GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)外共享方法研究

孫啟民 鄧麗賢 胡莉麗

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070 2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

截至2016年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2萬(wàn)多km。2017年9月，隨著復(fù)興號(hào)投入運(yùn)營(yíng)，部分高鐵線路恢復(fù)到時(shí)速350 km的高速運(yùn)營(yíng)模式。面對(duì)世界上規(guī)模最大、速度遙遙領(lǐng)先的中國(guó)高速鐵路網(wǎng)，如何快速準(zhǔn)確的定位、解決列車運(yùn)行過(guò)程中的通信超時(shí)故障，確保高鐵列車安全穩(wěn)定的運(yùn)行，成為鐵路電務(wù)運(yùn)維工作的重中之重。

我國(guó)時(shí)速300 km以上的列車通過(guò)CTCS-3(簡(jiǎn)稱C3)列控系統(tǒng)進(jìn)行控制，C3列控系統(tǒng)基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載列車與地面數(shù)據(jù)的交互。為有效監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行過(guò)程中的交互數(shù)據(jù)，所有時(shí)速300 km以上的線路均已部署GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）。因此在分析高鐵列車通信超時(shí)故障時(shí)，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最主要的數(shù)據(jù)來(lái)源。為提高運(yùn)維效率，目前全路正在加快各類運(yùn)維支撐系統(tǒng)、故障智能分析系統(tǒng)的研發(fā)、部署，這些系統(tǒng)在進(jìn)行高鐵通信超時(shí)故障分析時(shí)，均需要從接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)，因此研究如何將接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)、高效的共享給外部系統(tǒng)，成為當(dāng)前接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一個(gè)亟待解決的課題。

2 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)概述

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電路域、分組域及7號(hào)信令網(wǎng)三部分的監(jiān)測(cè)[1]，而C3列控業(yè)務(wù)主要分布在電路域相關(guān)接口，因此下文中描述的接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為電路域部分。電路域接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)C3列控?zé)o線通信相關(guān)的Igsm-r、Um、Abis、A、PRI等接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具備接口數(shù)據(jù)采集、解析、關(guān)聯(lián)、存儲(chǔ)、查詢、故障分析及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析等基本功能，是GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員進(jìn)行C3無(wú)線超時(shí)問(wèn)題分析的主要工具。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)、系統(tǒng)同步、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)管、綜合分析和各單接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，其中單接口處理部分又包括Igsm-r接口、Um接口、Abis接口、A接口和PRI接口子系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Interface monitoring system strucure

2.3 數(shù)據(jù)分布

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電路域各接口采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)量均不相同，各接口數(shù)據(jù)分布情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分布表Tab.1 Data distribution

由表1中結(jié)果看出，各接口數(shù)據(jù)量分布不均，但單日數(shù)據(jù)量均達(dá)到或超過(guò)千萬(wàn)級(jí)。

3 接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享的意義

從接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布可知，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠全程監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于列車的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

鐵路運(yùn)維系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分，包括運(yùn)輸組織業(yè)務(wù)、固定設(shè)施運(yùn)維、移動(dòng)設(shè)備運(yùn)維、鐵路運(yùn)輸安全、客貨營(yíng)銷服務(wù)等業(yè)務(wù)，子系統(tǒng)又細(xì)分為電務(wù)管理、車輛管理、客站運(yùn)維、行車安全監(jiān)控、車號(hào)識(shí)別、安全管理等[2]。運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)從接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取各接口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行車號(hào)識(shí)別、故障處理等，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、預(yù)警，可以為鐵路運(yùn)維業(yè)務(wù)提供安全信息綜合分析及決策支持。

無(wú)線超時(shí)故障智能診斷系統(tǒng)主要用于車輛運(yùn)行過(guò)程的用戶信息識(shí)別、運(yùn)行故障數(shù)據(jù)分析和定位，并提供解決方案。智能診斷系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各接口的信令、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、切換和測(cè)量報(bào)告等數(shù)據(jù)的研究和分析，可以形成自己的故障專家知識(shí)庫(kù)。故障專家知識(shí)庫(kù)中包含各種檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、圖庫(kù)、算法標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，是智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障分析和診斷的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)[3]。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源，為智能診斷系統(tǒng)提供各個(gè)接口數(shù)據(jù)。

由此可見(jiàn)，接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在鐵路運(yùn)維方面具有重要的意義。選擇何種方式將接口監(jiān)測(cè)的大規(guī)模數(shù)據(jù)向外共享，將對(duì)數(shù)據(jù)共享及使用效率具有很大影響。

