（仪器科学与技术专业论文）旋转机械实时在线状态监测系统研究——现场工作站设计.pdf

浙江_ ：= 学硕十学位论史 摘要 在石化、电力、冶金等行业，高速高功率旋转机械应用非常广泛。旋转机械 实时在线状态监测技术对这些设备的状态监测和故障诊断具有积极作用，对安全 生产具有重要意义。 本文描述的监测系统采用分布式结构，由数据采集系统、现场工作站、上位 服务器、客户端四部分组成。其中，现场工作站是旋转机械状态监测系统的重要 组成部分，主要实现数据实时采集、数据存储、网络通信、报警及特征参数的实 时分析判断等功能。 本文以现场工作站为研究对象，对现场工作站的设计过程进行了详细说明。 首先从国内外发展概况出发，提出了课题目标和任务，并制定了详细的技术方案。 随后，从系统需求出发，使用用例分析技术建立了需求模型。根据需求模型，建 立了系统的设计模型，并对数据库结构进行了规划和设计。在描述建立模型的过 程中使用了统一建模语言u m l 。系统采用了l i n u x 平台下的o r a c l e 数据库，使 用了设备驱动、网络通信、多线程技术，以及数据库接口、存储过程等相关技术， 文中对关键技术进行了说明。最后，文章总结了开发过程中的经验教训，并提出 了对未来发展方向的展望。 关键词：状态监测系统分析设备驱动网络通信数据库接口 浙江大学7 i | ： l 学位论义 a b s t r a c t r o t a t i n gm a c h i n e r yr e a l t i m eo n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gh a sg r e a ts i g n i f i c m a c e f o rm o n i t o r i n gr o t a t i n gm a c h i n e r yc o n d i t i o na n dd i a g n o s i n gf a i l u r ei nt h ef i e l do f i n d u s t r y c o n d i t i o nm o n i t o r i n gd i s t r i b u t e ds y s t e mi sc o m p o s e do ff o u rc o m p o n e n t s ：d a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，w o r k s t a t i o no ns p o t ，h o s ts e r v e r , c l i e n t t h ew o r k s t a t i o ni si nc h a r g e o fr e a l t i m ed a t aa c q u i r e m e n t ，d a t as t o r e ，n e tc o m m u n i c a t i o n a l e r to ro t h e rp a r a m e t e r e s t i m a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e si nd e t a i lt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ew o r k s t a t i o n o i ls p o t f i r s t l y , i ts u m m a r i z e st h ed o m e s t i ca n do v e r s e ap r o g r e s s ，p u t sf o r w a r dt h e a i mm a dr e s p o n s i b i l i t yo ft h et a s k ，a n dm a k e so u tt h es c h e m et or e s o l v e s e c o n d l y u s i n gu m l ，i te s t a b l i s h e st h er e q u i r e m e n ta n a l y s i sm o d e la n dt h ed e s i g nm o d e l t h e s y s t e mc h o o s e so r a c l eo nl i n u xo sa ss y s t e md a t a b a s e i nt h ep r o c e s so f d e v e l o p m e n t ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hi n c l u d el i n u xm u l t i - t h r e a dt e c h n o l o g y ， o r a c l ei n t e r f a c e ，s t o r ep r o c e d u r et e c h n o l o g i e sa r eu s e d ，a n dt h ed e s i g no fd e x ，i