本發(fā)明涉及地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)，特別涉及一種基于多連接主備冗余的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)同步通訊方法。
背景技術(shù)：
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)功能龐大的信息系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的集成和互聯(lián)，將各分散的自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)接成一個(gè)有機(jī)的整體.為地鐵提供統(tǒng)一的平臺(tái)。
在目前的地鐵自動(dòng)化領(lǐng)域，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)正獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。綜合監(jiān)控系統(tǒng)能提供一個(gè)可實(shí)現(xiàn)信息互通和資源共享的平臺(tái)，其設(shè)計(jì)采用通用性好、符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、高可靠性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器和工控機(jī)等網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品來(lái)構(gòu)建統(tǒng)一硬件集成平臺(tái)；采用模塊式、類似積木結(jié)構(gòu)的多層軟件開發(fā)平臺(tái)定制應(yīng)用軟件，采用通用開放的硬件接口及軟件通信協(xié)議，以集成和互聯(lián)的方式與各接入子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各相關(guān)機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控功能和各系統(tǒng)之間的信息互通、信息共享和協(xié)調(diào)互動(dòng)功能。
綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用各種通信設(shè)備和技術(shù)為其中的眾多子系統(tǒng)、設(shè)備及裝置搭建通信硬件平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，通信雙方的通信軟件采用合適的通信框架，基于通信硬件通道建立軟件通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
在城市軌道交通實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效性和可靠性是最至關(guān)重要的兩個(gè)要素。目前，綜合監(jiān)控的通訊程序大多采用的還是一種單通道單連接或雙通道雙連接的通信框架，這種通信框架存在著明顯的隱患，不利于保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步。
對(duì)于互聯(lián)系統(tǒng)尤其是中心互聯(lián)系統(tǒng)(子系統(tǒng)與ISCS僅僅在中心有接口，所有數(shù)據(jù)通過(guò)僅有的一個(gè)或最多兩個(gè)物理通道傳輸給綜合監(jiān)控)以及復(fù)式系統(tǒng)而言，一個(gè)完整的子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)意味著超大數(shù)據(jù)量(數(shù)萬(wàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)甚至更多)，光是把數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)初始傳送一遍(初始同步)就要耗費(fèi)不短的時(shí)間，一旦數(shù)據(jù)中遙測(cè)點(diǎn)較多(數(shù)據(jù)頻繁跳變)，則會(huì)有大量的變化數(shù)據(jù)等待傳送，而此時(shí)初始同步的過(guò)程尚未結(jié)束，久而久之，等待傳輸隊(duì)列中需要同步的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，有的數(shù)據(jù)點(diǎn)舊的變化數(shù)據(jù)還沒送出去，新的變化又發(fā)生了，不僅會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性失效，更可能造成數(shù)據(jù)丟失(程序傳輸內(nèi)存隊(duì)列溢出)，甚至出現(xiàn)程序崩潰通訊中斷的情況。
