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摘 要：本文提出了一种CBTC综合维护管理系统（MMS）中前端页面模块与后端服务模块的实时信息交换方法，该方法应用层采用stomp协议，基于websocket通信。在基于B/S架构的轨道交通综合维护管理系统中，服务器系统分为两部分：后端服务模块和前端页面显示模块。后端服务模块实时向前端页面模块发送消息，前端页面显示模块收到消息之后，解析并实时显示状态更新。本方法，通过在CBTC综合维护管理系统中增加消息代理服务器，对服务器的后端服务模块和前端页面展示模块进行了解耦，并提供了后端服务模块和前端页面显示模块的通用应用层协议封装，提供了客户端消息定义的管理和自动发布功能。增强了后端服务模块的扩展能力，简化了后端服务模块开发，通过向客户端广播实时消息，节省了带宽，减少了后端服务模块的负载。
关键词：CBTC 综合维护管理系统 Websocket Stomp Active MQ 消息代理
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0042-05
城市轨道交通控制系统包含CBI、ZC、ATS、OBCU，他们共同协作，完成轨道交通的运营。在轨道交通信号系统建设完成之后，对这些控制子系统的和信号设备、机房设备的运行维护成为工作的重点。保障和提供运维的水平和效率，对轨道交通系统的正常运营具有重要意义。因此，需要有一个系统，能够接收、整合所有控制子系统的维护信息，能够及时监测信号设备和机房设备的运行状态，并能够对实时报警和趋势性预警信息及时提供报警提示。
在此背景下，采用B/S架构的CBTC综合维护管理系统（MMS，Maintenance Management System）应运而生。
1 背景分析
目前的web应用中，后端服务器系统与前端页面的数据交互，通常采用方法有Ajax、轮询、websocket以及其他技术。
采用Ajax，解决了页面部分刷新、服务器负载分担的问题，客户端和服务器异步通信，使得服务器可以更快的响应页面操作；采用轮询方式，服务器和页面实现逻辑简单，易于操作；采用websocket，可以保证应用的实时性；采用其他方式，也都具有各自的特点。
在以上这些方法中，有一个共同的特点：由前端页面发起请求到服务器，由服务器处理所有页面的请求和客户端的管理。由此也带来了一些问题，主要表现为：
（1）服务器不能及时把数据变化推送到客户端，实时性差。主要表现在采用Ajax和轮询方式。采用轮询方式，还占用了比较多的带宽和服务器资源，重复请求等，浪费比较多的资源。
（2）后端服务模块和前端页面展示模块耦合度较高，导致服务器的扩展性较差。
（3）后端服务模块要管理所有客户端的信息订阅，及信息发布，导致服务器开发复杂，且服务器负载较高。
MQ全称为Message Queue，消息隊列（MQ）是一种应用程序对应用程序的通信方法。应用程序通过写和检索出入列队的针对应用程序的数据（消息）来通信，而无需专用连接来链接它们。消息传递指的是程序之间通过在消息中发送数据进行通信，而不是通过直接调用彼此来通信，直接调用通常是用于诸如远程过程调用的技术。排队指的是应用程序通过队列来通信。队列的使用除去了接收和发送应用程序同时执行的要求。
在事件驱动架构的异步系统中，经常采用MQ作为事件驱动架构的主干，从而解耦不同的模块应用，提高服务器负载、高可用性以及更好的系统扩展性。
本文方法采用的消息服务器是消息中间件MQ，采用开源ActiveMQ实现。ActiveMQ是Apache出品，最流行的、能力强劲的开源消息总线，也是一个中间件产品。它是JMS的一个实现。AcitveMQ提供了两种消息传递模型，PTP（即点对点模型）和Pub/Sub（即发布/订阅模型），分别称作：PTP Domain和Pub/Sub Domain。
（1）PTP（使用Queue，即队列目标）消息从一个生产者传送至一个消费者。在此传送模型中，目标是一个队列。消息首先被传送至队列目标，然后根据队列传送策略，从该队列将消息传送至向此队列进行注册的某一个消费者，一次只传送一条消息。可以向队列目标发送消息的生产者的数量没有限制，但每条消息只能发送至、并由一个消费者成功使用。如果没有已经向队列目标注册的消费者，队列将保留它收到的消息，并在某个消费者向该队列进行注册时将消息传送给该消费者。