c e d r i v e r , m a n a g e r ，a n a l y s i s ，s t o r e s o f t w a r ea r es h o w n a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o n s u m m a r i z e sd e v e l o p m e n te x p e r i e n c e so fs y s t e m ，a n dp r e s e n t st h ef u t u r ep r o s p e c t k e yw o r d ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，s y s t e ma n a l y s i s 。d e v i c ed r i v e r , n e t c o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s ei n t e r f a c e 浙江大学硕士学位论文 致谢 首先感谢我的导师，王友钊老师。正是王老师给我这么难得的机会，使我在 学习上，工作上都得到了锻炼。也正是王老师的辛勤教诲，我才得以了解这个课 题，并顺利地完成课题。我要感谢实验室马永昌老师给予我的指导，尤其在硬件 方面的指导使我受益匪浅。 感谢课题组的同学付冬妮、江恒、郑卓超，还有师兄张德，感谢实验室的同 学韩锋、傅倬伟，感谢实验室的其他同学，还要感谢刘玉玲老师、师兄孙武、孟 祥育、未谋面的师兄廖双龙。 在浙江大学的两年零八个月的r 子里，我度过了一段充实的时光，回忆往昔， 许多日子尤历历在目，毕业在即，更加感受这段时光的弥足珍贵。最后，感谢一 直默默支持我的父母、姐姐，感谢我的亲人们，感谢所有曾经关心过和正在关心 我的人，感谢浙江大学。 王凌宇 二零零四年二月于玉泉教三 浙江大学硕l 学位沦文 第一章绪论 1 1 引言 在现代工业中，高速高功率的大型旋转机械在石油、化工、电力、冶金等行业应 用的非常广泛。一些旋转机械的运行良好对工业生产具有重大意义。但是，由于旋 转机械的长期运转，带来了磨损、破裂等诸多问题，这往往会导致许多比较严重的 问题。例如上海炼油厂3 # 重油催化裂化联合装置，在试车时曾造成主风机转子第一级 动口t 。片4 片断裂脱落，其中3 片从根部断裂，1 片在下部断裂，造成的损失高达两百 多万元 1 。因此，及时对机械故障进行监测，消除可能存在的问题，对保证旋转机 械的正常运行具有重要意义。 对旋转机械的状态监测和故障诊断是保证旋转机械安仝运行的重要于段。通过对 旋转机械的重要状态参数的监测，r u 以获取旋转机械运行状态的有关信息。利用这 些关键信息，叮以避免突发事故，或是在故障发生后寻找原因，以及对可能出现的 故障进行提前预测。这些都是保证设备安全运行的有效方法。 近些年，计算机技术和| 叫络技术的快速发展，为旋转机械的状态监测提供了良好 的条件。信号处理技术为旋转机械状态监测提供了丰富的分析手段，使对旋转机械 的状态信息提取上有了可靠保证。计算机技术则为大容量实时数据监测分析提供了 一个良好的基础。网络技术更是把状态监测提到了网络化的程度。 旋转机械状态监测系统是利用了相关技术，如计算机技术、网络技术、信号处理 技术以及关键的振动分析技术等，结合现场环境特点完成的 1 2国内外相关课题发展概况 对旋转机械状态监测的研究，早在八十年代初，一些国家就开始对旋转机械的振 动机组、故障特征、振动信号提取及故障诊断信号处理进行了研究，发展了系列 诊断旋转机械故障的技术。如常用的冲击脉冲法，波峰系数法，谱分析判别法等。 之后，七十年代末丌始，随着关键分析技术的成熟，些故障诊断仪器也应用到了 工业现场。近些年来，一些大型的状态监测系统也得到了广泛的应用。 国外从很早开始就生产出了相关的产品，现在比较成熟的产品包括瑞典s p 仪器 浙江人学硕+ 学位论文 公司的s p m 系列，美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系列，加拿大c s i 公司的c s l 2 1 1 5 、 c s l 2 4 0 0 ，美国本特利公司的d d m 与a d r e 系列等 1 。 相比国外，国内的发展较晚，但也取得了一个比较快速的发展。 从八十年4 z - 始，国内许多高等学校与研究机构，对旋转机械的检测和诊断技术 作了较多的分析与实验室研究，国内厂家也有类似产品推出。在8 0 年代末至9 ( ) 年 代初以各大专院校为主，如西安交大、哈工大、浙大、郑州工学院等为石化、冶 金、电力等企业开发研制了许多在线监测系统，价格仅为引进国外系统的1 4 1 2 左右。 国内开发的在线监测系统，在总体设计、功能和软件开发方面有们：多独到之处。 例如，辽化与哈工大为沈阳鼓肛l 机厂合作研制的m c ol 大机组监控及诊断分析系统 没安一台常规仪表，仅用两台微机对机组进行振动及工作状移l 参数监铡、控制、分 析诊断功能。西安交大开发的在线监测系统软件引入了全息i 普和轴承一转子系统动 力分析技术，与国外软件相比有其独到之处。