城市轨道交通综合监控系统数据规模和系统性能分析

城市轨道交通综合监控　系统数据规模和系统性能分析　王婷婷（苏州市轨道交通集团有限公司机电中心，江苏苏州　２１５００４）　摘要：以苏州轨道交通４号线为例，探讨了城市轨道交通综合监控系统数据规模和系统性能分析方法。　关键词：轨道交通；综合监控；数据规模；系统性能　

１概述　在城市轨道交通综合监控系统的建设过程中，　应对系统的数据规模和系统性能做详细的测算和分　析，以使软硬件配置满足系统要求、满足扩容要求，　并且不产生浪费。　２系统规模　

实验研究・　ＩＳＣＳ系统设计应充分考虑线路ＩＳＣＳ的规模并完全响应要　求。ＩＳＣＳ的系统功能主要由系统软件的总容量决定。ＩＳＣＳ软件　平台整体结构应具有灵活性、可扩展性、稳定性的特点。凭借整　体结构的扩展能力，系统应可在未来增加服务器的数量，使系　统升级到更高的点数。为了保证系统的性能和将来扩充，服务　器、网络和软件平台的处理能力在上述基础上预留３０％以上的　裕量。集成系统实时向ＩＳＣＳ系统传送数据，ＩＳＣＳ系统应支持查　询和事件触发方式与集成系统交换数据。　３性能分析　・　３．１现场设备控制时间　现场设备的控制时间指从操作员发出控制和指令操作开　始，到控制和指令操作条件检查返回为止的时间，包括控制和　指令传送到ＦＥＰ、进行处理和激活控制点或信息的时间。　中心对现场设备的控制相应信息返回时间不应大于４ｓ。从　中心控制命令发出，到现场设备开始动作的时间不应大于２ｓ。　车站的现场设备的控制时间不应大于２ｓ。从车站控制命令发　出，到现场设备开始动作的时间不应大于１ｓ。当一个控制命令　执行出错时，ＩＳＣＳ系统应能及时作出提示，并且不能影响系统其　它功能。　３．２系统可用性　ＩＳＣＳ系统是一个大型的分层分布式计算机监控系统，系统　的有效性一方面依赖于系统充分地无故障正常工作，另一方面　依靠系统发生故障时尽陕地修复系统恢复正常。按照可靠性原　理，ＩＳＣＳ是一个可修复系统，可修复系统的系统可靠性用有效　性或有效度Ａ指标来表示。系统有效度也就是系统有效性定义　为系统考核期内系统正常工作时间与考核期全部时间之比。　系统有效性Ａ按如下公式计算：　

：　ＭＴＢＦ＋ＭＴＴＲ　

式中：ＭＴＢＦ为系统平均故障间隔时间；ＭＴＴＲ为系统平均修　复时间，反映了系统的有效工作时间的统计值、后者反映了系统　修复恢复正常的时间统计值。　下图说明了ＭＴＢＦ与ＭＴＴＲ的含义及关系，也说明了ＭＴＢＦ￥１　ＭＴＴＲ的统计性质。　

