（机械制造及其自动化专业论文）分布式用电管理信息系统设计与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 电量抄收和电费缴纳是电力管理系统中的重要环节，抄表数据的准确性和实 时性、缴费管理的零散性和方式的单一性，不仅直接影响到工矿、企业、居民的 用电情况，还影响到电力企业的整个配网配电工作。人工抄表费时费力，且准确 性差，给用电管理带来很大困难。而对于电费缴纳，也仅限于收费员登门收取和 固定网点缴费。因此，采用高效而准确的抄表方式和多样的缴费系统变得尤为重 要。 本论文的研究目的就是要结合自主研发的下层通讯控制模块硬件，将c t i 技 术、网络通讯技术、数据库技术、软件工程结合，设计开发一个能实现抄表迅速 准确、充值方便的用电管理信息系统，从而为用电管理部门实现电力管理智能化 提供一种高效而实用的途径，为电力用户提供贴心而周到的服务。 本文首先分析了用电管理信息系统的历史现状，比较了几种通讯信道的优缺 点并提出课题研究内容和研究意义。通过深入分析分布式系统的几种模型，结合 本系统的现有特点提出c s 和b s 结合的分布式系统模型。本文基于自主研发的 下层通讯控制模块硬件，在分析用电管理信息系统的功能特征的基础上，设计了 系统总体架构。在分析电力管理业务数据及业务流程特点的基础上，设计了系统 的业务流程、数据流图以及数据库表结构和系统模块结构。设计并实现了包括基 于c t i 的电话充值模块，基于w e bs e r v i c e s 的网络缴费模块，基于g s m 的欠费短 信告警模块，自动停送电模块，自动定时抄表模块等在内的全部系统模块，讨论 分析了系统实现过程中的一些关键技术。经过测试、优化，充分考虑系统的各种 稳定性、可靠性因素后，该系统已经投入了实际应用。目前系统运行稳定可靠， 为用电管理提供了极大的方便。论文还对系统进行了总结，提出了系统的不足之 处，为将来的系统改进指明了方向。 关键词：用电管理，分布式系统，智能缴费，w e bs e r v i c e s 湖北工业大学硕士学位论文 一1 ! ! 曼， a b s t r a c t m e t e rr e a d i n gf o rp o w e ra n dp o w e rc h a r g i n ga r eac r i t i c a lc o m p o n e n ti np o w e r m a n a g e m e n ts y s t e m t h ed a t a sr e a d i n ga c c u r a c ya n di m m e d i a c y ，t h es c a t t e r e dp r o p e r t y i nc h a r g i n gm a n a g e m e n ta n dt h eo n e n e s sw i t hc h a r g i n gs t y l e a f f e c tn o to n l yt h ec 讹so f u s i n ge l e c t r i c i t yi ni n d u s t r y , b u s i n e s s ，c o r p o r a t i o n sa n dd e n i z e n s ，b u ta l s ot h ew h o l e d i s t r i b u ! ：i o no fn e tw o r ki np o w e ri n d u s t r y i ta l s oh a sg r e a ti m p o r t a n c eo ne l e c t r i c a l d e v e l o p m e n ta n dt h el i v i n go fa c c u r a c yp e o p l e m a n u a lm e t e rr e a d i n gi st i m ea n d l a b o r - c o n s u m i n g a n dt h ep o o ra c c u r a c yh a sc a u s e dg r e a td i 伍c u l t i e si nm a n a g e m e n to f p o w e rc o n s u m p t i o n ，s oa sc h a r g i n gf o rp o w e ri sl i m i t e dt oc h a r g eb yc a l l i n ga th o m e c o l l e c t i n go rf i x