此外，哈工大、郑州工学院、吉林大 学为大庆石化总一开发的大机组群在线远传监测诊断系统对7 台机组2 6 2 通道进行 实时监测诊断，首先采用了无线通讯技术 2 。 9 0 年代初，不少企k 引进了国外在线监测系统，如镇海石化总厂、宁夏化工厂 从美国引进c s l 的3 1 3 0 系统，首钢引进美国b e n t l y 公司的t m 2 0 0 0 系统，宝钢从美 国e n t e k 公司引进v i m p 监测系统等。引进的在线系统大都可靠性好、功能较齐全、 技术亦成熟些但也存在价格昂贵、系统防爆性差、功能不足，英文通用组态画面 不反映现场实际、操作者操作不便等缺点 2 。 随着网络技术的发展，国外一些著名的旋转机械龄测仪器生产厂家，如月麦b k 公司，美围b e n t l y 公司、i r d 公司等已相继推出多套网络化的旋转机械在线监测系 统。国内近些年来也开始着手此项工作，如西北工业大学和四川省电子计算机应用 研究中心联合研制成功的机械设备状态监测和故障诊断网络系统m 1 ) 3 9 0 5 2 。本实验 室提出的基于i n t e r n a l 在线网络实时监测系统d m 7 0 0 6 也在镇海炼化、九江石化等 工厂耿得了很好的应用效果 1 。 近两年，新技术的应用使旋转机械状态监测系统进入了个新的发展空间。深圳 创为实技术发展有限公司丌发的$ 8 0 0 0 系统，该系统采月j 了基j 二i q u x 操作系统的 现场在线状态监测设备，并通过w e b 浏览方式完整实i 见全部监测和分析诊断功能， 浙江火学硕士学位论文 具有稳定、可靠、易维护等特点，现在已经应用在了广石化乙烯裂解i 大压缩机组 等设备的监测上 3 。 从围内外发展趋势来看，新技术在旋转机械住线临测系统的大量应用，使得 旋转机械状态监测系统正向着小型化、高速实时连续采集、网络实时监控化的方柚 发展。 1 。3本课题任务和目标 本课题主要是针对上一代旋转机械状态监测系统的缺陷而提出来的。本实验审丌 发的d m 7 0 0 6 系统在镇海炼化、九江石化等工厂经过了几年的稳定运行，虽然表明了 系统较高的可靠性，但是随着应用的不断深入，一些问题也暴露出来，比如操作系 统并不安全稳定，数据存储量相对较小，设备配置不灵活等。近儿年，随着计算机 技术的发展，对旋转机械状态监测提供了新的发展条件。尤其是近两年，l i n u x 操作 系统的广泛应用，加之在旋转机械状态监测领域刈数据存储和数据处理提出更高要 求，使得对系统的改造已经迫在眉睫。 本课题目的在于设计出一套实时在线监洲、远程集巾管理、采用w e b 技术、有组 态功能、可灵活配置设备、能够满足数据高速采集和存储的集峪测、诊断、管理、 决策于一体的综合化、网络化、多机组的在线监测系统。 系统中上位机与下位机之间采用t c p i p 协议实h , j 数据通信。通过刚络数据库对 历史数据、组念数据进行存储并集中管理。 系统的基本要求如下： 1 ) 叫完成对机组运行数据的快速采集和处理。 2 ) 能够使用多种信号处理方法对聚集数据进行分析。 3 ) ，采用灵活的配置方式，在现场尽量采用小型设备。 4 ) 在现场数据库存储数据，数据库可通过网络远程监测。 5 ) 用户可以通过专用客j 二t 端软件进行基于jn t e r n e t 的远程状态隘测。 浙江人学硕| 学位论文 参考文献 【1 2 】 3 】 4 5 6 】 7 】 基于i n t e r n e t 的分布式机器运行状态在线监测系统的研究与实现廖双龙浙江人学硕 士学位论文2 0 0 0 设备诊断工程与集散监测系统高金吉石油化上设备技术1 9 9 61 7 旋转机械状态监测系统极其在乙烯压缩机中的应用 刘立忠传感器世界2 0 0 0 8 基丁嵌入式p c i 0 4 的网络化旋转机械在线监测系统研究与设计张德浙江人学硕。p 学 传论文2 0 0 3 化上机器故障诊断技术沈庆根著浙江大学出版社1 9 9 4 数字信号处理：理论、算法与实现胡广书编著清华大学出版社】9 9 7 l i n u x 在旋转状态监测系统上的应用王凌宇，千友钊机床与液压2 0 0 5 1 第6 页共6 8 负 浙江大学硕士学位论文 第二章问题描述 2 1 引言 软件生命周期由软件定义、软件开发和运行维护二个时期组成，每个日、j 期义 可以进一步划分若干个阶段。软件定义阶段可分为三个阶段，包括问题定义、可 行性分析利需求分析f 1 。 问题定义阶段是一个将要解决的问题定义的过程。问题描述就是将问题定义 描述出来，作为系统设计的目标和任务【2 。 本课题作为旋转机械状态监测系统的重要的组成部分，除了对整个系统进行 描述，同时侧重点在于系统的重要部分现场工作站的设计。本章从整体结构 和功能描述上对本课题的所应解决的问题进行描述。 2 2系统结构 d m 7 0 0 8 旋转机械状态监测系统采用分布式结构，现场安置现场 ：作站，负 责现场数据的采集以及其他等功能的处理。而在系统上端，建有分析服务站，系 统通过分析服务器分析数据，并将分析图谱发送到客户浏览器。 曩罕罕呲尹 ， 星服务器 级f i n t r a m c l _ 幸 中i 啐一 苎：陬丽1 ；陬耘；础困； 级；硒 ；赢_ ! i 赢_ ! 