微服務(wù)架構(gòu)在有軌電車控制系統(tǒng)的應(yīng)用

王宏明，寧 博，金 云，聶 超

（通號(hào)萬全信號(hào)設(shè)備有限公司，杭州 310000）

1 概述

城市化水平的不斷提高，人們對(duì)公共交通的出行需求越來越多。現(xiàn)代有軌電車因投資少、建設(shè)周期短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，也被越來越多的中小城市、旅游城市采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)管理水平的提高，也對(duì)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)提出更高的要求，比如智能化、綜合化等要求。作為現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)中的核心子系統(tǒng)——信號(hào)系統(tǒng)，也要求與各種各樣的子系統(tǒng)進(jìn)行溝通交互，功能越來越復(fù)雜、接口格式也多種多樣。

現(xiàn)代社會(huì)中，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一種面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）也在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐中越來越成熟。同時(shí)，由于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的大用戶、大數(shù)據(jù)、高并發(fā)等特點(diǎn)，又催生了云服務(wù)等技術(shù)。各種技術(shù)的融合運(yùn)用，產(chǎn)生了微服務(wù)架構(gòu)。微服務(wù)架構(gòu)是一項(xiàng)在云中部署應(yīng)用和服務(wù)的新技術(shù)，使用輕量級(jí)機(jī)制通信，通常是HTTP API，這些服務(wù)基于業(yè)務(wù)能力構(gòu)建，能夠通過自動(dòng)化部署機(jī)制來獨(dú)立部署，這些服務(wù)使用不同的編程語(yǔ)言，以及不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，并保持最低限度的集中式管理。

在有軌電車行業(yè)中，很多軟件是運(yùn)行于資源受限設(shè)備上，比如各種各樣的嵌入式設(shè)備，使用MCU 的各種板卡。受限于資源、安全需求、歷史原因等無法使用HTTP 等協(xié)議，照搬互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的微服務(wù)架構(gòu)是不可能的，但微服務(wù)的理念在功能越來越復(fù)雜的有軌電車行業(yè)中大有用武之地。微服務(wù)有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可以很好地運(yùn)用于有軌電車控制系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)營(yíng)。第一是敏捷性，微服務(wù)的功能比較獨(dú)立，可以更快速、更獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)，縮短開發(fā)周期。第二是擴(kuò)展性，通過微服務(wù)，可以獨(dú)立擴(kuò)展各項(xiàng)服務(wù)以滿足支持其他子系統(tǒng)的功能需求。第三是輕松部署，微服務(wù)支持持續(xù)繼承和持續(xù)交付，可以輕松嘗試新想法。當(dāng)有新的子系統(tǒng)需求出現(xiàn)的時(shí)候，可以開發(fā)一個(gè)新的微服務(wù)，而不影響現(xiàn)有的信號(hào)控制系統(tǒng)。技術(shù)自由、可重復(fù)使用的代碼、彈性等微服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，也可以很好地運(yùn)用于有軌電車行業(yè)中。

2 微服務(wù)架構(gòu)的有軌電車信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

完整的現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)主要由各子系統(tǒng)和設(shè)備組成為：1）綜合調(diào)度子系統(tǒng)；2）正線軌旁控制子系統(tǒng)；3）路口優(yōu)先控制子系統(tǒng)；4）車載控制子系統(tǒng)；5）數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)；6）車輛段控制子系統(tǒng)；7）維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；8）其他需要信號(hào)信息的子系統(tǒng)。整體系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

2.2 綜合調(diào)度系統(tǒng)功能

綜合調(diào)度系統(tǒng)以行車指揮和運(yùn)行計(jì)劃為核心，它的主要功能為：1）行車信息顯示；2）列車識(shí)別號(hào)、跟蹤功能；3）運(yùn)行圖編制及管理；4）進(jìn)路自動(dòng)控制；5）信號(hào)設(shè)備控制；6）操作與數(shù)據(jù)記錄、輸出及統(tǒng)計(jì)處理；7）列車運(yùn)用、派班計(jì)劃及車輛管理；8）與其他系統(tǒng)交換信息。

根據(jù)微服務(wù)的理念，可以對(duì)其進(jìn)行功能切割，分為多個(gè)獨(dú)立的微服務(wù)。行車信息顯示功能需要顯示全線的線路車站布局、軌旁設(shè)備的狀態(tài)（信號(hào)機(jī)、區(qū)段、進(jìn)路、道岔等），列車信息（位置、速度、識(shí)別號(hào)、早晚點(diǎn)信息、扣車信息、目的地、前后車距離等），路口信息（信號(hào)機(jī)、紅綠燈時(shí)間）。這是一個(gè)綜合性的信息顯示，需要各個(gè)微服務(wù)提供各種信息。列車識(shí)別號(hào)及跟蹤功能，可以分為車輛信息微服務(wù)，列車識(shí)別號(hào)管理微服務(wù)，列車正線跟蹤微服務(wù)，列車車輛段跟蹤微服務(wù)。運(yùn)行圖編制為離線編制，可以單獨(dú)作為一個(gè)程序運(yùn)行。運(yùn)行圖的實(shí)時(shí)顯示需要列車的位置信息，可以使用運(yùn)行圖數(shù)據(jù)微服務(wù)來提取運(yùn)行圖顯示的數(shù)據(jù)。進(jìn)路的自動(dòng)控制功能、信號(hào)設(shè)備的控制功能都需要和軌旁、聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行交互，可以分為自動(dòng)進(jìn)路微服務(wù)、軌旁微服務(wù)、聯(lián)鎖微服務(wù)。列車運(yùn)用、排班計(jì)劃等可以劃分為單獨(dú)微服務(wù)。其他系統(tǒng)，如乘客信息系統(tǒng)(PIS)、公共廣播系統(tǒng)(PA)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(AFC)、無線調(diào)度系統(tǒng)(LTE)、車輛段檢修管理系統(tǒng)也需要列車的位置信息，每個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)接口需求都可以作為微服務(wù)提供。整理完成的微服務(wù)架構(gòu)綜合調(diào)度系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 微服務(wù)架構(gòu)Fig.2 Microservice architecture

