CN111737329A - 一种轨道交通统一数据采集平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通统一数据采集平台，协议解析模块，用于从数据源采集数据并根据需求解析为相应数据格式输出到缓存层模块，将从缓存层模块获取的控制命令解析后下发到数据源；缓存层模块，用于对解析后的采集数据进行分布式消息缓存；数据层处理模块，用于对采集的数据流进行接收，并进行数据转换、汇总、拆分；存储层模块，用于存储实时数据存储和历史数据；应用层模块，用于管理各种应用，包括对业务流程中的各种作业进行配置、监视、数据通信协议配置、接口方式选择。本发明中，在需要采用多种采集方式或采集多种数据源时，通过配置化的方式，实现数据源采集，无需重复开发采集程序。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道交通统一数据采集平台。
背景技术
轨道交通的线网中心的调度运营指挥***与线路中心的综合监控***建设中，不同专业子***(例如FAS、BAS、电力SCADA、门禁、CCTV等)的数据采集方式不同，有时相同专业的不同厂家采用的协议也有差异。不同数据源的数据采集方式采用不同的协议，导致每遇到一个新的数据采集方式，都需要开发一套采集程序，该程序只匹配该种数据源协议。例如采集实时类数据采用modbus协议，就需要针对modbus协议编写采集程序。而最近几年实时数据采集开始普遍使用kafka等hadoop组件进行数据交换，又需要针对kafka等编写采集程序。线网中心侧的接口服务开发实施遇到很多相似而又不通用的重复工作。
综上所述，线网中心侧存在以下问题：对数据源采集大多是针对固定协议开发实施，需要在接口服务层做定制转发，采集后数据结构只能本***使用，不能开放给其他***使用；导致协议扩展性差、可配置性差，不能适应更多的专业和业务需求，降低了数据和资源的利用效率，增加了***开发成本和发生故障的可能性；而且数据流管道一般只采用自定义的、或者仅支持一种方式，扩展性较差，不能根据不同业务需求选择不同的数据流管道技术，导致接口服务层通用性不高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种轨道交通统一数据采集平台，扩展数据采集平台的通用性，匹配更多采集协议，提高数据和资源的利用效率。
本发明提出的一种轨道交通统一数据采集平台，包括：
协议解析模块，用于从数据源采集数据并根据需求解析为相应数据格式输出到缓存层模块，将从缓存层模块获取的控制命令解析后下发到数据源；
缓存层模块，与协议解析模块连接，用于对解析后的采集数据进行分布式消息缓存；
数据层处理模块，与缓存层模块连接，用于对采集的数据流进行接收，并进行数据转换、汇总、拆分；
存储层模块，与数据层处理模块连接，用于存储实时数据存储和历史数据；
应用层模块，用于管理各种应用，包括对业务流程中的各种作业进行配置、监视、数据通信协议配置、接口方式选择。
优选地，协议解析模块具体包括：
modbus客户端采集服务子模块，用于解析ModbusTCP、ModbusRTU协议，应用于modbus客户端；
IEC104客户端采集服务子模块，用于解析IEC104协议，应用于IEC104客户端；
MQTT客户端采集服务子模块，用于解析MQTT协议，应用于MQTT客户端；
OPCUA客户端采集服务子模块，用于解析OPCUA协议，应用于OPCUA客户端；
FTP服务文件处理服务子模块，用于解析FTP协议，应用于FTP客户端。
优选地，缓存层模块根据采集数据源不同分别建立不同的队列，相同数据源分为采集消息队列和控制消息队列；采集消息队列用于接收协议解析模块输出的数据，并提供给数据层处理模块使用；控制消息队列用于接收应用层或外部控制写入的控制命令，并提供给协议解析模块控制相关处理器进行解析和下发控制命令。
优选地，数据层处理模块具体包括：
转换是对数据进行倍率的转换；
汇总是对客流、电量、交易类型数据进行实时汇总统计；
拆分是批量采集的数据按照类型、业务不同需求拆分到不同的数据处理器进行处理。
优选地，统一数据采集平台***数据采集功能需要直接对接车站的各种PLC设备，且采集服务部署在车站，通过协议采集数据并发送到统一数据采集平台中心。
优选地，统一数据采集平台***采集功能直接对接的是应用***或者车站设备，统一数据采集平台的协议采集功能部署在统一数据采集平台中心层，直接采集各***转发的数据。
本发明中，将数据采集平台分割为多个低耦合、独立的层和组件模块，然后在这些组件模块之间以消息传递或依赖调用(是指两个组件需要组合调用才能完成一个逻辑功能)的方式聚合成一个完整的平台***；本发明中采集线网各线路专业的数据，经数据处理后存储到缓存队列和大数据存储，供线网各应用***共享使用，并为线网中心数据仓库***提供原始数据。在需要采用多种采集方式或采集多种数据源时，通过配置化的方式，实现数据源采集，无需重复开发采集程序。另外，各模块可以分布式部署在独立的服务器上，从物理上分离模块之间的耦合关系，进一步降低平台***的耦合性，实现平台***的扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的轨道交通统一数据采集平台架构结构图；
