在鐵路系統中使用工業物聯網 (IIoT) 資料庫

March 3, 2017 Jeremy Cook, Tech Journalist, Engineering Consultant

鐵路系統產生越來越多資料,使得開發人員必須重新思考要在何處以何種方式處理資訊。 舊系統會將資料移到控制中心進行分析,但新系統通常會將這個功能留在列車上。

這種採用霧運算的方法對機載電腦造成極大的負擔, 除了增加運算負載之外,在本機保留資料的需求也會造成儲存問題。

智慧型資料庫有助於解決這兩個問題, 正確設定資料庫後,即可減少處理和儲存需求。

導入霧運算

在鐵路系統使用霧運算有許多好處。 這樣的配置能讓機載電腦即時執行計算並立即反應。 在列車層級進行處理後,資料將會移轉至控制中心以便對整個系統進行趨勢分析。

預測性維護是霧運算應用在鐵路系統上的優勢之一:機載分析可以監控聲響資料以偵測是否有軸承問題、溫度感測器則能偵測剎車問題,甚至追蹤 RFID 和影像資料以找出特定車廂的潛在問題。

除此之外,也能加入控制和安全子系統,例如滅火、數位影像監視和空調等。

行動資料庫

資料庫管理系統 (DBMS) 是所有功能的核心,設計系統時最關鍵的決策之一就是選擇適合的 DBMS。

SQL 資料庫是一個很容易被考慮到的選項,但高度組織化且具有自參考結構的 SQL 會佔用比較多的儲存空間和處理能力。

最重要的是,SQL 在這裡是大材小用。 McObject 的共同創辦人與執行長 Steve Graves 表示:「一般來說,邊緣裝置通常不需要精密的 SQL 資料庫」。 終端使用者看不到資料庫,所以許多 SQL 功能對他們來說並不重要。 同樣的,擴充功能通常也不是很重要的考量因素。 雖然列車可能會隨著時間採用新的子系統,但子系統的要求通常很少會有劇烈的改變。

邊緣裝置不需要精細的 SQL 資料庫。
— Steve Graves (@McGuy)@McObject
 的共同創辦人與執行長

另一個選擇是使用格式較為鬆散的資料庫,例如使用 NoSQL 的資料庫, 但這種資料庫中沒有內建資料驗證,因此驗證是透過收集資料的裝置來進行。 如果沒有正確設定而使輸入的資料有誤,將會讓這個功能無法發揮作用。

根據 Graves 的說法,比較好的方式是使用專為嵌入式系統所設計的資料庫。 對 Graves 而言,理想的設定是「適時分享 NoSQL 資料庫的部分屬性」,但同時「提供原生、非 SQL 的低層級 (且類型安全) 的程式設計介面。 這些程式設計介面的速度通常會比 SQL 快、更易於設定,且占用較小的空間」。

Graves 以 McObject 的 eXtremeDB 記憶體中資料庫系統作為範例, eXtremeDB 使用混合架構,結合 SQL 和 NoSQL 的優點,提供健全但輕量的資料庫。

Graves 還說,這樣的資料結構能最小化資源消耗,因此可將部署成本降至最低。 輕量的資料庫能讓顧客使用較不昂貴的處理器,也在邊緣裝置上占用較少的系統記憶體。

安全第一

不論如何,當今所有的嵌入式系統都必須注重安全需求, 鐵路系統也不例外。

Graves 表示,因為 eXtremeDB 是專為嵌入式系統所開發,資料完整性從一開始就是最重要的考量, 因此 eXtremeDB 支援透過 SSL 安全通訊,還能完全加密資料庫內容並不令人意外。

DBMS 也提供類型安全的程式設計介面, 這個介面消除了最常見的資料庫毀損原因,也就是使用無效的指標在資料庫執行階段和應用程式之間傳遞資料。

同樣的,eXtremeDB 也採用最大化可靠性的設計, 例如,資料庫提供名為 eXtremeDB 高可用性版的容錯版本。 這個執行階段會維護多個一模一樣的資料庫,以實現熱故障備援。 一般的配置包括:

  • 在一個硬體上有多個程序或執行緒
  • 在一個機架中有兩塊以上的主機板
  • 在一個 LAN 上有多個電腦

適合鐵路系統的硬體

不論您選擇的是哪種硬體,任何鐵路系統都需要堅固耐用。 列車經常震動、加速和減速,並在各種天候下行駛。 您當然也需要足夠的運算馬力來處理您的資料。

在這之中,有一個符合需求的解決方案是 Nexcom 的 NROK 1020 列車電腦 (圖 1), 以四核心的 Intel® Atom™ x5-E3930 處理器為基礎,有鐵路應用所需的效能、輸入/輸出和嚴格的可靠度。 除此之外,最新一代的 Intel Atom 處理器提供許多新的安全功能和硬體增強式的加密,保護系統的安全。

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圖 1. nROK 1020 列車電腦能裝設在鐵路系統上。 (來源:Nexcom)

符合您自己的設計目標

資料庫可能不是您在打造鐵路系統時的首要考量,但卻不容忽視。 一個專為嵌入式系統所設計的智慧型資料庫能協助您達成多項設計目標, 包括以低硬體和儲存成本實現高效能、最小化通訊流量以及高可靠性。 嵌入式資料庫擁有這些潛在優點,值得您參考。

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