馮樂(lè)樂(lè)

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州分公司，河北滄州 061100）

0 引言

鐵路貨車運(yùn)用在線修工作是確保鐵路運(yùn)輸安全和暢通的重要環(huán)節(jié)，也是鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。隨著近年來(lái)我國(guó)鐵路全面提速、重載運(yùn)輸技術(shù)更迭、運(yùn)輸生產(chǎn)能力布局調(diào)整等帶來(lái)的新業(yè)態(tài)的變化，鐵路貨車運(yùn)用維修業(yè)務(wù)正在經(jīng)歷從業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化模式的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，從而對(duì)鐵路貨車運(yùn)用在線修的技術(shù)作業(yè)手段和作業(yè)能力提出更高要求。

隨著狀態(tài)修業(yè)務(wù)在全網(wǎng)的開(kāi)展，車列、車輛的技術(shù)狀態(tài)、歷次檢修信息、多T 故障信息、運(yùn)行過(guò)程中人工檢查的故障信息、運(yùn)行軌跡、過(guò)車信息等與貨車運(yùn)用維修相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均已全面采集，并進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)形成海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。上述海量數(shù)據(jù)為重載鐵路智能在線修技術(shù)研究提供重要保障基礎(chǔ)，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)鐵路貨車運(yùn)用在線修效率的提升意義重大。

智能在線修以鐵路貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)報(bào)故障為主要依據(jù)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且數(shù)據(jù)采集時(shí)具有頻次高、規(guī)模大、時(shí)間短、吞吐量大、寫(xiě)多讀少等特點(diǎn)，同時(shí)，由于鐵路貨車運(yùn)用在線修工作的復(fù)雜性，決定使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與應(yīng)用技術(shù)模式，正面臨巨大挑戰(zhàn)。文章分析分布式數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在貨車運(yùn)行在線修過(guò)程中采集、處理、應(yīng)用中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，為解決傳統(tǒng)的列檢業(yè)務(wù)模式已無(wú)法滿足在線狀態(tài)修管理模式難題進(jìn)行探索，為在線修業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新賦能，支撐鐵路貨車在線修的進(jìn)一步推進(jìn)。

1 分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

在1983 年，ACM SIGMOD Record 一期 ?？?正式確立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為新的研究領(lǐng)域[1]。此后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)迅速在電力、石油、食品加工等行業(yè)的工業(yè)控制、自動(dòng)控制和通信控制領(lǐng)域中得到應(yīng)用與發(fā)展。分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，從邏輯上屬于同一套系統(tǒng)，但在物理上分散在按照一定規(guī)則連接的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)上。這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)共同構(gòu)成一個(gè)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，支持全局實(shí)時(shí)事務(wù)處理。分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括全局事務(wù)管理系統(tǒng)、局部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)部分[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)

其一，全局事務(wù)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)確保所有局部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的全局唯一性，并監(jiān)控各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。其二，局部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)建立和管理當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)從數(shù)據(jù)源獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，執(zhí)行當(dāng)?shù)貞?yīng)用和全局查詢，并處理和控制當(dāng)?shù)厥聞?wù)。其三，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)信息，提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力，為訪問(wèn)者統(tǒng)計(jì)分析歷史數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)和事務(wù)具有實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏輯結(jié)果，且取決于該結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間[3-4]。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能夠接受時(shí)間限制內(nèi)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但不會(huì)接受超出時(shí)間限制的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)最重要的特征是實(shí)時(shí)性，包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和事務(wù)的實(shí)時(shí)性。因此，必須在保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可用性與一致性的基礎(chǔ)上，分析和討論實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 事務(wù)調(diào)度策略

事務(wù)調(diào)度策略是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)正確性的關(guān)鍵要素之一，主要包括事務(wù)優(yōu)先級(jí)分派策略和基于時(shí)標(biāo)的定時(shí)調(diào)度策略。

事務(wù)優(yōu)先級(jí)策略將待調(diào)度的事務(wù)在調(diào)度隊(duì)列中排隊(duì)，由調(diào)度程序按照一定的規(guī)則組織事務(wù)運(yùn)行，并分配事務(wù)的優(yōu)先級(jí)。常見(jiàn)的分配事務(wù)優(yōu)先級(jí)的算法包括先到先服務(wù)（FCFS）、最早截止時(shí)間優(yōu)先（EDF）、最小松弛度優(yōu)先（LSF）和價(jià)值最高優(yōu)先（HVF）[5-6]。

基于時(shí)標(biāo)的定時(shí)調(diào)度策略是能夠讓事務(wù)在到達(dá)指定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行執(zhí)行的一種機(jī)制，根據(jù)每個(gè)事務(wù)的開(kāi)始時(shí)間戳和結(jié)束時(shí)間戳，以及它們的運(yùn)行時(shí)間來(lái)決定調(diào)度順序。該策略可以保證每個(gè)事務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，從而滿足實(shí)時(shí)性要求。

