基于XML的北京軌道交通信息交換平臺(tái)研究

杜軒軒，劉 云

（北京交通大學(xué) 通信與信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

經(jīng)過多年的建設(shè)，北京軌道交通信息化建設(shè)基本覆蓋了各專業(yè)業(yè)務(wù)，形成了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的格局，但也存在不足，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）信息共享程度低

盡管各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間存在著大量的信息交互，但由于缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的信息交互機(jī)制，各信息系統(tǒng)之間無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，導(dǎo)致業(yè)務(wù)信息難以實(shí)現(xiàn)高效的綜合處理，各信息系統(tǒng)之間難以聯(lián)系協(xié)調(diào)、共同發(fā)揮作用，使得數(shù)據(jù)處理、分析及報(bào)表管理分散，造成重復(fù)和缺失。

（2）各系統(tǒng)之間聯(lián)動(dòng)性差

軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)本身就是一個(gè)“車、機(jī)、工、電、輛”組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間存在著業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)關(guān)系。例如，在火災(zāi)情況下，防災(zāi)報(bào)警信號(hào)會(huì)傳到各系統(tǒng)，觸發(fā)各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式，F(xiàn)AS (防災(zāi)報(bào)警) 系統(tǒng)、ATC (信號(hào)與通信) 系統(tǒng)、BAS (環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控) 系統(tǒng)、AFC (自動(dòng)售檢票) 系統(tǒng)、PIS（乘客信息顯示）系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)協(xié)調(diào)工作。但現(xiàn)有的信息系統(tǒng)彼此孤立、異域異構(gòu)、缺乏統(tǒng)一接口規(guī)范，它們之間的連通比較困難且成本較高，各系統(tǒng)操作員只能了解本專業(yè)所關(guān)心的系統(tǒng)狀態(tài)，難以及時(shí)獲知其它專業(yè)的狀態(tài)。目前，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)營的協(xié)調(diào)統(tǒng)一管理，不得不加入人工干預(yù)，這極大降低了可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)性和運(yùn)營效率。

（3）各子系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)都采用不同的軟硬件平臺(tái)，人機(jī)交互界面多種多樣，信息交互接口也不統(tǒng)一。給系統(tǒng)間信息交互和共享帶來極大困難，嚴(yán)重影響了信息的充分利用以及綜合決策水平。

（4）缺少與外部相關(guān)系統(tǒng)的接口

城市軌道交通作為綜合交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，與道路公共交通、鐵路、航空等存在著大量的數(shù)據(jù)交換需求，但現(xiàn)有的信息系統(tǒng)未考慮到對外接口需求，這對城市軌道交通系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展十分不利。

以上的問題與北京作為首都的地位和建設(shè)現(xiàn)代國際城市的要求是不匹配的，所以基于以上的考慮，很有必要建立一個(gè)北京城市軌道交通的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，整合各個(gè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，為北京城市軌道交通的發(fā)展提供有力的保障，從而推動(dòng)整個(gè)北京的城市建設(shè)。

1 本平臺(tái)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)交換的理想中間格式XML

XML表示可擴(kuò)展標(biāo)記語言，是一種高度結(jié)構(gòu)性的、具有自我數(shù)據(jù)描述功能以及可驗(yàn)證性的語言。XML有一套規(guī)則使用戶可以自己定義標(biāo)記和屬性，這些標(biāo)記和屬性可以構(gòu)成一些標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以按照這些標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)應(yīng)用程序，因而具有很好的擴(kuò)展性。

