GSM-R網絡接口監測系統數據對外共享方法研究

孫啟民 鄧麗賢 胡莉麗

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070 2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

截至2016年底，我國高速鐵路運營里程已達2萬多km。2017年9月，隨著復興號投入運營，部分高鐵線路恢復到時速350 km的高速運營模式。面對世界上規模最大、速度遙遙領先的中國高速鐵路網，如何快速準確的定位、解決列車運行過程中的通信超時故障，確保高鐵列車安全穩定的運行，成為鐵路電務運維工作的重中之重。

我國時速300 km以上的列車通過CTCS-3(簡稱C3)列控系統進行控制，C3列控系統基于GSM-R網絡承載列車與地面數據的交互。為有效監測列車運行過程中的交互數據，所有時速300 km以上的線路均已部署GSM-R網絡接口監測系統（簡稱“接口監測系統”）。因此在分析高鐵列車通信超時故障時，接口監測系統是最主要的數據來源。為提高運維效率，目前全路正在加快各類運維支撐系統、故障智能分析系統的研發、部署，這些系統在進行高鐵通信超時故障分析時，均需要從接口監測系統提取數據，因此研究如何將接口監測系統及時、高效的共享給外部系統，成為當前接口監測系統一個亟待解決的課題。

2 接口監測系統簡介

2.1 系統概述

接口監測系統包括電路域、分組域及7號信令網三部分的監測[1]，而C3列控業務主要分布在電路域相關接口，因此下文中描述的接口監測系統主要為電路域部分。電路域接口監測系統對C3列控無線通信相關的Igsm-r、Um、Abis、A、PRI等接口進行監測，具備接口數據采集、解析、關聯、存儲、查詢、故障分析及網絡質量分析等基本功能，是GSM-R無線網絡運維人員進行C3無線超時問題分析的主要工具。

2.2 系統結構

接口監測系統包括存儲、系統同步、網關、網管、綜合分析和各單接口監測子系統，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。系統結構如圖1所示。

圖1 接口監測系統結構圖Fig.1 Interface monitoring system strucure

2.3 數據分布

接口監測系統在電路域各接口采集的數據內容和數據量均不相同，各接口數據分布情況如表1所示。

表1 數據分布表Tab.1 Data distribution

由表1中結果看出，各接口數據量分布不均，但單日數據量均達到或超過千萬級。

3 接口監測數據共享的意義

從接口監測系統的數據分布可知，接口監測系統能夠全程監測列車運行過程中的數據，這些數據對于列車的安全可靠運行具有重要意義。

鐵路運維系統按照業務領域劃分，包括運輸組織業務、固定設施運維、移動設備運維、鐵路運輸安全、客貨營銷服務等業務，子系統又細分為電務管理、車輛管理、客站運維、行車安全監控、車號識別、安全管理等[2]。運維系統通過從接口監測系統獲取各接口的監測數據，進行車號識別、故障處理等，實現集中監控、預警，可以為鐵路運維業務提供安全信息綜合分析及決策支持。

無線超時故障智能診斷系統主要用于車輛運行過程的用戶信息識別、運行故障數據分析和定位，并提供解決方案。智能診斷系統通過對接口監測系統各接口的信令、業務數據、切換和測量報告等數據的研究和分析，可以形成自己的故障專家知識庫。故障專家知識庫中包含各種檢測標準、圖庫、算法標準、經驗數據等，是智能診斷系統進行故障分析和診斷的標準和依據[3]。接口監測系統作為數據源，為智能診斷系統提供各個接口數據。