图2 ，1d m 7 0 0 8 系统结构怪i 整个系统可分为旧级：第一级为数据采集系统；第二级为现场r 作站：第二 级为上位服务器：第四级为客户浏览器。 2 2 1 数据采集系统 数据采集系统是监测系统的硬什部分。其关键部分是数据采集 。每一个 数据采集系统采集几个测点( 一个测点对应一个传感器) 的数掘，一个机组安排多 个测点( 对应一个或多个采集器) ，数据采集卡负责采集数据。 数据采集卡主要负责采集现场的振动量数据，以及工艺量、开关量和轴位 移量数据。数据采集卡可根据用户隋况选择使用，对于普通用户，数掘采集卡使 用实验室的早期i s a 总线数据采集卡，型号为d m 9 2 0 2 ，该卡已完成多年，并在 现场应用多年 3 。刘+ 于有较高要求的用户，数据采集卡基于p c 】总线，是实验 室近期开发的数扼采集 。 2 2 2 现场工作站 现场工作站，简称工作站，安放在t 作现场，负责管理一台或儿台机组。 现场工作站可以全天不间断的对现场机组进行实时峪测，监测参数包括轴振动、 轴位移、转速、温度、压力、流量等各种信号。从这些参数中，现场工作站可以 自动判断升降速、报警状态，产生并记录相关数据，并根据上位服务器的请求传 送数据。 现场工作站建有数据库服务器，数据库存放报警、升降速、短期、中期及 长期数据，形成机组运行历史档案，供网上备用户对机组进行监视，分析时调用 历史数据使用。 2 2 3 上位服务器 h 位服务器包括有w e b 服务器、管理服务器、分析诊断服务器。在上位服 务器，系统根据用户要求，从现场工作站接受实时数据或者j 力史数据进行各种信 号分析，供用户使用。在上位服务器建有w e b 胀务器，作为发布有关信息使用。 在这里完成的主要分析方法( 分别对实时、历史、升降速、报警数据) 有： 1 ) 转速时间过程曲线 4 ) b o d e 图 2 ) 时域过程详到 5 ) ，n y 叭】s t 图 3 ) 瀑布图 6 ) 轴心轨迹图 浙江人学硕上学位论文 7 ) 轴心位置图 1 2 ) 包络谱图 8 ) 频潜图 1 3 ) 倒谱图 9 ) 棒图 1 4 ) 相天分析图 l o ) ，时基波形15 ) 趋势变化图：8 小时趋势， 1 1 ) f f t 谱图 2 4 小时趋势，周趋势，月趋势 2 2 4 客户端 系统考虑到网络流量的问题，使用了c s 结构。在各浏览器安装有专用客 户软件，通过j n t e r n e t 或是i n t r a n e t 狭取上位服务器的分析信息。该客户端软 件可以从网络即时下载。 利用i n t e r n e t ，用户可实现厂内设备的远程会诊，如一旦发生异常情况， 管理人员可及时通知有关生产厂家及国内外的有关专家，让他们u j 。以在最快的时 间内从世界各地对厂内的机组实行远程精确会诊，进行网上实时交流，有利于管 理人员在最快的时间内找到故障原因，缩短排除故障的时i 刊，提高效益 3 。 2 3 工作站功能描述 现场工作站作为旋转机械监测系统的子系统，在现场工作，其功能相对独立。 现场工作站利用数据采集帚采集数据，并通过局域网把实时数据和历史数掘传送 到上位服务器，同时负责接收上位服务器对现场的配置数据，并将其写入数据采 集卡，实现用户对数据采集卡采集方式的远程控制。 从现场工作站的功能角度出发，呵以得到现场工作站的具体功能如下： 1 ) 数据通信：现场t 作站响应上位服务器请求，发送实时采集的数据或接 收工作站和数据采集卡的配置数据。 2 ) 数据存储：现场工作站应将现场采集的数据，以及分析得到的历史数据、 报警数据、升降速数据存储到数据库单，作为历史数据供上位服务器调用。 3 ) 数据判断：现场工作站根据上位服务器的要求，完成报警、升降速状态 的判断。 4 ) 数据采集：现场工作站应完成对现场实时数据的采集。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 】软件工程张海藩编著人民邮电出版社2 0 0 2 2 】软件工程：方法工具方法冯玉琳，赵保华编著中国科学技术人学 版社1 9 9 29 3 基于i n t e r n e t 的分布式机器运行状态在线监测系统的研究与实现廖双龙浙江大学硕 十学位论文2 0 0 0 4 】基丁嵌入式p c1 0 4 的网络化旋转机械在线监测系统研究与设计张德浙江大宁硕士学 位论文2 0 0 3 【5 化工机器故障诊断技术沈庆根著浙江大学出版社1 9 9 4 浙江人学硕上学位论文 第三章工作站系统分析 3 1 引言 分析包括可行性分析和需求分析，它们与问题描述一起组成软件定义的三个 阶段。软件定义的任务是：确定软件项目所必须完成的总目标；确定项目的可行 性：导出实现目标的策略以及系统应完成的功能；估计完成项目所需要的资源和 成本，并且制定项目进度表 1 。这个时期的工作义称为系统分析。 在项目开始阶段已经对课题应解决的问题进行了可行性分析，本章主要通过 对用户的需求分析，建立需求模型，发现用户需求，得到系统用户的当前情况和 应解决的问题。 对软件需求的定义可使用多种方式解决，在本章中，采用用例分析技术f 3 对系统进行分析，并使用统一建模语言u m l 描述用例。 3 2分析技术简述 3 2 1 用例分析技术 用例技术通过用例、执行者和用例之间的关系来描述系统外在可见的需求情 况，它是用户和开发者共同剖析系统功能需求的起点【3 。