故障维修　故障维修　由图可见：　

Ｆ：２　：互±　±　±　Ｎ　Ｎ　

（２）　

珊：丛：！　±　±　±：：：　Ｎ　Ｎ　

（３）一个系统的ＭＴＢＦ和ＭＴＴＲ是统计计算得出，不是由确定　性公式计算出来的。正像可靠性指标Ａ是一个概率统计值一样，　ＭＴＢＦ和ＭＴＴＲ也是～个概率统计值。　由（１）式可见，提高系统有效度（可靠性）的方法是尽可　能提高ＭＴＢＦ值和降ｔ￣ＭＴＴＲ时间。　在分析系统有效性时，关键是确定系统在考核期内的正常　工作时间和系统故障时间（总时间为两者之和）。因此，ＩＳＣＳ可　用性计算必须统计计算关键设备的主要故障时间。　ＩＳＣＳ中，每个子系统的内部设备可以划分为关键设备和非　关键设备。如果一个设备故障影响到整个系统的运行，它被视　为关键设备。例如，ｉｓｃｓｌ￣务器是关键设备，而打印机则是非关　键设备。因为服务器故障会导致系统崩溃（在第二台服务器已　故障的前提下），但如果打印机发生故障，仅仅会影响打印功　能。　每个设备故障分为主要故障和次要故障。当故障影响到系　统的主要功能，则此故障视为主要故障。比如，对服务器而言，　磁盘故障视为主要故障，但是，ＤＶＤ光驱故障被视为次要故障。　在对系统进行有效性考核时，必须考虑以上因素。按照关　键设备的主要故障发生的具体情况判定全系统故障从而来统计　计算系统的ＭＴＢＦ和ＭＴＴＲ的值。系统有效性的考核是一个科学的　过程，在考核期内＜ｆｉｔＳ，，连续考核数个月或半年）记录关键设　备的主要故障并记录考核结果，统计出ＭＴＢＦ与ＭＴＴＲ的值。　（１）关键设备的可靠性指标。以苏州地铁４号线为例，在本项　目中，主要设备可靠性指标如下表所示：　设备　ＭＴＢＦ　ＭＴＴＲ　工作站　５万小时　１小时　服务器　ｌ０万小时　ｌ小时　１Ｏ万小时　ｌｄ，时　磁盘阵列　１０Ｏ万小时　ｌｄ，时　ＦＥＰ　１Ｏ万小时　１小时　交换机　２０万小时　０．５ｄ，时　（２）ＭＴＢＦ计算　

无线互联科技１６５　・买验研究　ＩＳＣＳＩ作站、历史服务器、实时服务器、交换机、ＦＥＰ都采　用完全冗余配置（并联），根据并联系统ＭＴＢＦ计算公式，双份冗　余设备的ＭＴＢＦ是单个设备ＭＴＢＦ，ｆｉ￣的平方，即　

ＭＴＢＦ，　—Ｔ———　——Ｔ　一十～十…十一　ＭＴＢＦ￣ＭＴＢＦ２　ＭＴＢＦ，　

擂Ｆ顾　ＭＴＢＦ￣　ＭＴＢＦ￣＝５００００　ＭＴＢＦｘ余服务器＝ＭＴＢＦ￣ａ２＝ｌ×１０　。　

ＭＴＢＦｘ余交换机＝ＭＴＢＦ￣换机　＝４ｘ１０　。　４ＴＢＦ　‰ＦＥＰ＝ＭＴＢＦ　＝、ｘ　１０　本系统历史服务器配置了磁盘阵列，冗余历史服务器和磁　盘阵列组成了串联的服务器一磁盘阵列系统。其ＭＴＢＦ￣为：　

ＭＴＢＦ￣　ｍ　№　＝—————ｒ—————１＿——－ｉ—一＝—丁—＿１Ｔ　１Ｏ　

ＭＴＢＦｘ余服务器　ＭＴＢＦｍ盘阵列　１０　１０　

历史服务器一磁盘阵列、实时服务器、网管服务器组成了　一个服务器权联系统；其中网管服务器仅对网管工作站提供少　量数据，而实时／历史服务器则负责为工作站提供大量的数据，　所以网管服务器的权重显然远低于实时／历史服务器，故可忽　略，服务器权联系统ＭＴＢＦ值计算如下：　

ＭＴＢＦ￣务器权联系统　Ｍｌｎ［ＭＴＢＦ￣史服务器，ＭＴＢＦ￣时服务器户１０　所有的调度员工作站组成了一个工作站权联系统。由于工　作站的型号统一，因此　Ａ　ｒ：吕　作站权联系统＝ｌ×１０　工作站权联系统、服务器权联系统、冗余交换机、冗余ＦＥＰ　组成了一个串联的ＩＳＣＳ综合监控系统，整个ＩＳＣＳ综合监控系统　的ＭＴＢＦ计算如下：　二］二＝二＝］二＝二１　二　］二　二［　ＭＴＢＦ￣＊＊　耥埘　ＦＥ　矗境　ＭＴＢＦｘ触　ａ，ｒｒｓＦ￣ｍ　—　——　—１——　———　———　——ｉ——■　一　００００　面　十ｉ　十　：　十　十一６　

