吴明欣

(上海地铁第四运营有限公司 上海 200135)

轨道交通自动售检票系统网络性能计算与验证

吴明欣

(上海地铁第四运营有限公司 上海 200135)

研究影响城市轨道交通自动售检票(AFC)系统的网络关键因素和性能。先对系统网络带宽需求进行验证，再通过模拟数据交易对系统进行正确性、并发、压力以及网络性能等关键因素的测试与验证，以证明设计符合需求，确保系统安全、可靠、稳定，从而实现各项预期功能。

城市轨道交通;自动售检票系统;网络性能;数据交换;测试验证

1 自动售检票系统概述

轨道交通自动售检票系统(automatic fare collection，AFC)集先进的集成技术、计算机技术、现代通信技术、网络技术、自动控制技术、IC卡技术、大型数据库技术、机电一体化技术、模式识别技术、传感技术、精密机械技术等于一体，是实现轨道交通自动购票、检票、计费、收费、统计全过程的自动化系统。AFC系统具备多项管理职能，直接面向乘客，是轨道交通运营系统中的重要组成部分。该系统主要处理交易和财务数据，必须保证信息的高度安全。AFC系统平台必须满足可靠性、安全性、易用性、可扩展性、互联互通等需求，并具有准确采集与处理、大批量可靠地传输以及统计和管理数据的能力。

2 网络带宽需求验证

2.1 车站与中央系统间的网络带宽

车站计算机系统与中央计算机系统间的网络由综合有线传输子系统提供的光传输网、以太网接口来实现，以太网接口直接接入中央核心交换机，车站计算机也直接与车站交换机连接。

假设车站每日处理不少于20万客流(1客流≈2.5笔交易)，交易数据记录长度约为100 B，每个车站按最大连接128台终端设备计算，每2 s采集1次设备状态信息，设备状态信息长度为200 B;在设置参数后，应在5 min内下达所有系统设备，假定最大参数文件为10 MB;同时，线路上还应留有一定的带宽，以保证数据的查询响应速度，分2级下达。据此，车站计算机与中央计算机系统间的网络带宽计算为

式中，A为峰值交易量，B为峰值数据传输量，C为设备状态及数据，D为设备参数数据，E为总带宽。

考虑TCP/IP包头和其他开销，以及管理、时钟同步等其他应用的网络开销，虽然式(5)的计算值为184 Kbit/s，但是真正为系统所提供的网络线路带宽应不小于512 Kbit/s。

2.2 中央与外部系统间的网络

中央与外部系统间的网络，是指线路中央通过专用网络与轨道交通清分系统通信的网络。假设每日有300万人次客流的处理需求，高峰期内25%的客流集中在2 h内;考虑极端情况，所有乘客都购票或加值，进站、出站和售票交易的记录长度为100 B。据此，中央计算机系统与清分系统之间所需网络带宽的计算公式为

式中，X为日交易量，Y为峰值交易量，Z为峰值数据传输量。

考虑参数数据接收的及时性，要求网络带宽不小于256 Kbit/s，设备状态等数据约为256 Kbit/s;考虑TCP/IP包头及管理、时钟同步等其他应用的网络开销，中央计算机系统与外部系统间的网络带宽应至少为2 Mbit/s。

3 数据模拟测试

应用数据模拟发生器进行线路模拟测试，以验证系统的网络数据传输能力、应用程序处理性能，确保数据传输与接收的正确性、数据处理的正确性、应用程序的鲁棒性(robustness)。

3.1 测试环境

1)硬件环境:中央主机、中央通信前置机、车站计算机(至少1台)、数据模拟发生器(至少1台)，实际生产系统所使用的网络环境、设备之间的网络通信正常。

2)主机环境:主机为HP RP3440服务器，数据库为Oracle 10 g。

3)数据模拟器:模拟器能够按照地标数据格式模拟生成6000、6002、6003、5041 共4 类最常出现的交易记录，并向指定车站计算机发送。模拟器每秒发送60～70条交易记录，每小时模拟数据超过20万条。

3.2 测试标准

1)车站计算机应能正确接收所有数据，记入数据库，并实时转发至中央计算机。

2)设备、车站、中央三者的数据应完全一致。

3)车站系统具有孤岛运行能力:当应用故障或网络中断时，不影响其运行;当系统或网络恢复正常时，自动连接中央计算机，并将未上传的数据全部上传。

4)中央计算机处理能力不得低于每秒150笔交易。

5)车站计算机处理能力不得低于每秒21笔交易。

3.3 正确性测试

将数据模拟发生器上传的交易数据，与车站、中央接收的数据进行比对，三者应完全一致，表1为正确性测试结果。

表1 正确性测试 笔

图1 正确性测试差异比较结果

由图1可见，当模拟器发送数据量增大时，模拟器上传数据与车站接收数据的差异很小，可忽略，但与中央接收数据的差异很大。经查，差异大是由于前置机内数据未及时删除、存储空间满而造成的，修改后可以达到理想的测试要求。

3.4 并发测试

并发测试，主要测试多个设备并发时的处理能力、正确性、程序的鲁棒性。把3台模拟器分别设定为不同车站(避免可能出现的流水号重复)，同时运行模拟器模拟发送程序，统计数据模拟发生器上传的交易数据总数，并与车站、中央接收的数据进行比对，三者应完全一致。表2为并发测试结果，与期望达到的结果完全一致。