e dn e tt op a yt h ef e e t h e r e f o r e i ts e e m st h a ti t sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt ou s em e t e rr e a d i n ga n dm o n i t o rs y s t e mw i t hl l i g he f f i c i e n c ya n da c c u r a c y t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e v e l o pap o w e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m w h i c hc a nr e a dm e t e rr a p i d l ya n da c c u r a t e l yw i t hc o n v e n i e n t l yr e c h a r g i n g t h i ss y s t e m u t i l i z e dt h ec t it e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g y , s o f t w a r ee n g i n e e r i n g w i t ht h el o w e rs e l f - d e v e l o p e dc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm o d u l e h a r d w a r e i tp r o v i d e sa ne 伍c i e n ta n dp r a c t i c a lw a yf o rp o w e rm a n a g e r sw i t ha n i n t e l l i g e n tp o w e rm a n a g e m e n t ，a n ds u p p l i e sc o n s i d e r a t es e r v i c et op o w e r u s e r s i t i s f i r s t l ya n a l y z e do nt h eh i s t o r ya n ds t a t u so ft h ep o w e rm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mi nt h et h e s i s ，a n di sp r o p o s e dt or e s e a r c hc o n t e n ta n dp r o j e c t s s i g n i f i c a n c eb yc o m p a s s i o no fa d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sw i t han u m b e r c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h r o u g hi n d e p t ha n a l y s i so ft h es e v e r a lm o d e l si nd i s t r i b u t e d s y s t e m s t h ec o m b i n e dc sa n db sd i s t r i b u t e ds y s t e mm o d e li sp r o p o s e dw i t he x i s t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e r n b u s e do ni n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e l o w e rc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o lm o d u l eh a r d w a r e t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e do n a n a l y s i so fs y s t e m sf u n c t i o n a lf e a t u r e t h ed e s