（３）ＭＴＴＲ计算　ＩＳＣＳ综合信息系统的平均修复时Ｉ￣ＭＴＴＲ是按系统内各个　设备失效率进行加权平均的平均值。　根据ＭＴＴＲ计算公式　

ｍ：　！　±生　垄±　２　１生±生　！生±　墨±　！　首先计算ＩＳＣＳ综合监控系统各成员的故障率　，即各成员　￣ＭＴＴＲ权重：　

…列　１　１－１Ｘ１。　

：冗余工作站　云　１　石石　１　石石　４×１。一１。　

…务器　１　１＝１×ｌ　

１６６无线互联科技　

冗余交换机　云　１　一　＿　２・５×１。　。　

冗一　１　一　１

＝１×１。　

磁盘阵列：ＭＴＲＲ　＝』　冗余工作站：ＭＴＲＲ，＝ｊ　冗余服务器：ＭＴＲＲ　冗余交换机：ＭＴＲＲ　Ｊ　冗余ＦＥＰ：ＭＴＲＲ　经计算，　肘＂　：　！　！　２　±　！　！　！！　！生　＾＋　＋　十五＋　

：　１０　

等　１０　＝　６　２６　０－ｏ－　ｚ　１Ｏ　＋４×　＋ｌ０　＋２．５×　＿。　＋ｌ０　．　×１叫　

据可用率公式：　

脚＝　坠　：　：９９．９９８％　

ＭＴ丑Ｆ中　ＭＴＴ　ｓ　５００００＋０．９２　

３．３系统可靠性　系统服务器、前端处理器的主机、备机的切换时间不大于　３秒钟，切换时间从软件或硬件被检测出故障开始算起，￣ｔＪｉｓｃｓ　完全可用为止。　数据库服务器的主机、备机的切换时问不大于１５ｓ。　缓存区已满不引起ＩＳＣＳ的崩溃。　任何网络设备，包括操作员工作站、服务器、交换机等，如　果发生单点故障，不影响ＩＳＣＳ的正常工作。　对ＩＳＣＳ进行的可靠性设计主要表现在对系统关键设备的冗　余设计上。在ＩＳＣＳ中，对系统的三级网络（ＭＮＳ、中央监控网、车　站监控网、现场总线）、中央服务器、车站服务器、ＦＥＰ、操作员　工作站、环境与设备监控子系统的ＰＬＣ进行了双重冗余设计。　网络及主要控制器都采取了双重冗余，极大地提供了系统　的可靠性。　按照现代可靠性理论，关于双重冗余系统的可靠性计算分　析如下：　若一个单系统未采取双重冗余时的故障率为　，修复率为　ｕ，按照可靠性理论：　