以上這些對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的通信，特別是通信程序的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為了解決大數(shù)據(jù)量單通道同步的需求，本發(fā)明提出了單/雙通道多連接的分割數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)來(lái)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效，更使用數(shù)據(jù)塊冗余雙連接(一主一備)來(lái)保證系統(tǒng)可靠性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為確保綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，系統(tǒng)中眾多子系統(tǒng)、裝置和設(shè)備間須通過(guò)各種通信手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。本發(fā)明適用于單/雙(一主一備)物理接口情況下(超)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，利用有限的物理通道建立多連接，將需要同步的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)按連接分組，每組數(shù)據(jù)由一主一備冗余雙連接負(fù)責(zé)通訊，各組連接之間互不干涉影響，各組數(shù)據(jù)之間也獨(dú)立同步，既保證了系統(tǒng)的可靠性同時(shí)也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)有效性。
技術(shù)方案：一種基于多連接主備冗余的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)同步通訊方法，其特征在于：?jiǎn)?雙通道多連接分割數(shù)據(jù)傳輸步驟，利用服務(wù)器和物理通道富余的硬件資源，程序在通信兩端建立多個(gè)軟件通道連接(Socket)，并且將海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)按邏輯數(shù)據(jù)分割成小塊，每?jī)蓚€(gè)軟件信道為一個(gè)邏輯通信單元，負(fù)責(zé)管理通訊一塊數(shù)據(jù)，各個(gè)邏輯通信單元之間互不干涉；
單數(shù)據(jù)塊冗余雙連接傳輸步驟，以單邏輯數(shù)據(jù)塊為基本單元，通信雙方之間基于1/2個(gè)可用的硬件通信通道同時(shí)建立兩條有效的通信連接，但僅使用其中一條傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，另一條維持作為備用；當(dāng)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連接由于通信故障失效后，迅速切換至另一條連接，接替原來(lái)的連接傳輸數(shù)據(jù)；失效的連接被關(guān)閉，繼而在原通信通道上定時(shí)嘗試重建連接直至成功。
本發(fā)明為了既保證同步，又不額外增加傳輸負(fù)載，還采用了一種攜帶傳輸通信報(bào)文編號(hào)的方法，具體為：
發(fā)送端對(duì)需發(fā)送的每一條數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行編號(hào)，依次遞增，每一條報(bào)文頭上攜帶該編號(hào)，接收端接收?qǐng)?bào)文，驗(yàn)證正確后，記錄并更新本端接收的最新報(bào)文編號(hào)，并定時(shí)將該最新接收的報(bào)文編號(hào)發(fā)送給發(fā)送端；
通信時(shí)發(fā)送端保存最后發(fā)送的報(bào)文，一旦通信故障發(fā)生，基本邏輯管理單元切換到備連接進(jìn)行通訊，發(fā)送端首先發(fā)送之前保存的報(bào)文，接收端收后與本地保存的最新接收編號(hào)進(jìn)行比較，以確定是否恢復(fù)正常通訊狀態(tài)。
有益效果：本發(fā)明中按每個(gè)邏輯通訊單元單獨(dú)維護(hù)數(shù)據(jù)拷貝，數(shù)據(jù)可根據(jù)具體通訊對(duì)端的需求靈活加載，每組連接既可維護(hù)相同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，也可傳輸不同的數(shù)據(jù)需求，獨(dú)立互不干涉，每組冗余雙連接可靠高效，可應(yīng)對(duì)軌道交通各種數(shù)據(jù)同步需求。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
本實(shí)施例的基于多連接主備冗余的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)同步通訊方法，包括：
單/雙通道多連接分割數(shù)據(jù)傳輸步驟