图2为本发明实施例提出的对Modbus、OPCUA、IEC104、MQTT等协议进行数据采集的平台架构结构图；
图3为本发明实施例提出的Kafka消息队列应用架构图；
图4为本发明实施例提出的统一数据采集平台的车站运行模式架构图；
图5为本发明实施例提出的统一数据采集平台的中心运行模式架构图。
具体实施方式
本发明实施例1提出了一种轨道交通统一数据采集平台具体结构如图1所示，包括：
协议解析模块10，用于从数据源采集数据并根据需求解析为相应数据格式输出到缓存层模块20，将从缓存层模块20获取的控制命令解析后下发到数据源。在协议解析模块10中对于不同协议封装为不同适配器，不同适配器负责解析不同数据源。目前支持的协议应包括ModbusTCP、ModbusRTU、OPCUA、IEC104、MQTT等，对于离线传输协议FTP，从线路侧***采集数据，还可以是webService接口、MQ消息队列等方式。所有协议驱动的开发，在***统一框架的基础上，以相同结构组件的形式进行封装实现，如图2所示，具体包括：
modbus客户端采集服务子模块，用于解析ModbusTCP、ModbusRTU协议，应用于modbus客户端。上行方向，定时采集modbus客户端数据，采集数据范围包含数字量输入(DI/DDI)、模拟量输入(AI)、计量量输入(MI)，其中，数据的地址及相关基础信息通过modbus点表进行配置；数据采集后根据需求解析为JSON数据格式输出到缓存层模块20；下行方向，通过缓存层模块20获取JSON数据格式的控制命令，解析为modbus命令下发给modbus客户端，实现对modbus客户端的控制。
IEC104客户端采集服务子模块，用于解析IEC104协议，应用于IEC104客户端。上行方向，与IEC104客户端通信，定时采集IEC104客户端数据，采集数据范围包含数字量输入(DI/DDI)、模拟量输入(AI)、计量量输入(MI)，其中，数据的地址及相关基础信息通过IEC104点表进行配置；数据采集后根据需求解析为JSON数据格式输出到缓存层模块20；下行方向，通过缓存层模块20获取JSON数据格式的控制命令，解析为IEC104协议命令码下发给IEC104客户端，实现对IEC104客户端的控制。
MQTT客户端采集服务子模块，用于解析MQTT协议，应用于MQTT客户端。上行方向，定时采集MQTT客户端数据，数据采集后根据需求解析为JSON数据格式输出到缓存层模块20；下行方向，通过缓存层模块20获取JSON数据格式的控制命令，解析为MQTT命令码下发给MQTT客户端，实现对MQTT客户端的控制。
OPCUA客户端采集服务子模块，用于解析OPCUA协议，应用于OPCUA客户端。上行方向，定时采集OPCUA客户端数据，数据采集后根据需求解析为JSON数据格式输出到缓存层模块20；下行方向，通过缓存层模块20获取JSON数据格式的控制命令，解析为OPCUA命令码下发给OPCUA客户端，实现对OPCUA客户端的控制。
FTP服务文件处理服务子模块，用于解析FTP协议，应用于FTP客户端。上行方向，定时采集FTP客户端数据，数据采集后根据需求解析为JSON数据格式输出到缓存层模块20；下行方向，通过缓存层模块20获取JSON数据格式的控制命令，解析为FTP命令码下发给FTP客户端，实现对FTP客户端的控制。
本发明中，根据客户端业务种类需求，通过选择配置不同的通信协议即可实现对不同数据源的采集功能。对于有特殊私有协议需求的业务，***也支持通信协议组件的扩展，在既有框架及组件接口要求的基础上，实现新通信协议组件的开发封装，即可在不影响数据采集平台整体结构的情况下实现私有协议的扩展。统一数据采集平台主要功能包括可视化配置、实时监控、作业调度、数据流处理、数据缓存、权限控制功能。其中可视化配置包括业务流程组织的可视化配置和组件参数的可视化配置，所有组件均可通过图形页面以拖拽的方式进行流程配置，且每个组件的参数配置均可在拖拽该组件时进行可视化配置。所有组件的运行和停止也要通过该可视化页面控制，且组件运行状态、数据流量也可在页面进行实时监视。权限控制是对登陆***的用户权限进行管理，验证用户是否具有编辑、控制、查看相关组件的功能。
缓存层模块20，与协议解析模块10连接，用于解析后的采集数据进行分布式消息缓存，实现对采集数据的削峰和缓冲，缓解大批量数据采集时流数据处理层的压力，提高***稳定性和健壮性。同时协议层(协议解析模块)和数据层(数据层处理模块)之间不再需要接口调用，协议层按照特定的数据格式将数据输出到消息队列，数据层只需要实时处理消息队列中的数据即可，也实现了解耦协议层和数据层，提高了***的可扩展性。协议层和数据层支持多种消息队列适配，包含kafka、redis、pulsar等，消息格式采用预定的JSON格式。
