移動數(shù)據(jù)庫在信號維護巡檢終端中的應用

張小花,王瑞峰

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

移動數(shù)據(jù)庫在信號維護巡檢終端中的應用

張小花,王瑞峰

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

針對鐵路信號設備傳統(tǒng)巡檢方式存在的弊端,利用移動數(shù)據(jù)庫技術設計了信號維護巡檢終端系統(tǒng)。重點闡述巡檢終端的設計及實現(xiàn)過程,利用移動數(shù)據(jù)庫存儲設備故障信息和工作人員到位情況;采用UTLRSP(Union Transaction-Level Result-Set Propagation,關聯(lián)事務結果集)移動復制模型并結合基于優(yōu)先級的增量更新算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。該模型在數(shù)據(jù)同步之前將事務相關聯(lián),且只傳輸事務的結果,有效降低了巡檢終端對存貯空間的消耗。結合基于優(yōu)先級的增量更新算法,保證在無線網(wǎng)絡帶寬下降時,使優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)先傳輸,提高數(shù)據(jù)的傳輸效率及動態(tài)新鮮度。該系統(tǒng)有效避免信號設備不檢、漏檢現(xiàn)象,同時實現(xiàn)實時傳輸巡檢數(shù)據(jù),提高信號設備維護水平和信息化管理進程。

鐵路信號設備維護;移動數(shù)據(jù)庫;UTLRSP模型;優(yōu)先級;同步

鐵路信號設備是保證行車安全和提高運輸效率重要技術設備[1]。設備傳統(tǒng)的維護方式仍然采用信號工簽到的方式[2],這種方式存在諸多弊端:如信號設備不檢、漏檢,歷史記錄維護分散,尤其是鐵路信號設備大多數(shù)在室外,從而無法實時傳遞設備運行狀態(tài)信息,導致故障處理不及時等問題。為解決上述問題,本文將RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)技術、GPRS(General Packet Radio Service,通用無線分組業(yè)務)無線通信技術、嵌入式技術和移動數(shù)據(jù)庫技術有機結合,設計一套信號維護管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的構成

系統(tǒng)由巡檢終端、設備/人員信息卡和鐵路信號設備維護管理系統(tǒng)構成。系統(tǒng)的總體構成框圖如圖1所示。其中巡檢終端是該系統(tǒng)的核心組成部分,由數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸三部分組成,數(shù)據(jù)采集主要完成人員/設備卡信息采集,數(shù)據(jù)存儲是指將設備運行狀態(tài)和故障現(xiàn)象及原因存儲在移動數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)傳輸是指通過GPRS無線通信或USB接口實現(xiàn)巡檢終端與鐵路信號維護管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步。

圖1 系統(tǒng)的總體構成框圖

2 巡檢終端的設計

2.1 硬件結構

巡檢終端硬件主要由中央處理器、存儲器、RFID讀寫模塊、GPRS模塊、帶觸摸的液晶顯示屏、外圍接口電路等組成,具體的結構框圖如圖2所示。RFID讀寫模塊主要由射頻管理芯片和天線組成,實現(xiàn)射頻標簽的讀取[3]。GPRS模塊實現(xiàn)巡檢終端與維護管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與同步。

圖2 巡檢終端硬件構成框圖

2.2 工作過程

巡檢終端業(yè)務流程如圖3所示。首先通過巡檢終端輸入用戶名、密碼登錄系統(tǒng),查詢巡檢任務并按照顯示的任務安排開始巡檢。然后巡檢人員到達每個巡檢點,對該信號設備的RFID標簽掃描,并對其運行狀況進行檢查,若該信號設備有故障,則將故障信息存儲到移動數(shù)據(jù)庫中,若設備正常運行則按照巡檢任務繼續(xù)巡檢下一個信號設備。最后,巡檢任務完成后,通過GPRS無線通信或USB接口將巡檢數(shù)據(jù)上傳給維護管理系統(tǒng)。

圖3 巡檢終端業(yè)務流程

2.2.1 射頻模塊的實現(xiàn)