以南京地鐵四號(hào)線能源管理子系統(tǒng)(EMS)為例，該系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)在中心互聯(lián)，僅兩個(gè)物理接口(一主一備)，整個(gè)EMS系統(tǒng)的接入需求包括4000多個(gè)電度表，每個(gè)電度表有2～4個(gè)電度量和十多個(gè)遙測(cè)值，也就是全線整個(gè)系統(tǒng)有約60000個(gè)遙測(cè)點(diǎn)和4000多個(gè)電度量的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)同步傳輸。目前，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通信軟件常采用一種單連接的通信框架來(lái)實(shí)現(xiàn)通信冗余。通信雙方之間僅基于兩個(gè)硬件通信通道中的一個(gè)建立一條通信連接用于傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(這里的通信連接指的是通信軟件在硬件通信通道上通過(guò)交互建立的數(shù)據(jù)通路)，如果連接因通信故障而失效，則關(guān)閉原來(lái)的連接，并基于另一個(gè)通信通道建立一條新的連接，以代替原先的連接來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
這樣，在正常通訊環(huán)境下，任意時(shí)刻ISCS與EMS之間數(shù)據(jù)有且僅通過(guò)一個(gè)通信信道來(lái)傳輸，僅僅初始同步數(shù)萬(wàn)個(gè)遙測(cè)點(diǎn)和數(shù)千個(gè)電能脈沖累積量就耗時(shí)不菲，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可以知道，電力遙測(cè)量變化非常頻繁，一旦總召喚和電能脈沖召喚不能迅速結(jié)束就會(huì)造成EMS主動(dòng)上送的變化遙測(cè)數(shù)據(jù)大量堆積，等待在EMS待發(fā)送的數(shù)據(jù)隊(duì)列里，這時(shí)通信雙方的數(shù)據(jù)不一致，即工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控所說(shuō)的失步。失步會(huì)嚴(yán)重?fù)p害綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
另外，ISCS與各子專業(yè)接口均為百兆以上的局域網(wǎng)物理通道，單連接通訊方法對(duì)于這樣充裕的帶寬和接口服務(wù)器優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)處理能力是一個(gè)極大的浪費(fèi)。
基于多連接主備冗余的同步通訊方法可以很好的解決上述問(wèn)題，利用服務(wù)器和物理通道富余的硬件資源，程序在通信兩端可建立多個(gè)軟件通道連接(Socket)，并且將海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)按邏輯分割成小塊，每?jī)蓚€(gè)軟件信道為一個(gè)邏輯通信單元，負(fù)責(zé)管理通訊一塊數(shù)據(jù)，各個(gè)邏輯通信單元之間互不干涉。這樣就相當(dāng)于把ISCS←→EMS一對(duì)一的大規(guī)模數(shù)據(jù)同步分割成了ISCS1←→EMS1，ISCS2←→EMS2，…，ISCSn←→EMSnN對(duì)一對(duì)一小規(guī)模數(shù)據(jù)同步，在局域網(wǎng)帶寬和服務(wù)器硬件資源足夠的情況下，小規(guī)模的數(shù)據(jù)同步，失步的概率極低，加上各個(gè)邏輯單元的雙連接主備冗余支持，大大提高了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
數(shù)據(jù)邏輯分割
將需要同步的目標(biāo)子系統(tǒng)所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按邏輯分類，以EMS為例，按變電所(主所、牽引降壓所、降壓所)為基本邏輯管理單元來(lái)組織數(shù)據(jù)，每個(gè)基本單元編號(hào)與各變電所(通訊管理機(jī))的公共數(shù)據(jù)地址一一對(duì)應(yīng)。這樣整個(gè)EMS專業(yè)數(shù)萬(wàn)個(gè)遙測(cè)和數(shù)千個(gè)累積量就被相對(duì)均等的分割成了十多個(gè)管理單元，每個(gè)單元僅數(shù)千個(gè)遙測(cè)，數(shù)百個(gè)累積量，相對(duì)于原來(lái)整個(gè)系統(tǒng)單通道設(shè)計(jì)，單個(gè)通訊管理模塊的通信負(fù)荷顯著降低。
另外，為了避免由于數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的失步，ISCS通訊設(shè)計(jì)通常是一旦確認(rèn)出現(xiàn)通訊故障，則斷開重連，在建立新連接后向?qū)Χ藗鬏斎繑?shù)據(jù)點(diǎn)信息，以實(shí)現(xiàn)兩端的數(shù)據(jù)同步。在數(shù)據(jù)邏輯分割后，每個(gè)邏輯管理單元僅加載自己管理部分的數(shù)據(jù)，故障恢復(fù)后的重連通信同步數(shù)據(jù)量要小的多。加上后文提到的雙連接冗余保障，有效可靠的解決了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存在的失步隱患。