用例分析在软件开发 中占据着决定性的地位。 执行者是同系统交瓦的所有事物。用例是系统的一利i 彳亍为，它为执行者产牛 一种u _ 以估量的价值结果。用例描述了执行者想要系统完成的事情。从执行者角 度看，用例应该是个完整的任务。用例用来捕述一个系统外在可见的需求情况， 通常用在项目的需求分析阶段 3 。 用例是u m l 的一种重要表示法。u m l 可以通过用例图建立用例分析模型， 作为系统需求分析模型。 3 2 2u m l 语言简述 u m l 是统一模型语言( u n i f i e d m o d e l i n g l a n g u a g e ) 的缩。丐。它是运用统的、 标准化的标记和定义来实现面向对象的软件分析和设计的一种方法。它综合了对 浙江大学硕士学位论文 象模型技术和面向对象软件工程等设计分析方法，并由o b j e c tm a n a g e m e n t g r o u p ( o m g ) 于1 9 9 7 年底标准化了的一种新的面向对象的软件设计方法 5 】。它 主要由不同定义的图表( d i a g r a m ) i e l 关系( r e l a t i o n s h i p ) 构成，适用于软件分析、设 计的各个方面。 u m l 图表可从动态、静态和实现三个角度来观察、分析利表达个模型。 1 1 动态模型可以通过用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) 、顺序图( s e q u e n c e d i a g r a m ) 、协作 ( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) 、状态i n ( s t a t ed i a g r a m ) ；h l 活动圈 f a c t i v i t yd i a g r a m ) 来描述。用例图反映了客户与系统之间的关系；顺序图以 时间为坐标来描绘对象执行的过程：协作图则是按时象之削的关系来描绘对 象执行的过程；状态图主要描述对象的状态变化；活动图是一种特殊的状态 图，它主要描述一个过程的内部的状态变化。 2 1 静态模型一般通过类 n ( c l a s sd i a g r a m ) 来描述。它是由类、类的属性 f a t t r i b u t e ) 、类的方法( m e t h o d ) 、以及类之间的关系来反映一个模型。 3 、实现模型一般通过组件图( c o m p o n e n td i a g r a m )开发酗( d e p l o y m e m d i a g r a m ) 来描述。组件图表达了如何把类、对象集成在实际软件模块中。开 发图从物理层次指出了系统模块之间的联系。 u m l 早的四个常用的关系( r e l a t i o n s h i p ) 是： 1 1 实现( r e a l i z a t i o n ) ：代表一个类是一个新类型的实现。新类型不同 i 一般 的u m l 元素，它有自己特殊的属性和结构，用于u m l 模型的扩展。 2 1 集合( a g g r e g a t i o n ) ：代表一个类是另一个类的一部份a 3 1 协作( a s s o c i a t i o n ) ：代表两个类之间的操作关系。即类之间兀j 以通过句柄 对对方的属性，方法进行操作。它也町连接在刚一个类上。 4 1 概括( g e n e r a l i z a t i o n ) ：代表一个类是其他类的子类 6 。 3 2 3u m l 在分析上的应用 分析阶段的主要任务是建立需求模型。需求模型一般通过u m l 的用例图 ( u s ec a s ed i a g r a m ) 描述。用例图是系统分析的主要描述方式，这年要因为： 它描述了系统的功能需求；它将系统看成一个黑箱，从使用者( 最终客户) 的角 度来理解系统功能：它是系统开发者和用户交流的工具，也是以后驱动整个琐同 过程( u s ec a s ed r i v e n ) 的基准。 浙江大学硕士学位论文 用例图描述了整个系统需要实现的功能，而并不关心系统的具体实现，这样 就避免了系统设计人员过早的陷入技术实现细节的泥潭，有利于快速建立f 确而 简单的系统模型；同时，用例图造就了。条技术人员和非技术人员的交流途径， 这样，最大程度的避免了需求分析阶段的失误( 错误) ，降低了整个项目的风险。 在系统用例分析的过程中，一定要注意的问题是用例粒度( 大小) 问题。开 发过程中要尽量避免系统用例粒度过小，使之成为系统的功能分解，这样，在用 例描述中，就会脱离业务用语，出现技术语言的描述。通常，判断粒度过小主要 是看是否出现这两种情况：把系统活动当成系统用例；把交瓦步骤当成系统用例。 用例分析过程一般采取以下步骤： 1 ) 确定系统边界和执行者； 2 1 ，确定用例； 3 ) 书写用户文档或是绘制用例图； 4 1 ，分析用例之间的关系； 系统用例还可以通过用例文档进行描述。在本文中，主要是通过系统用例图 进行的描述。 