i g no ft h es y s t e m sb u s i n e s sp r o c e s s e s ， d a t af l o wd i a g r a m ，d a t a b a s et a b l es t r u c t u r ea n ds y s t e mm o d u l es t r u c t u r ea r eb a s e do n p o w e rm a n a g e m e n tb u s i n e s sd a t aa n db u s i n e s sf l o wf e a t u r ea n a l y z i n g t h es y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw i t ht h ef u n c t i o nt h a tp h o n er e c h a r g em o d u l e sb a s e dc t i ， n e t w o r kp a y m e n tm o d u l eb a s e dw 曲s e r v i c e s ，m e s s a g e a l a r mm o d u l eb a s e dg s m ， a u t o m a t i c a l l yp o w e rs t o p sa n ds e n d i n gm o d u l e ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gm o d u l e s ，w i t h a n a l y s i st h ei m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e s t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c a l a p p l i c a t i o na f t e rt e s t s ，o p t i m i z i n g ，s y s t e ms t a b i l i t yf u l l yc o n s i d e r i n ga n dr e l i a b i l i t y f a c t o r s t h ec u r r e n ts y s t e mp r o v i d e sag r e a tc o n v e n i e n c et op o w e rm a n a g e m e n tw i t h r u n n i n gs t a b l ya n dr e l i a b l y i ti sa l s os u m m a r i z e dt h es y s t e ma n dp u t sf o r w a r dt h e i n a d e q u a c i e so ft h es y s t e mf o rf u t u r es y s t e mi m p r o v e m e n t ss p e c i f i e d i nt h er i g h t d i r e c t i o n k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ；d i s t r i b u t e ds y s t e m ；i n t e l l i g e n tc h a r g i n g ；w e b s e r v i c e s i i 湖, j rj 案大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 r 氐| 8 黾 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：曼五彭参 帆中限 弘厶 ， 口& 即陷：知 摊了 臌 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 用电管理是电力企业管理工作的重要内容，主要承担电能销售和社会应用管 理工作，是电力生产供销的最后环节，也是电力工业生产和经营成果最终得到体 现，转变为对电力工业财政回收的基础工作。用电管理工作的质量直接关系到电 力企业的自身形象，自身经济效益和社会效益。