馮凌穎 陳耀武 蔣榮欣

一種異構(gòu)主從模式數(shù)據(jù)同步園區(qū)停車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馮凌穎 陳耀武 蔣榮欣

(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院 浙江 杭州 310027)

針對目前大多城市的園區(qū)停車系統(tǒng)中崗?fù)ぼ囕v出入管理的缺陷，從總體需求、功能模塊和實現(xiàn)方式出發(fā)，設(shè)計一種異構(gòu)主從模式數(shù)據(jù)同步的園區(qū)停車管理系統(tǒng)。采用.NET框架的C#開發(fā)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)中心、中心客戶端和崗?fù)た蛻舳巳齻€部分。數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用Windows IIS服務(wù)器的WebService部署，中心數(shù)據(jù)庫使用SQL Server，崗?fù)け镜財?shù)據(jù)庫采用Access數(shù)據(jù)庫。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用中心和崗?fù)ぶg的數(shù)據(jù)庫同步，有效地使系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)故障下各崗?fù)と阅苷９ぷ?，并能?秒左右時間內(nèi)能完成所有數(shù)據(jù)同步，具有很高的實用價值。

停車管理 WebService 分布式數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)同步

0 引 言

近年來，隨著科學(xué)的進步和國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，車輛是人們出行以及貨物運輸?shù)闹匾煌üぞ?。隨著車輛數(shù)目的急劇增加，不僅城市公路的管理建設(shè)需要加強，而且各種小區(qū)和停車場對進出車輛的管理也顯得尤為重要。目前比較典型的停車管理系統(tǒng)主要采用的是攝像頭監(jiān)控并識別車牌、道閘的進出放行以及統(tǒng)一的管理軟件[1-3]。本文所設(shè)計的是一套園區(qū)停車管理系統(tǒng)，具有車牌識別、道閘的全自動管理，采用異構(gòu)主從模式的分布式數(shù)據(jù)庫層、WebService服務(wù)層和客戶端應(yīng)用層的三層模型。引入數(shù)據(jù)同步模塊，將各崗?fù)?shù)據(jù)庫與中心數(shù)據(jù)庫進行同步，支持崗?fù)嗑W(wǎng)等故障下仍然能正常工作，一定程度上降低了管理人員和維護人員的工作強度，并提高了車輛出入放行的效率，具有很好的安全保障和實際應(yīng)用價值。

1 停車管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)

針對目前的比較主流的園區(qū)或停車場設(shè)計，一般有多個(2～20個)主要出入口，每個出入口崗?fù)び羞M出兩個車道，并且有兩名崗?fù)す芾韱T進行操作。在每個崗?fù)ず椭行姆?wù)器安裝一套園區(qū)停車管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)每個崗?fù)蓚€車道的進出車輛進行控制和管理。整個系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 園區(qū)停車管理系統(tǒng)的模型圖

從安全、效率和可操作性上考慮，主要實現(xiàn)以下功能：

1) 每個崗?fù)び须p車道：一個崗?fù)づ渲靡慌_工控機，一個車道配置一臺中等配置以上的個人顯示器和打印機；

2) 每個崗?fù)ぐ惭b兩個高清抓拍攝像機(分別對應(yīng)兩個車輛)，只要有車輛進出崗?fù)ぜ纯蓪④囕v的車牌照片采集并輸送到工控機的車牌識別功能處；

3) 每個崗?fù)ひ粋€車道配備一名執(zhí)勤工作人員，執(zhí)勤工作人員通過系統(tǒng)的崗?fù)た蛻舳瞬榭窜嚺谱R別結(jié)果；如果無法識別車牌，執(zhí)勤人員可以手動輸入車輛號碼，根據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供的車輛信息決定放行，禁止通行或者打印臨時通行證放行，執(zhí)勤工作人員也可一鍵開啟道閘放行；

4) 數(shù)據(jù)服務(wù)中心負責(zé)中心數(shù)據(jù)庫的白名單、違章信息、中心管理人員權(quán)限和執(zhí)勤人員信息的錄入，修改，刪除和查詢等操作；數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供車輛信息的查詢，包括當(dāng)前園區(qū)內(nèi)車輛和車輛通行的歷史信息；

