鐵路調度系統(tǒng)中虛擬共用信息平臺研究

趙宏濤，王 濤，張 琦

（1. 中國鐵道科學研究院，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

鐵路調度系統(tǒng)是在鐵路運輸生產過程中，為了保證完成運輸計劃、實現列車運行圖而綜合運用計算機技術、網絡通信技術和現代控制技術等先進技術手段，以列車運行調整為中心，兼顧列車與調車作業(yè)的高度自動化和智能化的調度指揮和控制系統(tǒng)[1]。我國現有調度系統(tǒng)正在向著信息密集化系統(tǒng)轉變：各子系統(tǒng)陸續(xù)建成并投入使用，包括全路TDMS/CTC、ATIS、現車系統(tǒng)等；海量數據在日常調度指揮和行車運營中產生，包括列車實際運行圖、基本圖、日班計劃、車輛編組信息及信號設備狀態(tài)等；大量設備終端皆需要與后臺數據庫進行信息交互。新技術的應用不可避免地伴隨著新問題的產生：各模塊間信息交流量少，資源共享利用率低、實時性差且易產生信息孤島；海量數據必然引入效率、安全與可靠性等方面的問題；各應用終端直接訪問數據庫，大量頻繁并發(fā)的短連接極易造成數據讀寫效率的低下。因此設計一套虛擬共用安全信息平臺，為系統(tǒng)提供公共的、可靠安全且高效的數據服務，成為了調度系統(tǒng)的迫切需要。

1 平臺設計

虛擬共用信息平臺是一套整合調度系統(tǒng)各邏輯子系統(tǒng)、子模塊信息資源，按一定標準規(guī)范和協(xié)議格式完成多元異構數據的接入、存儲、分發(fā)、整理和挖掘等功能，并面向外部應用提供安全可靠和高效的數據服務的完整物理系統(tǒng)。平臺采用集中控制管理與分布存儲相結合的體系結構，通過用戶身份認證、權限隔離、數據加密等安全保障技術，依靠負載均衡模塊來協(xié)調眾多邏輯讀寫單元連接物理存儲數據層。研究建立虛擬共用信息平臺是調度系統(tǒng)進行信息整合的技術保障，是實現我國鐵路調度系統(tǒng)高速發(fā)展的關鍵。

虛擬，意味著透明、異構和分布。從邏輯層面來說，平臺內部結構對外部應用是透明的，用戶不需要關心數據存儲位置、系統(tǒng)調用關系等信息，只需要按照約定連接方式和協(xié)議讀寫數據即可；而從物理層面來講，平臺本身的各模塊、數據源可能分布在不同的地理位置，由不同廠商產品以不同格式和協(xié)議組成，例如：數據信息可能存儲在Oracle的關系數據庫中，也可能以XML格式保存在文件系統(tǒng)當中。對各數據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提供了可能。透明保證了平臺的完整和統(tǒng)一；異構可以使現有系統(tǒng)以較少代價融合進新的平臺；而分布則提供了數據安全和系統(tǒng)性能。

共用，意味著平臺提供統(tǒng)一的接入代理以實現數據格式的統(tǒng)一和子系統(tǒng)的接入。平臺的服務對象為特定外部應用，采集信息以通用格式進行融合，并提供信息安全服務。

1.1 平臺設計原則

本文對平臺的總體設計原則總結為通用、安全和高效。

通用原則不僅表明平臺對少量修飾后的已有系統(tǒng)和未來技術擴展的極大兼容，更表明平臺在數據格式、業(yè)務流程、系統(tǒng)架構和接口定義等方面標準的統(tǒng)一。統(tǒng)一標準可以擴大平臺的應用領域和適用范圍，也為平臺的推廣奠定基礎。

調度系統(tǒng)是鐵路日常運輸組織的指揮中樞，確保調度系統(tǒng)安全，首要任務是確保系統(tǒng)中數據的安全。安全設計理念應該從平臺設計初期就考慮進去，并貫穿產品開發(fā)的整個周期。

