趙一江 郭晉生

(1.南京地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司 南京 210036;2.北京建筑大學(xué)“綠色建筑與節(jié)能技術(shù)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044)

基于多代理的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)模型

趙一江1，2郭晉生2

(1.南京地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司 南京 210036;2.北京建筑大學(xué)“綠色建筑與節(jié)能技術(shù)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044)

為解決地鐵運(yùn)營(yíng)中集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式復(fù)雜所造成的容災(zāi)能力不強(qiáng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)模型。在分析現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)方案的基礎(chǔ)上，基于多代理技術(shù)，建立集中式和分布式兩種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)模型，提供故障檢測(cè)、智能備份、災(zāi)難容錯(cuò)、智能恢復(fù)等功能;再用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，并對(duì)比分析兩種容災(zāi)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，從而在現(xiàn)有環(huán)境下為集成綜合監(jiān)控容災(zāi)系統(tǒng)提供良好的解決方案。

地鐵;綜合監(jiān)控系統(tǒng);容災(zāi);多代理;數(shù)據(jù)服務(wù)模式

1 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)及其容災(zāi)系統(tǒng)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated monitoring system，IMS)在地鐵運(yùn)營(yíng)中起著極其重要的作用，目前已在世界范圍內(nèi)的地鐵、輕軌工作中成功應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)各地的地鐵建設(shè)起步時(shí)間不一，建設(shè)環(huán)境不同，綜合監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有明確的結(jié)構(gòu)和定義，其主要區(qū)別在數(shù)據(jù)服務(wù)模式上。有些地鐵公司采用部分集成或準(zhǔn)集成方案，即讓各專業(yè)單獨(dú)設(shè)立本系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)(如有些地鐵公司的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控(BAS)和綜合監(jiān)控是同一個(gè)專業(yè))，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)直接由現(xiàn)場(chǎng)采集，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但集成度不高。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)有些地鐵公司采用深度集成和完全集成方案，即把供電、信號(hào)、環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng)集成到同一個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口將各子系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、全方位監(jiān)控。由于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)模式都不盡相同，所以必須采用第三方數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)、分發(fā)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高。

在深度集成和完全集成等集成度較高的方案中，由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式的復(fù)雜性和各種不確定因素的存在，所以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)發(fā)生故障。為了保證在部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障(如交換機(jī)節(jié)點(diǎn)故障、車(chē)站工作站節(jié)點(diǎn)故障等)時(shí)系統(tǒng)能正常運(yùn)行，必須建立容災(zāi)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的魯棒性。

多代理技術(shù)是一種結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多線程技術(shù)、人工智能技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。除了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點(diǎn)外，多代理技術(shù)還具有自治性、反映性、能動(dòng)性、自學(xué)習(xí)性及社會(huì)性等特點(diǎn)。筆者基于比較靈活的多代理技術(shù)，設(shè)計(jì)并討論了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的容災(zāi)模型。

2 現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)方案的問(wèn)題

目前，很多綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用硬件雙重備份技術(shù)應(yīng)付容災(zāi)問(wèn)題，如采用雙網(wǎng)卡、雙交換機(jī)、雙數(shù)據(jù)庫(kù)等，這在一定程度上提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，但也有成本高、環(huán)境適應(yīng)力不強(qiáng)的弱點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，經(jīng)常會(huì)遇到工作站硬盤(pán)損壞等非備份硬件類(lèi)故障和交換機(jī)光模塊同時(shí)損壞等備份類(lèi)硬件故障，因此采用硬件備份有如下問(wèn)題:

1)硬件故障無(wú)法窮盡，在實(shí)際中不可能為每一種硬件做一個(gè)備份。

2)對(duì)于備份硬件來(lái)說(shuō)，單一硬件發(fā)生故障由于備份硬件的存在，導(dǎo)致工作人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障硬件。

3)為可能發(fā)生故障的硬件做備份，無(wú)疑增加了硬件成本和軟件的開(kāi)發(fā)成本，使成本過(guò)高。

3 基于多代理的綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)模型

現(xiàn)有的集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要采取兩種結(jié)構(gòu)模式:一種是基于集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的結(jié)構(gòu)，另一種是基于分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的結(jié)構(gòu)。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)都分布在各地鐵站，各節(jié)點(diǎn)在硬件配置上基本一致，所以可以使各節(jié)點(diǎn)互為備份，構(gòu)建低成本的系統(tǒng)容災(zāi)模型。

3.1 集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災(zāi)模型

采用集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)源集中，即所有車(chē)站的數(shù)據(jù)都存放在位置相對(duì)集中的數(shù)據(jù)庫(kù)中，各車(chē)站通過(guò)客戶軟件終端實(shí)現(xiàn)對(duì)集中式數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。在類(lèi)似結(jié)構(gòu)下，基于多代理技術(shù)的設(shè)計(jì)集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災(zāi)模型，在中央級(jí)終端設(shè)置中央監(jiān)控代理，在各車(chē)站終端設(shè)置車(chē)站代理。其中，車(chē)站代理ID嚴(yán)格采用順序標(biāo)號(hào)，初始化時(shí)各車(chē)站代理均要向中央監(jiān)控代理注冊(cè)，如圖1所示。

