Train Transfer Protocol - SMART-BRIDGES

Monitorización inteligente del estado estructural de puentes ferroviarios de alta velocidad

Introducción

El proyecto SMART-BRIDGES tiene como objetivo desarrollar un sistema avanzado para la monitorización del estado estructural de puentes ferroviarios de alta velocidad. Utilizando sensores distribuidos, un protocolo de transferencia de datos eficiente y almacenamiento estructurado, el sistema permite analizar y garantizar la seguridad de estas infraestructuras críticas.

Índice

• Introducción
• Información del proyecto
• Financiación
• Características del sistema
  • Estructura del proyecto
• Estructura de los paquetes
  • Paquete START (v1)
  • Paquete START (v2)
  • Paquete DATA
  • Paquete END
• TODO / Mejoras pendientes
• Licencia

Información del proyecto

• Título: SMART-BRIDGES
  Monitorización inteligente del estado estructural de puentes ferroviarios de alta velocidad
• Acrónimo: SMART-BRIDGES
• Referencia: PLEC2021-007798
• Entidades participantes:
  • UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
  • UNIVERSIDAD DE GRANADA
  • INECO

Financiación

“SMART-BRIDGES – Monitorización inteligente del estado estructural de puentes ferroviarios de alta velocidad”
(Ref. PLEC2021-007798)

Proyecto financiado por:

• Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN)
• Agencia Estatal de Investigación (AEI)
• Unión Europea a través de NextGenerationEU / Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia (PRTR)

Convocatoria de proyectos de I+D+I en Líneas Estratégicas 2021 (PLEC2021), procedimiento de concesión de ayudas a proyectos de I+D+i en colaboración público-privada, del Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad, en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020.
(BOE Núm. 98, de 24 de abril de 2021).

Características del sistema

Se ha desarrollado un servidor TCP multihilo diseñado para recibir, procesar y almacenar los datos de vibración enviados por sensores distribuidos, utilizando un protocolo de transferencia de datos propio:

1. Recepción y gestión de paquetes: El servidor implementa una máquina de estados para procesar los paquetes recibidos de los sensores. Según el estado actual, espera y valida el tipo de paquete (START, DATA o END), gestionando las transiciones y el procesamiento adecuado de cada uno. Se realiza control de errores ante paquetes inesperados o secuencias incorrectas, garantizando la integridad de la transferencia de datos.

2. Procesamiento de paquetes: Los paquetes se procesan según su tipo:

   • START: Indica el inicio de una secuencia de datos.
   • DATA: Contiene datos de aceleración y tiempo.
   • END: Marca el final de la secuencia.

3. Almacenamiento en buffer: Los datos se almacenan temporalmente en un buffer circular siguiendo el modelo productor-consumidor. Los hilos productores insertan los datos recibidos en el buffer, mientras que los hilos consumidores extraen los datos para volcarlos a un fichero CSV.

Cada hilo cliente actúa como productor, almacenando la información en su propio buffer que posteriormente es consumido por un hilo consumidor propio.

4. Volcado a CSV: Cuando el buffer alcanza un umbral definido o la transferencia ha terminado, los datos se escriben en un archivo CSV para su almacenamiento persistente dentro de una jerarquía de directorios establecida.

5. Gestión multi-hilo: El servidor utiliza hilos para manejar múltiples sensores simultáneamente.

6. Estructura de los archivos CSV: Cada archivo se nombra según la hora de creación, con el formato:

   acceleration_HH-MM-SS.csv
   

   • HH: Hora (00-23)
   • MM: Minutos (00-59)
   • SS: Segundos (00-59)

   Las columnas del archivo son:

   • Timestamp: Marca de tiempo en milisegundos.
   • X, Y, Z: Valores de aceleración en los ejes correspondientes.

   Timestamp,X,Y,Z
   1633024800000,0.12,-0.34,0.56
   1633024800100,0.15,-0.30,0.60
   1633024800200,0.10,-0.32,0.58

7. Estructura de carpetas: Los datos se organizan siguiendo la estructura:

   raiz/YYYY/month_name/DD/sensor_XX
   

   • raiz: Directorio raíz definido por el usuario.
   • YYYY: Año actual (por ejemplo, 2025).
   • month_name: Nombre del mes en inglés (por ejemplo, october).
   • DD: Día del mes (por ejemplo, 15).
   • sensor_XX: Identificador del sensor, donde XX es el número del sensor (por ejemplo, 05).

8. Gestión de concurrencia: Se utiliza un archivo de bloqueo (lock file) asociado a cada archivo CSV durante la escritura que después es eliminado automáticamente indicando que se ha terminado de escribir.

Estructura del proyecto

.
├── CMakeLists.txt
├── include
│   ├── packet.h
│   ├── packetOptions.c
│   └── packetOptions.h
├── LICENSE
├── README.md
└── server
    ├── buffer.c
    ├── buffer.h
    ├── fileManager.c
    ├── fileManager.h
    ├── packetHandlers.c
    ├── packetHandlers.h
    └── serverMain.c

Estructura de los paquetes

Paquete START (v1)

Campo	Tamaño	Descripción
opcode	1 byte	Código de operación
version	4 bytes	Versión del protocolo
deviceId	4 bytes	Identificador único del dispositivo

Paquete START (v2)

Campo	Tamaño	Descripción
opcode	1 byte	Código de operación
version	4 bytes	Versión del protocolo
deviceId	4 bytes	Identificador único del dispositivo
date	8 bytes	Marca de tiempo (segundos desde epoch)
micros	8 bytes	Microsegundos para mayor precisión

Paquete DATA

Campo	Tamaño	Descripción
opcode	1 byte	Código de operación
numero tripletas	1 byte	Número de registros en el payload
milliseconds	4 bytes	Marca de tiempo en milisegundos
X, Y, Z	4 bytes cada uno	Valores de aceleración en los ejes

Paquete END

Campo	Tamaño	Descripción
opcode	1 byte	Código de operación

TODO / Mejoras pendientes

• Reducir el consumo de memoria en la gestión de buffers.
• Reutilizar los bufffers. Evitar crearlos y elimnarlos consecutivamente.
• Sistema de hilo maestro para la gestión de paquetes y solo hilos consumidores.
• Pools de buffers, hilos, etc....
• Servidor concurrente. Escalar el sistema a un entorno de múltiples clientes.
• Refactorización y organización de código.
• Migración a C++
• Procesamiento por batches
• Operaciones atómicas, no uso de mutexes...
• Implementar un sistema de logs más detallado para depuración.

Licencia

Consulta el archivo LICENSE para más detalles.