平臺的高效性指平臺并發(fā)處理數據的能力。調度算法、參數設置、異常處理和安全級別等因素均對處理效率產生影響。

1.2 平臺架構

根據平臺設計總體原則及已有類似系統(tǒng)實現經驗[2]，設計虛擬共用信息平臺由4層結構組成。如圖1所示。

圖1 虛擬通用信息平臺系統(tǒng)架構

安全應用層：負責完成外部應用接入、對外連接代理、數據挖掘和威脅屏蔽隔離4項功能。具體主業(yè)務邏輯（前兩項）由應用層實現，包括：登錄連接、查詢操作、讀寫操作等需要與外部應用溝通的處理步驟。數據挖掘功能由挖掘模塊提供，借助于人工智能和機器學習等技術，通過關聯(lián)分析、規(guī)律尋找和表示，挖掘模塊從數據庫的大量數據中揭示出隱含的、先前未知的并有潛在價值的信息，為日后的行車調度優(yōu)化調整提供依據。應用層被安全層完整包裹以保障數據安全和平臺安全，用戶認證鑒權等安全操作在安全層實現。本邏輯層不關心數據的具體表示形式，只要各類應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據源。具體數據服務發(fā)布形式將在下章詳述。

負載均衡層：依據調度策略將上層接入的工作任務（負載）進行平衡、分攤到多個讀寫操作單元上進行實施從而共同完成工作任務，提高系統(tǒng)的整體處理能力。具體策略可以參考多重負載策略進行任務調度，包括隨機策略、公約輪循策略、最少活躍調度策略和一致性哈希策略等。數據整理優(yōu)化模塊是對日常采集的數據進行檢驗、歸類編碼和結構調整的單元，是數據統(tǒng)計分析的基礎，可以減少存儲空間、提升查詢效率。因為其需要從語義層面查找數據的內在聯(lián)系，而非原數據（Raw Data）級別的操作，故設置在負載均衡層實現，在資源占用率較低時運行。

邏輯讀寫：層包含大量針對不同數據源的讀寫單元和一套協(xié)議轉換模塊。借助于協(xié)議轉換層在各類原始協(xié)議與平臺存儲統(tǒng)一協(xié)議間的轉換，分布、并行讀寫單元直接且有針對性地操作對應的底層數據源，實現直連功能。讀寫單元的數量以最大限度挖掘系統(tǒng)潛能為依據。

物理存儲層：是平臺內部以及外部應用系統(tǒng)中數據流的最終靜態(tài)存儲單元。數據以原鐵道部部標或特定統(tǒng)一協(xié)議存儲，存儲介質可以為關系數據庫，也可以是XML格式數據源或文件系統(tǒng)，依賴于平臺應用環(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據集合，提升查詢速度。

平臺數據流按圖1所示協(xié)議和方向流動。

2 關鍵問題研究

2.1 平臺數據的獲取、存儲及計算

平臺數據來源于外置的信息采集單元和各外部應用系統(tǒng)的輸入。隨著平臺應用范圍的擴大，其所采用的通用協(xié)議將被更多外部系統(tǒng)所采納，信息的表達和數據的傳輸也將更加直接和高效。

在平臺數據量超過單機承載能力時，一般會采用分布式存儲，其在擴展性和可用性上會面臨較大挑戰(zhàn)：如何保證各點間數據的同步、如何快速索引數據存儲的物理位置等問題皆是平臺設計者需要考慮的。

作為一套完整的數據提供平臺，而非簡單的數據堆積，其核心區(qū)別在于是否提供基于存儲的計算能力。計算一般分為離線計算和在線計算（流式計算、即時計算）兩種。平臺發(fā)展后期，將能智能處理用戶需求，針對模糊輸入給出關聯(lián)輸出。典型應用為數據挖掘模塊：依據一個運行在分布式計算集群上的公用算法平臺來進行各種海量數據處理，建立數據關系及數據模型，給出內在規(guī)律，在準確輸出的基礎上給出指導意見。

2.2 平臺及數據安全

平臺安全包括平臺整體的安全和數據安全。

平臺的保密性、完整性和可用性是保證行車調度安全的一個重要組成部分，根據國家等級保護防御區(qū)域劃分原則以及信息系統(tǒng)的功能性、安全價值和面臨威脅的相似性，客運專線CTC系統(tǒng)應具有四級信息系統(tǒng)安全保護能力[3]。包括：防火墻、入侵檢測、用戶鑒權認證、數據加密等措施多應用于鐵路調度系統(tǒng)。這些措施的引入必然導致計算性能的下降和用戶體驗的降低，需站在數據和用戶的角度統(tǒng)籌考慮。