圖1 集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災(zāi)模型

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，中央監(jiān)控代理定時(shí)向各車(chē)站代理發(fā)送通信原語(yǔ)(如on)詢問(wèn)各車(chē)站代理是否在線。如能得到各車(chē)站代理的應(yīng)答，則說(shuō)明車(chē)站設(shè)備正常，無(wú)需處理;如得不到某一個(gè)車(chē)站代理的應(yīng)答，則中央監(jiān)控代理向相鄰車(chē)站代理發(fā)出冗余請(qǐng)求信號(hào)，相鄰車(chē)站代理自動(dòng)修改本站客戶端軟件的權(quán)限配置文件，開(kāi)放本站客戶端對(duì)相鄰站的訪問(wèn)權(quán)限。由于數(shù)據(jù)源集中存放在中央實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，所以通過(guò)權(quán)限的改變，可以達(dá)到對(duì)故障車(chē)站的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)容災(zāi)處理，時(shí)序如圖2所示。

圖2 故障情況下集中式容災(zāi)模型的處理時(shí)序

在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)2號(hào)站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，中央監(jiān)控代理首先得到故障信息，將該信息發(fā)送給1號(hào)和3號(hào)站點(diǎn);這兩個(gè)站點(diǎn)通過(guò)修改本站點(diǎn)的權(quán)限配置文件，可以在本站客戶端通過(guò)中央數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)，訪問(wèn)到2號(hào)站點(diǎn)的相關(guān)信息。

3.2 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災(zāi)模型

分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)源非集中，即各車(chē)站的數(shù)據(jù)存放在物理上相互獨(dú)立的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，這緩解了中央級(jí)服務(wù)器的壓力，且具有易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

與集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式類(lèi)似，基于多代理技術(shù)構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式容災(zāi)模型，在中央級(jí)終端設(shè)置中央監(jiān)控代理，在車(chē)站設(shè)置車(chē)站代理。由于每個(gè)車(chē)站設(shè)有數(shù)據(jù)庫(kù)，車(chē)站代理除了要和中央監(jiān)控代理交互本站工作站的狀態(tài)之外，還要承擔(dān)備份相鄰站數(shù)據(jù)庫(kù)和恢復(fù)本站數(shù)據(jù)庫(kù)的任務(wù)。在地鐵建設(shè)初期，各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器分別建立起本站及相鄰站點(diǎn)結(jié)構(gòu)的庫(kù)表，可以解決相鄰站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)不一致的問(wèn)題;采用本站級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)備份到歷史服務(wù)器、相鄰站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)夜間備份、相鄰站備份數(shù)據(jù)只保留2天的方法，可以減輕部分網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。當(dāng)然，為了滿足地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的需要，可以在夜間將本站級(jí)數(shù)據(jù)備份在中央歷史服務(wù)器中。分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的容災(zāi)模型如圖3所示(限于篇幅，僅以車(chē)站1為例)。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，容災(zāi)模型涉及兩個(gè)關(guān)鍵策略。

3.2.1 備份處理策略

例如，A站的車(chē)站代理只需在夜間列車(chē)停運(yùn)后向相鄰站發(fā)出數(shù)據(jù)庫(kù)備份請(qǐng)求，相鄰車(chē)站代理建立與本站數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，同時(shí)將需要備份的數(shù)據(jù)傳輸至A站的車(chē)站代理，由其完成一次備份。備份處理策略時(shí)序如圖4所示。

3.2.2 災(zāi)難處理策略

圖3 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的容災(zāi)模型

圖4 備份處理策略時(shí)序

1)本站數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生故障。由于網(wǎng)絡(luò)中的基本節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)庫(kù)工作站，只要令本站的車(chē)站代理向相鄰站車(chē)站代理發(fā)出數(shù)據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求，使相鄰車(chē)站開(kāi)放對(duì)應(yīng)備份數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)權(quán)限，同時(shí)本站的車(chē)站代理修改監(jiān)控軟件中的權(quán)限訪問(wèn)文件及數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)IP地址，將故障記錄在相應(yīng)的故障文件中，即可實(shí)現(xiàn)本站對(duì)相鄰站備份數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。在巡檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控軟件中有兩個(gè)可訪問(wèn)站點(diǎn)，可以通過(guò)查看故障記錄文件來(lái)檢查出本站數(shù)據(jù)庫(kù)的故障。處理策略的時(shí)序如圖5所示。

圖5 災(zāi)難處理策略的時(shí)序

2)本站工作站發(fā)生故障。這時(shí)的處理策略與集中式容災(zāi)模型類(lèi)似，不同點(diǎn)在于相鄰站不用訪問(wèn)中央數(shù)據(jù)庫(kù)，而是訪問(wèn)相鄰站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 兩種容災(zāi)模型比較