（2）Pub/Sub（使用Topic，即主题目标）消息从一个生产者传送至任意数量的消费者。在此传送模型中，目标是一个主题。消息首先被传送至主题目标，然后传送至所有已订阅此主题的活动消费者。可以向主题目标发送消息的生产者的数量没有限制，并且每个消息可以发送至任意数量的订阅消费者。主题目标也支持持久订阅的概念。持久订阅表示消费者已向主题目标进行注册，但在消息传送时此消费者可以处于非活动状态。当此消费者再次处于活动状态时，它将接收此信息。如果没有已经向主题目标注册的消费者，主题不保留其接收到的消息，除非有非活动消费者注册了持久订阅。
2 系统设计
基于以上考虑，本文提出一种事件驱动的异步实时信息发布方法。
（1）在服务器增加一个消息代理服务器，作为事件驱动的主干，负责Topic管理，订阅管理，消息接收和广播等。
（2）MMS服务器后端模块作为消息的生产者，负责把实时信息以消息的形式，发送到消息代理服务器的Topic。
（3）MMS服务器前端模块作为消息的消费者，在页面打开时，向消息代理服务器订阅相关的Topic，并在页面关闭时，取消订阅。
（4）当MMS服务器后端模块接收到从控制子系统发送的实时信息之后，转换为json的形式，发送到消息代理服务器的具体Topic；消息代理服务器把消息广播至所有订阅了该Topic的所有页面；页面接收到广播之后，对页面的相关状态进行更新显示。 （5）系统软件架构采用JavaEE架构。该方法具体包括：后端服务模块，消息代理服务器，前端页面显示模块。系统框图如图1所示。
系统的工作流程如下：
①服务器启动。
②消息代理服务器启动，按照配置创建不同的Topic。
③页面打开时，向消息代理服务器发布订阅请求，订阅本页面关心的Topic。
④服务器后端服务模块接收控制子系统的实时消息。
⑤服务器后端服务器模块把实时消息按照json格式发送到消息代理服务器的各个Topic。
⑥消息代理服务器把消息实时发布到所有订阅的页面，页面接收到jsion格式的消息，解析并显示在页面。
⑦当页面关闭时，向消息代理服务器发布取消订阅请求。
2.1 后端服务模块
后端服务模块是服务器子系统的核心组成部分，运行在服务器子系统。后端服务模块负责接收控制子系统的数据，包括：ATS、车载系统（OBCU），轨旁系统（ZC），和联锁系统（CBI），以及位于车站的微机监测采集数据。
后端服务模块接收的实时数据包括：CBI系统状态，CBI报警，CBI开关量，ZC系统状态，ZC报警，微机监测报警，微机监测开关量。
后端服务模块接收的ATS的实时维护数据包括，ATS的运行状态、ATS服务器内存占用、CPU占用，以及ATS与其他系统的通信状态，和ATS的报警信息。
后端服务模块接收的车载系统的维护数据，包括：车载的运行状态，车辆监测信息，车载系统的报警信息，车载系统的运行日志。
后端服务模块在接收到数据之后，存储到数据库，并把实时数据信息以json格式发送到消息代理服务器的每个Topic（如图2）。
2.2 消息代理服务器
消息代理服务器负责接收后端服务模块产生的实时消息，并通过广播的方式发送到前端显示模块显示。
为了完成消息发布功能，消息代理服务器提供客户端订阅管理功能和主题管理功能。消息代理服务器采用开源第三方产品ActiveMQ，以独立的进程运行。
当消息代理服务器启动之后，即可实时接收后端服务模块发送的实时数据。这些数据按照预先配置的主题名称排列，由消息代理服务器进行管理。Topic的名称配置，按照车站、系统和信息的类别三个层次进行组织，每种类型的信息为一个Topic。例如，车站6001的CBI开关量信息，Topic名称配置为6001.CDM.KGL；车站6001的CBI运行状态信息，Topic名称配置为6001.CDM.STATUS。
消息代理服务器对前端页面的订阅和消息分发进行自动管理，当有消息更新时，消息代理服务器把消息自动更新到前端页面显示模块。当前端页面订阅主题时，消息代理服务器進行记录，并在前端页面取消订阅时，在消息代理服务器删除该订阅。
