武振華，李貝貝，劉相坤，李 琪

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路站車客運信息列車版無線交互系統(tǒng)的研究

武振華，李貝貝，劉相坤，李 琪

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

在介紹鐵路站車客運信息無線交互系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合PC端列車版應(yīng)用程序的開發(fā)，從數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶界面層3個層次，分析了列車版站車無線交互系統(tǒng)及軟件架構(gòu)。

鐵路客運；列車版站車交互；軟件框架

鐵路站車客運信息無線交互系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）是鐵路客運部門首次結(jié)合GPRS無線公眾網(wǎng)絡(luò)和中國移動專用APN技術(shù)而搭建的車地一體化辦公的無線信息交互平臺。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地面車站或客運段對列車數(shù)據(jù)的實時掌握和管理，方便了列車乘務(wù)人員及時精確地了解全車人數(shù)、席位的占用等數(shù)據(jù)，并可查驗旅客的實名制、掛失票和網(wǎng)絡(luò)購票等客運信息。該系統(tǒng)自2010年在全路上線以來，提高了列車乘務(wù)人員的辦公質(zhì)量，極大地促進了地面列車與車站間的數(shù)據(jù)交互效率。本文主要針對PC端列車版站車無線交互系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行解析。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)由列車車載終端和地面設(shè)備組成，列車車載終端與地面之間由GSM網(wǎng)絡(luò)或者GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接；地面系統(tǒng)由信息發(fā)布服務(wù)器、GPRS接口服務(wù)器、路由器及防火墻等設(shè)備組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。為確保信息系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)平臺采用專線方式通過防火墻與中國移動網(wǎng)絡(luò)連接，通過安全隔離系統(tǒng)和防火墻與GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)的軟件框架設(shè)計

PC端列車版站車無線交互系統(tǒng)因為其承載于PC電腦上，運行環(huán)境有別于Windows Mobile和Android系統(tǒng)，因此，其應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計具有獨自的特點。為了實現(xiàn)可擴展可升級的軟件應(yīng)用程序，根據(jù)站車無線交互系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，PC端列車版站車無線交互系統(tǒng)具有典型的企業(yè)級3層軟件架構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問層，業(yè)務(wù)邏輯層和用戶界面層。

2.1 數(shù)據(jù)訪問層

站車無線交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問層旨在分離數(shù)據(jù)訪問邏輯，通過對特定的底層數(shù)據(jù)源代碼進行封裝整合，實現(xiàn)底層對上層的透明服務(wù)。整合的代碼實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的具體操作，涉及數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與連接、發(fā)布SELECT、INSERT、UPDATE以及DELETE命令等等。這種抽象的類似接口服務(wù)的方式將數(shù)據(jù)實體和數(shù)據(jù)操作行為進行隔離，符合面向?qū)ο蟮奶攸c。

在站車無線交互系統(tǒng)的實現(xiàn)方案中，列車終端的軟件系統(tǒng)根據(jù)需求發(fā)送車次信息，車站的信息發(fā)布服務(wù)器會根據(jù)智能邏輯策略向列車進行數(shù)據(jù)推送，列車終端的軟件系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，對其進行組織、存儲并提供給用戶進行界面展示。在這種車地信息交互的過程中，列車終端系統(tǒng)的操作離不開數(shù)據(jù)庫的支持。鑒于單車次的單次發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量一般小于10 kB， PC端站車版無線交互系統(tǒng)選用關(guān)系型Access數(shù)據(jù)庫，并采用基于COM的數(shù)據(jù)訪問中間件OLEDB（Object Link and Embedding Database）技術(shù)進行數(shù)據(jù)庫的連接，這種操作方便數(shù)據(jù)庫的日常維護。

PC端列車版無線交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問層的軟件設(shè)計，主要面向于將后臺對數(shù)據(jù)庫的操作進行封裝，通過代碼提煉成通用的類庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的獨立性。并結(jié)合使用松散的類型化對象DataSet和DataTable獲取特定的數(shù)據(jù)對象，將關(guān)系數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成對象數(shù)據(jù)模型，進而保持數(shù)據(jù)庫的獨立性。部分代碼如下：

public static DataTable ExcuteReader(string sql, params OleDbParameter[] parameters)

{

string conStr = "Provider=Microsoft. Jet.OLEDB.4.0;Data Source= .\zc.mdb ";

