地铁票务机房环境监控系统设计

黎明 胡滨

（南宁轨道交通集团有限责任公司 广西壮族自治区南宁市 530029）

1 引言

地铁票务系统是地铁运营核心组成部分之一，严重影响乘客出行，而支撑地铁票务运行的各种设备必修在特定的环境下才能正常稳定运转。因此，对地铁票务机房环境提出了特别的要求，如何实时动态监控机房环境成为整个系统安全、可靠和平稳运行的前提。地铁票务机房环境往往与机房所在物理位置密切相关。不同的地理位置，往往当地的大气环境也不尽相同，对设备的影响也有所不同，例如温度过高或湿度过大等因素往往导致设备不能正常运行，严重影响支撑票务系统运行设备的稳定性和可靠性，突发各种难以预料的故障[1-3]，从而导致设备系统不能正常运行。严重威胁系统运行、数据传输和存储，造成重要的经济损失。

目前已经实现的各种机房环境监控系统应用主要针对核磁共振等医疗设备[4]、电力通信[6,7]、航空[8]、雷达[9]、学校[10]等领域的机房，针对特定的领域实现了特定要求的机房环境监控。虽然对机房环境监控系统应用研究工作起了积极的推动作用，但是对于地铁票务系统的机房环境监控系统尚未有文献报道。而且许多机房的管理需采用24 小时专人值班，定时巡查机房环境，给管理人员带来极大的负担，无法精准地确定事故发生的时间并及时排除故障。为此，本文采用四层体系架构、UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）方法和基于角色的权限管理机制对地铁票务机房环境监控系统的业务流程进行了设计与实现。

2 系统设计原理

2.1 系统体系架构

通过对地铁票务机房环境监控业务流程进行详细的实地调查和分析，基于地铁票务机房环境的特殊性，系统采用了基于传感网络和TCP/IP 的四层体系架构，如图1 所示。这种拓扑架构模式易构造机房环境监控系统的总体架构，且方便将系统划分为不同功能模块。

管理人员、值班人员等用户经身份验证成功登录系统时，系统将根据所属角色不同，动态自动生成角色的用户功能菜单，为不同角色和用户提供了不同的功能展示界面。不同用户通过调用各自管理的监控模块实现对系统的协同统一管理。

2.2 系统监控流程模型

系统采用了基于传感网络和TCP/IP 的四层体系结构开发，并依据地铁票务机房环境监控的功能需求，利用系统工程思想和传感网络技术将系统的监控流程抽象和划分为基础数据层、监控业务流程层、监控业务规则层和监控业务管理层，其监控业务流程模型如图2 所示。

图1：系统的体系架构

图2：系统监控流程模型

监控业务流程层是系统的主体，实现了系统的主要业务逻辑功能。监控业务规则层是实现系统相应逻辑模块功能需要遵守的各种业务规则和约束条件的集合。基础数据层是监控业务流程中的各种数据信息，也是实现监控目标的依据和基础。监控业务管理层面向使用该系统的用户和关联的业务系统，是监控业务与用户或关联业务系统之间交互的接口。

2.3 系统逻辑结构模型

图3：系统的逻辑结构模型

图4：系统权限机制

UML 是一种描述一个应用系统的体系结构的面向对象建模工具，以图形符号逻辑包的方式将应用系统的逻辑功能模块展现给用户，具有简单、直观、规范等特点。因此利用UML 的用例图和软件工程思想可将地铁票务机房环境监控业务流程模型映射为系统的逻辑结构模型如图3 所示。

2.3.1 网络设备监控

本系统对地铁票务机房的服务器、防火墙、路由器和交换机进行监控，通过设备的SNMP 协议对机房的主机、服务器、小型机、路由器、交换机进行实时动态监控，并根据返回的数据设定上下限值，一旦超限，系统以设定的报警方式通知票务机房管理人员进行处理。

设备监控模块以简单明了的拓扑图方式展现机房所有网络设备的运行状态、实时数据、链路通断等信息。当某设备出现故障时，监控界面可以通过界面闪烁、声音提醒的方式发出报警提示，从而极大保障机房的运行可靠性。其中，服务器监测参数主要包括CPU、内存、磁盘以及系统进程信息；网络交换机参数主要监测端口状态、带宽；防火墙监控参数主要监测防火墙的CPU、温度、吞吐量、安全信息等。

2.3.2 温湿度监测

温湿度监测是利用温湿度传感器所采集的温湿度数值信号通过RS485 通讯接口接入到一体化工业主机，一体化工业主机通过TCP/IP 网络接口将信号上传到中心服务器平台，对温湿度进行实时监测。当温度或湿度值过高或过低时立即在监控界面弹出告警，并向值班工作人员发出告警提示音。

2.3.3 漏水监测

漏水监测模块由漏水控制器、感应线等构成，利用智能漏水控制器提供的RS485 通讯接口实时采集的机房漏水信息并通过基于TCP/IP 网络的一体化工业主机上传给中心服务器来动态监测漏水情况。感应线上任何点的漏水都能实时监测，漏水发生时会立即弹出告警信息并有预警提示音。