消息代理服务器与前端页面的通信，采用基于websocket的通信，并在websocket之上，采用通用的stomp协议进行通信。
2.3 前端页面显示模块
前端页面显示模块用于显示实时数据和历史数据。
前端页面显示模块，在实时数据显示页面打开时，向消息代理服务器注册订阅消息，订阅具体的Topic，Topic名称命名方式如前所述。
前端页面收到数据之后，按照规定的格式解析json格式的消息，并通过javascript脚本实时更新页面的显示。
前端页面与消息代理服务器的通信，采用基于websocket的通信，并在websocket之上，采用通用的stomp协议作为应用层协议。
当页面关闭时，首先从消息代理服务器退订实时数据，取消实时数据的订阅（如图3、图4、图5）。
3 系统实现
系统的最后实现界面如图6、图7所示。界面显示比较友好、清晰。
4 结语
通过采用本方法，实现了在CBTC综合维护系统中基于web的实时通信，经实际应用，效果良好。通过本方法，实现了CBTC综合维护系统的服务器前后端模块的解耦，提高了基于web的实时信息显示的实时性，减轻了服务器的负载，提高了服务器的可扩展性。
参考文献
[1] （美）Craig walls，（美）Ryan Breidenbach，著.Spring in Action[M].李磊，程立，周悦虹，译.北京：人民邮电出版社，2006.
[2] （美）Jason Lengstorf，（英）Phil Leggetter.Realtime Web Apps：With HTML5 WebSocket，PHP，and jQuery[M].Berkeley：Apress，2013.
[3] Bruce Snyder，Dejan Bosanac，Rob Davies. Active MQ in Action[M].Greenwich：Manning Publications，2011.
[4] The Apache Software Foundation.Active MQ[EB/OL].（2016-02—8）[2016-03-02].http：//activemq.apache.org/getting-started.html.
[5] The Apache Software Foundation.Stomp[EB/OL].[2016-03-02].http：//activemq.apache.org/stomp.html.
[6] 中华人民共和国铁道部运输局.铁路信号集中监测系统技术条件（运基信号[2010] 709号）[S].
关键词：CBTC 综合维护管理系统 Websocket Stomp Active MQ 消息代理
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0042-05
城市轨道交通控制系统包含CBI、ZC、ATS、OBCU，他们共同协作，完成轨道交通的运营。在轨道交通信号系统建设完成之后，对这些控制子系统的和信号设备、机房设备的运行维护成为工作的重点。保障和提供运维的水平和效率，对轨道交通系统的正常运营具有重要意义。因此，需要有一个系统，能够接收、整合所有控制子系统的维护信息，能够及时监测信号设备和机房设备的运行状态，并能够对实时报警和趋势性预警信息及时提供报警提示。
在此背景下，采用B/S架构的CBTC综合维护管理系统（MMS，Maintenance Management System）应运而生。
1 背景分析
目前的web应用中，后端服务器系统与前端页面的数据交互，通常采用方法有Ajax、轮询、websocket以及其他技术。
采用Ajax，解决了页面部分刷新、服务器负载分担的问题，客户端和服务器异步通信，使得服务器可以更快的响应页面操作；采用轮询方式，服务器和页面实现逻辑简单，易于操作；采用websocket，可以保证应用的实时性；采用其他方式，也都具有各自的特点。
在以上这些方法中，有一个共同的特点：由前端页面发起请求到服务器，由服务器处理所有页面的请求和客户端的管理。由此也带来了一些问题，主要表现为：