电力企业从规范经营、面向市场、 集约经营、提供快速市场反应能力的角度出发，就必须加快用电管理的信息化、 一体化进程，及时地引入先进的管理技术和科学方法，建立起自己的用电管理信 息系统，以满足运行、管理、使用中信息交互的需要，这不仅能够高效地完成用 电经营管理的日常工作，而且实现了管理的信息化、实时化，辅助领导优化决策， 从而显著地提高本企业的用电管理水平和工作效率，增强企业的市场竞争力。 电力企业在积极进行规范用电管理信息系统、统一工作标准优化企业内部工 作流程、提升企业对外服务形象等各项管理改革时，迫切地希望利用信息技术为 企业的管理和经营提供科学的管理手段。目前的用电管理，侧重于地方的相关事 务处理，进行粗加工的多、精加工的少，统计多、分析少，中层的控制、调节等 管理内容基本上没有完全纳入计算机管理，至于计算机辅助决策等各地差距更 大。 用电管理信息系统是一个相对于普通的管理系统较复杂的系统，目前已经投 入了大量的人力物力进行系统的构建和维护，然而由于其固有的复杂性，使得问 题往往难以得到很好的解决。 1 2 用电管理信息化现状分析 用电管理信息系统是电力企业引入计算机管理中最早，也是最活跃的领域之 一。从8 0 年代初至今己涌现出了为数众多的系统，尽管不同的系统具有不同的 特色，但纵观其系统结构，可分为三个阶段：自8 0 年代初至8 0 年代中后期是用 电管理信息系统的第一阶段。这一阶段主要是以电费计算为应用的电费单项管 理。自8 0 年代后期开始，人们不满足于单纯的电费管理，开始以电费为中心向 用电管理的其它业务拓展。逐步形成了以电费为中心，包括有业扩报装，电能计 量，用电监察，三电管理及综合统计等的综合管理系统，这是第二代用电管理信 湖北工业大学硕士学位论文 l_ii_，一i：iii!i， 息系统。随着计算机技术的进一步发展，用电管理信息系统进入第三个阶段。在 这个阶段，系统以业扩报装为龙头，以用电业务流程为中心，辅以g i s 全视图 化配电管理的应用，整个系统是一个基于c l i e n t s e r v e r 结构的较为独立的、封闭 的系统。 网络技术的飞速发展，使人们所获取的信息越来越多，对信息的依赖性也越 来越强，网络的发展无疑对信息的交流起到了巨大的促进作用。电力行业作为全 国性的现代化企业，在电力生产已经推向商业化的今天，对信息资源的有效利用， 采用计算机技术提高企业管理水平更显得尤为重要。目前，通信平台和网络硬件 已相当完备，相比之下，在用电管理信息系统上，还远远没有发挥网络应有的水 平。 另外，随着城镇用电网络改造的不断深入，供电局的生产、管理任务越来越 重，改革现有的运行机制，从繁重的工作中解脱出来，提高工作效率，己成为迫 切需要解决的问题。因此，搞好办公自动化，建立以计算机为基础的现代化电力 企业管理信息系统迫在眉睫。 随着互联网的发展，使得网络成为人们生活中不可或缺的一部分，用电管理 信息系统也由原来的c l i e n t s e r v e r 结构开始向b r o w s e s e r v e r 结构转变，一种基 于c s 与b s 模式的用电管理信息系统也悄悄的崭露头角。它以无可比拟的优势 受到厂家、商家的青睐，也必将成为用电管理信息系统将来的发展方向。 1 3 现阶段遇到的问题和解决方案 虽然一些电厂生产管理水平随着计算机技术的应用和发展不断提高，但电能 计量的自动化水平、电费收缴和统计报表效率仍然较低，例如现在市场上绝大部 分地方仍停留在手工抄表的水平，抄表精度差，不能及时发现电表故障，时效性 差，大部分报表都是手工完成，效率低，只能进行简单的数据统计，历史数据难 以查询，电力市场管理所需要的效益分析、上报表格还得手工整理，公司领导不 能准确及时地掌握发电机等设备的运行情况和电量等经济指标。有时必须亲邻现 场才能掌握第一手资料，对管理工作带来诸多不便。而随之而来的自动抄表通讯 方式和缴费方式也是各有利弊。 1 3 1 用电管理信息系统中信息传递信道的发展和比较 电力通信网对信道的要求：电力通信网是电网的重要组成部分，是实现电网 调度自动化和管理现代化的基础。电力通信网为电网生产运行、管理、基本建设 等方面服务，要满足调度电话、行政电话、电网自动化、继电保护、安全自动装 2 湖北工业大学硕士学位论文 置、计算机联网、图像传输等各种业务的需要。按照传递信息的信道不同，电力 通信可以分为有线通信和无线通信两大类。有线通信是利用导线来传递信息的， 包括电力线载波通信和光纤通信；无线通信是利用无线电波传递信息的，主要包 括微波通信和短消息。 ( 一) 电力线载波通信 电力线载波p l c ( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 是电力系统特有的通信方式，电力线载 波自动抄表系统采用电力线载波通讯技术，通过输出电路来实现数据通信。