吳明欣

(上海地鐵第四運營有限公司 上海 200135)

軌道交通自動售檢票系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能計算與驗證

吳明欣

(上海地鐵第四運營有限公司 上海 200135)

研究影響城市軌道交通自動售檢票(AFC)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵因素和性能。先對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求進行驗證，再通過模擬數(shù)據(jù)交易對系統(tǒng)進行正確性、并發(fā)、壓力以及網(wǎng)絡(luò)性能等關(guān)鍵因素的測試與驗證，以證明設(shè)計符合需求，確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，從而實現(xiàn)各項預(yù)期功能。

城市軌道交通;自動售檢票系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)性能;數(shù)據(jù)交換;測試驗證

1 自動售檢票系統(tǒng)概述

軌道交通自動售檢票系統(tǒng)(automatic fare collection，AFC)集先進的集成技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、IC卡技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、機電一體化技術(shù)、模式識別技術(shù)、傳感技術(shù)、精密機械技術(shù)等于一體，是實現(xiàn)軌道交通自動購票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計全過程的自動化系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)具備多項管理職能，直接面向乘客，是軌道交通運營系統(tǒng)中的重要組成部分。該系統(tǒng)主要處理交易和財務(wù)數(shù)據(jù)，必須保證信息的高度安全。AFC系統(tǒng)平臺必須滿足可靠性、安全性、易用性、可擴展性、互聯(lián)互通等需求，并具有準(zhǔn)確采集與處理、大批量可靠地傳輸以及統(tǒng)計和管理數(shù)據(jù)的能力。

2 網(wǎng)絡(luò)帶寬需求驗證

2.1 車站與中央系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)帶寬

車站計算機系統(tǒng)與中央計算機系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)由綜合有線傳輸子系統(tǒng)提供的光傳輸網(wǎng)、以太網(wǎng)接口來實現(xiàn)，以太網(wǎng)接口直接接入中央核心交換機，車站計算機也直接與車站交換機連接。

假設(shè)車站每日處理不少于20萬客流(1客流≈2.5筆交易)，交易數(shù)據(jù)記錄長度約為100 B，每個車站按最大連接128臺終端設(shè)備計算，每2 s采集1次設(shè)備狀態(tài)信息，設(shè)備狀態(tài)信息長度為200 B;在設(shè)置參數(shù)后，應(yīng)在5 min內(nèi)下達所有系統(tǒng)設(shè)備，假定最大參數(shù)文件為10 MB;同時，線路上還應(yīng)留有一定的帶寬，以保證數(shù)據(jù)的查詢響應(yīng)速度，分2級下達。據(jù)此，車站計算機與中央計算機系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)帶寬計算為

式中，A為峰值交易量，B為峰值數(shù)據(jù)傳輸量，C為設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)，D為設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，E為總帶寬。

考慮TCP/IP包頭和其他開銷，以及管理、時鐘同步等其他應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)開銷，雖然式(5)的計算值為184 Kbit/s，但是真正為系統(tǒng)所提供的網(wǎng)絡(luò)線路帶寬應(yīng)不小于512 Kbit/s。

2.2 中央與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)

中央與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)，是指線路中央通過專用網(wǎng)絡(luò)與軌道交通清分系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)每日有300萬人次客流的處理需求，高峰期內(nèi)25%的客流集中在2 h內(nèi);考慮極端情況，所有乘客都購票或加值，進站、出站和售票交易的記錄長度為100 B。據(jù)此，中央計算機系統(tǒng)與清分系統(tǒng)之間所需網(wǎng)絡(luò)帶寬的計算公式為

式中，X為日交易量，Y為峰值交易量，Z為峰值數(shù)據(jù)傳輸量。

考慮參數(shù)數(shù)據(jù)接收的及時性，要求網(wǎng)絡(luò)帶寬不小于256 Kbit/s，設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)約為256 Kbit/s;考慮TCP/IP包頭及管理、時鐘同步等其他應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)開銷，中央計算機系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)至少為2 Mbit/s。

3 數(shù)據(jù)模擬測試

應(yīng)用數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器進行線路模擬測試，以驗證系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力、應(yīng)用程序處理性能，確保數(shù)據(jù)傳輸與接收的正確性、數(shù)據(jù)處理的正確性、應(yīng)用程序的魯棒性(robustness)。