5) 正常情況下所有崗?fù)ぴL問中心數(shù)據(jù)庫，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，單個崗?fù)つ芮袚Q到訪問本地數(shù)據(jù)庫繼續(xù)正常工作；中心管理員可以手動通過管理中心客戶端將中心數(shù)據(jù)同步到各個崗?fù)?，崗?fù)け镜叵到y(tǒng)也可自動同步本地和數(shù)據(jù)服務(wù)中心的數(shù)據(jù)，此外，系統(tǒng)也可設(shè)定定時進行數(shù)據(jù)同步。

針對以上功能分析，本文設(shè)計的園區(qū)停車管理系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)服務(wù)中心、管理中心客戶端、崗?fù)け镜叵到y(tǒng)三個部分[4-6]。其中崗?fù)け镜叵到y(tǒng)包括工控機、高清攝像機、打印機、LED顯示器、道閘和地感線圈。其整體框架如圖2所示。

圖2 園區(qū)停車管理系統(tǒng)的主要軟件框架圖

1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)中心

數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供各個崗?fù)嚺铺柎a的信息查詢，各個崗?fù)と藛T的執(zhí)勤情況，以及整個區(qū)域的車輛進出歷史信息。中心管理員對數(shù)據(jù)服務(wù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行更新，包括車輛白名單、人員在崗信息、人員執(zhí)勤卡信息、崗?fù)ば畔ⅰ⒂脩粜畔⒌?。?shù)據(jù)服務(wù)中心通過網(wǎng)絡(luò)建立和各個崗?fù)さ闹苯訑?shù)據(jù)連接，當(dāng)管理中心客戶端發(fā)起一鍵應(yīng)急開啟或關(guān)閉道閘時，可以立即響應(yīng)該指令。

1.2 管理中心客戶端

中心客戶端的主要功能有白名單的錄入、違章數(shù)據(jù)的查詢、用戶權(quán)限的增刪改查、對車輛信息的查詢(包括實時在園區(qū)內(nèi)的車輛和歷史車輛進出信息)、當(dāng)前工作人員執(zhí)勤信息的查詢等功能。

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，中心客戶端可以啟動一鍵緊急開或者一鍵緊急關(guān)閉功能，通過數(shù)據(jù)服務(wù)中心已經(jīng)和崗?fù)た蛻舳私⒌木W(wǎng)絡(luò)連接，打開全部道閘或者關(guān)閉全部道閘。

1.3 崗?fù)た蛻舳?/p>

崗?fù)ぴO(shè)在各個道閘的路口，負責(zé)車輛從駛進道閘直到車輛離開道閘的整個動作過程的數(shù)據(jù)交互工作。當(dāng)有車輛壓到地感線圈時，工控機啟動高清攝像機抓拍車牌照片并且傳到崗?fù)た蛻舳擞枰燥@示，程序自動對新進的車牌信息進行分析。若分析成功，客戶端查詢數(shù)據(jù)服務(wù)中心獲取該號牌的信息，查詢包含白名單和違章記錄。若車牌識別程序無法識別時，執(zhí)勤人員可以在崗?fù)た蛻舳耸謩虞斎氘?dāng)前的號牌信息，同樣該號牌進入數(shù)據(jù)服務(wù)中心比對白名單，并查詢違章記錄。

崗?fù)た蛻舳嗽O(shè)有一塊LED屏幕用于顯示車輛的車牌，權(quán)限信息和違章記錄等信息。獲取了該車輛的詳細情況后，若該車輛屬于白名單，則自動放行；若數(shù)據(jù)顯示違章數(shù)目超標，則禁止駛?cè)?；若既不是白名單且違章記錄不超標，則由崗?fù)?zhí)勤人員打印通行證，并且車輛駕駛員交納24小時的臨時通行費用，由執(zhí)勤人員刷卡放行。

2 崗?fù)づc數(shù)據(jù)中心的工作方式

結(jié)合實際需求，本著先進、實用，保證工程的成本優(yōu)化，本文所設(shè)計的園區(qū)停車管理系統(tǒng)采用.NET框架下C#開發(fā)。支持現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)編程新標準，也能夠消除大量程序錯誤，對版本的更新提供內(nèi)在的支持，降低了開發(fā)成本。

2.1 ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

ADO.NET是微軟.NET框架的一部分，是一組用于和數(shù)據(jù)源進行交互的面向?qū)ο箢悗靃7-9]。并提供了平臺互用性和可伸縮的訪問。它是當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的重要技術(shù)，特別是在C#應(yīng)用開發(fā)實例中，主要作用是將數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)之間建立起鏈接，為對方的數(shù)據(jù)存取提供一個平臺。