由于可以借助驗(yàn)證規(guī)則來規(guī)范一個(gè)XML文件的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，保證XML文檔的有效性，同時(shí)XML是非專有的并易于閱讀和編寫，就使得它成為在不同的應(yīng)用間交換數(shù)據(jù)的理想格式。更重要的是，現(xiàn)在的系統(tǒng)多半使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，如Oracle，SQLServer等，XML以上的特點(diǎn)以及其本身突出表現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語義的特點(diǎn)，使其自然地與數(shù)據(jù)庫結(jié)合在一起。一旦將XML數(shù)據(jù)文件與數(shù)據(jù)庫表關(guān)聯(lián)起來，不但可以保留關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)信息，還可以利用XML文檔的優(yōu)勢在網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫間交換數(shù)據(jù)，并解決不同數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)關(guān)系、語義定義等數(shù)據(jù)表達(dá)方面的差異，如對應(yīng)關(guān)系中字段內(nèi)容不同、字段命名不同、數(shù)據(jù)類型不同等。這將較好地解決企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)間信息源集成的分布和異構(gòu)等問題，使得數(shù)據(jù)交換的手段更為高效。

1.2 XML文檔查詢語言Xquery

Xquery即XML Query，是W3C所制定的一套標(biāo)準(zhǔn)，用來從類XML文檔中提取信息，類XML文檔可以理解成一切符合XML數(shù)據(jù)模型和接口的實(shí)體，他們可能是文件或RDBMS。Xquery是查詢XML的語言，類似于RDBMS的SQL，目前主流的RDBMS如Oracle, DB2, SQLServer都支持Xquery。本平臺(tái)即利用Xquery在已注冊的系統(tǒng)中查詢用戶所請求的數(shù)據(jù)。

1.3 JMS

JMS是消息隊(duì)列服務(wù)（Java Message Service）的簡稱，用來在2個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間或是分布式系統(tǒng)之間發(fā)送消息。不同于傳統(tǒng)的面向消息的中間件（MOM）。JMS定義了統(tǒng)一的API，所以它的實(shí)現(xiàn)與具體的廠商無關(guān)，更有利于產(chǎn)品移植。通常情況下，JMS包括3部分內(nèi)容：2個(gè)JMS客戶端和1個(gè)JMS服務(wù)器。

JMS客戶端是使用JMSAPI發(fā)送和接受消息的應(yīng)用程序，JMS服務(wù)器是任何實(shí)現(xiàn)JMS規(guī)范的應(yīng)用程序或者應(yīng)用程序的一部分。JMS客戶端通過JMS服務(wù)器發(fā)送消息以進(jìn)行通信。主要有2種通信方式：

（1）點(diǎn)對點(diǎn)模式（Point-to-Point）

消息生產(chǎn)客戶端向一個(gè)特定的隊(duì)列發(fā)送消息，然后消息消費(fèi)客戶端從該隊(duì)列獲取信息，如果消費(fèi)客戶端沒有從該隊(duì)列獲取信息，該信息將一直保留在隊(duì)列中，直至消費(fèi)客戶端取走信息或該信息過期，所以在該模式下，通信以消息被取走而結(jié)束，客戶端和消費(fèi)端不需要同時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，只有一個(gè)消費(fèi)者能獲取信息。本平臺(tái)使用的就是第一種模式。

（2）發(fā)布者/訂閱者模型（Pub/Sub模式）

發(fā)布者向一個(gè)特定的消息主體發(fā)布消息，所有對該主題感興趣的訂閱者都可接收該消息，所以這種模式類似于匿名公告板，多個(gè)消費(fèi)者可獲得消息。發(fā)布者與訂閱者存在時(shí)間差上的依賴性，發(fā)布者必須首先建立一個(gè)訂閱，以便訂閱者訂閱，除非訂閱者建立了持久的訂閱，否則訂閱者必須保持持續(xù)的活動(dòng)狀態(tài)以接受消息。

2 本平臺(tái)功能模塊及整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可分為4個(gè)模塊，接入模塊，交換模塊，基礎(chǔ)服務(wù)管理模塊，消息路由模塊，如圖1。