對(duì)于集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災(zāi)模型來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)服務(wù)器在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)除了要接收來(lái)自BAS、FAS(火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng))、信號(hào)、行車(chē)等中央服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給各車(chē)站的IMS工作站，同時(shí)需要定時(shí)備份數(shù)據(jù)給歷史服務(wù)器，輪轉(zhuǎn)查詢各車(chē)站工作站的在線狀態(tài);在某車(chē)站工作站發(fā)生故障的情況下，還需要與故障車(chē)站相鄰站的車(chē)站代理發(fā)生數(shù)據(jù)通信，若中央服務(wù)器的任務(wù)過(guò)重，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中容易造成服務(wù)器瞬時(shí)TCP(傳輸控制協(xié)議)連接請(qǐng)求數(shù)過(guò)大，某些請(qǐng)求得不到響應(yīng)而發(fā)生阻塞。無(wú)論在正常還是在非正常情況下，所有數(shù)據(jù)都來(lái)源于中央實(shí)時(shí)服務(wù)器，該模型只能應(yīng)付車(chē)站工作站發(fā)生的故障，對(duì)于中央實(shí)時(shí)服務(wù)器的故障缺乏處理能力。但對(duì)于一些已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的線路來(lái)說(shuō)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)是后加的，基本上采用集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式，以降低改造風(fēng)險(xiǎn)和成本。這種模式下的容災(zāi)模型可以在不增加任何硬件投入和改動(dòng)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)站工作站故障的容災(zāi)處理，比較適合于已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的老地鐵線路。

對(duì)于分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災(zāi)模型來(lái)說(shuō)，由于各車(chē)站有自己獨(dú)立設(shè)置的數(shù)據(jù)庫(kù)，所以中央服務(wù)器只需要提供輪轉(zhuǎn)查詢各車(chē)站工作站的在線狀態(tài)功能，而無(wú)需再提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能;把數(shù)據(jù)服務(wù)功能分?jǐn)偟礁鬈?chē)站中去，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較好的負(fù)載均衡性。此外，分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下的容災(zāi)模型不但可以處理車(chē)站工作站的故障，而且還可以處理車(chē)站數(shù)據(jù)庫(kù)的故障，不會(huì)發(fā)生集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式下容災(zāi)模型中由于中央服務(wù)器發(fā)生故障而造成系統(tǒng)崩潰的情況，具有更好的容災(zāi)能力和更快的響應(yīng)時(shí)間。但是，如果用于改造已運(yùn)營(yíng)線路，由于需要在各車(chē)站增加冗余數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)備份相鄰車(chē)站的數(shù)據(jù)，并且各車(chē)站工作站增加的數(shù)據(jù)庫(kù)備份處理邏輯也各不相同，會(huì)使改造成本較高、周期較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此分布式容災(zāi)模型比較適合用在各類(lèi)尚未開(kāi)通的新線建設(shè)方案中。

4 結(jié)語(yǔ)

在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，集成度較高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)服務(wù)模式復(fù)雜，會(huì)帶來(lái)容災(zāi)能力不高的問(wèn)題。為此，基于多代理技術(shù)，給出了兩種綜合監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)模型并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，在不改動(dòng)現(xiàn)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)備份、災(zāi)難處理、數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能，增強(qiáng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的魯棒性與健壯性，在運(yùn)營(yíng)中提高了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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Disaster Tolerance Model of Integrated Monitoring System Based on Multi-Agent Technology

Zhao Yijiang1，2Guo Jinsheng2
(1.Operation Company of Nanjing Metro Co.，Ltd.，Nanjing 210036;2.Beijing Key Laboratory of Green Building and Energy-efficiency Technology，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Abstract:In order to solve the problem of low disaster-tolerant ability arising from the data service pattern complexity for the highly integrated monitoring system in metro operation，an integrated monitoring system of disaster tolerance model has been designed.Based on the analysis of the disaster-tolerant solution of integrated monitoring system，relying on the multiagent technology，authors established two kinds of integrated disaster tolerance monitoring models， namely， centralized model and distributed model.The models can provide the functions including faultdetection， intelligentbackup，disaster tolerance and intelligence data recovery with their feasibility validated through simulation experiment.The advantages and disadvantages of these two kinds of disaster tolerance models were compared and analysed.These models provide a good solution to the integrated disaster tolerance monitoring system in the current environment.

Key words:metro;integrated monitoring system;disaster tolerance;muti-agent;data service mode

U231.96

A

1672-6073(2013)06-0033-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.009

收稿日期:2012-10-19

2012-12-07

作者簡(jiǎn)介:趙一江，男，碩士，助理工程師，主要從事地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)管理與研究工作，zhaoyijiang321@163.com郭晉生，女，教授，碩士生導(dǎo)師

北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(KFJ2013004)

(編輯:郭 潔)