基于J2EE 架構(gòu)的鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

郭利軍，張治國(guó)，趙翔彥，杜巧玲

（西安交通工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，陜西西安 710300）

鐵路在區(qū)間的運(yùn)載能力和運(yùn)行安全，直接關(guān)系到整個(gè)鐵路系統(tǒng)的高效、正常運(yùn)行。在區(qū)間內(nèi)，對(duì)鐵路進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)與采集是保證鐵路可靠運(yùn)輸?shù)闹匾蛩?。因此，為了保證鐵路信號(hào)系統(tǒng)安全、可靠，必須采用科學(xué)、精確的監(jiān)測(cè)方法，以取代目前僅憑專家經(jīng)驗(yàn)而估計(jì)的方法。當(dāng)前鐵路的監(jiān)測(cè)采集方法主要有基于文本的抽取方法和基于貝葉斯推理的采集方法。其中，前者采用統(tǒng)一標(biāo)注命名實(shí)體，構(gòu)建信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集模型，通過(guò)多維字符特征識(shí)別命名實(shí)體，以實(shí)現(xiàn)鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集[1]；而后者首先確定各個(gè)邏輯層之間的關(guān)系，根據(jù)攻擊不確定性構(gòu)建貝葉斯攻擊圖模型。在該模型下，結(jié)合故障信號(hào)出現(xiàn)概率，實(shí)現(xiàn)鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集[2]?，F(xiàn)有的這些方法雖然能監(jiān)測(cè)海量信號(hào)，但由于信號(hào)屬性各異，易造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散，無(wú)法全面有效利用，影響監(jiān)測(cè)采集結(jié)果，為此，提出了基于J2EE 架構(gòu)的鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)是基于J2EE的分布式架構(gòu)，主要是由表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層三個(gè)層次組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 表示層

表示層是一個(gè)交互終端，由應(yīng)用程序?yàn)槭褂谜咛峁┙换ソ缑?，該交互界面只具有輸入信息和輸出信息功能，自身不能?shí)現(xiàn)任何信息自動(dòng)處理動(dòng)作。使用者可以利用多個(gè)終端進(jìn)行交互，獲取和接收信息[3]。在操作界面中，使用者首先登錄自己的賬號(hào)，然后在首頁(yè)輸入鐵路區(qū)間運(yùn)行實(shí)際情況信息，最后將該信息傳送至邏輯層，方便使用者查看。

1.2 邏輯層

邏輯層的主要功能是首先對(duì)表示層中的數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯和權(quán)限的檢驗(yàn)、分析；再將分析結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)層[4]；最后在邏輯層利用檢索引擎調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一查詢與分析。

1.2.1 應(yīng)用服務(wù)器

應(yīng)用服務(wù)器采用J2EE 的負(fù)載平衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路區(qū)間信號(hào)的集中管理[5]。為了保證J2EE 架構(gòu)應(yīng)用的安全性，并解決訪問(wèn)控制問(wèn)題，需在應(yīng)用服務(wù)器中設(shè)置一個(gè)安全性許可結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 應(yīng)用服務(wù)器安全授權(quán)框架

在J2EE 應(yīng)用程序服務(wù)器中，部署了一個(gè)安全策略執(zhí)行點(diǎn)。策略執(zhí)行點(diǎn)擔(dān)任訪問(wèn)者身份，當(dāng)一個(gè)信號(hào)被存取時(shí)，它將一個(gè)存取請(qǐng)求傳送給存取控制系統(tǒng)[6]。訪問(wèn)控制管理程序?qū)γ總€(gè)策略執(zhí)行點(diǎn)的訪問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給策略執(zhí)行點(diǎn)[7-8]。

1.2.2 區(qū)段終端監(jiān)測(cè)機(jī)

區(qū)段終端監(jiān)測(cè)機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)所管轄區(qū)域內(nèi)的信息進(jìn)行管理、查詢，并能實(shí)時(shí)地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信狀況。區(qū)段終端監(jiān)測(cè)機(jī)通過(guò)透鏡產(chǎn)生的光學(xué)圖像將光線（場(chǎng)景）投影到圖像檢測(cè)表面，并將圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)形式，通過(guò)計(jì)算機(jī)可直接訪問(wèn)電信號(hào)，也可以通過(guò)解碼設(shè)備解析電信號(hào)[9]。該裝置是信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組件，主要作用是管理網(wǎng)絡(luò)，并維護(hù)和監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備[10]。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是由站機(jī)、采集機(jī)、隔離轉(zhuǎn)換單元等結(jié)構(gòu)組成的，主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、歸類和處理。其中，站機(jī)負(fù)責(zé)分類存儲(chǔ)信號(hào)，再由采集機(jī)預(yù)處理采集到的信號(hào)，最后再由隔離轉(zhuǎn)換單元將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬量的轉(zhuǎn)換[11]。

數(shù)據(jù)層采用信號(hào)采集機(jī)，也稱為盤點(diǎn)設(shè)備，它的主要功能是把條碼掃描設(shè)備與數(shù)據(jù)終端結(jié)合起來(lái)[12]。在該裝置中，利用數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，完成海量數(shù)據(jù)緩沖，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)

鐵路區(qū)間信號(hào)的變換是從開始到讀取的非同步處理[13-14]。在鐵路間信號(hào)變換過(guò)程中查詢變換后的標(biāo)志位，待所有標(biāo)志位狀態(tài)都已完成，即可直接讀取。這一過(guò)程中，信號(hào)的變換易造成系統(tǒng)的死鎖。為解決該問(wèn)題，在程序中引入多線程技術(shù)是可行的。

鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)是由主線程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該主線程以時(shí)間為核心，用兩個(gè)子線程來(lái)完成區(qū)間信號(hào)的集中監(jiān)測(cè)，如圖3 所示。

圖3 區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)線程

在完成了一個(gè)線程以后，兩個(gè)子線程獨(dú)立存在，其中任意一個(gè)子線程都將共享該虛擬地址，因此，可以通過(guò)虛擬地址監(jiān)控整個(gè)進(jìn)程的所有位元[15-16]。通過(guò)主線程能夠監(jiān)測(cè)子線程，并利用全局標(biāo)記，這種方法可以有效地解決在鐵路區(qū)間信號(hào)切換時(shí)的卡頓和不能快速反應(yīng)的問(wèn)題，顯著提升整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。

2.2 鐵路區(qū)間信號(hào)集中采集流程設(shè)計(jì)

通過(guò)時(shí)間線，主線程能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)，依據(jù)該監(jiān)測(cè)線程設(shè)計(jì)詳細(xì)采集流程，步驟為：

步驟1：信號(hào)采集服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到通信服務(wù)器中，命令通信服務(wù)器監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)；在此數(shù)據(jù)請(qǐng)求被傳輸之前，應(yīng)加密處理發(fā)送的內(nèi)容，該內(nèi)容包括被證實(shí)的完整信息和被驗(yàn)證的安全信息。該過(guò)程的詳細(xì)內(nèi)容為：假設(shè)前方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)與后方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)通過(guò)某條傳輸路徑獲取的密鑰協(xié)商共用參數(shù)為α和β，則密鑰協(xié)商過(guò)程為：

前方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)選擇一個(gè)比較大的隨機(jī)信號(hào)i∈[1,n-1]，同時(shí)選擇其他隨機(jī)信號(hào)λx1,λx2,…,λxj，使其符合：

式中，λ為隨機(jī)選擇參數(shù)。

在所選的路徑上向后方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)傳輸集中監(jiān)測(cè)的信號(hào)，選擇一個(gè)比較大的隨機(jī)信號(hào)k∈[1,n-1]，同時(shí)選擇其他隨機(jī)信號(hào)λy1,λy2,…,λyj，使其符合：

前方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)采用數(shù)據(jù)密鑰c加密需要采集的數(shù)據(jù)，假設(shè)鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)包為η，則需要加密處理的數(shù)據(jù)密文可表示為：

式中，Tc為前方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)利用自身私鑰對(duì)數(shù)據(jù)的簽名處理，方便后方站進(jìn)站信號(hào)機(jī)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集加密分片。

步驟2：對(duì)于經(jīng)過(guò)加密處理后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)通信服務(wù)器向監(jiān)控終端發(fā)送監(jiān)測(cè)請(qǐng)求；

步驟3：鐵路信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)依照各自的原始協(xié)議格式，響應(yīng)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回至信號(hào)通信服務(wù)器中；

步驟4：對(duì)接收到的各種協(xié)議形式的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，將分析后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集整理為統(tǒng)一格式；

步驟5：鐵路信號(hào)通信服務(wù)器向采集服務(wù)器發(fā)送具有統(tǒng)一格式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[17-18]，由此完成鐵路區(qū)間信號(hào)的集中監(jiān)測(cè)與采集。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中研究的中心區(qū)間線路為A-B 段，全長(zhǎng)37.50 km，其中端A 中心里程為237.50 km，端B 的中心里程為275.50 km。以此為研究目標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在J2EE 框架下，建立鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)的可靠性和安全性測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)，以達(dá)到開發(fā)軌道信號(hào)的目的。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鐵路運(yùn)行經(jīng)歷的天氣不具有單一性，導(dǎo)致鐵路區(qū)間信號(hào)采集結(jié)果出現(xiàn)的波動(dòng)性較大。信號(hào)波動(dòng)頻率主要有兩種情況：

情況一：當(dāng)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)波動(dòng)處于正常范圍時(shí)，說(shuō)明頻率波動(dòng)具有一定規(guī)律性；

情況二：頻率波動(dòng)陡變程度較大。基于此，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5 所示。以圖5 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別使用基于文本的抽取方法、基于貝葉斯推理的采集方法和基于J2EE 架構(gòu)的監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

圖5 實(shí)際數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)情況一，分別使用三種方法對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)采集頻率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 情況一下的監(jiān)測(cè)采集頻率對(duì)比分析

由圖6(a)、(b)方法采集到的信號(hào)頻率波動(dòng)不具有規(guī)律性，這兩種方法波動(dòng)頻率范圍分別為-7～4 Hz和-4～3 Hz；使用文中方法采集到的信號(hào)頻率波動(dòng)具有一定規(guī)律性，波動(dòng)頻率范圍為-5～5 Hz，與圖5 所示實(shí)際波動(dòng)范圍一致。

針對(duì)情況二，分別使用三種方法對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)采集頻率對(duì)比分析，結(jié)果如圖7 所示。圖7(a)、(b)方法采集到的信號(hào)波動(dòng)頻率部分波動(dòng)陡變程度較大；使用文中方法頻率波動(dòng)范圍為-10～10 Hz，波動(dòng)頻率波動(dòng)陡變程度較大，與圖5 實(shí)際波動(dòng)范圍一致。

圖7 情況二下的監(jiān)測(cè)采集頻率對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

采用J2EE 架構(gòu)開發(fā)的鐵路區(qū)間信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，取得了較好的效果。該系統(tǒng)不但能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、收集，而且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過(guò)程的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換，為以后的企業(yè)平臺(tái)建設(shè)預(yù)留數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)接口，確保了企業(yè)信息系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性。