并且ADO.NET提供程序可以支持SQLServer、ODBC、Access和Oracle等多種數(shù)據(jù)庫。其中比較重要的兩個類——數(shù)據(jù)集(DataSet)和數(shù)據(jù)表(DataTable)能夠?qū)崿F(xiàn)獨立于所有數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)訪問，表示的是內(nèi)存關(guān)系數(shù)據(jù)庫，不但能方便與實際數(shù)據(jù)庫做數(shù)據(jù)交換，并且能夠方便與XML文件進行讀寫數(shù)據(jù)。

2.2 分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，如果要滿足在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，各個崗?fù)と匀荒軌騿螜C運行，那么則需要在崗?fù)け镜叵到y(tǒng)設(shè)置臨時數(shù)據(jù)庫。該臨時數(shù)據(jù)庫需備份數(shù)據(jù)服務(wù)中心的白名單記錄，車輛通行信息和人員執(zhí)勤信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時，崗?fù)づR時數(shù)據(jù)庫只需要手動或者按照設(shè)定的時間間隔自動與中心數(shù)據(jù)庫進行白名單、車輛通行信息和執(zhí)勤人員數(shù)據(jù)的同步。

中心和崗?fù)?shù)據(jù)庫的設(shè)計如圖3所示。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用Windows上IIS服務(wù)器的WebService部署[10,11]，中心數(shù)據(jù)庫使用SQL Server，而崗?fù)さ谋镜財?shù)據(jù)庫采用輕量級的Access數(shù)據(jù)庫。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通暢時，啟用崗?fù)さ谋镜財?shù)據(jù)庫，將正常情況下的白名單查詢都從本地數(shù)據(jù)庫查詢獲取，車輛通行信息以及崗?fù)?zhí)勤人員交班也根據(jù)本地數(shù)據(jù)庫信息執(zhí)行。崗?fù)ぼ囕v出入控制的基本流程如圖4所示。

圖3 中心和崗?fù)?shù)據(jù)庫的設(shè)計

圖4 崗?fù)ぼ囕v出入控制的基本流程圖

崗?fù)た蛻舳顺跏蓟镜財?shù)據(jù)庫的全局鏈接和數(shù)據(jù)中心WebService初始化中心數(shù)據(jù)庫的全局鏈接代碼如下所示。其中DataBaseLayer是本文自定義的.NET通用數(shù)據(jù)庫訪問層的封裝類，以支持不同類型的中心數(shù)據(jù)庫和崗?fù)?shù)據(jù)庫。

崗?fù)た蛻舳顺跏蓟镜財?shù)據(jù)庫的全局鏈接localConn:

public static string mdbpath = Config.GetConfig((string)App. Current.FindResource(″LocalDbPath″));

public static DataBaseLayer localConn = new DataBaseLayer(@″ Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;data source=″ + mdbpath, ″ Access″);

數(shù)據(jù)中心WebService初始化中心數(shù)據(jù)庫全局鏈接centerConn:

public static string conStr = ConfigurationSettings.AppSettings [″CenterDbAddress″];

public static DataBaseLayer centerConn = new DataBaseLayer (conStr, ″SqlServer″);

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的實現(xiàn)

本文所設(shè)計的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用的是主從模式的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。各個崗?fù)さ谋镜谹ccess數(shù)據(jù)庫集合可以與數(shù)據(jù)服務(wù)中心的SQL Server進行數(shù)據(jù)共享和訪問。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各個組成部分分別具有自身的自治性，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和共享的同時，每個數(shù)據(jù)庫仍保持有自己的獨立應(yīng)用特性。

常用的數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)[12,13]分為同步復(fù)制和異步復(fù)制。主要方法有基于觸發(fā)器法、基于事務(wù)法、基于時間戳法和基于API法。考慮到本文所設(shè)計的園區(qū)停車系統(tǒng)只有在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下，崗?fù)げ艜L問自身本地的Access臨時數(shù)據(jù)庫，一般情況下所有崗?fù)ぞy(tǒng)一訪問中心數(shù)據(jù)庫，因而不需要數(shù)據(jù)庫之間頻繁的通信。所以本文采用的是占用較少額外系統(tǒng)資源的基于API的復(fù)制方法。在系統(tǒng)中引入中同步模塊，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，同步模塊可以自動將各崗?fù)さ臄?shù)據(jù)與中心數(shù)據(jù)庫同步，而中心管理員可以手動選擇將中心數(shù)據(jù)庫同步到各個崗?fù)ぁ?/p>