2.3 數據服務發(fā)布方式

（1）網絡Socket連接；

（2）B/S（Brower/Server）結構方式；

（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實現靈活，但開發(fā)周期長，編程代價高，適用于小范圍的特殊環(huán)境應用；方式2雖然交互性稍差，但其在可視化方面的優(yōu)勢，適合用于展示海量數據的多樣性、多角度、多層次特性；消息傳輸中間件為應用系統(tǒng)互聯(lián)互通提供了可靠的消息通信手段，能夠實現不同操作平臺、數據庫和硬件系統(tǒng)平臺間的數據通信，易于調試；方式4作為一項較新技術，可使運行在不同機器上的不同應用無需借助附加的、專門的第3方軟件或硬件，就可相互交換數據或集成。采用哪幾種方式的組合，需要因地制宜，適當擴展。

2.4 平臺及數據維護

平臺在演進，數據在源源不斷地增長，它們的保有和維護成本也在隨之提高。以FZy-CTC系統(tǒng)為例，調度命令、行車計劃、操作日志、各路局和子系統(tǒng)間接口數據等信息皆需由數據服務單元永久存儲或中轉。因此，需要從大數據[4]處理的全局角度來考慮如何從存儲、計算上盡可能地降低成本，讓平臺可以持續(xù)。

業(yè)界通常用Volume、Variety、Value和Velocity（簡稱為“4V”，即數據體量巨大、數據類型繁多、價值密度低和處理速度快）4個特征來顯著區(qū)分大數據與傳統(tǒng)數據。借鑒大數據領域處理方法，對虛擬共用信息平臺的維護進行優(yōu)化設計：對數據采用冷熱分離（冷數據存儲到磁帶上等）、按業(yè)務特征進行分層壓縮（按列存儲、存儲數據差異等）、計算資源細粒度錯峰化（資源進行細粒度分配或預估、按照業(yè)務時間進行波峰與波谷整合）、數據生命周期管理（比如進行過期垃圾數據清除）等手段來節(jié)省成本。

3 調度系統(tǒng)及信息平臺發(fā)展趨勢

整個調度系統(tǒng)中，上層應用將專注于用戶交互和具體業(yè)務邏輯，信息平臺則側重于提供底層數據服務功能。借助于平臺靈活的組織架構，通過數據采集、轉換、集成分析，將數據進行深度整合與關聯(lián)，建立一整套包括數據傳輸、存儲、計算、挖掘、可視化呈現的技術服務體系，并在此基礎上提供一個統(tǒng)一的數據開發(fā)平臺完成用戶認證、數據鑒權、工作流、監(jiān)控告警、數據管理、數據開發(fā)等工作，實現一套完整數據服務虛擬平臺。

4 結束語

本文在對我國現有調度系統(tǒng)現狀分析的基礎上，設計了一套虛擬共用安全信息平臺用以提供完整數據服務。通過對平臺四層邏輯結構的詳細描述以及對平臺實施過程中的關鍵問題進行探討，分析得出信息平臺在統(tǒng)一接口、整合服務、優(yōu)化數據等方面，具有較為顯著的改善作用；且其實現方式靈活，部署遷移簡單，易擴展，適合應用于鐵路調度系統(tǒng)，有著較好的發(fā)展前景。

[1]王 濤，徐 偉，黃 康. 京九線FZy—CTC分散自律調度集中系統(tǒng)的研究[J]. 鐵道通信信號，2010， 6 （1）：11-14.

[2]關積珍. ITS共用信息平臺系統(tǒng)結構及集成[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息， 2002，11 （4）：11-16.

[3]戴啟元. 客運專線CTC系統(tǒng)網絡安全設計[J]. 鐵道通信信號，2010，46（4）：66-68.

[4]高毅龍，侯成剛. 大數據塊的存儲與訪問方案[J]. 計算機工程，1999（11）：88-89.