OleDbConnection conn = new OleDbConnection(conStr);

DataSet dataset = new DataSet();

try

{ conn.Open();

OleDbCommand cmd = conn. CreateCommand();

cmd.CommandText = sql;

foreach (OleDbParameter parameter in parameters)

{

cmd.Parameters.Add(parameter);

}

OleDbDataAdapter adapter = new OleDbDataAdapter(cmd);

adapter.Fill(dataset);

}

catch (Exception e)

{

zclog.zc_log.logappend(e.Source +e.ToString() + e.Message);

conn.Close();

return null;

}

conn.Close();

if (dataset.Tables.Count == 0)

{

return null;

}

return dataset.Tables[0];

}

該封裝的方法內(nèi)部實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接與關(guān)閉。通過傳遞參數(shù)的形式，對數(shù)據(jù)源執(zhí)行SQL語句（主要執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)庫任務(wù)），并將執(zhí)行的結(jié)果以強類型數(shù)據(jù)集的形式進行返回。該代碼可對潛在的錯誤進行自控制，并以Log日志的方式進行錯誤記錄，方便錯誤的追蹤和查詢。

2.2 業(yè)務(wù)邏輯層

站車無線交互系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯層聚焦在站車系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)則的指定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)和系統(tǒng)方案的設(shè)計上，承載著整個站車無線交互系統(tǒng)的核心，良好的業(yè)務(wù)邏輯層的設(shè)計可保障系統(tǒng)運行的魯棒性。

2.2.1 數(shù)據(jù)流

站車無線交互系統(tǒng)的終端通過配置中國移動提供的專用SIM卡，采用中國移動的專用APN技術(shù)連接中國移動的公用非公眾的GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，由移動網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分配專用的本地IP地址，所以SIM卡和IP地址存在固定的對應(yīng)關(guān)系，這種終端占用IP查詢的回應(yīng)方式，可以降低信息發(fā)布服務(wù)器的丟包率。應(yīng)用程序通過VPN技術(shù)和安全隔離系統(tǒng)接入客票外網(wǎng)。終端系統(tǒng)啟動應(yīng)用程序后，完成專用SIM卡在移動網(wǎng)絡(luò)的注冊，向信息發(fā)布服務(wù)器發(fā)送身份認證信息，通過安全與合法性校驗后收發(fā)數(shù)據(jù)。如圖2的站車無線交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流示意圖所示，站車無線交互系統(tǒng)的車載終端的本地數(shù)據(jù)通過自定義端口進行內(nèi)部通信，當需要發(fā)送站車交互數(shù)據(jù)時，應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分片、斷點續(xù)傳等技術(shù)，通過AT指令撥號的方式接入中國移動的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通過特定的端口流入由中國鐵路總公司部署的GPRS接口服務(wù)器，GPRS接口服務(wù)器負責應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)換、終端地址尋址、信息收發(fā)、非法數(shù)據(jù)的安全屏蔽等功能。只有符合特定端口和協(xié)議的數(shù)據(jù)才能安全到達信息發(fā)布服務(wù)器，信息發(fā)布服務(wù)器能夠?qū)Χ丝诋惓５臄?shù)據(jù)流進行實時監(jiān)控，并通過部署防火墻、網(wǎng)閘等保護措施建立鐵路客票網(wǎng)與中國移動網(wǎng)絡(luò)的物理隔離和安全防護。客票系統(tǒng)在列車開車前5 min推送列車的乘降人數(shù)通知單、席位信息、掛失信息、電子票信息等數(shù)據(jù)到信息發(fā)布服務(wù)器，以應(yīng)對車載終端的數(shù)據(jù)請求。信息發(fā)布服務(wù)器將數(shù)據(jù)加密、壓縮、分段后，采用UDP傳輸協(xié)議通過GPRS接口服務(wù)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)推送到車載終端，車載終端接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解密解壓和重裝，之后調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層封裝的類庫裝載數(shù)據(jù)入庫，或者提供給上層進行界面展示。