3 3 需求分析 需求分析的目的是建立需求模型，建立系统需求模型的过程如下： 3 3 1 确立系统边界 分析系统用例，就要确定对象系统，首先，要将系统描述出来。而系统具有 相对性，不同边界的系统其组成不同，目标不同，实现的功能也不f 刊。凼此，在 描述系统时，首先要定义系统边界。系统边界一般是反映的是系统在职能、功能 方面的边界，系统的可行性研究、总体设计、详细设计、开发和运行均是在这些 边界内进行。 系统边界可以通过执行者和系统用例来确定。通过确定执行者，便确定了系 统的操作者，由该操作者对系统这个对象，进行操作，完成系统功能。用例是系 统执行者所执行的功能，也就是系统的功能。 浙江人学硕上学位论文 3 3 2 确定执行者 执行者是同系统交互的所有事物，例如人、软件、硬件、数据存储、或者网 络。每一一个执行者定义一种特定的角色。每个系统之外的实体可以用一个或者多 个执行者来代表 3 】。对工作站而言，在外部实现执行者角色的有两个设备，一 个是卜位服务器、一个是数据采集卡，这就是系统的执行者。 3 3 3 确定用例 用例是系统的一种行为，它描述执行者想要系统完成的事情。从执行者角度， 用例应该是一个完整的任务。确定执行者后，便町以从执行者对系统的操作或任 务中寻找到系统用例。 寻找用例可以按照从粗到细，由简至深的思路，一步步细化用例，直到找到 满足用户需求的用例。在用例分析过程中，通过分析系统用例和细化用例两个步 骤，最后建立了用例模型。 1 系统用例 上位服务器和数据采集卡是系统的执行者，从两者对工作站的操作角度出 发，可以得到系统用例如图所示。 数 工作站系统 一 磊，= y 氯= 一， 五。： 7 ，m m 一，p rm m mr t - 、舻丁 数据库 幽3 - 1 工作站系统用例 浚图描述了工作站系统的边界，执行者为 ：位机和数据采集 ，系统方框内 第1 4 页共6 8 页 浙江大学硕士学位论文 部的用例便是系统的功能，其中数据库作为系统的一个特殊的功能，电是一个内 部的执行者建立在系统边界内。 从系统用例图巾可以看到，系统用例与在系统问题域分析时所得到的系统的 功能描述相同，这正反映了系统用例作为用户的任务与系统的要求不谋而合。 2 细化用例 系统用例只是对系统的外部功能作的一个大致描述，系统需求分析要求将系 统用例分解细化，最后得到用户町以理解的用例模型，作为系统设计的参照依据。 在细化过程中，仍旧从执行者的角度出发，绌化执行者对系统的操作，以下就是 对各系统用例细化后得到的用例图。 1 ) 数据通信( d a t at r a n s f e r ) ： 图3 - 2 数据通信用例图 2 ) 数据采集( d a t as a m p l i n g ) 图3 - 3 数据采集用例图 3 ) 数据判断( d a t ae s t i m a t e ) 豢 一塑兰查兰塑主兰堡堡苎 4 ) 数据存储( d a t as t o r e ) 图3 - 4 数据判断用例蚓 幽3 - 5 数据存储用例图 通过系统用例和细化用例，便建立了系统的用例模型，这就将系统的需求模 型描述出来。在用例分析的过程中，尽量避免过多的考虑设计细节，而是从用户 角度，对系统所完成的功能进行相列详尽的描述，同时避免过细分解用例，使之 成为用户能够理解的需求模型。 参考文献 1 软件1 ：程张海浩编著人民邮l b 出版社2 0 0 2 2 1 软什t 程：方法= 具方法冯玉琳，赵保华编著中国科学技术夫学出版 十1 9 9 2 ，9 3 - 用例分析技术g e r is c h n e i d e r , j a s o n r w i n t e r s 姚淑珍，李巍等译机械r 业出版社2 0 0 2 4 j u m l 应用模犁实践过程 尤克滨编著机械t 业出版社2 0 0 3 5 1 u m l 参考手册j a m e s r u m b a u g h ，l v a rj a c o b s o n ，g r a d yb o o c h 著姚淑珍等译机械1 1 业出 第j 6 睫共6 8 负 浙江人学硕上学位论文 版社2 0 0 1 6 u m l 用户指南g r a d y b o o c h ，j a m e s r u m b a u g h ，l v a rj a c o b s o n 著邵维忠等泽机械l 一、i k 山 版社2 0 0 1 7 】u m l 精粹一标准对象建模语言简明指南( 第二版) m a r t i nf o w l er ，k e n d a l 译清华大学出版社2 0 0 2 【8 数据库系统概论( 第三版) 萨师煊，工珊著高等教育出版社2 0 0 0 9 基于嵌入式p c i 0 4 的网络化旋转机械在线监测系统研究与设计张德 位论文2 0 0 3 s c o t t 张徐家祸 浙江大学硕十宁 浙江大学硕十学位论文 第四章工作站软件设计 4 1引言 在需求分析阶段建立了系统的需求模型，软件设计的任务便是实现需求模 型，将需求模型转换为设计模型。设计模型与需求模型不l 司，它主要是从设计者 角度出发，对实现软件的描述。设计模型更多的考虑是软件如何实现，怎么实现， 但它与需求模型仍有密切的关系。 