鐵路貨車智能在線修業(yè)務(wù)應(yīng)用中，事務(wù)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程必須考慮數(shù)據(jù)有效期[7]，通常會(huì)將兩種調(diào)度策略結(jié)合起來(lái)使用，即對(duì)時(shí)效要求非常高的事務(wù)或者子事務(wù)，可采用帶時(shí)標(biāo)的調(diào)度策略執(zhí)行；而對(duì)于時(shí)間要求比較輕松的事務(wù)，可采用相應(yīng)優(yōu)先級(jí)調(diào)度來(lái)處理。

2.2 并發(fā)控制策略

沖突是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在其數(shù)據(jù)庫(kù)中的一種常見(jiàn)的問(wèn)題，它可以分為三種主要類型：寫(xiě)寫(xiě)沖突、讀寫(xiě)沖突、寫(xiě)讀沖突。以上沖突均可能破壞事務(wù)的隔離性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致。因此，并發(fā)控制則是要用正確的方法來(lái)管理事務(wù)并發(fā)，從而使一個(gè)事務(wù)在未提交時(shí)，其他事務(wù)的執(zhí)行不受到干擾。

并發(fā)控制的策略主要包括鎖式并發(fā)控制、樂(lè)觀并發(fā)控制、時(shí)標(biāo)排序并發(fā)控制三種方式。其中，鎖式并發(fā)控制是一種悲觀控制，通常采用兩階段封鎖算法進(jìn)行并發(fā)控制，即讀鎖與讀鎖、寫(xiě)鎖與寫(xiě)鎖之間相互排斥。樂(lè)觀并行控制將事務(wù)拆分為讀段、驗(yàn)證和寫(xiě)段[8]三個(gè)分別進(jìn)行驗(yàn)證的階段，通常使用OCC、silo、Matt、sundial 算法，以降低事務(wù)沖突或者對(duì)于通過(guò)延遲阻塞的方式解決少量事務(wù)沖突。

對(duì)于頻次比較高的、數(shù)據(jù)量大的時(shí)空數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、儀表等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通常會(huì)使用鎖式并發(fā)控制；而對(duì)于鐵路貨車故障類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通常采用樂(lè)觀并發(fā)控制或者時(shí)標(biāo)排序并發(fā)控制相結(jié)合的策略進(jìn)行事務(wù)并發(fā)管控。

2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分片技術(shù)

數(shù)據(jù)分片是通過(guò)分片技術(shù)將數(shù)據(jù)庫(kù)表分成多個(gè)不相交的子表，并在不同的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，主要類型有水平分片、垂直分片和混合分片三種方式[9]。

完整性、重構(gòu)性和不相交原則[10]是數(shù)據(jù)分片時(shí)重點(diǎn)考慮的因素，同時(shí)還要保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性和可用性。5T、故障檢驗(yàn)、施修方法、行車軌跡、車型、車次等智能在線修相關(guān)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，主要是依據(jù)業(yè)務(wù)需求屬性的車型、車次來(lái)制定數(shù)據(jù)水平分片的規(guī)則，而不是采用某一時(shí)間屬性或者關(guān)鍵字取模的方式進(jìn)行分片。

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)策略

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)對(duì)于確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性至關(guān)重要?；謴?fù)的時(shí)機(jī)選擇必須恰到好處，過(guò)遲可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)資源失效，事務(wù)截止時(shí)間超期，且對(duì)于大多數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)不允許靜態(tài)恢復(fù)。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的恢復(fù)需要滿足可預(yù)見(jiàn)性、時(shí)間一致性以及數(shù)據(jù)或事務(wù)特征的可識(shí)別性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的恢復(fù)通常采用兩種策略：基于日志記錄和基于影子恢復(fù)方法。傳統(tǒng)日志恢復(fù)按照日志記錄的順序進(jìn)行，但沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)和事務(wù)的優(yōu)先級(jí)，因此不適合用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的恢復(fù)。針對(duì)該問(wèn)題，出現(xiàn)幾種基于日志記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)方法，包括分區(qū)日志、實(shí)時(shí)日志和遠(yuǎn)程日志的恢復(fù)方法。其中，分區(qū)日志能夠克服傳統(tǒng)按照順序日志記錄恢復(fù)的缺陷，但在實(shí)踐中，實(shí)時(shí)日志的方法在保證數(shù)據(jù)值與時(shí)間信息一致性方面更優(yōu)越。然而，基于日志恢復(fù)的方法會(huì)增加恢復(fù)時(shí)間，并延長(zhǎng)事務(wù)執(zhí)行時(shí)間，在一定程度上會(huì)影響實(shí)時(shí)事務(wù)定時(shí)限制的約束。因此，在學(xué)術(shù)上，相關(guān)人員開(kāi)始對(duì)基于影子恢復(fù)方法進(jìn)行研究與探索，并取得一定成效，但該方法在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)對(duì)資源開(kāi)銷比較大，從而在應(yīng)用時(shí)沒(méi)有被大范圍采用。