缓存层模块20根据采集数据源不同分别建立不同的队列，相同数据源分为采集消息队列和控制消息队列。采集消息队列用于接收协议解析模块10输出的数据，并提供给数据层处理模块30使用；控制消息队列用于接收应用层或外部控制写入的控制命令，并提供给协议解析模块10控制相关处理器进行解析和下发控制命令。
采集消息队列和控制消息队列基于发布—订阅模式工作，消息发送者(对于采集消息队列消息发送者是协议解析模块10，对于控制消息队列消息发送者是数据层处理模块30)发布消息，一个或多个消息接收者(对于采集消息队列消息接收者是数据层处理模块30，对于控制消息队列消息接收者是协议解析模块10)订阅消息。消息发送者把消息发送至分布式消息队列后就处理完毕，然后由消息接收者从消息队列中获取消息进行处理。对于新增的业务，只要对某个消息感兴趣，就可以订阅该消息，而对原有***和业务没有任何影响，从而极大程度上降低***层间的偶合性，实现***的可扩展设计。
另外，消息接收者还可以对收到的消息再构造，定义出一个新的消息类型，然后再把消息发送给订阅了这一新消息类型的接收者，实现消息的个性化处理和灵活转发。例如，可以对接收的消息进行拆分，或者提取指定的属性值并进行转发，实现消息的个性化处理转发。
使用分布式消息队列是因为消息发送者无须等待就可以返回，可以确保***具有更好的响应时间；而且在访问高峰，消息可以暂存于消息队列中，进而减轻了数据库的存储负载压力。分布式消息缓存队列提供高吞吐率、高消息持久化能力和数据访问性能，即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持非常高效的消息传输，支持服务端消息分区，及分布式消费，保证每个分区内的消息顺序传输，同时支持离线数据处理和实时数据处理。
Kafka消息队列应用架构，如图3所示，分布式消息队列包括一个或者多个节点实例，可以称为broker。Modbus处理器和IEC处理器主要负责解析协议数据并输出的数据到相应的队列，提供给数据处理层使用；数据执行器主要负责订阅和处理相应队列中的消息。
数据层处理模块30，与缓存层模块20连接，用于对采集的数据流进行接收，并进行数据转换、汇总、拆分等操作。数据转换主要是对数据进行倍率的转换，汇总主要是对客流、电量、交易等类型数据进行实时汇总统计，拆分主要是批量采集的数据按照类型、业务等不同需求拆分到不同的数据处理器进行处理。各种组件接口采用统一的接口形式及数据输出格式，实现数据处理组件的可复用性及灵活适配。
流数据处理功能主要用于接收和处理分布式数据缓存队列中的数据，基于高效率的并行计算技术，实现实时大数据量的收集和计算处理，并将结果输出给数据存储适配器进行数据的存储。通过横向拆分把复杂的各种可复用的业务逻辑拆分出来，封装成各个独立的逻辑处理适配器，各组件在整体框架中可任意适配，独立部署为分布式服务，新增的业务只需要调用这些分布式的服务组件，就可以快速搭建出一个应用***。即使各组件内的业务逻辑发生变化，只要保持接口一致，就不会影响其他模块。
存储层模块40，与数据层处理模块30连接，用于存储实时数据存储和历史数据，支持hive、hbase、oracle、mysql等各种数据库及文件***。存储层设计支持NoSQL数据库和关系型数据库，将不同的数据库服务接口封装为相应的数据库存储适配器，用于业务流程配置时选择。存储适配器中提供数据存储及查询接口，便于流数据处理层根据配置的存储方案进行调用。平台对各种数据库的支持，通过对各种数据库的访问接口进行封装，对外提供统一的数据访问API。
对于NoSQL数据库支持HBase(Hadoop Database)等技术，其ColumnFamily(列族)技术可以做到可扩展的数据结构设计。HBase是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储***，利用HBase技术可在廉价PC Server上搭建起大规模结构化存储集群。它是一种面向列族的稀疏矩阵的存储格式。只需要指定ColumnFamily的名字，即可创建表。字段可以在写入数据时再指定，通过这种方式，一张表可以包含数百万个字段。这就使得应用的数据结构可以随意扩展。只需要指定任意字段名称和值即可查询。
应用层模块50，用于管理各种应用，包括对业务流程中的各种作业进行配置、监视、数据通信协议配置、接口方式选择，通过拖拽的方式可以选择当前作业需要的执行器，选择合适的数据通信协议，针对每个执行器配置当前作业执行需要的参数、数据类型等，监视作业执行过程中的数据输入、输出流量统计、数据处理异常监视并报警。
本发明实施中，对Modbus、OPCUA、IEC104、MQTT等协议进行数据采集的平台架构结构如图2所示，具体工作过程包括：