需求模型是设计模型的基础，在需求模型的建立过程中，就已经考虑到了设 计过程中所要求的软件模块划分；另一方面，在设计模型的建立过程中，如果发 现需求模型中的问题，也要及时反馈，重新进行需求分析和修正。需求模型与设 计模型之间的关系，反映了需求分析和软件设计的密切关系，也晚明了软件丌发 是一个迭代开发的过程。 设计过程分为两个阶段，总体设计、洋细设计。总体设计剥目标系统的实现 作为了概要说明。详细设计则是对目标系统的概要设训进行比较详细的描述。在 系统的设计过程中，便按照这两个阶段完成的。 4 2开发环境和工具选择 4 2 1 设计方法选择 软件设计首先要确定软件的设计方法。目前，常用的设计方法丰要有面向过 程的设计技术、而向对象的设计技术等，这些技术都依赖于各自特有的分析技术。 面向过程的方法是传统的结构化设计方法，它将系统分解为若干个过程，通 过分解后的过程构造系统。而面向对象的方法则是利用面向对象的建模概念，如 实体、关系、属性等，同时运用封装、继承、多态等机制来构造系统。在面向对 象的设计中，初始元素是对象，然后将具有共同特征的对象归纳成类，组织类之 间的等级关系，构造类库，应用时选择类库中相应的类。 在本系统中，主要通过将大规模复杂软件按模块分解的方法进行1 设计。在功 能模块的设计中使用面向对象的方法，利用其数据抽象、模块化的特点加强其扩 展性和兼容性，同时，在一些模块的设计中采用面向过程的方法，利用其数据流 第18 共6 8 页 浙江大学硕上学位论文 动的特性进行设计。 4 2 2 操作系统选择 操作系统是工作站系统软件的支撑平台。在现今国内旋转机械状态监测系统 中，大部分使用了微软的操作平台，包括w i n d o w 系列，早期的还有d o s 平 台。这些操作系统大都存在一个很明显的劣势，价格上昂贵或是性能不良。但是 由于在操作系统上微软的垄断地位，使得国内在旋转机械状态监测系统的开发 上，不得不采用微软的垄断技术，但是近几年，l i n u x 的出现改变了这个现状。 作为类u n i x 的l i n u x 操作系统，继承了u n i x 的稳健、高效的优点，同时由于全 世界大量的l i n u x 开发者的努力，使得一出现并刁i 成熟的l i n u x 变得强健，正逐 渐占据了原来由微软垄断的许多市场。 l i n u x 作为继承u n i x 的操作系统，它具有u n i x 操作系统的基本特征。其特 点主要包括： 1 ) 多任务。可以同时执行多个程序。 2 1 多用户。几个用户可以同时使用一台机器。 3 ) 多平台。l i n u x 可运行包括x 8 6 、a r m 等多种平台卜。 4 ) 代码共享。提供内核和驱动程序，开发工具和用户程序的代码。 5 1 符合p o s i x1 0 0 3 1 标准。因此，l i n u x 符合u n i x 操作系统接口标准， l i n u x 上完成的程序可移植到其它u n i x 机器j ：去运行。 6 1 采用页式存储管理。页式存储管理使l i n u x 能更有效地利用物理存储空 间，页面的换入换出为用户提供了更大的存储空间。 7 1 支持动态链接共享库( d l l 。s ) 。 8 ) 支持多种文件系统，如e x t 2 、e x t 等。 9 1 支持t c p i p 、i p x s p x 、s l i p 、p p p 等协议。用户可以使用所有的网络 服务，如网络文件系统、远程登录等。用户也可用m o d e m 连入i n t e r n e t 。 4 2 3 数据库服务器选择 数据库服务器的选择是选择数据库管理系统软件( d b m s ) 的过程。现在丰 导的关系型数据库管理系统有o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 、s q t s e r v e r 等，还有小 型数据库软件a c c e s s 和m y s q l 。 数据库管理系统软件的选择，可以从用户对数据存储的要求，数据库性能， 第1 9 共6 8 页 浙江大学倾士学位论文 数据库的应用平台，以及开发者水平等角度进行考虑。 工作站要求全天不阳j 断的处理数据，同时为保证对历史数据的查询处理，数 据库需要存储多个机组、多种信号量以及多个时期的历史数据。为存储这些数据， 在数据库里建立了几十个表格，一般每个表要存储几万条的记录，这使得数据库 的存储容量要求达到几_ | 万到儿百力- 条记录的水平。这些情况都为数据库性能提 出了较高要求。 系统所使用的l i n u x 采用的是u n i x 框架，但是一些u n i x 上的数掘库软件并 不能很好的移植到l i n u x 平台上。而o r a c l e 公司出品一款o r a c l ef o rl i n u x 的软 件专门用于l i n u x 平台上的使用，并为其提供了大量的补丁程序以便于其移植。 数据库要求兼顾性能和开发。在l i n u x 平台f ，m y s q l 和o r a c l e 数据库均 能够提供很好的支持，但是由于m y s q l 相对较小，很多功能不完善，而o r a c l e 不但提供了很多开发工具，而且在内部提供的功能上明显高过m y s q l 。 由于这些因素，使我们最后选定o r a c l e 作为数据库管理系统软件应用在系统 设计过程中。 