电力 线载波自动抄表系统无需布线和支付数据传输的费用，而且具有通信线路不易破 坏，无需维护，路由合理等特点。但目前在我国，电力网络污染比较严重，在很 大程度上影响了电力载波的数据传输质量，在我国很难真正推广。 ( 二) 无线通信( 微波通信) 无线通信适用于用户分散且范围广的场合，在某个频点上以散射通信方式进 行无线通信。其优点是传输频带较宽，通信容量较大，通信距离远。主要缺点是 需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互干扰。 ( 三) 光纤通信 光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适 合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高，故很少在用电现场管理 系统中使用。 ( 四) 电话线网 租用电话线通信是利用电话网络，在数据的发出和接收端分别加装调制解 调，该方法的数据传输率较高且可靠性好，投资少，传输误码率低，抗干扰能力 较强，且通讯准确；不足之处是线路通信时间较长，受限于电话网的铺设场所。 ( 五) s m s 目前蜂窝移动无线网( g s m ) 覆盖面已几乎遍及全国，目前已有很多单位都研 制出了基于短消息的用电管理系统。短消息s m s 的工作机制类似于i n t e m e t 网 上的电子邮件e m a i l ，当无线信道发生拥塞时，短消息s m s 的信道延时是不可 预测的，这是它的致命缺点。在数据量很大的集中抄表系统中，一个数据包往往 要进行分组，而且，短消息延时比较大，费用是昂贵的。 本系统使用的公共网络和r s 4 8 5 结合的通讯方式能圆满地解决上述问题， 成为有线网络用电管理信息系统的宠儿。公共网络保证了服务器和用户终端能进 行长距离通信，而r s 4 8 5 则保证短距离多用户共享公共网络抄表。利用公共网 络的优点是采用现有的电话网，不必另外投资建网，只要两地能通电话即可完成 抄表和监控，节省建设成本，用户端用r s 4 8 5 连接自制通讯模块可实现多路信 息共用一根公共网络线路，从而实现多路实时抄表。这种方式信号传输稳定，传 湖北工业大学硕士学位论文 输无码率低，抄表速度快，且能同时抄表几千户。 1 3 2 用电管理信息系统综合业务 电力收费是电力行业的一项十分重要而繁杂的工作，现行收费管理模式有人 工抄表收费方式、i c 卡预付费方式和银行转账等缴费方式。但由于我国国情和 技术更新需要时间的原因，高成本的i c 卡收费方式和自动抄表收费方式还没有 大面积普及，因此全国大部分地区仍然采取人工抄表的方式进行抄收工作。 人工上门收费方式：繁琐，人力资源耗费大，入户难，管理部门收费结算难， 随着用户的增多强度也越来越大，手工结算，误差大，数据统计归档困难且效率 低等。 i c 卡预付费方式：它采用先付费后使用的方式对管理部门较为有利，但i c 卡直接与用户接触，易造成人为破坏，未能完全解决盗用，i c 卡易被解密和失 效。 银行转账方式：对于城镇用户比较方便，但是对于广大乡村和郊区用户则不 实用。 针对于上述电力缴费方式的利弊端，本系统设计了多种缴纳电费的方式，其 中包括：网络充值方式，顺应了当今网络普及化的潮流，安全的网上缴费和查询 系统使居民能足不出户缴费；电话语音缴费系统：电话的普及使广大农村用户也 能享受信息现代化给生活带来的便利；传统缴费营业网点。 而其日常数据统计，欠费短信通知功能则更是在优化传统的用电管理信息系 统的基础上锦上添花。系统功能上也从单纯的抄表功能发展到具有实时线损统 计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系统还具有可以通过实 时用电统计监测用户偷电行为的功能。 1 3 课题的研究意义 通过前面的分析，可知本课题的研究有助于推进整个电力行业的信息化，特 别是针对用户管理端的综合服务继续更深更广的应用推进。具体来说，用电管理 信息系统能够解决以下两个问题： 一方面是针对电力用户的综合管理和远距离故障监测过程中遇到的障碍。如 农村用电用户的抄表、交费难的问题、欠费通知不及时、远距离电力传送故障检 测等，都需要花费大量的人力和物力。“分布式用电管理信息系统设计及关键技 术研究 是依托p s t n 、t c p i p 、r s 4 8 5 、g p r s 等网络技术实现对大批量用户 终端的集中控制与管理技术。通过该技术的研究实现快速、集中地对大批量用户 4 湖北工业大学硕士学位论文 终端的状态监控、故障检测以及异常事件的上报。