鐘新斌，劉 云，張振江

（北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，給城市生活帶來(lái)了巨大的便利，同時(shí)也給城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的日常養(yǎng)護(hù)維修普查工作帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。針對(duì)傳統(tǒng)普查方式存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于Android平臺(tái)的城市軌道交通養(yǎng)護(hù)維修普查信息采集平臺(tái)，該平臺(tái)允許普查工作人員使用支持android應(yīng)用的手機(jī)等便攜式移動(dòng)設(shè)備，隨時(shí)隨地記錄各類(lèi)普查數(shù)據(jù)，并在特定條件下安全可靠地將普查數(shù)據(jù)上傳到普查信息系統(tǒng)中，提高普查工作效率。

1 信息采集平臺(tái)總體框架

1.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)思路是在現(xiàn)有養(yǎng)護(hù)維修普查信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)基于Android操作系統(tǒng)的普查信息采集客戶端，該普查客戶端可以靈活地安裝在支持Android應(yīng)用的手機(jī)等便攜式移動(dòng)設(shè)備中，并可以和部署在遠(yuǎn)端Internet上的服務(wù)器交互通信，如圖1。

圖1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框圖

普查客戶端的前端GUI信息錄入模塊，用于給普查人員提供友好的普查信息錄入界面；數(shù)據(jù)存取接口用于保存和維護(hù)各類(lèi)普查信息；數(shù)據(jù)包封裝模塊用于將各類(lèi)普查信息封裝成統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包，便于傳輸和推送；編碼壓縮用于保證數(shù)據(jù)包推送的可靠性和有效性；客戶端配置單元可以獲取并更新從普查服務(wù)器端下發(fā)的配置信息；基于WIFI、GPRS和3G網(wǎng)絡(luò)，Client和Server通過(guò)通信組件實(shí)現(xiàn)交互，完成配置參數(shù)下發(fā)和數(shù)據(jù)推送功能。

1.2 平臺(tái)工作流程

普查信息采集平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)將普查信息推送到服務(wù)器（普查信息系統(tǒng)）。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、高效的提交需要普查客戶端和服務(wù)器的有機(jī)配合。針對(duì)平臺(tái)特點(diǎn)，其工作流程如圖2。

圖2 平臺(tái)工作流程

用戶在經(jīng)過(guò)1和2過(guò)程成功開(kāi)啟普查客戶端應(yīng)用后，經(jīng)過(guò)過(guò)程3可以啟動(dòng)普查客戶端后臺(tái)服務(wù)，該服務(wù)可以定時(shí)檢查手機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、內(nèi)存和最新的普查數(shù)據(jù)保存情況。當(dāng)更新周期到達(dá)時(shí)，經(jīng)過(guò)4和5獲取從服務(wù)器下發(fā)的最新配置參數(shù)，完成平臺(tái)設(shè)定。

普查人員可以通過(guò)觸摸屏、手機(jī)鍵盤(pán)等方式填寫(xiě)特定時(shí)間、特定位置和特定普查對(duì)象的普查信息，這些信息通過(guò)數(shù)據(jù)接口保存在Android平臺(tái)內(nèi)嵌的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中[1]。

當(dāng)后臺(tái)服務(wù)監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)需要推送時(shí)，比如數(shù)據(jù)記錄到達(dá)一定數(shù)量，手機(jī)內(nèi)存空間不足，或用戶手動(dòng)提交等，此時(shí)會(huì)啟動(dòng)數(shù)據(jù)推送功能，普查客戶端將普查數(shù)據(jù)按一定的方式進(jìn)行統(tǒng)一的組織，經(jīng)過(guò)一定的壓縮和編碼，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和服務(wù)器就緒的情況下將數(shù)據(jù)提交到普查服務(wù)器端。

普查服務(wù)器接收到普查客戶端提交的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼和解壓，進(jìn)一步拆封數(shù)據(jù)包，將普查信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)給客戶端反饋狀態(tài)碼 。

普查客戶端從服務(wù)器端獲取正確的反饋狀態(tài)碼后，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，否則重新發(fā)送。

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 數(shù)據(jù)包封裝

在移動(dòng)環(huán)境下，通常受到帶寬和網(wǎng)絡(luò)流量的限制，普查客戶端要將普查數(shù)據(jù)高效可靠地上傳到普查服務(wù)器中，需要對(duì)暫存在Android移動(dòng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的封裝。平臺(tái)對(duì)普查數(shù)據(jù)的封裝過(guò)程如下：

圖3 數(shù)據(jù)封裝過(guò)程

JSON（JavaScript Object Notation）和XML（Extensible Markup Language）是目前最常用的2種數(shù)據(jù)傳輸格式[2]。與XML格式相比，JSON作為輕量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸格式，它基于文本，易于閱讀和編碼，同時(shí)更加節(jié)省計(jì)算資源，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，加快網(wǎng)絡(luò)傳輸。Android平臺(tái)的org.json包提供了對(duì)JSON格式數(shù)據(jù)的序列化和反序列化的支持。此外，為了進(jìn)一步提高平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸效率，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量。平臺(tái)還對(duì)JSON格式的數(shù)據(jù)采用ZIP算法進(jìn)行了壓縮處理。

