城市轨道交通综合监控系统数据规模和系统性能分析

1、城市轨道交通综合监控系统数据规模和系统性能分析摘 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

2、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

3、，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快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：式中： MTBF 为系统平均故障间隔时间； MTTR 为系统 平均

4、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 和 MTTR 的统计性质。由图可见：（2）（ 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 也是一个概率统计值。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 值和降低 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

5、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， ISCS 服务器是关键设备， 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

6、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（例如，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。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 10 万小时 1 小时10 万小时 1 小时磁盘阵列 100 万小时 1 小时FEP 10万小时 1 小时交换机 20 万小时 0.5 小时 MTBF 计算ISCS 工作站、历史服务器、实时服务器、交换机、 FEP 都采用完

7、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 值的平方， 即 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磁盘阵列系统。 其 MTBF 值 为：历史服务器磁盘阵列、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： 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，因此工作站权联系统、服务器

8、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： MTTR 计算ISCS 综合信息系统的平均修复时间 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 计算公式首先计算 ISCS 综合监控系统各成员的故障率 ，即各成员的 MTTR 权重：磁盘阵列： MTRR1=1冗余工作站： MTRR2=1冗余服务器： MTRR3=1 冗余交换机： MTRR4=1 冗余 FEP： MTRR5=1经计算，据可用率公式：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

9、间从软件或硬件被检测出故障开始算起，到 ISCS 完全可用为止。数据库服务器的主机、备机的切换时间不大于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

10、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，按照可靠性理论：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：其中 P0 为冗余系统都正

11、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，且式中：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系统正常得概率为 P0+P1，即系统可用度： 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： 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

12、器切换时，没有数据丢失。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。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

13、具有良好 的扩展性，综合监控系统具有如下特点：系统设备模块化，软件组件化，可以实现灵活拼装。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。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。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-站名 -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：增加新站： 单独调试新站的车站 ISCS，在完成后， 将 该

14、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。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，通过 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