o r a c l e 数据库是在世界上占有重要份额的数据库管理系统，它具有以下特点： 1 ) 支持客户机服务器体系结构及混合的体系结构( 集中式、分布式、客， 机服务器) 。 2 ) 支持多种系统平台( u n i x 、s u n o s 、v m s 、w i n d o w s 、o s 2 等) 。 3 ) 采用标准的s q l 结构化查询语言，还有增强型的s q l 语言( p l s q l ) 。 4 ) 具有丰富的开发工具，覆盖开发周期的各阶段。包括第四代语言的开发 工具( s q l * f o r m s 、s q l + r e p o r t s 、s q l 4 m e n u 等) ，以及丰富的编程 接口工具如p r 0 4 c 。 5 ) 支持大型数据库，数据类型支持数字、字符、大至2 g b 的- _ 进制数据， 为数据库的面向对象存储提供数据支持。数据库支持多字节码制，支持多种 语占文字编码，其中包括对中文字符的支持。 6 ) 具有字符界面和图形界面，易于开发。o r a c l e 可通过s q l * d b a 控制用 户权限，提供数据保护功能，监控数据库运行状态，调整数据缓冲区的大小。 7 ) ，具有数据透明、网络透明，支持异种网络、异构数据库系统。并行处理 采用动态数据分片技术。 浙江大学硕士学位论文 8 ) 数据安全保护措施。没有读锁，采取快照s n a p 方式完全消除了分布读 写冲突。自动检测死锁和冲突并解决。数据安全级剐为c 2 级( 最高级) 。 9 ) o r a c l e 可以在绝大多数流行的网络系统上运行。支持w e b 技术，用户 能够很容易地将数据库中的数据发布到w e b 页面上。 4 2 4 开发工具和编译器选择 开发工具和编译器的选择，主要是通过设训软件的应用领域、编程的复杂程 度、软件运行环境和开发者水平等方面进行考虑。 在实验室开发的上一代旋转机械状态监测系统中，选择了n i 公司的虚拟仪器 软件l a b v i e w 作为开发工具。l a b v i e w 作为- s t 图形化编程工具，具有程序员快 速上手，开发周期短等优点，尤其在数字信号处理方面有比较方便的设计组件， 但是l a b v i e w 过于强调了图形化编程的方便性，所以在编程之后的运行效率，以 及在编程时灵活性上都存在着一些问题。 l i n u x 下的丌发语言比较丰富，j a v a ，p e r l ，c c + + 都可以完成l i n u x 下的软 件开发。考虑到c c + + 语言对底层硬件平台的良好支持、运行时的高效率、以及 与l i n u x 完美的结合，在软件设计过程中最后采用了c c + + 语言作为开发语言。 此外，由于加强数据库功能的需要，在数据库设计中需要使用一种数据库编 程语言。因此，选用了o r a c l e 公司提供的扩展型s q l 语言p l s q t 作为数据库内 部开发语言。 开发编译工具采用了l i f l u xf 比较常用的6 c c 作为编译器。g c c ( g n uc c o m p i l e r ) 是g n u 推出的功能强大、性能优越的多平台编译器，它的执行效率与 一般的编译器相比平均效率要高2 0 3 0 。g c c 编译器能将c 、c + + 语言源程序、 汇编程序编译、连接成可执行文件。使用6 c c 由c 语言源代码文件生成可执行文 件的过程要经历四个步骤：预处理( 也称预编译，p r e p r o c e s s i n g ) 、编译 ( c o m p i l a t i o n ) 、汇编( a s s e m b l y ) 和连接( l i n k i n g ) 。 4 3总体设计 系统平台和工具选定后，便是实现需求模型中的分析用例，这个步骤是将需 求模型转换到设讨模型的过程。建立设计模型的第一个阶段是总体设计阶段，总 体设计的目标是建立系统级的设计模型，将系统从模块、子系统的角度对软件进 第2 i 页共6 8 受 浙江大学硕士学位论文 行模块化设计。 总体设计的一个任务是软件实现方案的选择，在之前的平台和工具的选择过 程中，已经确定了系统采用平台为的l i n u x 和o r a c l e ，编程工具为c 语言的方案。 这组方案是考虑到该系统的实用性、可靠性等要求而最后确定的。 总体设计需要分解整个系统为子系统。在系统中，数据存储，尤其是中期和 长期历史数据的存储，由于需要存储的数据量较大，存储周期过长，如果作为系 统执行程序的化，其对系统资源的消耗相对较大。而o r a c l e 数据库提供了数据 库管理的许多功能，数据存储功能町以交由数据库完成，这时，这时数据库就超 出了仅仅作为一个存储者的角色，同时可以作为一个执行者对数据进行控制。所 以，在总体设计的功能分解过程中，可以将数据库的功能扩大，作为一个相对独 立的子系统进行设计。最后，系统设计分为两个部分，一个是数据库，包括与数 据库相关的存储和维护： 一个是系统软件，负责系统除中长划历史数据存储以外 的主要功能。 工作站系统的结构图如下： 图4 1 作站系统结构图 在工作站系统中，系统软件是系统执行主体部分。从其完成功能的角度看， 系