RFID是一種非接觸式無線自動識別技術,基本的RFID系統(tǒng)由標簽、讀寫器和天線組成[4]。讀寫器通過內(nèi)部天線給標簽發(fā)射無線電波能量,標簽被激活后將已存儲數(shù)據(jù)輸出。讀寫器將數(shù)據(jù)讀取并譯碼后送給應用程序作相應的處理[5]。天線、讀寫器、收發(fā)器及主機集成在一起,構成巡檢終端的射頻識別模塊。射頻識別模塊通過RFID中間件實現(xiàn)對射頻標簽的操作,它是連接標簽與應用程序的一種獨立的服務程序。應用系統(tǒng)通過中間件提供的API函數(shù)可以連到讀寫器,實現(xiàn)對射頻標簽的初始化、讀、寫、key值驗證和關閉等操作。本文采用C#調(diào)用動態(tài)鏈接庫,實現(xiàn)標簽初始化,步驟如下。

①通過DllImport引用動態(tài)鏈接庫:

[DllImport("icc_dll.dll",

EntryPoint="ICC_lnit",//入口函數(shù)名

CharSet=CharSet.Unicode,//選用Unicode字符型

CallingConvention=CallingCovention.Winapi)]

②函數(shù)申明:

public static extern int ICC_lnit(SOCKETS Sid, CARD_TYPE CardTyPe)

//2個參數(shù)分別為Socket標識和卡片類型。

③函數(shù)調(diào)用:在其他方法中通過調(diào)用ICC_Init函數(shù)就可以實現(xiàn)對射頻標簽的初始化操作。

2.2.2 數(shù)據(jù)同步的實現(xiàn)

本系統(tǒng)選用SQL Server Mobile 2005作為移動數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫支持同步策略。采用關聯(lián)事務結果集傳遞(Union Transaction-Level Result-Set Propagation, UTLRSP)移動復制模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步,其結構如圖4所示。

圖4 關聯(lián)事務結果集傳遞同步處理模型

巡檢終端和維護管理系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)項都有一個全局時間標記,當全局時間標記相同時,數(shù)據(jù)庫處于一致性狀態(tài),即雙方均已根據(jù)對方新近所做的修改刷新了本地數(shù)據(jù)[6-8]。與網(wǎng)絡斷連時,巡檢人員可對緩存副本操作,此時處于積累狀態(tài)。巡檢終端接入網(wǎng)絡時,將積累狀態(tài)下所提交的各個非只讀型事務進行相關聯(lián)(2個及以上事務對同一個數(shù)據(jù)對象操作,則為其作相同的事務標識)。發(fā)送數(shù)據(jù)同步消息,根據(jù)移動事務日志表創(chuàng)建一個由事務標識和結果集組成的上載事務隊列(Upload Transaction Queue,UTQ),根據(jù)UTQ的時間順序放入復制請求緩沖區(qū)(Request Buffer,RB),等待同步服務器為RB中的UTQ啟動一個相應的同步進程,按照時間先后順序進行沖突校驗,驗證成功的事務,將關聯(lián)事務結果集相同部分合并傳送到信號維護管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,且修改相應數(shù)據(jù)項的全局時間標記。隨后,由同步服務器負責把其中修改過的數(shù)據(jù)項下載到輸出緩沖區(qū)(Output Buffer,OB),巡檢終端根據(jù)OB更新的數(shù)據(jù)項刷新本地緩存的數(shù)據(jù)副本[9-11]。至此整個同步處理過程執(zhí)行完畢,巡檢終端與信號維護管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫最終保持一致。

本文以移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)KingBase Lite 2.0為基礎,采用模擬實驗的方法對UTLRSP模型的性能進行分析。實驗中巡檢終端和維護管理系統(tǒng)分別保存數(shù)據(jù)庫的一個完整副本,每一輪實驗均從一致性狀態(tài)開始,經(jīng)過u時間斷接操作,然后進入同步處理階段[12]。為了比較UTLRSP移動復制模型對存貯空間消耗的影響,采用兩級復制模型(在圖中記為NoLog)作為實驗的參照對象。移動事務日志數(shù)據(jù)量與斷接時間u之間的關系如圖5所示。從圖5中可以看出,與兩級復制模型相比,UTLRSP模型的事務日志數(shù)據(jù)量明顯減少,并隨著斷接時間增加,特征更加顯著。由于在兩級復制模型中,移動事務日志需要記錄事務標識以及事務的讀集、寫集、結果集,中間執(zhí)行結果,但在UTLRSP模型中,移動事務日志只需存儲巡檢終端所提交事務的標識及結果集,因此所需存儲空間很小。