该技术可广泛用于电力用户的 集中管理、控制与用户终端的状态监控，为我国的能源科学管理提供必要的技术 支撑；同时该技术还可用于环境远程检测系统的建设。 另一方面是不同办公系统间的信息交互和整合遇到的障碍。如各电力企业部 门并投运了办公自动化、用电营销、客服、电量计费、生产管理，财务管理，电 力企业资源计划( e r p ) 等信息系统，以及给后来的系统留出接口造成各个信息系 统互不沟通，各自运行性能优异，企业全局运行差【7 1 。而本系统下层采用单片机 对终端进行直接控制和数据采集，上层采用高档服务器进行复杂的数据管理与实 时监控，通过中间通讯层构成一种以集中化管理为主要特色的分布式系统。系统 遵循结构层次化、操作管理集中化、控制分散化的特点，具有覆盖范围广、实时 性高、任务分散、风险分散、可靠性高的优点。与计算机多级控制系统相比，分 布式系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。 该课题的提出和完成，不仅提出了一种新的用电管理信息系统，促进抄表和 缴费统计自动化的发展，而且还充分显示出科学改变生活的真理：把现有的先进 通信技术广泛融入现代入的日常生活中。 1 4 本课题的主要研究内容 本文通过对比各种抄表模式和数据管理方式提出一种新型智能化缴费系统。 针对该工程项目背景，系统主要研究了基于分布式系统的用电管理信息系统的架 构及其关键技术。本人所做的主要研究工作包括以下几个方面： 1 ) 通过深入分析分布式系统的几种模型，结合本系统的现有特点提出c s 和b s 结合的分布式系统模型； 2 ) 基于自主研发的下层通讯控制模块硬件，在分析用电管理信息系统的功 能特征的基础上，设计了系统总体架构； 3 ) 在分析电力管理业务数据及业务流程特点的基础上，设计了系统的业务 流程、数据流图以及数据库表结构和系统模块结构； 钔设计并实现了包括基于c t i 的电话充值模块，基于w e bs e r v i c e s 的网络 缴费模块，基于g s m 的欠费短信告警模块，自动停送电模块，自动定时抄表模 块等在内的全部系统模块，并讨论分析了系统实现过程中的一些关键技术。 5 ) 经过测试、优化，充分考虑系统的各种稳定性、可靠性因素后，系统已 经被投入了实际应用。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章系统架构与分布式系统 2 1 分布式系统模型 2 1 1 分布式系统的概念 分布式系统的基本思想就是对用户隐藏系统中存在多个独立计算机的事实， 使用户在操作时不必指定所需的服务在网络中的具体位置，就可以完全透明的使 用系统中的所有服务。也就是说，分布式系统是若干独立的计算机的集合，这些 计算机通过软件相互紧密关联，从而在功能上成为一个整体，对于该系统的用户 来说，该系统的行为表现为一台计算机。 分布式系统与计算机网络的本质区别在于虽然两者都是由独立的计算机组 成的，两者都包含网络部件，但前者在软件功能上是一个整体，后者中的资源 在访问时，用户必须指出资源在网络中所处的位置。如果系统中的计算机在硬件 上不自主，那么它成为一个多c p u 的主机系统；如果在软件上系统中的计算机 仍完全自主，则该系统成为一个分散的网络系统。 2 1 2 分布式系统的实现方式 分布式系统的核心是要将系统中分布的各种服务和资源进行统一管理，与单 机集中式系统的区别只是这些服务和资源是分布在一个网络的范围内而不是集 中在一台主机内。按对服务和资源管理的实现方式的不同，目前分布式系统的实 现方式主要分为四种。 l 、分布式操作系统1 1 0 】 这是一种紧耦合式的分布式系统，它将操作系统的概念引入分布式系统中， 旨在建立一个覆盖在计算机网络之上的操作系统，由这个操作系统完成系统内资 源的管理、分配、回收、释放等工作，用户在使用这个系统时完全感觉不到网络 的存在【1 1 1 。这是一种理想的分布式系统。 分布式操作系统是2 0 世纪8 0 年代学术界普遍追求的目标，但没有被用户和 市场接受。由于出于成本、分散风险、历史遗留等原因，企业在构建分布式应用 时往往采用多种不同的硬件、不同的操作平台及不同的应用软件，这使得构造一 个分布式操作系统成为极其困难的事情，因此在事实上目前尚不存在实用的分布 式操作系统。 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 、客户服务器方式 客户l j l 务器方式是以网络环境为基础，将计算机应用有机地分布在多台计 算机中的结构。客户是服务和资源的消费者，服务器作为服务和资源的提供者。 