動車組車載實時監控海量信息數據庫的設計與實現

昌獻梅，賈志凱，李 明

（1.北京鐵辰工程監理中心，北京 1 00844；2.中國鐵道科學研究院 電 子計算技術研究所，北京 1 00081）

我國生產的新一代動車組采用先進的車載總線及GSM-R/GPRS技術，實現了在途運行動車組車輛運行狀態及故障報警等信息的實時落地，充分利用車載實時監控數據，地面監控中心可實時獲得在途動車組故障報警信息及設備工作狀態，復現司機室和機械師監控界面，為調度指揮和故障應急處置提供信息支持。動車組車載實時監控系統信息數據量大、實時性高，數據庫設計質量是整個系統能否長期高效、穩定運行的關鍵。

1 數據庫需求分析

1.1 業務需求

動車組車載實時監控系統對后臺數據庫的主要任務需求為：

（1）可實時查詢最新的動車組運行狀態和設備工作狀態。

（2）當故障發生時實時更新報警信息。

（3）可查詢指定時間段內的各類運行參數信息。

（4）可根據管理需求按不同維度匯總、分析指定時間段內的故障信息。

1.2 主要數據內容

動車組車載實時監控數據按照業務種類劃分為運行狀態數據、故障數據和設備自診斷數據3大類，主要數據內容包括：

（1）運行狀態數據：車組號、車次、編組狀態、速度、GPS值、牽引狀態、制動狀態以及網壓、管壓、軸溫、車門、空調、衛生間等運行參數信息。

（2）故障數據：車組號、車次、故障代碼、故障位置、報警時間以及相關重要環境信息等。

（3）設備自診斷數據：車載時間、車組號、車次、自檢情況、GPRS網絡連接情況等。

高速動車組運行速度快，設備復雜，其故障報警信息本身數據量較小，但其附帶的環境參數數據量較大，實時性要求最高；運行狀態信息發送頻率高、內容多、數據量大，實時性要求較高；設備自診斷數據量較小，實時性要求較低。

2 數據庫設計

通過對主要業務需求及數據內容分析，根據現行海量數據庫的良好設計思路[1~2]，主要闡述主要的息海量數據庫涉及到若干表，動車組車載實時監控海量信息數據庫的設計主要考慮以下幾方面：

（1）數據庫設計需同時滿足實時監控及統計分析雙重任務，具有聯機事務處理OLTP（on-line transaction processing）、聯機分析處理OLAP（On-Line Analytical Processing）系統的雙重特點，其特點如表1。

表1 數據庫需具有的特點

（2）數據庫設計應滿足未來發展的需要，對于海量信息數據庫而言，一旦上線運行，其設計修改及調整將非常困難。

（3）數據庫維護工作量較小，數據備份工作對系統工作和性能影響較小，一旦發生問題，恢復時間限定在4 h以內。

2.1 設計原則

在數據庫設計階段，除常規的設計原則外，重點考慮了以下原則：

2.1.1 數據庫性能和整體系統響應性能相匹配

在設計之初，認真分析系統整體功能需求及響應要求，考慮了現場實際管理能力，使得系統技術能力和管理能力相匹配，不以片面追求高性能為目的，合理設定系統響應時間、并發性、存儲能力等關鍵指標。

2.1.2 適當進行反向規范化

數據庫設計中根據實際業務需要，對以查詢為主的部分故意保留非規范化約束，或者規范化以后又反規范化，改進了數據庫的查詢性能，加快數據庫系統的響應速度。

2.1.3 合理設計和管理表及索引

表及索引是大量物理文件的邏輯載體，對于海量信息而言，數據表及索引的合理設計對于數據庫的性能及后續管理工作影響重大。在設計中采取如下措施：

（1）利用表分區技術，不同分區的數據制定保存在處于不同磁盤上的數據文件里，將數據傳輸對磁盤I/O競爭均勻地分散開。

（2）充分估計到數據結構將來可能出現的變化，合理設置pctfree參數和pctused參數，盡量減少數據庫中出現行鏈接和行遷移，減小I/O消耗。

（3）將動態增長的對象分別放在各自的表空間中以減少磁盤碎片的產生。

（4）合理設計業務功能，減少索引使用，合理使用聚簇技術，對于分區表使用本地分區索引，方便對表及索引的維護。

2.2 數據表設計

動車組車載實時信息海量數據庫涉及到若干表，現主要闡述主要數據表設計。

2.2.1 動車組最新運行狀態表

該表主要用于存儲每列動車組最新運行參數信息。將車組號設為主鍵。在今后若干年內，該表記錄數在千級以下，能夠實現動車組最新運行狀態的快速查詢。

2.2.2 動車組運行參數信息表

該表主要用于存儲各動車組兩個月的運行參數信息。每天的數據建立一個分區，將入庫時間值作為范圍分區對象，每天定時新建和刪除一分區，確保永久保留61個分區，不同的分區使用不同的數據文件存儲，并將待刪除分區的數據先備份存檔。

2.2.3 動車組故障信息表

該表主要用于存儲各動車組近兩個月的故障信息，每天的數據建立一個分區，將故障報警時間作為范圍分區對象，每天定時新建和刪除分區，確保永久保留61個分區，不同的分區使用不同的數據文件存儲，建立以車組號和時間值為代表的組合索引。

2.2.4 動車組故障分類統計表

該表為中間統計表，主要用于存儲每日各種故障類型的相關統計值，每日由定時任務定時執行相應的存儲過程統計相關數據。

2.2.5 基礎字典表

該類表主要用于存儲數據庫中的相關基礎數據。

3 系統實現及效果評價

根據上文所述設計方案，構建了基于雙機熱備的數據庫實例，并應用于動車組車載實時信息監控系統。到目前為止，系統已穩定運行1年，日均數據量為1.5 GB。數據庫對于監控程序的實時查詢請求響應及時，擴展能力充足，維護工作較小，上線1年以來，性能沒有發生明顯衰減，為動車組動態跟蹤監控及故障應急處置提供了有力的信息化支撐。

4 結束語

本文在深入分析動車組車載實時監控信息數據種類及業務特點的基礎上，研究實時監控與統計分析功能對數據庫設計的影響，制定了數據庫設計原則及優化規則，提出了動車組車載實時監控海量信息數據庫的設計方案，并按此方案進行了系統實施，取得了較好的應用效果。

[1]仰燕蘭，葉 樺，費樹岷. 車輛定位監控系統數據庫的設計與優化[J]. 東南大學學報，2010（9）：43-47.

[2]邵 英，鄭 健. 新型海量信息數據庫的設計與實現[J]. 計算機工程與設計，2006（6）：2441-2443.