多SOCKET連接
根據(jù)物理接口的IP地址和不同的端口號(hào)(與變電所公共數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng))，建立多SOCKET抽象連接。每?jī)蓚€(gè)SOCKET(一主一備)連接為一個(gè)基本邏輯通信單元，負(fù)責(zé)相應(yīng)邏輯數(shù)據(jù)塊(端口號(hào)映射地址變電站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù))通信傳輸。邏輯通信單元之間互不干涉。
以IEC60870-5-104通訊程序框架為例：
程序啟動(dòng)，建立主應(yīng)用實(shí)例Cw104Application，開始各種初始化，同時(shí)啟動(dòng)主實(shí)例重要的成員變量偵聽線程Cw104ListenThread，該偵聽線程用于偵聽來(lái)自客戶端IP各端口的連接請(qǐng)求，偵聽線程初始化過(guò)程中讀取通訊配置文件(Configuration.txt)，該配置文件內(nèi)容按行排列，每行內(nèi)容依次是主物理接口IP地址、備物理接口IP地址、端口號(hào)、數(shù)據(jù)公共地址，偵聽線程根據(jù)配置文件行內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)建立Cw104Slave對(duì)象實(shí)例，該對(duì)象即基本邏輯數(shù)據(jù)管理單元，其包含兩個(gè)重要成員變量，其一是Cw104ServerData(邏輯數(shù)據(jù)塊)，另一個(gè)則是負(fù)責(zé)通訊的線程Cw104ServerThread。Cw104ServerData根據(jù)配置文件提供的數(shù)據(jù)公共地址，初始化時(shí)讀取系統(tǒng)平臺(tái)里該地址所涵蓋的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，和各點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，初始化結(jié)束后負(fù)責(zé)完成實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)狀態(tài)的更新、維護(hù)以及通訊需求處理等任務(wù)，而Cw104ServerThread按照配置文件提供的IP地址以及端口號(hào)與發(fā)起請(qǐng)求的客戶端進(jìn)程建立主備兩個(gè)Socket連接。主Socket用于傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，備Socket維持作為備用。每個(gè)Cw104Slave各自負(fù)責(zé)相應(yīng)數(shù)據(jù)公共地址所涵蓋的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步，通訊數(shù)據(jù)格式遵循特定工業(yè)規(guī)約格式，互不干涉。
同步數(shù)據(jù)一般流程為：新建連接，雙方握手確認(rèn)。確認(rèn)連接后，客戶端發(fā)起總召喚(遙測(cè)初始同步)請(qǐng)求，服務(wù)器端接受請(qǐng)求，發(fā)送所有需同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，客戶端接收并確認(rèn)，此時(shí)兩端數(shù)據(jù)同步?？蛻舳税l(fā)起召喚電能脈沖累積量請(qǐng)求(電度量初始同步)，服務(wù)器端響應(yīng)，發(fā)送累積量數(shù)據(jù)，客戶端接受并確認(rèn)，雙方同步。至此兩端初始同步過(guò)程完成，服務(wù)器端主動(dòng)傳送同步過(guò)程中發(fā)生變化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，客戶端接受確認(rèn)，之后服務(wù)器端數(shù)據(jù)信息如有變化，則將變化數(shù)據(jù)信息主動(dòng)上送給客戶端，以保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，經(jīng)過(guò)固定時(shí)間間隔后再總召喚、電能累積量召喚，主動(dòng)上送…，如此循環(huán)往復(fù)。
每個(gè)基本邏輯管理單元各自遵循以上的通訊原則，一旦發(fā)生通信故障，只需重新同步本單元數(shù)據(jù)，這種分割數(shù)據(jù)多線程多連接方法最大限度的利用了系統(tǒng)硬件資源和接口帶寬，將單通道單連接無(wú)法完成的超大數(shù)據(jù)量同步任務(wù)可靠的解決了。
單數(shù)據(jù)塊冗余雙連接傳輸
