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

朱小龍 ，張興波 ，趙麗敏 ，陸 晨

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

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是原有各個單獨機電系統(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。其主要功能包括對設(shè)備的集中監(jiān)控和子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，一般綜合監(jiān)控系統(tǒng)由電力（PSCADA）、信號（SIG）、環(huán)控（BAS）、乘客信息（PIS）、乘客廣播（PA）、視頻監(jiān)控（CCTV）、火災(zāi)報警（FAS）、售檢票（AFC）、門禁（ACS）和屏蔽門（PSD）等子系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)庫是軌道交通綜合監(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)庫集群既能滿足系統(tǒng)較強實時性和高可用性的要求（NDB存儲引擎采用內(nèi)存表和無單點故障設(shè)計），又具有低成本、易擴展的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 MySQL Cluster結(jié)構(gòu)

MySQL Cluster由若干個主機中內(nèi)存數(shù)據(jù)庫組成集群。各個主機之間無共享結(jié)構(gòu)，降低了分布式系統(tǒng)的硬件需求。在MySQL Cluster中，有3種類型的節(jié)點。每個節(jié)點表示為一個服務(wù)進程。MySQL Cluster結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

管理節(jié)點：集群管理服務(wù)器，負責(zé)配置系統(tǒng)參數(shù)、管理節(jié)點的啟動和停止、運行備份。節(jié)點中存儲了數(shù)據(jù)庫集群的整體配置信息，它必須在其他節(jié)點進程啟動之前啟動。

數(shù)據(jù)節(jié)點：用于存儲集群的數(shù)據(jù)，集群的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)組（Data Group）的形式存儲在數(shù)據(jù)節(jié)點上，一個數(shù)據(jù)組中包含NoOfReplica個數(shù)據(jù)節(jié)點，這些節(jié)點互為副本，數(shù)據(jù)組中單個副本節(jié)點故障不影響數(shù)據(jù)庫的正常使用。在集群中數(shù)據(jù)組按數(shù)據(jù)節(jié)點的nodeID順序排序來劃分，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：客戶端和外部API訪問集群數(shù)據(jù)的接口服務(wù)器（MySQL Server）。可根據(jù)不同應(yīng)用的需求靈活配置和構(gòu)造，如讀寫分離和負載均衡等。

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二進制日志接口線程運行在主、從服務(wù)器兩端將數(shù)據(jù)庫的變化存儲到二進制格式的日志文件中，并通過復(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)庫平臺需要提供的數(shù)據(jù)功能包括：存儲設(shè)備及現(xiàn)場采集的實時狀態(tài)和信息，存儲設(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），存儲設(shè)備及系統(tǒng)的運行記錄數(shù)據(jù)（包括設(shè)備遙測或遙信值記錄、操作記錄等）。

數(shù)據(jù)模型參考IEC-61970標準，并根據(jù)軌道交通綜合監(jiān)控應(yīng)用的特點對公共對象接口模型CIM（Common Interface Model）做相應(yīng)的拓展設(shè)計。CIM是一個抽象模型，由描述系統(tǒng)的有關(guān)對象組成。這些對象又劃分成若干個邏輯包，每個邏輯包代表了整個系統(tǒng)模型的某個部分。核心包用于表示系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)或構(gòu)件；拓撲包用于表示構(gòu)件之間的連接關(guān)系；運營包用于描述人員、權(quán)限、財務(wù)等運營關(guān)系；量測包和SCADA包用于描述通信、遙信、遙測、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）：包括車站類、子系統(tǒng)類、區(qū)域類、設(shè)備類、設(shè)備端子類。車站對象表示軌道交通線上的車站，一般分為正線車站和車輛段兩種類型。有站號、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、通道、隧道區(qū)間、大小端機房等，詳盡的區(qū)域描述有利于提高車站的應(yīng)急處理效率。子系統(tǒng)對象表示機電系統(tǒng)的功能和職責(zé)分類，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（SIG）、電力（PSCADA）、售檢票（AFC）、視頻監(jiān)控（CCTV）、乘客信息與廣播（PIS&PA）等，運營中各子系統(tǒng)各司其職，保證整個系統(tǒng)的正常運行。設(shè)備對象描述設(shè)備的基本信息：設(shè)備編號、設(shè)備名稱、車站、區(qū)域、子系統(tǒng)、設(shè)備類型等。設(shè)備端子對象表示設(shè)備的連接屬性，一個設(shè)備可以對應(yīng)若干個設(shè)備連接端子。

（2）拓撲包（Topology）：用來描述設(shè)備的連接屬性，如軌道、道岔的連接，電力線路的連接等。主要包括連接節(jié)點類、拓撲節(jié)點類和拓撲島類。設(shè)備都是通過連接節(jié)點連接，如果在某個設(shè)備端子上存在多種連接方式（連接節(jié)點），則構(gòu)成拓撲節(jié)點，在同一時刻拓撲節(jié)點上只有一種連接方式有效。若干個拓撲節(jié)點則構(gòu)成一個拓撲島，拓撲島即為統(tǒng)籌的聯(lián)鎖區(qū)。