2.1 接入模塊

處理應(yīng)用信息系統(tǒng)的接入，主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)讀寫。對于新建的系統(tǒng)比較簡單，利用java語言跨平臺(tái)的優(yōu)勢，只需要按照規(guī)定實(shí)現(xiàn)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能的接口即可接入平臺(tái)；對于已有系統(tǒng)，改寫系統(tǒng)代碼的代價(jià)比較大，解決的辦法是采用接入新系統(tǒng)的方法搭建一個(gè)適配器，由適配器來代替已有系統(tǒng)與平臺(tái)交互。

圖1 北京軌道交通數(shù)據(jù)交換平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

2.2 基礎(chǔ)服務(wù)管理模塊

基礎(chǔ)服務(wù)管理模塊包括系統(tǒng)注冊模塊，事務(wù)管理模塊，日志管理模塊。系統(tǒng)注冊模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的安全和授權(quán)部分，每個(gè)系統(tǒng)必須在平臺(tái)注冊并且得到平臺(tái)的同意響應(yīng)后才能通過平臺(tái)和其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；事務(wù)管理模塊保證信息交互過程中的事務(wù)安全機(jī)制；日志管理模塊通過控制臺(tái)、文件和數(shù)據(jù)庫3種方式記錄平臺(tái)信息交互的日志，以備日后查詢分析。

2.3 交換模塊

交換模塊是整個(gè)平臺(tái)的核心部分，是異構(gòu)數(shù)據(jù)交換的處理部分，以層次化的結(jié)構(gòu)來組織。主要包括服務(wù)層、協(xié)議支持層和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換引擎。

（1）服務(wù)層完成信息系統(tǒng)的接入服務(wù)，提供平臺(tái)自身的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，該數(shù)據(jù)庫主要存放系統(tǒng)日志、消息隊(duì)列相關(guān)持久化信息，保證交換平臺(tái)運(yùn)行過程中需要持久化的信息能夠正常存儲(chǔ)，與各個(gè)接入信息系統(tǒng)不發(fā)生關(guān)系。本層還可以部署其它服務(wù)，這個(gè)視系統(tǒng)的復(fù)雜性可進(jìn)行后期擴(kuò)展。

（2）數(shù)據(jù)協(xié)議層提供軌道交通信息交換平臺(tái)上需要交換的各種數(shù)據(jù)協(xié)議支持服務(wù)。服務(wù)層完成系統(tǒng)的接入后，將各個(gè)信息系統(tǒng)發(fā)送的JMS消息傳送到本層，本層通過解析消息的相關(guān)記錄，可得到該消息交換的數(shù)據(jù)所采用協(xié)議。通過判定協(xié)議后，即調(diào)用對應(yīng)數(shù)據(jù)協(xié)議的交換處理模塊處理該信息交換任務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換引擎的功能主要是為了實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換是基于數(shù)據(jù)內(nèi)容的，也就是保持了原有的數(shù)據(jù)內(nèi)容不變，只是將其外在的表現(xiàn)形勢做了轉(zhuǎn)換。各種數(shù)據(jù)格式之間轉(zhuǎn)換的中間格式為XML，即平臺(tái)先將待轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)化為XML格式，然后再將XML格式轉(zhuǎn)化為目的格式。

2.4 消息路由模塊

消息路由模塊位于平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的最底層，負(fù)責(zé)處理各個(gè)系統(tǒng)的互達(dá)路由，保證系統(tǒng)信息正常到達(dá)指定系統(tǒng)。整個(gè)交換中使用的信息格式需要進(jìn)一步研究符合要求的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換規(guī)范。該層提供信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的路由配置和實(shí)現(xiàn)。比如一個(gè)數(shù)據(jù)流由系統(tǒng)A發(fā)出（文本格式），經(jīng)過系統(tǒng)B（XML格式），最終到達(dá)系統(tǒng)C（Html）。就可以在系統(tǒng)配置文件里添加一條路由，表示整條數(shù)據(jù)路徑。平臺(tái)路由模塊啟動(dòng)時(shí)，就能加載這些配置好的路由信息，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只要有符合條件的數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)就會(huì)按照配置的路由來傳送數(shù)據(jù)到目的系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)消息分類和信息交換流程

