王彬彬 蔣夢雅 侯博正

（1徐州地鐵運營有限公司， 徐州 221000；2江蘇建筑職業(yè)技術學院， 徐州 221000；3徐州地鐵運營有限公司， 徐州 221000）

引言:軌道交通自動售檢票（Automatic Fare Collection，AFC）系統(tǒng)是軌道交通運營管理的核心系統(tǒng)之一，實現(xiàn)售票、檢票、計費和統(tǒng)計等。

讀寫器是AFC系統(tǒng)的重要部件之一，用于實現(xiàn)對票卡的讀寫，在軌道交通AFC系統(tǒng)的終端設備中大量使用。隨著票務業(yè)務的發(fā)展，國內(nèi)城市陸續(xù)使用業(yè)務內(nèi)置型讀寫器來取代傳統(tǒng)讀寫器。業(yè)務內(nèi)置型讀寫器是指將票卡處理流程程序集中到讀寫器內(nèi)部，設備上位機只需發(fā)送業(yè)務操作命令（如進站、出站等），接受讀寫器返回的業(yè)務處理結果，業(yè)務操作流程由讀寫器獨立完成，讀寫器成為了獨立的票務處理終端。為了有效地對交易數(shù)據(jù)進行查詢和審計，AFC系統(tǒng)對讀寫器保存交易數(shù)據(jù)也提出了要求。讀寫器作為一種嵌入式設備，通常采用NAND Flash存儲器快速保存大量數(shù)據(jù)，但是NAND Flash寫入比讀取代價高，且擦除代價更高。

綜上，AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、索引建立和數(shù)據(jù)更新等問題的提出，使得研究基于NAND Flash的AFC嵌入式數(shù)據(jù)庫十分必要。

1 數(shù)據(jù)源

AFC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型眾多。包括交易數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、收益管理數(shù)據(jù)、設備基本信息、各類參數(shù)和數(shù)據(jù)字典等。

1.1 本文主要數(shù)據(jù)及特點

本文討論的是經(jīng)由業(yè)務內(nèi)置型讀寫器處理的數(shù)據(jù)，主要有交易數(shù)據(jù)、黑名單和審計數(shù)據(jù)等。

（1）交易數(shù)據(jù)。讀寫器產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫，定時通過網(wǎng)絡上傳給上位機設備，再由上位機設備上傳給AFC中心數(shù)據(jù)庫保存。

（2）黑名單。黑名單由AFC中心產(chǎn)生，通過上位機設備下發(fā)到讀寫器中。由讀寫器完成黑名單鎖卡、跟蹤等操作。

（3）審計數(shù)據(jù)。審計數(shù)據(jù)主要指一些票卡統(tǒng)計值，包括進站人數(shù)、刷卡次數(shù)和消費金額等。

由上可知，不同數(shù)據(jù)有著不同的特點。交易數(shù)據(jù)按順序產(chǎn)生，且與金額相關，必須保證每筆交易都不能錯漏，除了要求順序上傳外，還要求根據(jù)票卡號進行數(shù)據(jù)查詢。黑名單數(shù)據(jù)定期更新，相對靜態(tài)，且數(shù)量巨大，要求能供讀寫器快速查詢。審計數(shù)據(jù)的主要特點是更新頻繁。下面本文將對業(yè)務內(nèi)置型讀寫器進行硬件設計。

1.2 業(yè)務內(nèi)置型讀寫器硬件設計

目前AFC系統(tǒng)普遍使用業(yè)務內(nèi)置型讀寫器，本文設計采用嵌入式技術的業(yè)務內(nèi)置型讀寫器，其中32位CPU接口和NAND Flash存儲器、SDRAM存儲器組成處理器最小系統(tǒng)。

主要數(shù)據(jù)存放在NAND Flash存儲器上。非易失性RAM用以保存臨時重要數(shù)據(jù)，如日志數(shù)據(jù)庫；和變化頻繁的數(shù)據(jù)，如審計數(shù)據(jù)等。其硬件結構如圖1所示。

圖1 業(yè)務內(nèi)置型讀寫器硬件結構圖

2 嵌入式數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫目前存在以硬盤介質為模型設計，沒有考慮到NAND Flash的特性等缺點。且嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術發(fā)展迅速，使用NAND Flash作為存儲介質的嵌入式數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)均衡讀寫、減少擦寫次數(shù)、保證NAND Flash的使用壽命、提升訪問性能，本文將設計一種全新的嵌入式數(shù)據(jù)庫。

2.1 交易數(shù)據(jù)的存儲和索引

交易數(shù)據(jù)按順序產(chǎn)生，同時上傳也是按順序進行，且每筆都要更新，本文選擇交易票卡號和時間作為關鍵碼。由于 B+樹存儲特點與 AFC交易數(shù)據(jù)特點較吻合。此外，Hash通過計算來獲得地址，提高查詢的效率，因此，交易數(shù)據(jù)選擇B+樹上建立Hash索引。

如圖2所示，具有相同的Hash值的k在Hash表的同一項中用B+樹組織，B+樹的葉子節(jié)點用鏈表進行存儲。插入和查找操作最大時間復雜度為

圖2 Hash B+樹數(shù)據(jù)結構

交易數(shù)據(jù)以票卡號和時間作為關鍵碼，存放在B+樹的葉子節(jié)點中，存儲結構如圖3所示：

圖3 存儲結構圖

2.2 黑名單的存儲和索引

黑名單的特點是定期更新，主要進行查找操作。黑名單以票卡號作為關鍵碼。

哈希（Hash）桶方式，首先通過哈希函數(shù)將黑名單卡號字符串映射到桶哈希表的一個哈希桶。每一個哈希桶由一個或者少數(shù)幾個哈希塊鏈接而成。桶哈希表如圖4所示。

圖4 桶哈希表

字符串哈希算法較多，經(jīng)過比選最終選用APHash函數(shù)，代碼如下：

哈希桶方式需要事先選定一個合適的桶數(shù)，即桶哈希表的項數(shù)，過大會浪費空間，過小則使每個桶的鏈變長而降低存取性能。由于AFC設備每種設備的狀態(tài)數(shù)量有數(shù)百個至上千個不等，因此，本哈希表的項數(shù)設定為100左右的素數(shù)：101。

使用APHash算法對系統(tǒng)常用的355個狀態(tài)標簽名進行散列后將散列值對100取模，得到其散點圖如圖5所示：

圖5 散點圖

2.3 性能分析

交易數(shù)據(jù)采用Hash表與B+樹相結合的索引方式，日志模型的B+樹比較適合寫入頻繁的數(shù)據(jù)庫應用，符合交易數(shù)據(jù)的特點。

3 結束語

本文在分析AFC系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)、黑名單和審計數(shù)據(jù)特點的基礎上，并結合現(xiàn)有NAND Flash存儲技術，進行了嵌入式數(shù)據(jù)庫的設計，其中交易數(shù)據(jù)采用Hash表與B+樹相結合的索引方式。提高了AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)更新等的效率。

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