（1）服务器不能及时把数据变化推送到客户端，实时性差。主要表现在采用Ajax和轮询方式。采用轮询方式，还占用了比较多的带宽和服务器资源，重复请求等，浪费比较多的资源。
（2）后端服务模块和前端页面展示模块耦合度较高，导致服务器的扩展性较差。
（3）后端服务模块要管理所有客户端的信息订阅，及信息发布，导致服务器开发复杂，且服务器负载较高。
MQ全称为Message Queue，消息隊列（MQ）是一种应用程序对应用程序的通信方法。应用程序通过写和检索出入列队的针对应用程序的数据（消息）来通信，而无需专用连接来链接它们。消息传递指的是程序之间通过在消息中发送数据进行通信，而不是通过直接调用彼此来通信，直接调用通常是用于诸如远程过程调用的技术。排队指的是应用程序通过队列来通信。队列的使用除去了接收和发送应用程序同时执行的要求。
在事件驱动架构的异步系统中，经常采用MQ作为事件驱动架构的主干，从而解耦不同的模块应用，提高服务器负载、高可用性以及更好的系统扩展性。
本文方法采用的消息服务器是消息中间件MQ，采用开源ActiveMQ实现。ActiveMQ是Apache出品，最流行的、能力强劲的开源消息总线，也是一个中间件产品。它是JMS的一个实现。AcitveMQ提供了两种消息传递模型，PTP（即点对点模型）和Pub/Sub（即发布/订阅模型），分别称作：PTP Domain和Pub/Sub Domain。
（1）PTP（使用Queue，即队列目标）消息从一个生产者传送至一个消费者。在此传送模型中，目标是一个队列。消息首先被传送至队列目标，然后根据队列传送策略，从该队列将消息传送至向此队列进行注册的某一个消费者，一次只传送一条消息。可以向队列目标发送消息的生产者的数量没有限制，但每条消息只能发送至、并由一个消费者成功使用。如果没有已经向队列目标注册的消费者，队列将保留它收到的消息，并在某个消费者向该队列进行注册时将消息传送给该消费者。
（2）Pub/Sub（使用Topic，即主题目标）消息从一个生产者传送至任意数量的消费者。在此传送模型中，目标是一个主题。消息首先被传送至主题目标，然后传送至所有已订阅此主题的活动消费者。可以向主题目标发送消息的生产者的数量没有限制，并且每个消息可以发送至任意数量的订阅消费者。主题目标也支持持久订阅的概念。持久订阅表示消费者已向主题目标进行注册，但在消息传送时此消费者可以处于非活动状态。当此消费者再次处于活动状态时，它将接收此信息。如果没有已经向主题目标注册的消费者，主题不保留其接收到的消息，除非有非活动消费者注册了持久订阅。
2 系统设计
基于以上考虑，本文提出一种事件驱动的异步实时信息发布方法。
（1）在服务器增加一个消息代理服务器，作为事件驱动的主干，负责Topic管理，订阅管理，消息接收和广播等。
（2）MMS服务器后端模块作为消息的生产者，负责把实时信息以消息的形式，发送到消息代理服务器的Topic。
（3）MMS服务器前端模块作为消息的消费者，在页面打开时，向消息代理服务器订阅相关的Topic，并在页面关闭时，取消订阅。
（4）当MMS服务器后端模块接收到从控制子系统发送的实时信息之后，转换为json的形式，发送到消息代理服务器的具体Topic；消息代理服务器把消息广播至所有订阅了该Topic的所有页面；页面接收到广播之后，对页面的相关状态进行更新显示。 （5）系统软件架构采用JavaEE架构。该方法具体包括：后端服务模块，消息代理服务器，前端页面显示模块。系统框图如图1所示。
系统的工作流程如下：
①服务器启动。
②消息代理服务器启动，按照配置创建不同的Topic。
③页面打开时，向消息代理服务器发布订阅请求，订阅本页面关心的Topic。
④服务器后端服务模块接收控制子系统的实时消息。
⑤服务器后端服务器模块把实时消息按照json格式发送到消息代理服务器的各个Topic。
⑥消息代理服务器把消息实时发布到所有订阅的页面，页面接收到jsion格式的消息，解析并显示在页面。
⑦当页面关闭时，向消息代理服务器发布取消订阅请求。
2.1 后端服务模块
后端服务模块是服务器子系统的核心组成部分，运行在服务器子系统。后端服务模块负责接收控制子系统的数据，包括：ATS、车载系统（OBCU），轨旁系统（ZC），和联锁系统（CBI），以及位于车站的微机监测采集数据。