圖5 事務日志數(shù)據(jù)量

2.2.3 基于優(yōu)先級的增量更新算法

由于移動計算環(huán)境中無線網(wǎng)絡弱穩(wěn)定性及低帶寬的特點,在帶寬急劇下降時,會引起數(shù)據(jù)更新效率下降,從而巡檢終端緩存數(shù)據(jù)失效導致移動事務執(zhí)行失敗。為克服以上缺陷,采用一種基于優(yōu)先級的增量更新算法更新巡檢終端數(shù)據(jù)。該算法根據(jù)數(shù)據(jù)的動態(tài)新鮮度排列優(yōu)先級,保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)先傳輸給巡檢終端,有效降低移動事務撤銷率。

數(shù)據(jù)新鮮度是用來表示緩存數(shù)據(jù)是否為最新更新的值,本文采用基于時間的方法度量數(shù)據(jù)新鮮度。假設移動數(shù)據(jù)庫中緩存的數(shù)據(jù)表為V,V的元組為r1, r2,…,rm,V的列即表的屬性為c1,c2,…,cn,rij是表V的一個數(shù)據(jù)項,表示它在第ri個元組,屬性為cj的列, rij的字段長度用sij表示。新鮮度Fr用0～1之間的數(shù)字表示,Fr=1表示數(shù)據(jù)項是最新值,優(yōu)先級最高。若數(shù)據(jù)項rij在t0時刻被修改,數(shù)據(jù)項在t0時刻的值是最新的,隨著時間的推移,新鮮度將逐漸降低,其在t(t≥t0)時刻的數(shù)據(jù)新鮮度由時間函數(shù)ft(Δt)決定(Δt=tt0),即Fr(rij)=ft(Δt)。

ft(Δt)是數(shù)據(jù)項的新鮮度隨時間衰減的變化函數(shù),在本文中,取ft(Δt)為一線性函數(shù)

其中,T為數(shù)據(jù)項的截止時間。

根據(jù)移動用戶對不同數(shù)據(jù)訪問頻率不同,需將巡檢終端訪問頻率高的數(shù)據(jù)優(yōu)先緩存。因此對數(shù)據(jù)新鮮度的度量時,給予V中的每一列cj一個權值wj,滿足

wj是用戶對列數(shù)據(jù)訪問頻率的一種度量,在決策時,權值高的列優(yōu)先考慮。在定義元組的數(shù)據(jù)新鮮度時,需考慮各數(shù)據(jù)項的字段長度,根據(jù)長度對列的權值進行修正。

定義1 元組的新鮮度

數(shù)據(jù)項rij最后被修改的時刻是tij,fj是第j列數(shù)據(jù)項的新鮮度隨時間的變化函數(shù)(假定同一列數(shù)據(jù)項的時間函數(shù)相同),則t時刻元組ri的新鮮度Fr(ri)是對應各列所有數(shù)據(jù)項新鮮度的加權平均值(Δtij=t-tij),首先計算出該元組ri對應所有列的權值平均值ˉwj

同樣地,數(shù)據(jù)表的新鮮度即為所有元組的數(shù)據(jù)新鮮度的算術平均值。

巡檢終端與網(wǎng)絡連接后,需傳輸更新部分,用ΔV表示,但在網(wǎng)絡帶寬下降時,只能選擇傳輸ΔV的一部分內(nèi)容,并使整體的Fr(V)值最大。設tmax是用戶對傳輸?shù)臅r間要求,B是無線網(wǎng)絡帶寬,則需要在有限帶寬下選取ΔV的一個子集Ω,在約束條件下