普查數(shù)據(jù)經(jīng)ZIP 壓縮后，JSON格式的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成壓縮后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，這類(lèi)數(shù)據(jù)的高效、無(wú)損的傳輸和表示是采集平臺(tái)需要考慮的問(wèn)題。為了便于二進(jìn)制文件的傳輸，需對(duì)ZIP壓縮后數(shù)據(jù)采用一種映射方式將二進(jìn)制文件映射成文本數(shù)據(jù)再進(jìn)行傳輸和處理，本平臺(tái)采用Base64編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)映射。Base64編碼MIME規(guī)定的一種編碼格式，其通過(guò)64個(gè)ASCII字符碼對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼組合[3]，特別適合在http傳輸中應(yīng)用。

2.2 普查數(shù)據(jù)推送

為了保證普查數(shù)據(jù)可以高效、可靠地推送到部署在遠(yuǎn)端Internet上的服務(wù)器中，普查客戶端需一定的機(jī)制對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通信雙方按一定的機(jī)制實(shí)現(xiàn)交互。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)推送流程如圖4。

圖4 客戶端普查數(shù)據(jù)推送流程

要將普查客戶端采集的普查數(shù)據(jù)推送到普查信息系統(tǒng)中，必須通過(guò)目前的WIFI、GPRS或是3G網(wǎng)絡(luò)。Android平臺(tái)提供Socket和HTTP等方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，由于現(xiàn)有的普查信息系統(tǒng)是基于B/S結(jié)構(gòu)，需要部署到Web服務(wù)器中，而設(shè)計(jì)基于socket的健壯的web服務(wù)器較為困難。在不同的網(wǎng)絡(luò)中，HTTP方式實(shí)現(xiàn)較為容易。因此平臺(tái)采用Http方式實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)通信。HTTP請(qǐng)求包括POST和GET 2種方式。由于GET方式對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度有限制，而普查數(shù)據(jù)較為龐大，因此采用POST方式上傳。

2.3 客戶端與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制

為了保證普查客戶端和服務(wù)端的安全通信，特別是保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性，平臺(tái)采用基于RSA公鑰密碼體系的安全交互方式，如圖5。

圖5 普查客戶端與服務(wù)器交互機(jī)制

普查客戶端：

（1）普查客戶端將原始普查數(shù)據(jù)經(jīng)JSON封裝→ZIP壓縮→Base64編碼后組成原始數(shù)據(jù)A；

（2）數(shù)據(jù)A附加用戶標(biāo)識(shí)UA，組成數(shù)據(jù)B=A+UA，UA由（uName, pwd）組成，分別是服務(wù)器分配給客戶端的用戶名和口令；

（3）采用算法計(jì)算數(shù)據(jù)的值v=MD5(B)；

（4）采用MD5算法計(jì)算數(shù)據(jù)B的MD5值v=MD5(B)；

（5）采用RSA加密算法，用客戶端私鑰對(duì)v加密，得到C=EPRa(v)；

（6）將數(shù)據(jù)C附加到數(shù)據(jù)B中組成完整的數(shù)據(jù)包P=B+C，將P上傳個(gè)到服務(wù)器。需要說(shuō)明的是，為了保證安全，可對(duì)P進(jìn)行加密處理。

普查服務(wù)器：

（1）服務(wù)器獲取普查客戶端上傳的數(shù)據(jù)'P；

（2）解析P'的數(shù)據(jù)B'和C'，對(duì)B'進(jìn)行MD5雜湊計(jì)算得到MD5值v'=MD5(B')，同時(shí)對(duì)C'用RSA解密算法，用客戶端的公鑰進(jìn)行解密得到一個(gè)參數(shù)v''=Dpua(C')；

（3）比較v'與v''，如果相同，說(shuō)明數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被篡改。否則，丟棄該數(shù)據(jù)；

（4）從B'中獲取A'和UA'，系統(tǒng)對(duì)UA'中的用戶進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后可以將A'中的數(shù)據(jù)經(jīng)Base64解碼→ZIP解壓縮→JSON解析過(guò)程得到普查數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，否則丟棄該組數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Android平臺(tái)的城市軌道交通養(yǎng)護(hù)維修普查信息采集平臺(tái)，有效解決了普查數(shù)據(jù)的二次錄入問(wèn)題，節(jié)約了大量人力物力，加速了城市軌道交通信息化的建設(shè)。本系統(tǒng)雖然對(duì)基本的普查信息采集方面效果明顯，但在對(duì)圖片特別是多媒體（視頻等）普查數(shù)據(jù)支持方面有待進(jìn)一步改善。

[1] 勒巖，姚尚明. Google Android 開(kāi)發(fā)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M] . 北京：人民郵電出版社.

[2] Guanhua Wang. Improving Data Transmission in Web Applications via the Translation between XML and JSON.Communications and Mobile Computing (CMC), 2011, 182-185.

[3] Shirali-Shahreza, M.; Shirali-Shahreza, S.Sending pictures by SMS. Advanced Communication Technology, 2009, 222-223.

[4] Reto Meier. Professional Android 2 Application Development[M] . Indianapolis：Wiley publishing Inc, 2011.