2.3.4 门禁监测

门禁监测是将门禁主机的信号接入到一体化工业主机，一体化工业主机通过TCP/IP 网络接口将信号上传到中心服务器平台，对门禁进行的实时动态监测和管理。门禁监测模块基于人脸识别门禁一体机，实现对地铁票务机房出入人员进行记录，对非法入侵和非法开门信息进行实时记录并在监控界面弹出预警信息并发出告警提示音。

2.3.5 视频监控

在机房一些重要区域安装高清半球摄像机对机房现场内人员进行人脸识别、跟踪抓拍比对及机房设备指示灯异常、烟雾、火光等异常情况进行全天候的实时视频图像监控与传输。摄像机通过TCP/IP 或AV 方式直接接入监控服务器的视频输入接口，以24 小时、预设时间段、报警预录、移动侦测以及联动触发等多种录像方式传输各路视频图像。

2.3.6 空调监测

空调监测是利用精密空调设备厂家提供的通讯接口RS485 或RS232 将精密监控信号直接接入通讯转换模块并通过基于TCP/IP网络的一体化工业主将信号上传到中心服务器来实时监测空调的压缩机、风机、加热器、加湿器、去湿器、回风温度和湿度等状态。当发生故障时，监控界面立即弹出告警并发出提示音，引导值班员及时对精密空调实现远程开关机控制。

2.3.7 UPS 监控

UPS 监控基于RS-485 总线通讯方式，利用厂家提供的通信协议和通讯接口对UPS 的电压、电流、频率、功率、电池等各种参数进行动态监测。根据各参数的详细运行状态情况确定电源故障并自动发出告警，例如电压过载或低、电池后备时间低于下限值、电池温度高度上限值等，值班人员将依据告警信息进行科学决策来确定远程/联动关或开UPS。

2.3.8 机柜微环境监控

机柜微环境监控是通过在机柜内部安装微环境监测模块实现对机柜温湿度、柜门开关状态和风扇开关控制等进行监控，并以温度云场的方式反映出机柜工作的环境温度变化，为机房管理人员提供参考依据。

柜门开关状态监控是在机柜门处安装一个开关门磁来监测机柜的开关状态。开关门磁输出开关信号连接到开关控制模块7060，7060 通过RS485 接口将采集的门磁信号传送到中心服务器。柜温湿度监控是在每一个机柜内安装一个温湿度传感器来实时监测机柜的工作温度。机柜风扇控制是通过开关控制模块7060 实现风扇控制。

2.3.9 安全性设计

（1）用户权限设计。系统的用户分为系统管理员、部门领导、值班领导和值班人员，利用RBAC（Role-based access control，基于角色的访问控制）将这些角色和用户划分四级操作权限，如图4所示。

权限不同所拥有系统使用功能也不同，每个用户只能在自己的操作权限内对系统进行操作。系统管理员拥有对其他用户进行权限分配、设置的权限，也可以设置用户类型、角色菜单、功能模块等。每个部门设置了一个审核人员，拥有审查或审核、查看规定内容等权限，权限因部门不同，但是每个审核人员依据角色和用户的授权仅能对本部门的数据进行操作。

（2）监控日志设计。系统利用权限机制和不可篡改机制对所有用户登录号、用户名、所操作的设备、操作内容、操作时间、登录和退出系统的时间以及本地监控通信、远程通信、硬件、软件运行等故障情况的详细信息、自动发生故障报警时间和故障处理响应时间、排除时间等信息以监控日志的形式记录在后台数据库的日志表中，以备事后查询。

（3）系统数据备份及恢复。系统利用双机热备份机制对监控系统中所管控的设备及其环境的信息进行异机异盘备份，以防突发故障或误操作导致数据丢失时，能自动恢复到上一次正常断点位置，保证系统的稳定性和安全性。

（4）数据加密。系统采用md5 算法对所有传输数据进行加密，并利用鉴权机制对第三方系统的数据进行鉴权和过滤，排除第三方系统数据的影响，保证系统数据的安全性和可靠性。

3 结论

（1）首次基于传感网络和TCP/IP 设计了的地铁票务机房环境监控系统的三层体系架构。

（2）利用系统工程思想和传感网络技术，为实现地铁票务机房环境监控系统提供一种新的建模方法，进一步规范了机房环境监控业务流程。

（3）首次利用UML 的用例图和软件工程思想构建了地铁票务机房环境监控系统的逻辑结构模型。

（4）通过以冗余设计采用不同的路径、不同实现方法的模块或系统作为备份，方便出现故障时进行替换，以维持系统的正常运行，保证了系统的可靠性。

（5）与其它类似系统相比，具有高可用性，自动实现负载均衡，运行稳定，预警及时、方式多样、效果更好。