使

達到最大值。

其中,式(5)表示在一定帶寬下,給定時間內(nèi)可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量,式(6)表示在ΔV中選取Ω傳輸之后的數(shù)據(jù)表整體新鮮度的值,是問題的目標函數(shù)。從式(6)可以得出,選擇Ω進行傳輸后,數(shù)據(jù)表V的新鮮度的增加值為

令wij=wj(1-fj(Δtij)),則

為使ΔFr達到最大,由于數(shù)據(jù)表V在某一時刻的新鮮度是固定的,也就是公式(8)右邊的分母是固定的。因此,目標就是選取ΔV的一個子集Ω,使最大,則選取的Ω應盡量包括wij值高的數(shù)據(jù)項,即權值大,更新間隔時間長的數(shù)據(jù),最后使數(shù)據(jù)表的整體新鮮度達到最大值。同步服務器系統(tǒng)維護一個時鐘,每個數(shù)據(jù)項有一個時間戳記錄最新修改時間和巡檢終端緩存的時間。數(shù)據(jù)項優(yōu)先級用P表示,根據(jù)式(9)計算,值越大優(yōu)先級越高。

其中,Tj為第j列數(shù)據(jù)項的截止時間,Δt=修改時間戳-緩存時間戳。

在無線帶寬下降時,根據(jù)P值大小,將P值大的數(shù)據(jù)優(yōu)先同步至巡檢終端,即保證最新數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸,巡檢終端執(zhí)行移動事務時,始終讀取最新數(shù)據(jù),有效降低移動事務撤銷率。與之前的增量更新算法相比,該算法只需記錄修改的列、刪除列和記錄數(shù)據(jù)項的時間戳,需增加的計算量很少,需增加的服務器額外開銷很少,同時有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率和新鮮度,因此該算法是實用的。

3 結語

本文將移動數(shù)據(jù)庫技術應用到鐵路信號設備維護中,重點介紹了巡檢終端的功能與實現(xiàn)方法。采用UTLRSP移動復制模型結合基于優(yōu)先級的增量更新算法數(shù)據(jù)同步傳輸。該模型有效降低了巡檢終端對存貯空間的消耗,提高資源的利用效率,隨著斷接時間的增加,UTLRSP模型對資源利用效率的優(yōu)化效果也變得逐漸明顯。在網(wǎng)絡帶寬急劇下降時,基于優(yōu)先級的增量更新算法可以保證巡檢終端先緩存優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)新鮮度和移動事務執(zhí)行成功率。該系統(tǒng)有效地督查工作人員的工作情況,記錄設備維護時間、運行狀態(tài)及故障現(xiàn)象和原因,保證巡檢終端始終下載最新的巡檢任務并及時將巡檢結果傳輸至后臺維護管理系統(tǒng),提高信號設備維護水平和信息化管理進程。

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Application of Mobile Database Technology in Signal Maintenance and Inspection-tour Terminal System

ZHANG Xiao-hua,WANG Rui-feng
(School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

To overcome the shortcomings in traditional railway signal equipment inspection-tour methods, the paper designed a signal maintenance and inspection-tour terminal system based on mobile database technology.Thepaperemphaticallyexpoundedthedesignandimplementationprocessofthe inspection-tour terminal system,also expounded how to use the mobile database to store equipment fault information and personal on-duty information.This system adopts UTLRSP(Union Transaction-Level Result-Set Propagation),replication mobile model and combines with the priority-based incremental updating algorithm to achieve data synchronization.This model associates the transaction with other transactions before data synchronization,and only transfers the results of the transactions,effectively reducing the storage space consumption of inspection-tour terminal.Moreover,when wireless network bandwidth falls,the priority-based incremental updating algorithm will ensure that the high-priority data can be transmitted preferentially to improve the efficiency of data transmission and dynamic freshness.In addition,this system can effectively avoid the phenomenon of no or missing inspection of signal equipment,achieve real-time transfer of inspection-tour data,boost signal equipment maintenance level and promote informationized management process.

railway signal equipment maintenance;mobile database;UTLRSP model;priority;synchronization

TP207

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.037

2013-11-08;

2013-11-12

國家自然基金地區(qū)項目(61164010)

張小花(1990—),女,碩士研究生,E-mail:740593171@ qq.com。