后端服务模块接收的实时数据包括：CBI系统状态，CBI报警，CBI开关量，ZC系统状态，ZC报警，微机监测报警，微机监测开关量。
后端服务模块接收的ATS的实时维护数据包括，ATS的运行状态、ATS服务器内存占用、CPU占用，以及ATS与其他系统的通信状态，和ATS的报警信息。
后端服务模块接收的车载系统的维护数据，包括：车载的运行状态，车辆监测信息，车载系统的报警信息，车载系统的运行日志。
后端服务模块在接收到数据之后，存储到数据库，并把实时数据信息以json格式发送到消息代理服务器的每个Topic（如图2）。
2.2 消息代理服务器
消息代理服务器负责接收后端服务模块产生的实时消息，并通过广播的方式发送到前端显示模块显示。
为了完成消息发布功能，消息代理服务器提供客户端订阅管理功能和主题管理功能。消息代理服务器采用开源第三方产品ActiveMQ，以独立的进程运行。
当消息代理服务器启动之后，即可实时接收后端服务模块发送的实时数据。这些数据按照预先配置的主题名称排列，由消息代理服务器进行管理。Topic的名称配置，按照车站、系统和信息的类别三个层次进行组织，每种类型的信息为一个Topic。例如，车站6001的CBI开关量信息，Topic名称配置为6001.CDM.KGL；车站6001的CBI运行状态信息，Topic名称配置为6001.CDM.STATUS。
消息代理服务器对前端页面的订阅和消息分发进行自动管理，当有消息更新时，消息代理服务器把消息自动更新到前端页面显示模块。当前端页面订阅主题时，消息代理服务器進行记录，并在前端页面取消订阅时，在消息代理服务器删除该订阅。
消息代理服务器与前端页面的通信，采用基于websocket的通信，并在websocket之上，采用通用的stomp协议进行通信。
2.3 前端页面显示模块
前端页面显示模块用于显示实时数据和历史数据。
前端页面显示模块，在实时数据显示页面打开时，向消息代理服务器注册订阅消息，订阅具体的Topic，Topic名称命名方式如前所述。
前端页面收到数据之后，按照规定的格式解析json格式的消息，并通过javascript脚本实时更新页面的显示。
前端页面与消息代理服务器的通信，采用基于websocket的通信，并在websocket之上，采用通用的stomp协议作为应用层协议。
当页面关闭时，首先从消息代理服务器退订实时数据，取消实时数据的订阅（如图3、图4、图5）。
3 系统实现
系统的最后实现界面如图6、图7所示。界面显示比较友好、清晰。
4 结语
通过采用本方法，实现了在CBTC综合维护系统中基于web的实时通信，经实际应用，效果良好。通过本方法，实现了CBTC综合维护系统的服务器前后端模块的解耦，提高了基于web的实时信息显示的实时性，减轻了服务器的负载，提高了服务器的可扩展性。
参考文献
[1] （美）Craig walls，（美）Ryan Breidenbach，著.Spring in Action[M].李磊，程立，周悦虹，译.北京：人民邮电出版社，2006.
[2] （美）Jason Lengstorf，（英）Phil Leggetter.Realtime Web Apps：With HTML5 WebSocket，PHP，and jQuery[M].Berkeley：Apress，2013.
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[4] The Apache Software Foundation.Active MQ[EB/OL].（2016-02—8）[2016-03-02].http：//activemq.apache.org/getting-started.html.
[5] The Apache Software Foundation.Stomp[EB/OL].[2016-03-02].http：//activemq.apache.org/stomp.html.
[6] 中华人民共和国铁道部运输局.铁路信号集中监测系统技术条件（运基信号[2010] 709号）[S].