4 數(shù)據(jù)共享方法研究

4.1 共享方法簡(jiǎn)介

常用的數(shù)據(jù)共享方法有Socket通信、TCP/IP+FTP文件共享、數(shù)據(jù)庫(kù)共享、共享內(nèi)存、Web Service服務(wù)、U盤拷貝等。

1）Socket通信

Socket通信方式是指通過(guò)TCP/IP協(xié)議在子系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。雙方通過(guò)IP地址和端口號(hào)建立通信鏈路，再按照約定協(xié)議收發(fā)和解析數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等因素的影響，可能還需要一定的策略保障安全可靠傳輸。

2）TCP/IP+FTP文件共享

FTP協(xié)議又稱為文件傳輸協(xié)議，是應(yīng)用層協(xié)議之一，提供客戶端和服務(wù)器間文件雙向傳輸。雙方系統(tǒng)需要約定文件服務(wù)器地址、文件命名規(guī)則、文件內(nèi)容格式等，并告知對(duì)方文件服務(wù)器的用戶名、密碼、文件上傳路徑等。FTP文件共享方式同時(shí)存在數(shù)據(jù)連接和控制連接，控制連接通常使用TCP/IP協(xié)議，發(fā)送交互命令和相應(yīng)狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)連接使用FTP，用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)共享

數(shù)據(jù)庫(kù)共享方式是指兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的同一個(gè)表進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享。使用數(shù)據(jù)庫(kù)共享數(shù)據(jù)時(shí)，需要合理管理外部系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限。系統(tǒng)間訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，互斥鎖將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)共享的效率。

4）共享內(nèi)存

共享內(nèi)存方式是指不同的進(jìn)程利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公共內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。各個(gè)進(jìn)程將該公共內(nèi)存映射到自己的私有地址空間，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，即可進(jìn)行內(nèi)存的訪問(wèn)。由于多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一塊內(nèi)存，因此需要依靠同步機(jī)制來(lái)保證訪問(wèn)數(shù)據(jù)的正確性。

5）Web Service服務(wù)

Web Service也稱為XML Web Service，是一種跨語(yǔ)言跨操作平臺(tái)的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)，用XML+XSD、SOAP和 WSDL三 大 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn)[4]。Web Service采用XML格式封裝數(shù)據(jù)，封裝后的數(shù)據(jù)加上說(shuō)明格式的HTTP消息頭，HTTP消息頭和XML內(nèi)容格式就是SOAP（Simple Object Access Protocol）協(xié)議[5]。WSDL(Web Services Description Language）基于XML語(yǔ)言，用于描述Web Service及其函數(shù)、參數(shù)和返回值。WSDL文件保存在Web服務(wù)器上，通過(guò)URL地址即可訪問(wèn)。Web Service服務(wù)提供商可以通過(guò)注冊(cè)到UDDI服務(wù)器或直接告知客戶端調(diào)用者的方式為客戶端提供WSDL的URL地址?？蛻舳烁鶕?jù)URL地址向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，服務(wù)器接收請(qǐng)求后，進(jìn)行相應(yīng)處理并將數(shù)據(jù)結(jié)果返回到客戶端。

6）U盤拷貝

U盤拷貝方式最為傳統(tǒng)，需要被請(qǐng)求方將請(qǐng)求數(shù)據(jù)生成文件，保存在某一路徑，操作人員直接將數(shù)據(jù)文件拷貝至請(qǐng)求方服務(wù)器指定路徑。

4.2 共享方法比對(duì)

從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、實(shí)時(shí)性、可靠性、帶寬、硬件要求、安全性等方面對(duì)以上幾種方法進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)共享方法比對(duì)Tab.2 Comparison among data sharing methods

4.3 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)外共享方法

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需支持向多個(gè)外部系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，且接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)外共享的數(shù)據(jù)量較大，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向外部系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)。

1）接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)部署于不同的設(shè)備。

2）數(shù)據(jù)量大，單次請(qǐng)求數(shù)據(jù)條數(shù)在十萬(wàn)級(jí)，可能高達(dá)百萬(wàn)級(jí)；每條數(shù)據(jù)可能有多個(gè)字段，總長(zhǎng)度不超過(guò)5 000Byte；如用文件存儲(chǔ)，文件總數(shù)通常為幾十個(gè)，多達(dá)千個(gè)。

3）數(shù)據(jù)通常用于做離線分析，實(shí)時(shí)性要求不高。

4）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求高。

結(jié)合接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)外共享數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，綜合考慮前文中提到的6種數(shù)據(jù)共享方式，分析如下。

1）使用Socket共享全部數(shù)據(jù)可能會(huì)占用過(guò)多帶寬，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)擁堵，并且需要處理數(shù)據(jù)拆包組包等，增加運(yùn)算，降低執(zhí)行效率。