3.1 測試環(huán)境

1)硬件環(huán)境:中央主機、中央通信前置機、車站計算機(至少1臺)、數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器(至少1臺)，實際生產(chǎn)系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信正常。

2)主機環(huán)境:主機為HP RP3440服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫為Oracle 10 g。

3)數(shù)據(jù)模擬器:模擬器能夠按照地標(biāo)數(shù)據(jù)格式模擬生成6000、6002、6003、5041 共4 類最常出現(xiàn)的交易記錄，并向指定車站計算機發(fā)送。模擬器每秒發(fā)送60～70條交易記錄，每小時模擬數(shù)據(jù)超過20萬條。

3.2 測試標(biāo)準(zhǔn)

1)車站計算機應(yīng)能正確接收所有數(shù)據(jù)，記入數(shù)據(jù)庫，并實時轉(zhuǎn)發(fā)至中央計算機。

2)設(shè)備、車站、中央三者的數(shù)據(jù)應(yīng)完全一致。

3)車站系統(tǒng)具有孤島運行能力:當(dāng)應(yīng)用故障或網(wǎng)絡(luò)中斷時，不影響其運行;當(dāng)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時，自動連接中央計算機，并將未上傳的數(shù)據(jù)全部上傳。

4)中央計算機處理能力不得低于每秒150筆交易。

5)車站計算機處理能力不得低于每秒21筆交易。

3.3 正確性測試

將數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器上傳的交易數(shù)據(jù)，與車站、中央接收的數(shù)據(jù)進行比對，三者應(yīng)完全一致，表1為正確性測試結(jié)果。

表1 正確性測試 筆

圖1 正確性測試差異比較結(jié)果

由圖1可見，當(dāng)模擬器發(fā)送數(shù)據(jù)量增大時，模擬器上傳數(shù)據(jù)與車站接收數(shù)據(jù)的差異很小，可忽略，但與中央接收數(shù)據(jù)的差異很大。經(jīng)查，差異大是由于前置機內(nèi)數(shù)據(jù)未及時刪除、存儲空間滿而造成的，修改后可以達到理想的測試要求。

3.4 并發(fā)測試

并發(fā)測試，主要測試多個設(shè)備并發(fā)時的處理能力、正確性、程序的魯棒性。把3臺模擬器分別設(shè)定為不同車站(避免可能出現(xiàn)的流水號重復(fù))，同時運行模擬器模擬發(fā)送程序，統(tǒng)計數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器上傳的交易數(shù)據(jù)總數(shù)，并與車站、中央接收的數(shù)據(jù)進行比對，三者應(yīng)完全一致。表2為并發(fā)測試結(jié)果，與期望達到的結(jié)果完全一致。

表2 并發(fā)測試結(jié)果 筆

3.5 狀態(tài)及時延測試

狀態(tài)測試，主要測試車站計算機和中央監(jiān)控工作站對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的正確性，數(shù)據(jù)模擬器依次模擬設(shè)備的各種狀態(tài)。

數(shù)據(jù)模擬器模擬設(shè)備的狀態(tài)事件代碼采用循環(huán)方式，事件發(fā)生與清除交替出現(xiàn)，即發(fā)生一個事件，在下一周期清除以前的一個事件(模擬程序保持10個事件，即第11個事件到達時，清除第1個事件)。實時查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，同時在車站計算機和中央監(jiān)控工作站觀察設(shè)備的狀態(tài)變化情況(二者應(yīng)完全一致)。在監(jiān)控工作站上觀察，應(yīng)能看到設(shè)備狀態(tài)事件依次發(fā)生、清除，與數(shù)據(jù)模擬器的數(shù)據(jù)生成規(guī)律吻合。

同時，測試系統(tǒng)的反應(yīng)速度。將車站計算機、監(jiān)控工作站時鐘與數(shù)據(jù)模擬器時鐘設(shè)為一致，一臺數(shù)據(jù)模擬器向車站計算機發(fā)送交易數(shù)據(jù)，另一臺數(shù)據(jù)模擬器向車站計算機發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，觀察故障發(fā)生后在中央監(jiān)控工作站上顯示的時延。

圖2為狀態(tài)查詢時延測試的實際輸出結(jié)果，平均時延為5 s，小于設(shè)計最大時延，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖2 狀態(tài)查詢時延結(jié)果