（3）運營包（Operation）：包括員工、部門、權(quán)限等信息。其中用戶對象用來描述用戶的信息，部門對象用來描述運營層面職能部門的信息，權(quán)限對象則用于全局的用戶權(quán)限管理和系統(tǒng)權(quán)限認證功能。

（4）量測和 SCADA 包（Measure&SCADA）：量測和 SCADA包是系統(tǒng)的核心模塊，描述量測相關(guān)信息。通信對象和RTU對象表示SCADA通信的基本參數(shù)，遙測類是模擬量輸入，累計量輸入和狀態(tài)量輸入的父類。控制類是設(shè)定點類和狀態(tài)量輸出類的父類。每個控制對象和遙測對象需要對應(yīng)到具體的設(shè)備及設(shè)備端子上才具有實際的意義。

根據(jù)數(shù)據(jù)對象的信息和關(guān)系，將其映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計的數(shù)據(jù)模式。獨立性比較強的對象，映射為數(shù)據(jù)模式中的實體；對于依附于其他對象才有實際意義，或者具有一對一關(guān)系的對象，則映射為實體的屬性；而那些具有多對多關(guān)系的對象，則直接映射為數(shù)據(jù)模式中的關(guān)系。

3 集群實現(xiàn)

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)一般分成中心和車站兩層結(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)限可以下放到車站，以便車站進行就地控制。集群的數(shù)據(jù)節(jié)點分別設(shè)置在中心和車站，減輕系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信負擔(dān)，增加系統(tǒng)的可用性。另外，在控制中心一般還會設(shè)置一個備用中心，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)庫集群有多個版本的安裝文件，本例中采用免安裝的Windows版本。這個版本的安裝過程比較簡單，只需要拷貝程序文件和配置文件即可。默認 的 程 序 集 文 件 的 路 徑 為 C：mysql或 C：Program FilesMySQLMySQL Server5.6。管理節(jié)點上需要的程序文件為（ndb_mgmd.exe和 ndb_mgm.exe，后者為可選項），配置文件config.ini中需要包含節(jié)點信息（主機名、IP地址和節(jié)點類型等），數(shù)據(jù)存儲信息（數(shù)據(jù)存儲內(nèi)存和索引存儲內(nèi)存分配，數(shù)據(jù)文件和日志文件配置），數(shù)據(jù)組節(jié)點數(shù)量（NoOfReplica）等。數(shù)據(jù)節(jié)點上需要的程序文件是ndbd.exe或者ndbmtd.exe，配置文件中只需說明集群連接屬性（ndb-connectstring=管理節(jié)點IP地址：端口號，端口號默認為1186）。SQL節(jié)點拷貝完全的免安裝文件，配置文件my.ini中只需說明集群連接屬性和存儲引擎參數(shù)即可（ndbcluster ndb-connectstring=管理節(jié)點 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。備用數(shù)據(jù)庫不采用MySQL Cluster集群結(jié)構(gòu)，以防止由于集群管理節(jié)點故障而導(dǎo)致整個集群失效。設(shè)置備用數(shù)據(jù)庫為主集群的復(fù)制。

4 實際應(yīng)用

按上述步驟安裝數(shù)據(jù)庫集群，然后根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)模式建立數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表。在實際應(yīng)用中不僅需要記錄量測和SCADA數(shù)據(jù)的實時測量值，還需要記錄其歷史運行記錄，按照其特點分別創(chuàng)建參數(shù)庫SysPara、實時庫RealScada和歷史庫HisRecord 3個數(shù)據(jù)庫。參數(shù)庫包含核心包、運營包、量測包和SCADA包的通信鏈路表、RTU表、限值表、報警組表等信息；實時庫包含量測包和SCADA包的大部分具有實時內(nèi)容的部分以及實時報警表、拓撲包的內(nèi)容；歷史庫主要是從實時庫轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)和用戶操作記錄表等信息。將3個數(shù)據(jù)庫建立在集群的數(shù)據(jù)節(jié)點上，參數(shù)庫和歷史庫采用磁盤表存儲，實時庫采用內(nèi)存表存儲。

數(shù)據(jù)庫平臺是綜合監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，選用以上設(shè)計是因為IEC-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)庫軟件高實時性、高可用性和易拓展的優(yōu)點。實驗過程中數(shù)據(jù)庫集群也表現(xiàn)出較好的性能，能夠滿足軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一般要求。但是在負載和性能方面，數(shù)據(jù)庫集群還有進一步優(yōu)化的空間。

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