3.1 同步模塊的設(shè)計

針對需求，同步模式分為從—主模式同步和主—從模式同步，同步功能類型分為新增、修改或刪除。所有同步的表格數(shù)據(jù)以DataSet類型進行傳輸，并根據(jù)不同的表數(shù)據(jù)定義，不同的API復(fù)制接口進行相應(yīng)的解析和操作。

1) 從—主模式的異步復(fù)制方法

從—主模式的異步數(shù)據(jù)復(fù)制方法在該系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)當(dāng)崗?fù)ぞW(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，自動將本地數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步到中心數(shù)據(jù)庫。首先由崗?fù)た蛻舳讼驍?shù)據(jù)服務(wù)中心WebService提交異步請求；WebService響應(yīng)請求后，各個崗?fù)た蛻舳藴蕚浜眯枰揭恢碌臄?shù)據(jù)集，然后根據(jù)維護類型對中心數(shù)據(jù)庫進行同步更新。

2) 主—從模式的同步復(fù)制方法

主—從模式的同步數(shù)據(jù)復(fù)制方法在該系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)當(dāng)中心管理員修改了中心數(shù)據(jù)庫的白名單時，實時地同步到各個崗?fù)?shù)據(jù)庫的白名單，以防止后續(xù)網(wǎng)絡(luò)故障出現(xiàn)的數(shù)據(jù)差錯。當(dāng)中心管理員成功修改了白名單時，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令至崗?fù)?shù)據(jù)庫，將更新的白名單同步到所有崗?fù)?shù)據(jù)庫。

圖5為崗?fù)?shù)據(jù)庫和中心數(shù)據(jù)庫的從—主模式的自動同步流程。當(dāng)中心管理員更改白名單和違章信息后，可以選擇手動同步主—從模式，其流程與圖中從—主模式自動同步數(shù)據(jù)庫的步驟5-步驟8相同。

圖5 崗?fù)ず椭行臄?shù)據(jù)庫的從—主模式的自動同步流程

3.2 同步模塊定時器

在數(shù)據(jù)服務(wù)中心模塊中，設(shè)定了一個獨立定時線程，主要完成整個停車管理系統(tǒng)的日常定時同步數(shù)據(jù)任務(wù)。定時任務(wù)精度要求不高，并且粒度較大，因而只用精確到秒級即可。在初始化定時隊列時，分配一定數(shù)量的定時節(jié)點，并放入空閑隊列中，需要添加定時任務(wù)時，從空閑隊列中申請一個節(jié)點，填充好超時時間和定時回調(diào)任務(wù)等內(nèi)容后加入到定時隊列中。節(jié)點超時后，定時線程執(zhí)行節(jié)點中的回調(diào)函數(shù)，并回收節(jié)點到空閑隊列中。任務(wù)隊列中，超時時間(time)使用相對與前一個節(jié)點的超時時間，節(jié)點按照時間遞增排序，只要隊列頭節(jié)點未超時，后面的節(jié)點也未超時。其增加定時任務(wù)節(jié)點的流程如圖6所示。任務(wù)節(jié)點的主要結(jié)構(gòu)成員如表1所示。

圖6 定時隊列增加節(jié)點的流程圖

結(jié)構(gòu)成員說明func任務(wù)回調(diào)函數(shù)指針arg任務(wù)回調(diào)參數(shù)指針time超時時間

對于中心管理員而言，可以使用管理中心客戶端人為地設(shè)定定時任務(wù)，從而規(guī)定整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的時間間隔。管理中心客戶端對中心數(shù)據(jù)庫的白名單、門衛(wèi)個人信息或崗?fù)ば畔⒌纫恍?shù)據(jù)表做相應(yīng)修改后，希望能夠及時同步信息到各個崗?fù)?，那么可以添加某固定時間的定時任務(wù)到任務(wù)隊列，等待執(zhí)行。