服务器负责数据的存储管理，当客户请求时，服务器把处理后的数据传送给客户 机，因此在网络中传输的仅仅是客户所需要的那部分数据而不是全部，这样就大 大降低了网络数据的流量，使系统的性能有了较大的提高。如图2 1 所示。 图2 1 客户h i 务器结构 一个服务器可以在同一时刻为多个客户机提供服务，并且服务器具有并发控 制、封锁等能力，协调多用户对于共享资源的访问。客户机通过请求与服务器主 动对话，而服务器则是被动地等待客户机请求。客户机和服务器是一对耦合的系 统，它们通过消息传递机制互相协作，消息是服务请求与服务响应的媒介。系统 的扩充性好，可以方便地在网络上增加客户机或服务器，以扩大系统服务的规模、 增加新的服务项目与提高服务性能。客p i j i 艮务器结构可以水平或垂直扩展l l 引。 水平扩展是指添加或移去客户机对系统性能影响很小。垂直扩展是指移植到更大 的或者更快的服务器或多服务器上。 客户服务器结构是开放的体系结构，数据库不仅要支持开放性而且还要开 放系统本身，这种开放性包括用户界面、软硬件平台和网络协议。利用开放性在 客户机上提供应用程序接m ( a p i ) 以及网络接口【1 3 】，使用户仍可以按照他们所熟 悉的、流行的方式来开发客户机的应用。客户i n 务器的内部结构如图2 2 所示。 7 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ 一 _ 。_ - 应 量 一 连 服 接 务 网 网服 器 用 与络 络务 操 协 协器 作 议+ 议与 系 软 统 件 程 _ 。一 。_ - _ _ 序 逻 辑 _ 一 图2 - 2 客户，服务器内部结构 客户服务器结构的一个主要特点是，数据库服务器的平台和客户端无关。 也就是说，不管客户端采用的是什么样的硬件，平台和软件环境，它只要能够通 过网络协议和数据库接口程序连接到服务器就可以对数据库进行访问。 3 、三层客户，服务器方式 上述的两层客户，服务器结构实现了功能的分布，但还不均衡。如果连接的 客户机数目檄增，服务器的性能将会因为无法进行负载而大大下降；每一次应用 需求的变化，都需要对客户机和服务器的应用程序进行修改，给应用服务器的维 护和升级造成极大的不便。为了解决这些问题，又出现了一种三层客户，服务器 方式f 1 4 - 1 6 1 。 所谓三层，实际上就是在客户层和服务器层之间又添加了一个中间层。这个 中间层一般用于实现商业或企业业务逻辑等。三层客户朋务器结构客户机、应 用服务器、数据库服务器之间的关系，如图2 3 所示。 圈2 - 3 三层客户，月务器结构 三层客户偶务器结构也经常称为b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构，第一层的客户机 主要提供用户的操作界面，并不做任何计算功能，也经常称之为浏览器；中间第 二层包含了应用系统中完成业务处理的程序，负责接收和处理对数据库的查询、 操作请求，这些程序是封装起来彼此独立的，称为中间件或商业逻辑组件；第三 层是数据库服务器，用于存放和管理用户数据，支持对数据的各种操作。其体系 结构如图2 _ 4 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ - _ _ _ _ 一i 一- l l ! i ! ! ! ! ! ! ! 团一 国 浏览器w e b 服务器 数据库服务器 图2 4 用浏览器访问的分布式体系结构 当浏览器发出数据请求时，首先是w e b 服务器( 应用服务器) 负责接收远 程( 或本地) 浏览器的超文本传输协议( h t t p ) 数据请求，然后根据查询条件 到数据库服务器上获取相关的数据，并把结果翻译成超文本标记语言( h t m l ) 文件传送给提出请求的浏览器。用浏览器界面存取w e b 现有的数据库。 在b s 结构中，中间层提供的应用程序总是以组件的形式出现，对组件的重 复使用达到“一次编写，多处使用”的目的，降低了开发的成本，系统易于管理 和维护，增强了分布式应用的伸缩性和灵活性【1 7 】。客户端只要能运行浏览器软 件即可，采用这种“瘦客户端 方式，在系统实现时对于客户机所要求的计算能 力大大降低。目前大多数分布式系统都采用b s 结构实现。 4 、w e bs e r v i c e s w e bs e r v i c e s 是一种基于b s 结构方式的分布式应用。在w e bs e r v i c e s 出现 之前，分布式应用程序需要使用分布式对象模型【l 引，诸如微软的分布式组件对 象模型( d c o m ) ，o m g 的公用对象请求代理程序体系结构( c o r b a ) 或公司的远 程方法调用( r m i ) 。