首先依次选择合适的协议执行器、分布式消息队列执行器、流数据处理执行器、和数据存储执行器。通过可视化方式对各个执行器进行配置参数，并将数据流输出依次指向下一个执行器。作业执行启动后，协议执行器对配置的源数据端执行数据采集，并解析数据形成输出数据流，转发给分布式消息队列生产端；流数据处理执行器通过分布式消息队列消费端接收消息，并进行处理，形成数据流转发给数据存储执行器。数据存储执行器接收数据后，根据配置库表进行存储。
图1是***软件架构，明确数据分层和数据流向；以下两种应用模式是对业务场景的支持，是工程实施时部署的方式。结合轨道交通行业真实业务场景，平台设计运行模式时，设计为支持两种运行模式：车站运行模式和中心运行模式。
如图4所示，车站运行模式应用场景为统一数据采集平台***数据采集功能需要直接对接车站的各种PLC设备，且采集服务需要部署在车站，通过协议采集数据并发送到统一数据采集平台中心。统一数据采集平台和各种设备之间没有ISCS、ATS等***转发。统一数据采集平台的协议采集功能要部署到车站服务器，需要在车站的服务器上搭建NIFI的集群环境，部署采集服务。需考虑到车站的紧急情况降级模式，支持降级模式运行，并且支持主备切换。主备功能实现：车站运行时，采集服务部署在两台服务器，通过zookeeper实现主备模式选择和切换。服务运行监视：提供数据采集模块运行监视功能，包含网络状态、主备状态、端口状态、协议通信状态，数据异常状态等功能。
如图5所示，中心运行模式应用场景为统一数据采集平台***采集功能直接对接的是应用***(ISCS、ATS等)或者车站设备，该场景中，统一数据采集平台的协议采集功能需要部署在统一数据采集平台中心层，直接采集各***转发的数据。在中心运行模式下，采集模块统一部署在中心集群环境中，采用集群模式运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，包括：
协议解析模块(10)，用于从数据源采集数据并根据需求解析为相应数据格式输出到缓存层模块(20)，将从缓存层模块(20)获取的控制命令解析后下发到数据源；
缓存层模块(20)，与协议解析模块(10)连接，用于对解析后的采集数据进行分布式消息缓存；
数据层处理模块(30)，与缓存层模块(20)连接，用于对采集的数据流进行接收，并进行数据转换、汇总、拆分；
存储层模块(40)，与数据层处理模块(30)连接，用于存储实时数据存储和历史数据；
应用层模块(50)，用于管理各种应用，包括对业务流程中的各种作业进行配置、监视、数据通信协议配置、接口方式选择。
2.根据权利要求1所述的轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，协议解析模块(10)具体包括：
modbus客户端采集服务子模块，用于解析ModbusTCP、ModbusRTU协议，应用于modbus客户端；
IEC104客户端采集服务子模块，用于解析IEC104协议，应用于IEC104客户端；
MQTT客户端采集服务子模块，用于解析MQTT协议，应用于MQTT客户端；
OPCUA客户端采集服务子模块，用于解析OPCUA协议，应用于OPCUA客户端；
FTP服务文件处理服务子模块，用于解析FTP协议，应用于FTP客户端。
3.根据权利要求1所述的轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，缓存层模块(20)根据采集数据源不同分别建立不同的队列，相同数据源分为采集消息队列和控制消息队列；采集消息队列用于接收协议解析模块(10)输出的数据，并提供给数据层处理模块(30)使用；控制消息队列用于接收应用层或外部控制写入的控制命令，并提供给协议解析模块(10)控制相关处理器进行解析和下发控制命令。
4.根据权利要求1所述的轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，数据层处理模块(30)具体包括：
转换是对数据进行倍率的转换；
汇总是对客流、电量、交易类型数据进行实时汇总统计；
拆分是批量采集的数据按照类型、业务不同需求拆分到不同的数据处理器进行处理。
5.根据权利要求1所述的轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，统一数据采集平台***数据采集功能需要直接对接车站的各种PLC设备，且采集服务部署在车站，通过协议采集数据并发送到统一数据采集平台中心。
6.根据权利要求1所述的轨道交通统一数据采集平台，其特征在于，统一数据采集平台***采集功能直接对接的是应用***或者车站设备，统一数据采集平台的协议采集功能部署在统一数据采集平台中心层，直接采集各***转发的数据。
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