2）TCP/IP+FTP方式需要建立Socket連接，用TCP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求、執(zhí)行狀態(tài)等控制信息，數(shù)據(jù)文件全部用FTP傳送，不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)造成過(guò)多壓力。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)方式十分高效，直接共享數(shù)據(jù)表，但外部系統(tǒng)訪問(wèn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，存在安全隱患。

4）共享內(nèi)存方式適用于兩個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程部署于同一臺(tái)硬件設(shè)備，而接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和其他外部系統(tǒng)分別部署在不同的服務(wù)器，因此不能采用內(nèi)存共享方式。

5）Web service優(yōu)點(diǎn)在跨平臺(tái)的互操作性，多機(jī)數(shù)據(jù)傳送效率低于Socket。

6）U盤拷貝方式低速可靠，但是在數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)文件眾多的情況下，依靠人工導(dǎo)出導(dǎo)入數(shù)據(jù)，效率太低，極易因?yàn)椴僮魅藛T失誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享失敗。

通過(guò)各種處理方式的適用性對(duì)比，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終采用TCP/IP+FTP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

為完成數(shù)據(jù)共享，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要增設(shè)接口網(wǎng)關(guān)和FTP文件服務(wù)器，其中接口網(wǎng)關(guān)僅用于數(shù)據(jù)共享時(shí)的TCP/IP交互。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加入接口網(wǎng)關(guān)和FTP服務(wù)器后，與外部系統(tǒng)之間的連接關(guān)系如圖2所示。

以圖2中外部系統(tǒng)請(qǐng)求接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求流程進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。此時(shí)，外部系統(tǒng)接口網(wǎng)關(guān)、接口監(jiān)測(cè)接口網(wǎng)關(guān)同時(shí)作為客戶端和服務(wù)器，接口監(jiān)測(cè)綜合分析子系統(tǒng)作為服務(wù)器，外部數(shù)據(jù)請(qǐng)求系統(tǒng)作為客戶端。

數(shù)據(jù)請(qǐng)求、生成、上傳、下載簡(jiǎn)要步驟如下。

1）外部系統(tǒng)向外部系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)、外部系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)向接口監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)、接口監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)向接口監(jiān)測(cè)內(nèi)部子系統(tǒng)依次發(fā)送TCP連接請(qǐng)求。

2）如連接成功，外部系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，經(jīng)由外部系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)部子系統(tǒng)。如連接失敗，則進(jìn)行指定次數(shù)的重連；經(jīng)過(guò)重連仍不成功，斷開(kāi)連接，不再繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。

3）接口監(jiān)測(cè)內(nèi)部子系統(tǒng)校驗(yàn)查詢請(qǐng)求的合規(guī)性，如符合約定協(xié)議，則返回請(qǐng)求確認(rèn)消息，并執(zhí)行查詢；如不符合協(xié)議，則返回錯(cuò)誤消息。接口網(wǎng)關(guān)將該消息轉(zhuǎn)發(fā)至外部系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。

4）接口監(jiān)測(cè)內(nèi)部子系統(tǒng)執(zhí)行查詢且查詢成功后，生成數(shù)據(jù)文件，并上傳至接口監(jiān)測(cè)FTP文件服務(wù)器，同時(shí)發(fā)送文件處理成功消息；如不成功，則返回錯(cuò)誤消息。接口監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)將該消息轉(zhuǎn)發(fā)至外部系統(tǒng)接口網(wǎng)關(guān)，并由外部系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)送給外部系統(tǒng)。

5）外部系統(tǒng)收到返回消息后，如為成功消息，則根據(jù)消息向接口監(jiān)測(cè)FTP文件服務(wù)器請(qǐng)求下載文件至本地；如為失敗消息，則根據(jù)實(shí)際需求，斷開(kāi)連接或者重新發(fā)送請(qǐng)求。如斷開(kāi)請(qǐng)求，則不再執(zhí)行后續(xù)步驟；如重新發(fā)送請(qǐng)求，則返回step1。

6）外部系統(tǒng)下載文件。文件下載成功，斷開(kāi)連接；下載失敗，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖2 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互圖Fig.2 Data interaction between interface monitoring system and external systems

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比了文件共享的幾種常見(jiàn)方式，結(jié)合接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，選取“TCP/IP+FTP”方式進(jìn)行向外部系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，并簡(jiǎn)要闡述數(shù)據(jù)交互流程?！癟CP/IP+FTP”方式可以滿足目前系統(tǒng)需求，隨著數(shù)據(jù)量增加、數(shù)據(jù)格式豐富，尚需要對(duì)數(shù)據(jù)共享的處理方式進(jìn)一步改進(jìn)及完善。

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