由此可見，接口監測數據在鐵路運維方面具有重要的意義。選擇何種方式將接口監測的大規模數據向外共享，將對數據共享及使用效率具有很大影響。

4 數據共享方法研究

4.1 共享方法簡介

常用的數據共享方法有Socket通信、TCP/IP+FTP文件共享、數據庫共享、共享內存、Web Service服務、U盤拷貝等。

1）Socket通信

Socket通信方式是指通過TCP/IP協議在子系統間進行數據的傳送。雙方通過IP地址和端口號建立通信鏈路，再按照約定協議收發和解析數據。考慮到數據量、網絡質量等因素的影響，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協議又稱為文件傳輸協議，是應用層協議之一，提供客戶端和服務器間文件雙向傳輸。雙方系統需要約定文件服務器地址、文件命名規則、文件內容格式等，并告知對方文件服務器的用戶名、密碼、文件上傳路徑等。FTP文件共享方式同時存在數據連接和控制連接，控制連接通常使用TCP/IP協議，發送交互命令和相應狀態信息，數據連接使用FTP，用于發送數據。

3）數據庫共享

數據庫共享方式是指兩個系統通過數據庫中的同一個表進行數據的共享。使用數據庫共享數據時，需要合理管理外部系統的訪問權限。系統間訪問共享數據庫時，互斥鎖將嚴重影響數據共享的效率。

4）共享內存

共享內存方式是指不同的進程利用計算機系統公共內存進行數據的交互。各個進程將該公共內存映射到自己的私有地址空間，不需要進行數據拷貝，即可進行內存的訪問。由于多個進程同時訪問同一塊內存，因此需要依靠同步機制來保證訪問數據的正確性。

5）Web Service服務

Web Service也稱為XML Web Service，是一種跨語言跨操作平臺的遠程調用技術，用XML+XSD、SOAP和 WSDL三 大 技 術 實 現[4]。Web Service采用XML格式封裝數據，封裝后的數據加上說明格式的HTTP消息頭，HTTP消息頭和XML內容格式就是SOAP（Simple Object Access Protocol）協議[5]。WSDL(Web Services Description Language）基于XML語言，用于描述Web Service及其函數、參數和返回值。WSDL文件保存在Web服務器上，通過URL地址即可訪問。Web Service服務提供商可以通過注冊到UDDI服務器或直接告知客戶端調用者的方式為客戶端提供WSDL的URL地址。客戶端根據URL地址向服務器發送數據查詢請求，服務器接收請求后，進行相應處理并將數據結果返回到客戶端。