3.6 壓力測試

壓力測試，重點測試網(wǎng)絡(luò)通信能力、應(yīng)用程序數(shù)據(jù)處理能力，判斷系統(tǒng)在極端或異常情況下的處理能力。模擬中央主機應(yīng)用停止、大量數(shù)據(jù)積壓等情況，觀察車站/中央數(shù)據(jù)報文的傳輸和處理，記錄所有數(shù)據(jù)報文的傳輸和處理完畢所需的時間，觀察系統(tǒng)能在多長時間內(nèi)處理完畢，壓力測試結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)的處理能力和模擬數(shù)據(jù)量成正比，足以滿足日客流200萬人次、系統(tǒng)處理能力不小于150筆/s的要求。

3.7 網(wǎng)絡(luò)性能測試

3.7.1 端口連通測試

1)測試目的:測試各端口之間VLAN隔離是否有效。

圖3 壓力測試結(jié)果

2)測試方法:如圖4所示，在系統(tǒng)中央和站點各連接1臺電腦，電腦IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段中，接在相應(yīng)端口進行互相連通，觀察狀態(tài)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)性能測試模擬

3.7.2 最大、最小幀測試

1)測試目的:檢測設(shè)備所能處理的最大、最小幀長度。

2)測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，系統(tǒng)中央以64 B的幀長往遠端站點發(fā)包，遠端站點以1 518 B的幀長向系統(tǒng)中央發(fā)包，觀察兩邊的收包情況。

3.7.3 通道帶寬流量及吞吐量測試

1)測試目的:檢測SDH映射是否正常，通道帶寬是否符合設(shè)計要求。

2)測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，連上設(shè)備以后觀察端口速率，兩邊同時按設(shè)計要求發(fā)包，觀察收包情況和吞吐量。

圖5為系統(tǒng)吞吐量曲線?？梢?，隨著交易量的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量以穩(wěn)定的速度增長，然后在某一點趨于穩(wěn)定。

3.7.4 長期丟包及系統(tǒng)CPU性能測試

1)測試目的:驗證在正常負(fù)荷情況下、設(shè)備長時間(12 h)運行時的丟包性能。

圖5 系統(tǒng)吞吐量測試

2)測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，系統(tǒng)中央以64 B的幀長往遠端站點發(fā)包，遠端站點以1518 B的幀長向系統(tǒng)中央發(fā)包，計時12 h，觀察兩邊收包情況，同時觀察系統(tǒng)CPU。

經(jīng)測試，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、發(fā)生瞬間閃斷時，丟包率在20%左右;網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，丟包率為0。由于系統(tǒng)負(fù)載不斷變化，因此CPU曲線不是平滑的，會出現(xiàn)波動。

4 結(jié)語

針對AFC系統(tǒng)設(shè)計要求和線路實際情況，對網(wǎng)絡(luò)功能進行測算與測試非常關(guān)鍵和重要。以上通過公式、圖表對網(wǎng)絡(luò)帶寬需求進行了驗證，對數(shù)據(jù)模擬環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)性能進行了測試，驗證與測試結(jié)果均與設(shè)計預(yù)期吻合，證明設(shè)計確實符合要求，能夠?qū)崿F(xiàn)各項功能。

［1］DGJ 08-1101—2005城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范［S］.上海，2005.

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Calculation and Verification of the Performance of AFC System Network in Urban Rail Transit

Wu Mingxin
(Shanghai No.4 Metro Operation Co.，Ltd.，Shanghai 200135)

Abstract:AFC system plays an important role in a subway system.Iit provides the service of automatic fare collection and provides reliable and scientific management.A study and analysis regarding the essential technology of AFC system are performed in this article.The key technology is discussed，and some problems of AFC standardization are explained.The data process flow，networking and communication are also demonstrated.Finally the system test and verification of data sampling speed，system load and network function are conducted.

Key words:urban rail transit;AFC;network performance;data change;test and verification

U231.8;U293.22

A

1672-6073(2012)02-0028-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.04.008

收稿日期:2011-06-07

2011-07-07

作者簡介:吳明欣，女，碩士，AFC專業(yè)主管，工程師，從事自動售檢票設(shè)備技術(shù)及現(xiàn)場維修生產(chǎn)管理工作，wumingxin@shmetro.com

(編輯:郭 潔)