3 微服務(wù)架構(gòu)的調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

考慮HTTP 協(xié)議在有軌電車控制系統(tǒng)中的使用狀況，在本系統(tǒng)中不適用HTTP 形式的API 來提供服務(wù)，系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)共享方式來實(shí)現(xiàn)信息的流轉(zhuǎn)。同時(shí)，因?yàn)樾枰逻_(dá)命令等功能需要，系統(tǒng)需要一個(gè)既能提供消息隊(duì)列功能，又能提供快速數(shù)據(jù)訪問的高可用性的中間件。Redis 的以下幾個(gè)特性很好地符合此需求。

1）內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，速度快、開源

Redis 是一個(gè)開源的使用 ANSI C 語(yǔ)言編寫、支持網(wǎng)絡(luò)、可基于內(nèi)存亦可持久化的Key-Value 數(shù)據(jù)庫(kù)。它把所有數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，因此性能極高，讀的速度是10 萬次/秒，寫的速度是8 萬次/秒。

2）操作的原子性、支持事務(wù)

Redis 的所有操作都是原子性的，同時(shí)還支持事務(wù)。不需要特別考慮各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互鎖等，降低程序的同步復(fù)雜性。

3）發(fā)布訂閱功能

Redis 提供發(fā)布訂閱功能，可以用來實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列系統(tǒng)。

4）高可用和分布式

Redis 提供高可用的特性Sentinel，能在某個(gè)Redis 接點(diǎn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)移。它也提供了分布式的實(shí)現(xiàn)Redis Cluster，提供高可用性、讀寫和容量的擴(kuò)展性。

5）簡(jiǎn)單穩(wěn)定

簡(jiǎn)單性主要表現(xiàn)在Redis 的源碼很少，而且開源；Redis 使用單線程模型，處理模型簡(jiǎn)單；Redis獨(dú)立實(shí)現(xiàn)事件處理的相關(guān)功能，不需要依賴于操作系統(tǒng)中的類庫(kù)。

基于以上的特點(diǎn)，系統(tǒng)使用Redis 作為各個(gè)微服務(wù)的數(shù)據(jù)池，各微服務(wù)處理完成的信息以Key-Value 的方式放在Redis 中，便于其他系統(tǒng)使用。

4 微服務(wù)應(yīng)用示例

在微服務(wù)架構(gòu)應(yīng)用以前，單進(jìn)程的綜合調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 單進(jìn)程架構(gòu)Fig.3 Single process architecture

在單進(jìn)程的架構(gòu)中，如果需要添加一個(gè)新的第三方接口功能，比如需要給路口程序發(fā)送車輛位置信息的功能。雖然此功能相對(duì)比較獨(dú)立，但所需信息都在一個(gè)程序內(nèi)，無法以一個(gè)單獨(dú)的程序來實(shí)現(xiàn)，研發(fā)人員就需要在本來就復(fù)雜的程序中，再添加一個(gè)新的功能模塊來處理與路口的信息交互。此時(shí)，因?yàn)楹诵牡某绦蜻M(jìn)行了變動(dòng)，所以需要測(cè)試的范圍除了新功能的需求以外，還需要對(duì)原有的功能進(jìn)行測(cè)試，以確認(rèn)在原有的功能模塊中沒有引入新的問題。

在引入微服務(wù)的架構(gòu)后，實(shí)現(xiàn)上述的功能，研發(fā)人員只需要從數(shù)據(jù)池中獲取微服務(wù)產(chǎn)生的車輛信息，然后再使用另一微服務(wù)產(chǎn)生的列車計(jì)劃、列車識(shí)別號(hào)等信息，將兩個(gè)信息結(jié)合進(jìn)行處理，將處理結(jié)果發(fā)送給第三方接口即可。這樣開發(fā)一個(gè)程序，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，需求明確，因而開發(fā)、測(cè)試所需的工作量也可控制，而且是新的獨(dú)立程序，不會(huì)影響原有的程序，減少了測(cè)試的工作量。

5 結(jié)論

在軌道交通信號(hào)領(lǐng)域中，一方面是通信信號(hào)領(lǐng)域的安全性要求使然，另一方面則是由于長(zhǎng)久以來信號(hào)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，所以一些新技術(shù)、新編程語(yǔ)言的應(yīng)用比較少。但是在安全性要求較高的領(lǐng)域，使用C/C++語(yǔ)言同樣可以在不改動(dòng)原有設(shè)備的情況下，引入一些新技術(shù)、新理念達(dá)成較好的效果，提高開發(fā)效率、降低成本。自主研發(fā)的微服務(wù)架構(gòu)的有軌電車車載系統(tǒng)已在云南某地實(shí)際項(xiàng)目中實(shí)施運(yùn)行，取得了良好的效果。證明一些新技術(shù)、新理念在通信信號(hào)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用中是可行的。