在每做一次數(shù)據(jù)同步，每個崗?fù)ね瑫r都要獲取數(shù)據(jù)中心的時間(DataTime類型)做一次時鐘同步，以確保系統(tǒng)每個模塊的時間一致性。并且可以人為選擇設(shè)定規(guī)定時間(如1分鐘)進行系統(tǒng)自動循環(huán)數(shù)據(jù)同步和時鐘同步。

4 實驗結(jié)果

為了考查該系統(tǒng)的性能，為系統(tǒng)搭建局域網(wǎng)，多臺工控機作為多個崗?fù)さ谋镜叵到y(tǒng)，一臺主流的PC機作為數(shù)據(jù)服務(wù)中心，其基本配置如表2所示。園區(qū)停車系統(tǒng)的崗?fù)た蛻舳撕椭行目蛻舳私缑嫒鐖D7和圖8所示。

表2 系統(tǒng)配置表

圖7 崗?fù)た蛻舳私缑?/p>

圖8 中心客戶端(查詢車輛通行信息)界面

對系統(tǒng)進行以下實驗：在工控機上安裝Access數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)服務(wù)中心安裝SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。以一般園區(qū)停車管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所要存儲的最高歷史數(shù)據(jù)量為測試用例數(shù)據(jù)。中心數(shù)據(jù)庫白名單(共5個字段)5000條數(shù)據(jù)、車輛通行信息表(共11個字段)30 000條數(shù)據(jù)、執(zhí)勤歷史信息表(共5個字段)10 000條數(shù)據(jù)并包括其他表的信息(門衛(wèi)個人信息表、權(quán)限卡表、崗?fù)け?、用戶表和角色?。將開發(fā)的系統(tǒng)WebService API使用IIS服務(wù)器部署到數(shù)據(jù)服務(wù)中心PC機上。

在實驗中主要測試兩種模式同步所耗費的時間，以確保在該設(shè)計方案下，停車管理系統(tǒng)能夠正確工作。測試結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果可以表明該系統(tǒng)16個崗?fù)?大型園區(qū)或停車場的規(guī)模)能在大約4 s左右的時間內(nèi)能完成歷史最高數(shù)據(jù)量的同步，具有很高效的實用價值。

表3 實驗結(jié)果 單位：s

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于異構(gòu)主從模式數(shù)據(jù)同步的園區(qū)停車管理系統(tǒng)設(shè)計。其核心的分布式數(shù)據(jù)庫采用異構(gòu)主從模式，中心數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，崗?fù)?shù)據(jù)庫采用Access，支持兩者之間的主動和手動同步。通過本系統(tǒng)的開發(fā)實施，設(shè)計出了標準化并具有靈活性的停車管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于.NET框架的三層體系結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可伸縮性、擴展性和可維護性。

目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于某些城市的工業(yè)園區(qū)，效果良好，改善了以往由于個別崗?fù)さ木W(wǎng)絡(luò)故障，使得該崗?fù)和７?wù)或者是人為放行車輛但未能準確記錄信息的問題。很有效地解決了車輛進入園區(qū)混亂的局面，一定程度上降低了人工操作和管理成本。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，既提高了車管部門的信息化水平，也方便了人們的日常出行。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A RESIDENT AREA PARKING SYSTEM BASED ON DATA SYNCHRONISATION IN HETEROGENEOUS MASTER-SLAVE MODE

Feng Lingying Chen Yaowu Jiang Rongxin

(CollegeofBiomedicalEngineeringandInstrumentScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,Zhejiang,China)

We designed a resident area parking system with data synchronisation in heterogeneous master-slave mode commencing from total requirements, function modules and implementation approach for the defects of current resident area parking systems in vehicle access management of sentrybox in most cities. Developed with C# of .NET framework, the system consists of three parts—data service centre, centre client and sentrybox client. The data service centre uses WebService deployment of Windows IIS server, the centre database uses SQL Server, and the local database of sentrybox uses Access database. Experimental results showed that by utilising database synchronisation between centre and sentryboxs, the system effectively made every sentrybox working well under the circumstance of network failure, and could complete the whole data synchronisation within about 4 seconds. To sum up, this system has very high practical value.

Parking management WebService Distributed database Data synchronisation

2014-11-07。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2010AA 09Z104)。馮凌穎，碩士，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)多媒體，數(shù)據(jù)庫技術(shù)。陳耀武，教授。蔣榮欣，副研究員。

TP319

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.015