車載終端應(yīng)用程序的內(nèi)部數(shù)據(jù)流的傳遞，將發(fā)送節(jié)點、對外節(jié)點和接收節(jié)點分別抽象成對等網(wǎng)絡(luò)的端點，每一個“網(wǎng)絡(luò)端點”分別用IP地址和端口號進行表示，如圖2所示。發(fā)送端點和接收端點在軟件設(shè)計中表示為客戶端和服務(wù)端，其網(wǎng)絡(luò)端點表示為系統(tǒng)的回環(huán)IP地址和不同的端口號，如圖2的端口號5656和5858。對外節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)流方向的不同，即表示為客戶端又表示為服務(wù)端，其網(wǎng)絡(luò)端點表示為移動網(wǎng)路分配的IP地址和端口號20000或者20004。發(fā)送端點或者接收端點與對外端點之間的通信調(diào)用操作系統(tǒng)中的TCP / IP軟件的控制權(quán)，通過套接字API中的socket調(diào)用實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。Windows操作系統(tǒng)的socket句柄能快速將接收的數(shù)據(jù)遞交給應(yīng)用層連接對象。

圖2 PC端站車版無線交互系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

車載終端的應(yīng)用程序一般多在列車運行速度快的外界環(huán)境下運行，應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)常會出現(xiàn)無線信號不穩(wěn)定、無線數(shù)據(jù)傳輸速率低等情況，因此，車－地間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議或者系統(tǒng)的控制機制必須保證站車無線交互系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的連續(xù)性和完整性。

經(jīng)過系統(tǒng)實驗和業(yè)務(wù)功能測試，站車無線交互系統(tǒng)適合搭載中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為底層傳輸通道，傳輸層通信協(xié)議采用非面向連接的不可靠的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。UDP報文直接傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，沒有復(fù)雜的連接建立過程，即使在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下也可實現(xiàn)間斷性數(shù)據(jù)傳輸。UDP每個報文都綁定目的地址，服務(wù)端可以通過地址查詢，實現(xiàn)每個UDP報文的目的地址隨終端IP變化而變化。UDP在會話超時時才會導(dǎo)致會話中斷，斷線干擾和丟包干擾也會影響傳輸控制層。雖然UDP的傳輸特點限制了UDP本身的傳輸控制能力，但應(yīng)用層實現(xiàn)的超時和分片等控制機制可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在軟件設(shè)計中，應(yīng)用系統(tǒng)把每一個任務(wù)建立為消息隊列，通過分析和維護隊列的形式實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)的控制。

車載終端在數(shù)據(jù)發(fā)送前，會向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)描述指令，這種指令可以看作是發(fā)送端與服務(wù)端的一次“握手”。數(shù)據(jù)描述攜帶發(fā)送端的基本信息，包括設(shè)備的終端號、數(shù)據(jù)總大小、分片大小、數(shù)據(jù)發(fā)送標示號、目的地址等信息。服務(wù)端在得到數(shù)據(jù)描述信息后，若檢測發(fā)送端的信息已經(jīng)在后臺有過注冊行為，則返回確認信息，發(fā)送端得到確認信息后即可發(fā)送站車車次等數(shù)據(jù)信息。為了提高站車交互的效率，發(fā)送端采用單向推送的方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)描述指令中數(shù)據(jù)分片大小的限制對數(shù)據(jù)進行分片和包裝，其中的包裝包含每個數(shù)據(jù)分片的標示號和偏移量，以便服務(wù)端在接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的排序和再組織。服務(wù)端接收數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)報文的完整性和合法性校驗，若通過校驗，同樣以單向數(shù)據(jù)推送的方式，并加入流量控制機制（考慮了終端設(shè)備接收處理能力）向終端反饋數(shù)據(jù)。若校驗數(shù)據(jù)不完整或者不合法，則繼續(xù)等待發(fā)送端進行數(shù)據(jù)發(fā)送，同時發(fā)送端也引入超時控制機制，一定時間后若收不到服務(wù)端的反饋信息將再次重發(fā)數(shù)據(jù)，直到服務(wù)端實現(xiàn)完整性與合法性校驗，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整收發(fā)流程。這種有數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)控制的傳輸協(xié)議，結(jié)合指令應(yīng)答，構(gòu)成了站車無線交互系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議，有效地搭建了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ怒h(huán)境。