以單邏輯數(shù)據(jù)塊為基本單元，通信雙方之間基于1/2個(gè)可用的硬件通信通道同時(shí)建立兩條有效的通信連接，但僅使用其中一條傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，另一條維持作為備用。
當(dāng)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連接由于通信故障等原因失效后，迅速切換至另一條連接，接替原來(lái)的連接傳輸數(shù)據(jù)。失效的連接被關(guān)閉，繼而在原通信通道上定時(shí)嘗試重建連接直至成功。重建連接的過(guò)程與正在傳輸數(shù)據(jù)的另一有效連接無(wú)關(guān)，故重建連接不會(huì)延誤數(shù)據(jù)傳輸。由于連接切換后監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可立即通過(guò)另一條連接傳輸，不必等待重建連接，這就避免了因建立連接而導(dǎo)致的無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)可靠性的情況發(fā)生。由于切換通信連接的延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新建連接，因而就避免了單連接框架在重建連接的較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)無(wú)法傳輸重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的缺點(diǎn)，有助于保障綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
通信報(bào)文編號(hào)
雙連接框架下雖然切換時(shí)延比較短，仍然可能丟失數(shù)據(jù)，而在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，數(shù)據(jù)丟失是不被允許的。這樣，為了保障綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)的可靠性，連接切換后仍需傳輸本單元全部的數(shù)據(jù)信息以保證兩端同步。實(shí)際上，可能丟失的數(shù)據(jù)僅僅只是極少數(shù)，為了極少數(shù)的數(shù)據(jù)而必須傳輸整個(gè)單元的數(shù)據(jù)信息，這就有點(diǎn)得不償失，為了既保證同步，又不額外增加傳輸負(fù)載，本發(fā)明采用了一種攜帶傳輸通信報(bào)文編號(hào)的方法。
發(fā)送端對(duì)需發(fā)送的每一條數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行編號(hào)，依次遞增，每一條報(bào)文頭上攜帶該編號(hào)，接收端接收?qǐng)?bào)文，驗(yàn)證正確后，記錄并更新本端接收的最新報(bào)文編號(hào)，并定時(shí)將該最新接收的報(bào)文編號(hào)發(fā)送給發(fā)送端。用Ms來(lái)表示發(fā)送端即將發(fā)送的報(bào)文編號(hào)，Mr表示接收端記錄的最新接收?qǐng)?bào)文的編號(hào)，正常通信時(shí)應(yīng)是Ms>Mr。
通信時(shí)發(fā)送端保存最后發(fā)送的Ms-Mr片報(bào)文，一旦通信故障發(fā)生，基本邏輯管理單元切換到備連接進(jìn)行通訊，發(fā)送端首先發(fā)送之前保存的Ms-Mr片報(bào)文，接收端收后與本地保存的最新接收編號(hào)進(jìn)行比較，如果報(bào)文編號(hào)<本地Mr，則放棄該報(bào)文并將Mr通知發(fā)送端，發(fā)送端放棄保存小于Mr編號(hào)的報(bào)文，并從Mr開始發(fā)送報(bào)文，恢復(fù)正常通訊狀態(tài)。在通信的兩個(gè)方向都采用這一策略。
這樣，連接切換后發(fā)送端僅需重傳切換前的少量數(shù)據(jù)，而接收端通過(guò)辨別報(bào)文編號(hào)即可確保不會(huì)丟失重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，又避免了重復(fù)接收并處理數(shù)據(jù)而可能導(dǎo)致的系統(tǒng)誤報(bào)警等問(wèn)題。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用：綜合監(jiān)控系統(tǒng)中常見的復(fù)式系統(tǒng)，其通訊程序往往是多通訊連接但數(shù)據(jù)拷貝僅一份，以本實(shí)施例的同步通訊方法為例，Cw104ServerData不是Cw104Server的成員變量，兩者不是從屬關(guān)系，而是并列關(guān)系，不管多少個(gè)Socket連接，所有通訊信道傳輸相同的數(shù)據(jù)。這種框架雖然可以節(jié)省服務(wù)器內(nèi)存資源，但碰到多專業(yè)復(fù)式系統(tǒng)，每個(gè)連接對(duì)數(shù)據(jù)需求不盡相同的情況就無(wú)法勝任了。
以上的實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。