表2 并发测试结果 笔

3.5 状态及时延测试

状态测试，主要测试车站计算机和中央监控工作站对设备状态监控的正确性，数据模拟器依次模拟设备的各种状态。

数据模拟器模拟设备的状态事件代码采用循环方式，事件发生与清除交替出现，即发生一个事件，在下一周期清除以前的一个事件(模拟程序保持10个事件，即第11个事件到达时，清除第1个事件)。实时查询数据库内容，同时在车站计算机和中央监控工作站观察设备的状态变化情况(二者应完全一致)。在监控工作站上观察，应能看到设备状态事件依次发生、清除，与数据模拟器的数据生成规律吻合。

同时，测试系统的反应速度。将车站计算机、监控工作站时钟与数据模拟器时钟设为一致，一台数据模拟器向车站计算机发送交易数据，另一台数据模拟器向车站计算机发送状态数据，观察故障发生后在中央监控工作站上显示的时延。

图2为状态查询时延测试的实际输出结果，平均时延为5 s，小于设计最大时延，符合系统设计要求。

图2 状态查询时延结果

3.6 压力测试

压力测试，重点测试网络通信能力、应用程序数据处理能力，判断系统在极端或异常情况下的处理能力。模拟中央主机应用停止、大量数据积压等情况，观察车站/中央数据报文的传输和处理，记录所有数据报文的传输和处理完毕所需的时间，观察系统能在多长时间内处理完毕，压力测试结果见图3。

从图3可以看出，系统在规定时间内的处理能力和模拟数据量成正比，足以满足日客流200万人次、系统处理能力不小于150笔/s的要求。

3.7 网络性能测试

3.7.1 端口连通测试

1)测试目的:测试各端口之间VLAN隔离是否有效。

图3 压力测试结果

2)测试方法:如图4所示，在系统中央和站点各连接1台电脑，电脑IP地址设置在同一网段中，接在相应端口进行互相连通，观察状态。

图4 网络性能测试模拟

3.7.2 最大、最小帧测试

1)测试目的:检测设备所能处理的最大、最小帧长度。

2)测试方法:在系统中央和远端站点各接1台以太网性能分析仪，系统中央以64 B的帧长往远端站点发包，远端站点以1 518 B的帧长向系统中央发包，观察两边的收包情况。

3.7.3 通道带宽流量及吞吐量测试

1)测试目的:检测SDH映射是否正常，通道带宽是否符合设计要求。

2)测试方法:在系统中央和远端站点各接1台以太网性能分析仪，连上设备以后观察端口速率，两边同时按设计要求发包，观察收包情况和吞吐量。

图5为系统吞吐量曲线。可见，随着交易量的增加，网络吞吐量以稳定的速度增长，然后在某一点趋于稳定。

3.7.4 长期丢包及系统CPU性能测试

1)测试目的:验证在正常负荷情况下、设备长时间(12 h)运行时的丢包性能。

图5 系统吞吐量测试

2)测试方法:在系统中央和远端站点各接1台以太网性能分析仪，系统中央以64 B的帧长往远端站点发包，远端站点以1518 B的帧长向系统中央发包，计时12 h，观察两边收包情况，同时观察系统CPU。

经测试，在网络不稳定、发生瞬间闪断时，丢包率在20%左右;网络稳定时，丢包率为0。由于系统负载不断变化，因此CPU曲线不是平滑的，会出现波动。

4 结语

针对AFC系统设计要求和线路实际情况，对网络功能进行测算与测试非常关键和重要。以上通过公式、图表对网络带宽需求进行了验证，对数据模拟环境、网络性能进行了测试，验证与测试结果均与设计预期吻合，证明设计确实符合要求，能够实现各项功能。

［1］DGJ 08-1101—2005城市轨道交通自动售检票系统通用技术规范［S］.上海，2005.

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［5］高雪峰，徐亦书.论城市公共交通一卡通系统应用发展趋势［J］.金卡工程，2003(4):60-65.

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［7］Thales Software Systems.AFC测试平台与仿真器测试系统介绍［R］.上海，2006.

Calculation and Verification of the Performance of AFC System Network in Urban Rail Transit

Wu Mingxin
(Shanghai No.4 Metro Operation Co.，Ltd.，Shanghai 200135)

Abstract:AFC system plays an important role in a subway system.Iit provides the service of automatic fare collection and provides reliable and scientific management.A study and analysis regarding the essential technology of AFC system are performed in this article.The key technology is discussed，and some problems of AFC standardization are explained.The data process flow，networking and communication are also demonstrated.Finally the system test and verification of data sampling speed，system load and network function are conducted.

Key words:urban rail transit;AFC;network performance;data change;test and verification

U231.8;U293.22

A

1672-6073(2012)02-0028-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.04.008

收稿日期:2011-06-07

2011-07-07

作者简介:吴明欣，女，硕士，AFC专业主管，工程师，从事自动售检票设备技术及现场维修生产管理工作，wumingxin@shmetro.com

(编辑:郭 洁)