(diǎn)上只有一種連接方式有效。若干個(gè)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)則構(gòu)成一個(gè)拓?fù)鋶u，拓?fù)鋶u即為統(tǒng)籌的聯(lián)鎖區(qū)。

（3）運(yùn)營(yíng)包（Operation）：包括員工、部門(mén)、權(quán)限等信息。其中用戶(hù)對(duì)象用來(lái)描述用戶(hù)的信息，部門(mén)對(duì)象用來(lái)描述運(yùn)營(yíng)層面職能部門(mén)的信息，權(quán)限對(duì)象則用于全局的用戶(hù)權(quán)限管理和系統(tǒng)權(quán)限認(rèn)證功能。

（4）量測(cè)和 SCADA 包（Measure&SCADA）：量測(cè)和 SCADA包是系統(tǒng)的核心模塊，描述量測(cè)相關(guān)信息。通信對(duì)象和RTU對(duì)象表示SCADA通信的基本參數(shù)，遙測(cè)類(lèi)是模擬量輸入，累計(jì)量輸入和狀態(tài)量輸入的父類(lèi)?？刂祁?lèi)是設(shè)定點(diǎn)類(lèi)和狀態(tài)量輸出類(lèi)的父類(lèi)。每個(gè)控制對(duì)象和遙測(cè)對(duì)象需要對(duì)應(yīng)到具體的設(shè)備及設(shè)備端子上才具有實(shí)際的意義。

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)象的信息和關(guān)系，將其映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模式。獨(dú)立性比較強(qiáng)的對(duì)象，映射為數(shù)據(jù)模式中的實(shí)體；對(duì)于依附于其他對(duì)象才有實(shí)際意義，或者具有一對(duì)一關(guān)系的對(duì)象，則映射為實(shí)體的屬性；而那些具有多對(duì)多關(guān)系的對(duì)象，則直接映射為數(shù)據(jù)模式中的關(guān)系。

3 集群實(shí)現(xiàn)

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)一般分成中心和車(chē)站兩層結(jié)構(gòu)，主要的操作都在控制中心上完成，特殊情況下操作權(quán)限可以下放到車(chē)站，以便車(chē)站進(jìn)行就地控制。集群的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置在中心和車(chē)站，減輕系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)的可用性。另外，在控制中心一般還會(huì)設(shè)置一個(gè)備用中心，防止控制中心因服務(wù)器故障而失效。將備用中心配置成集群的數(shù)據(jù)復(fù)制，如果中心服務(wù)器發(fā)生故障，系統(tǒng)可以啟用中心備用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，保證正常運(yùn)行。集群結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 集群結(jié)構(gòu)圖

MySQL Cluster數(shù)據(jù)庫(kù)集群有多個(gè)版本的安裝文件，本例中采用免安裝的Windows版本。這個(gè)版本的安裝過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只需要拷貝程序文件和配置文件即可。默認(rèn) 的 程 序 集 文 件 的 路 徑 為 C：mysql或 C：Program FilesMySQLMySQL Server5.6。管理節(jié)點(diǎn)上需要的程序文件為（ndb_mgmd.exe和 ndb_mgm.exe，后者為可選項(xiàng)），配置文件config.ini中需要包含節(jié)點(diǎn)信息（主機(jī)名、IP地址和節(jié)點(diǎn)類(lèi)型等），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)存和索引存儲(chǔ)內(nèi)存分配，數(shù)據(jù)文件和日志文件配置），數(shù)據(jù)組節(jié)點(diǎn)數(shù)量（NoOfReplica）等。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上需要的程序文件是ndbd.exe或者ndbmtd.exe，配置文件中只需說(shuō)明集群連接屬性（ndb-connectstring=管理節(jié)點(diǎn)IP地址：端口號(hào)，端口號(hào)默認(rèn)為1186）。SQL節(jié)點(diǎn)拷貝完全的免安裝文件，配置文件my.ini中只需說(shuō)明集群連接屬性和存儲(chǔ)引擎參數(shù)即可（ndbcluster ndb-connectstring=管理節(jié)點(diǎn) IP：1186）。 模型系統(tǒng)配置如表1所示。

主集群安裝完成后，使用MySQL Sever Windows安裝文件（msi文件）安裝中心備用數(shù)據(jù)庫(kù)。備用數(shù)據(jù)庫(kù)不采用MySQL Cluster集群結(jié)構(gòu)，以防止由于集群管理節(jié)點(diǎn)故障而導(dǎo)致整個(gè)集群失效。設(shè)置備用數(shù)據(jù)庫(kù)為主集群的復(fù)制。

4 實(shí)際應(yīng)用

按上述步驟安裝數(shù)據(jù)庫(kù)集群，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模式建立數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表。在實(shí)際應(yīng)用中不僅需要記錄量測(cè)和SCADA數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，還需要記錄其歷史運(yùn)行記錄，按照其特點(diǎn)分別創(chuàng)建參數(shù)庫(kù)SysPara、實(shí)時(shí)庫(kù)RealScada和歷史庫(kù)HisRecord 3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。參數(shù)庫(kù)包含核心包、運(yùn)營(yíng)包、量測(cè)包和SCADA包的通信鏈路表、RTU表、限值表、報(bào)警組表等信息；實(shí)時(shí)庫(kù)包含量測(cè)包和SCADA包的大部分具有實(shí)時(shí)內(nèi)容的部分以及實(shí)時(shí)報(bào)警表、拓?fù)浒膬?nèi)容；歷史庫(kù)主要是從實(shí)時(shí)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和用戶(hù)操作記錄表等信息。將3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立在集群的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，參數(shù)庫(kù)和歷史庫(kù)采用磁盤(pán)表存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)庫(kù)采用內(nèi)存表存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)是綜合監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，選用以上設(shè)計(jì)是因?yàn)镮EC-61970的公共數(shù)據(jù)接口模型具有良好的結(jié)構(gòu)性和規(guī)范性，以及MySQL Cluster數(shù)據(jù)庫(kù)軟件高實(shí)時(shí)性、高可用性和易拓展的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)庫(kù)集群也表現(xiàn)出較好的性能，能夠滿(mǎn)足軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一般要求。但是在負(fù)載和性能方面，數(shù)據(jù)庫(kù)集群還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

[1]金紫蘅.從雙機(jī)到四機(jī)中MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)高可用性實(shí)現(xiàn)方法[J].中國(guó)科技信息，2011（16）：91，96.

[2]程鵬，劉偉.電力SCADA系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（z1）：132-136.

[3]張慎明，劉國(guó)定.IEC61970標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002（14）：1-6.

[4]唐漢明，翟振興，蘭麗華.深入淺出MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、優(yōu)化與管理維護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2008.