．　１　／Ｌ＝一　ＭＴＢＦ　

１　“＝一　乃　

】一（凡＋ｕ）　

＾　马尔柯夫图　可修复系统的运行过程是一个由正常工作过程到故障过　

程，经过修复恢复正常工作过程的不断反复的随机过程，此随　机过程可近似为一个马尔柯夫随机过程（平稳随机过程）。采　用平稳随机过程状态转移矩阵的分析方法，可以计算出正常状　态和故障状态的概率，从而计算出各个可靠性指标。系统冗余　配置时，其随机过程的状态转移可以用马尔柯夫图表示。　图中ｓ０为主备系统都正常状态，ｓ１为一个系统故障状态，　Ｓ２为两个系统都故障状态。按照马尔柯夫过程的随机状态转移　原理，其状态转移矩阵为：　『Ｉ－　０］　Ｐ＝［　，　，　】＝（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２）Ｉ　ｕ　１一（　＋　）０　Ｉ　ｌ　１一　ｌ　其中Ｐ０为冗余系统都正常时的概率；Ｐ１为主系统故障备用　系统正常的概率：Ｐ２为主备系统都故障的概率，　Ｉ　＝（１一　）Ｐｏ＋　＋０　｛　＝　＋［１一（　＋　）］　＋　ｌ　：　尸０＋［１一　］　＋　且　＋　＋　＝１　式中：　Ｐ０为两冗余系统都正常的概率　Ｐ１为冗余系统其中一个正常，一个故障的概率　Ｐ２为两个冗余系统都故障的概率　Ｐ０　Ｐ１＝　２　丽　系统正常得概率为ＰＯ－ＦＰＩ，即系统可用度：　＝　＋　＝　貉　与单系统相比，冗余系统可靠度大大提高，一般有效度可　提高一个“数量级”，即如果单系统Ａ＝９０％，则双重冗余系统　的Ａ＝９９￣。单系统Ａ＝９９％，双重冗余系统的Ａ＝９９．９％。　以苏州４号线为例，ＩＳＣＳ的高可靠性解决方案如下：　（１）冗余、热备中央服务器：当主服务器发生故障（包括软件　或硬件故障），备份服务器自动接管主服务器功能。服务器切换　时，没有数据丢失。　（２）冗余系统网络：系统网络上每台关键设备和两个网络都　有连接，避免一个网络故障，影响数据通信。当一台交换机故障　时，另一台交换机根据网络拓扑，动态切换到网络中最短的路　径。　（３）冗余、热备车站服务器：当主服务器发生故障（包括软件　或硬件故障），备份服务器自动接管主服务器功能。　软件开发和实施过程进行严格质量控制，采用有效的错误　实验研究・　分析和跟踪方法，确保每一个提交的软件部件都通过仔细的测　试和代码分析：　以上这些方法在多个领域的监控系统都已经得到了成功　应用，确保了系统连续运营。　３．４系统扩展性　鉴于苏州市轨道交通建设处于高速发展阶段，多条线路同　时建设，相继投入运营。因此要求综合监控系统具有良好的扩　展性，综合监控系统具有如下特点：　（１）系统设备模块化　软件组件化，可以实现灵活拼装。　（２）硬件配置和数据组织形式以车站综合监控系统为单位，　一个车站就是一个模块，是基础的数据源。车站综合监控系统　可以向多个中心同时提供数据服务，支持多中心结构。　（３）采用通用以太网设备和开放的通讯协议，网络系统扩展　性好，允许平滑扩展。　（４）采用中间件技术，对于应用软件屏蔽具体的物理连接和　位置，对于任何数据对象访问，均可以用线路名一站名一点名逐　级检索，每个数据对象的命名在整个苏州轨道交通是唯一的。　考虑为４号线及支线延伸线预留一定的条件，建议方案如　下：　（１）增加新站：单独调试新站的车站ＩＳＣＳ，在完成后，将该　站本地ＩＳＣＳ网络连入骨干网，将该站数据库配置组态数据加入　控制中心数据库，在中心操作站增加新站画面。　（２）增加换乘站：修改数据库，增加被监控设备的组态配置　数据，通过开放的数据接口获得新建部分的数据，同时向另一　条线路的ＩＳＣＳ提供既有系统的信息，　在车站和中心增加部分　画面。　ＩＳＣＳ系统支持服务器群集（ＣＬＵＳＴＥＲ）的扩展方式，在现有　服务器性能不能满足系统扩展需要时，能够通过配置新的服务　器，分布式管理新建车站或其他扩展要求，由多组服务器共同　完成ＩＳＣＳ的监控功能。新旧服务器可以是不同厂家和型号的设　备，ｉｔＴ￣ＣＯＲＢＡ实现异构分布式数据环境下的远程对象调用，满　足系统扩展性的要求。　系统软件提供多种开放的协议，第三方厂商可以通过网络　接口，在得到授权后，获取ＩＳＣＳ数据。系统软件还能够增加各种　数据接口，实现与其他系统的数据共享。