2.5 數(shù)據(jù)訪問(wèn)管控技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)是訪問(wèn)分布式數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，能夠快速確定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所在系統(tǒng)中的信息。在訪問(wèn)者需要訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，訪問(wèn)條件被數(shù)據(jù)接口機(jī)制處理成數(shù)據(jù)區(qū)域和標(biāo)識(shí)ID。首先確定訪問(wèn)者所在的數(shù)據(jù)的位置，然后由數(shù)據(jù)服務(wù)將存儲(chǔ)在當(dāng)?shù)鼗蛘弋惖氐臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)接口將數(shù)據(jù)匯總后統(tǒng)一返回。

鐵路貨車智能在線修業(yè)務(wù)應(yīng)用中，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，將各個(gè)集群作為邏輯整體進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)訪問(wèn)不同物理位置的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)安全是數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)首要考慮的問(wèn)題，除數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行物理隔離外，還要通過(guò)權(quán)限管理，禁止非法用戶訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，采用加密技術(shù)，防止核心數(shù)據(jù)被截獲，造成數(shù)據(jù)泄露。

2.6 高可用技術(shù)

高可用技術(shù)是指通過(guò)減少數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中斷時(shí)間，屏蔽數(shù)據(jù)庫(kù)故障，以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可恢復(fù)性的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。

高可用技術(shù)主要用于以下三種情況：計(jì)劃外停機(jī)、計(jì)劃內(nèi)停機(jī)和災(zāi)難恢復(fù)。通過(guò)主機(jī)的集群高可用架構(gòu)，可以防止數(shù)據(jù)庫(kù)故障的出現(xiàn)，主要包括主-主模式、主-從模式、一主-多從和中間件模式四種方式。

鐵路貨車智能在線修業(yè)務(wù)應(yīng)用中，主-主模式主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)量較少的場(chǎng)景；主-從模式應(yīng)用于讀寫(xiě)量都不是非常高的場(chǎng)景；一主-多從主要應(yīng)用于寫(xiě)少讀多的場(chǎng)景；中間件模式主要應(yīng)用于讀寫(xiě)并發(fā)都很大并且數(shù)據(jù)量非常大的場(chǎng)景。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)業(yè)務(wù)實(shí)踐

文章以分布式時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)國(guó)能裝備公司自備車的車列、車輛的技術(shù)狀態(tài)、歷次檢修信息、多T 故障信息、運(yùn)行過(guò)程中人工檢查的故障信息、運(yùn)行軌跡、過(guò)車信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)構(gòu)建的鐵路智能在線修系統(tǒng)，以實(shí)踐分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)HCCBM（狀態(tài)修監(jiān)測(cè)維修系統(tǒng)）數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)互聯(lián)，通過(guò)鐵路貨車檢修數(shù)據(jù)輔助智能在線修業(yè)務(wù)的高效開(kāi)展。

鐵路貨車智能在線修系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)部署架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)部署架構(gòu)

第一，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)將系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線集成與獲取，采集服務(wù)器按照一主一從的集群模式進(jìn)行部署，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高可用架構(gòu)，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)性與可靠性。

第二，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)分布式部署，使用事務(wù)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種事務(wù)的調(diào)度，使用OCC 算法來(lái)支撐多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的樂(lè)觀并發(fā)控制和時(shí)標(biāo)排序并發(fā)控制，同時(shí)系統(tǒng)可通過(guò)任意節(jié)點(diǎn)通過(guò)遠(yuǎn)程管理實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置和管理。

第三，按照車型和車號(hào)編碼為特征值，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)水平分片存儲(chǔ)。采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)采集服務(wù)器暫存時(shí)間為24h。

第四，在各節(jié)點(diǎn)部署歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定時(shí)轉(zhuǎn)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，按照統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)采集和公司局域網(wǎng)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)在采集、傳輸、存儲(chǔ)與訪問(wèn)過(guò)程中，均采用MD5 加密，保證數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在鐵路貨車智能在線修業(yè)務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論，并分析各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建智能在線修系統(tǒng)，將相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用探索和實(shí)踐，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在鐵路智能在線修業(yè)務(wù)中的應(yīng)用具有一定參考意義。目前系統(tǒng)在國(guó)能裝備公司進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，在提升貨車智能在線修實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，為鐵路貨車智能在線修模式的升級(jí)和優(yōu)化提供技術(shù)保障。