6）U盤拷貝

U盤拷貝方式最為傳統，需要被請求方將請求數據生成文件，保存在某一路徑，操作人員直接將數據文件拷貝至請求方服務器指定路徑。

4.2 共享方法比對

從實現復雜度、實時性、可靠性、帶寬、硬件要求、安全性等方面對以上幾種方法進行比較，對比結果如表2所示。

表2 數據共享方法比對Tab.2 Comparison among data sharing methods

4.3 接口監測系統數據對外共享方法

接口監測系統需支持向多個外部系統共享數據，且接口監測系統對外共享的數據量較大，接口監測系統向外部系統共享數據具有以下特點。

1）接口監測系統與外部系統部署于不同的設備。

2）數據量大，單次請求數據條數在十萬級，可能高達百萬級；每條數據可能有多個字段，總長度不超過5 000Byte；如用文件存儲，文件總數通常為幾十個，多達千個。

3）數據通常用于做離線分析，實時性要求不高。

4）數據準確度要求高。

結合接口監測系統對外共享數據的特點，綜合考慮前文中提到的6種數據共享方式，分析如下。

1）使用Socket共享全部數據可能會占用過多帶寬，導致系統內部網絡擁堵，并且需要處理數據拆包組包等，增加運算，降低執行效率。

2）TCP/IP+FTP方式需要建立Socket連接，用TCP協議發送數據請求、執行狀態等控制信息，數據文件全部用FTP傳送，不會給網絡造成過多壓力。

3）數據庫方式十分高效，直接共享數據表，但外部系統訪問本系統數據庫，存在安全隱患。

4）共享內存方式適用于兩個或者多個進程部署于同一臺硬件設備，而接口監測系統和其他外部系統分別部署在不同的服務器，因此不能采用內存共享方式。

5）Web service優點在跨平臺的互操作性，多機數據傳送效率低于Socket。

6）U盤拷貝方式低速可靠，但是在數據類型多樣、數據文件眾多的情況下，依靠人工導出導入數據，效率太低，極易因為操作人員失誤導致數據共享失敗。

通過各種處理方式的適用性對比，接口監測系統最終采用TCP/IP+FTP方式進行數據共享。

為完成數據共享，接口監測系統需要增設接口網關和FTP文件服務器，其中接口網關僅用于數據共享時的TCP/IP交互。接口監測系統加入接口網關和FTP服務器后，與外部系統之間的連接關系如圖2所示。

以圖2中外部系統請求接口監測數據為例，對數據請求流程進行簡要說明。此時，外部系統接口網關、接口監測接口網關同時作為客戶端和服務器，接口監測綜合分析子系統作為服務器，外部數據請求系統作為客戶端。

數據請求、生成、上傳、下載簡要步驟如下。

1）外部系統向外部系統網關、外部系統網關向接口監測網關、接口監測網關向接口監測內部子系統依次發送TCP連接請求。

2）如連接成功，外部系統發送數據請求，經由外部系統網關和接口監測系統網關轉發至內部子系統。如連接失敗，則進行指定次數的重連；經過重連仍不成功，斷開連接，不再繼續執行后續步驟。

3）接口監測內部子系統校驗查詢請求的合規性，如符合約定協議，則返回請求確認消息，并執行查詢；如不符合協議，則返回錯誤消息。接口網關將該消息轉發至外部系統網關。

4）接口監測內部子系統執行查詢且查詢成功后，生成數據文件，并上傳至接口監測FTP文件服務器，同時發送文件處理成功消息；如不成功，則返回錯誤消息。接口監測網關將該消息轉發至外部系統接口網關，并由外部系統網關轉送給外部系統。

5）外部系統收到返回消息后，如為成功消息，則根據消息向接口監測FTP文件服務器請求下載文件至本地；如為失敗消息，則根據實際需求，斷開連接或者重新發送請求。如斷開請求，則不再執行后續步驟；如重新發送請求，則返回step1。

6）外部系統下載文件。文件下載成功，斷開連接；下載失敗，根據實際需求進行相應操作。

圖2 接口監測系統與外部系統數據交互圖Fig.2 Data interaction between interface monitoring system and external systems

5 結束語

本文對比了文件共享的幾種常見方式，結合接口監測系統特點，選取“TCP/IP+FTP”方式進行向外部系統共享數據，并簡要闡述數據交互流程。“TCP/IP+FTP”方式可以滿足目前系統需求，隨著數據量增加、數據格式豐富，尚需要對數據共享的處理方式進一步改進及完善。

[1]國家鐵路局.QCR 553-2016 鐵路數字移動通信系統（GSM-R）接口監測系統技術條件[S].北京:中國鐵道出版社，2016.

[2]賈利民.高速鐵路安全保障技術[M].北京:中國鐵道出版社，2010.

[3]廣州鐵路集團公司.廣鐵[2014]36號 鐵路信號集中監測系統智能分析與故障診斷功能技術規范[S].廣州:廣州鐵路集團公司，2014.

[4]班納吉，卡羅納.C# Web服務高級編程[M].康博，譯.北京:清華大學出版社，2002.

[5]庫羅斯，羅斯.計算機網絡-自頂向下方法[M].6版.北京:機械工業出版社，2014.

[6]Anthony Jones,Jim Ohlund.Windows網絡編程[M].楊合慶，譯.北京:清華大學出版社，2002.

[7]Abraham Silberschatz,Henry F.Korth,S.Sudarshan.數據庫書籍-數據庫系統概念[M].楊冬青,李紅燕,唐世渭，譯.上海:機械工業出版社，2012.

[8]戴尼奧.服務設計模式[M].姚軍，譯.上海:機械工業出版社，2013.