2.2.3 業(yè)務(wù)處理邏輯

為保證站車無線交互系統(tǒng)在線功能的正常使用，程序啟動之前必須先啟動服務(wù)，這些服務(wù)包括：多線程的運行，與遠端服務(wù)器的正常連通測試，程序的初始化等。之后應(yīng)用程序開始與使用者進行交互，通過獲取使用者提交的車次和始發(fā)日期等信息向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)下載請求。根據(jù)站車無線交互系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)則，站車無線交互系統(tǒng)的完整登乘和退乘流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 登乘流程示意圖

圖4 退乘流程示意圖

為了有效監(jiān)督列車乘務(wù)人員對旅客的服務(wù)質(zhì)量，站車無線交互系統(tǒng)在車長登乘時實現(xiàn)了車長實名登乘和登乘信息切換，以便出現(xiàn)問題時車－地間及時有效地進行聯(lián)系。在退乘流程中，仍然需要服務(wù)的啟動，實現(xiàn)終端向后臺服務(wù)器的注銷，停止后臺服務(wù)器向終端進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

在擁有旅客信息的基礎(chǔ)上，站車無線交互系統(tǒng)還實現(xiàn)了晚點調(diào)整、打印輸出保存、密度表等業(yè)務(wù)邏輯的組織，多方位地提升了站車無線交互系統(tǒng)的使用。

2.3 用戶界面層

站車無線交互系統(tǒng)的用戶界面層除了提供用戶操作界面外，還組織用戶下載的數(shù)據(jù)以一定的格式進行顯示。用戶界面層直接與列車乘務(wù)人員進行交互，直觀簡潔地實現(xiàn)乘務(wù)人員對數(shù)據(jù)的維護和管理。列車在始發(fā)站前1 h后臺定時生成相應(yīng)的全程席位信息和定員信息，因此界面需能夠反應(yīng)車次信息、定員信息、?？空玖斜怼⑷滔活A(yù)覽信息、席別、票種等基礎(chǔ)信息的下載狀態(tài)，同時也能將沿途各站到站前5 min定時生成的業(yè)務(wù)信息（通知單、席位信息、掛失票、電子票）的下載狀態(tài)進行顯示，這些業(yè)務(wù)信息的內(nèi)容也需要以一定的邏輯進行展示。所以，站車無線交互系統(tǒng)的車載終端的前臺界面完成了豐富的數(shù)據(jù)顯示。

3 結(jié)束語

合理的系統(tǒng)設(shè)計和良好的軟件設(shè)計保證了鐵路站車客運信息無線交互系統(tǒng)車載終端的使用，尤其是多平臺軟件的開發(fā)，極大地提升了地面對列車的管理水平和鐵路客運的服務(wù)水平。列車乘務(wù)人員通過站車無線交互系統(tǒng)，實時有效地掌握了全車的席位信息、到站的乘降人數(shù)等數(shù)據(jù)，相比于之前車－地間紙質(zhì)方式的傳遞，提高了乘務(wù)人員的辦公效率。目前，站車無線交互系統(tǒng)可實現(xiàn)雙中心（鐵路客票一、二生產(chǎn)中心互為災(zāi)備系統(tǒng)）、雙通道（GPRS、GSM-R）的服務(wù)，并在Windows Mobile手持終端和Android平臺上實現(xiàn)了在線席位補票和身份證實名驗證等功能，極大地豐富了站車無線交互系統(tǒng)的使用空間。未來若以站車無線交互系統(tǒng)作為車上乘務(wù)人員的信息平臺，可最大限度拓展站車無線交互系統(tǒng)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

[1] 閆志遠，何志根，宋 超，等．鐵路站車客運信息無線交互系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2012（4）：38-40．

責任編輯 方 圓

▲ 第十二屆中國國際現(xiàn)代化鐵路技術(shù)裝備展覽會中國鐵道科學(xué)研究院展位

攝影/本刊記者 國 敢

Train Version’s Station Train Wireless Interactive System for railway passenger transport information

WU Zhenhua, LI Beibei, LIU Xiangkun, LI Qi
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

This paper, based on the business application of Interactive System for railway passenger transport information, analyzed the System and its three-level software architecture of data access layer, business logic layer and user interface layer combined with the application development of the PC-side train version’s program.

railway passenger transport; Station Train Wireless Interactive System; software architecture

U293.2∶TP39

A

1005-8451（2014）10-0020-05

2014-04-08

武振華，研究員；李貝貝，在讀碩士研究生。