3.1 消息分類

本平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換需要系統(tǒng)平臺(tái)之間發(fā)送各種消息，這些消息的傳遞是通過中間件Jms規(guī)范的一種實(shí)現(xiàn)OpenJMS來完成的，目前主要發(fā)送的消息有：

（1）注冊消息（Registration Request）；

（2）注冊相應(yīng)消息（Registration Response）；

（3）請求消息（Data Request）；

（4）請求響應(yīng)消息（Data Response）。

以上消息的消息體均為XML格式，并且滿足各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.2 交換信息流程

（1）注冊流程

A系統(tǒng)要加入平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須先進(jìn)行注冊，獲得平臺(tái)的授權(quán)。A系統(tǒng)向平臺(tái)的Registration Buffer隊(duì)列發(fā)送注冊請求（Registration Request），平臺(tái)從RegistrationBuffer獲得注冊請求并進(jìn)行解析，若經(jīng)驗(yàn)證A系統(tǒng)合法，則向Registration Response Buffer隊(duì)列發(fā)送成功的注冊響應(yīng)，包括A系統(tǒng)的注冊有效，目前平臺(tái)中已注冊的系統(tǒng)列表。否則發(fā)送失敗的注冊請求響應(yīng)，包含注冊失敗的原因。A系統(tǒng)從Registration Response Buffer獲得注冊請求響應(yīng)，若注冊成功，則可開始進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2）數(shù)據(jù)交換流程

現(xiàn)在A系統(tǒng)需要西直門地鐵站的涵洞數(shù)據(jù)，A系統(tǒng)將其請求封裝在請求消息（Data Request）中，發(fā)送到平臺(tái)的Request Buffer隊(duì)列，平臺(tái)從該隊(duì)列獲得請求消息并進(jìn)行解析，然后在已注冊的系統(tǒng)中進(jìn)行查詢，發(fā)現(xiàn)B和C系統(tǒng)含A系統(tǒng)所請求的數(shù)據(jù)。平臺(tái)分別向B和C的接收隊(duì)列（Receiver- BuffrFor X）轉(zhuǎn)發(fā)A的數(shù)據(jù)請求，B和C從各自的接受隊(duì)列獲得數(shù)據(jù)請求后，查詢各自系統(tǒng)，將查詢到的數(shù)據(jù)封裝在各自的請求響應(yīng)消息中，發(fā)送到各自的發(fā)送隊(duì)列（Sender BuffrForX）。平臺(tái)從B和C的發(fā)送隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，封裝成數(shù)據(jù)請求響應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為A系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送到A系統(tǒng)的接受隊(duì)列（Receiver Buffer ForA），A系統(tǒng)從該隊(duì)列中獲取請求的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本平臺(tái)數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)基于XML這一網(wǎng)絡(luò)“通用語言”，充分利用了XML可拓展，易組織，自描述性的特點(diǎn)；利用Jms作為系統(tǒng)之間傳遞消息的中間件，由于Jms定義了統(tǒng)一的接口，所以它的具體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序是沒有關(guān)系的。所以使用該平臺(tái)對應(yīng)用系統(tǒng)的侵入性很小，系統(tǒng)只需按照規(guī)定實(shí)現(xiàn)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能的接口就可以使用該交換平臺(tái)。該平臺(tái)目前正在開發(fā)中，不過前期的測試表明該平臺(tái)能夠很好的完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的交換功能，而且具備上述與應(yīng)用系統(tǒng)之間的松耦合的特點(diǎn)。相信隨著本平臺(tái)的開發(fā)完成，一定能夠克服現(xiàn)在北京軌道交通決策分析信息單一，各系統(tǒng)無法共享信息的問題，很好的服務(wù)北京市軌道交通的發(fā)展。

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