通过使用这种基本结构，在将服务器置于远程系统的同时， 开发人员仍可以拥有使用本地模型那样的计算资源。但这些分布式对象模型有一 个共同的缺陷，即难以扩展到互联网上，它们要求服务的客户与服务本身之间必 须紧密藕合。相反，w e bs e r v i c e s 是松散耦合的，它是建立可互操作的分布式应 用程序的平台和标准，实现了应用程序在不同操作平台上的互操作性【l 引。 2 1 3 分布式系统的特点分析 根据前面对分布式系统的介绍可以看出，分布式系统兼具网络和单主机系统 的特点，并且具有自身特有的一些性质i iz j ： 并发性存在多个独立主机，允许多个用户同时申请服务或操作资源，这 要求对关键资源进行并发控制，在应用中妥善处理可能存在的并发问题。 令故障延迟系统中如果某个服务器或设备在处理请求的过程中发生故 障，中心控制器将延迟甚至可能永远不会了解到，这要求分布式系统中的应用设 计良好的故障控制机制。 令 时序性在许多分布式应用中事件发生的时序是非常重要的，即可能要 9 湖北工业大学硕士学位论文 求一个操作在另一个操作之后才能进行，这在单机上容易实现，但在分布式系统 中显得更为复杂。 令 安全脆弱由于存在多个独立主机，相对于单机系统，分布式系统具有 先天的安全脆弱性，系统更容易受到基于伪装的攻击，这种伪装可以是针对用户 身份的，也可以是针对地址的分布式系统。如果跨地域，还会受到窃听攻击、回 放攻击。因此在分布式应用中必须更多的考虑安全问题。 异构性分布式系统中可能存在多种不同的软硬件平台，存在多个开发 商开发的应用，整合这些应用或对这些应用进行某种统一的管理，如访问控制， 将是极大的挑战。这使得诸如访问控制，防火墙等需要对系统整体进行管理和控 制的分布式应用需要更多的考虑跨平台的问题。 夺变动性分布式系统往往涉及非常多的软硬件，因此系统存在更大的变动 性，在系统使用过程中可能会经常性的发生软硬件的变动，如替换、撤消、添加 等。这要求分布式应用能具备最大的灵活性，在系统发生变化时能够尽可能不做 或少做变动。 2 2 基于分布式的用电管理信息系统 2 2 1 用电管理信息系统实现的功能 、系统采用分布式处理模式对所有用电客户进行集中的管理和控制，实现了自 动抄表、用户计费统计、缴费管理、停送电管理、用电客户查询等功能。该系统 使用户能足不出户就可以完成抄表、停送电等操作，并能很方便地实现对用电客 户的日常收费、月末统计等管理工作。 结合前面所述，本系统属于比较复杂的控制系统，其物理上的分散性决定了 其不能用集中型控制系统，而其业务的综合性和传输的实时性又要求该系统具有 逻辑上的统一性和协调性。而且，随着人们需求的增加，较强的系统剪裁性要求 越来越有必要，这就要求系统能根据实际情况增减功能组件。 目前，3 层c s 结构体系己经逐渐取代2 层c s 结构体系而成为网络应用系 统的主流，应用层的引入使得应用相关的业务逻辑相对独立，比2 层结构更有利 于软件维护和系统管理，减少了网络数据流量，提高了系统性能。3 层b s 结构 体系是3 层c s 结构体系在w e b 上的应用。值得一提的是，这里的w e b 不光是 指i n t e r n e t ，也可以是i n t r a n e t ，这对于构建服务于大、中型企业的应用是很有意 义的。 本系统应用了c s 和b s 系统混合式的技术架构，该系统软件架构图是建 l o 湖北工业大学硕士学位论文 立在一套拥有自主产权的下层硬件系统基础上构建的。如图2 5 表示出了系统的 软件体系架构，其软件架构主要包括：应用服务器、电话语音充值和g s m 短信 告警在业务逻辑层，其网络充值和查询则在表现层。表现层用户( 即客户端) 通过 登陆w e b 服务器实现对电网运行信息的查询和充值服务。 陌丽 l 奎应堂i 表 现 层 图2 5 系统软件架构图 2 2 2c s 与b s 系统结合的优点 数 据 层 系统采用b s + c s 体系结构，该系统的实现主要分为三个部分：w e b 客户 端、w e b 服务器和数据库，是一个三层结构。表现层由a s p 页面组成，用以实 现w e b 页面显示，业务逻辑和数据访问由一组用j a v a 实现的w e bs e r v i c e s 服 务器构成。为了便于维护、升级和实现分布式应用，在实现过程中，又将业务逻 辑层和数据访问层分离开，a s p 页面不直接调用数据访问层，而是通过业务逻辑 层调用数据库。一些需要用w e b 处理的、满足大多数访问者请求的功能界面采 用b s 结构，例如用户可以通过浏览器查询自己用电的相关信息和完成自助缴 费；管理中心的操作员通过浏览器对前来缴费的用户进行集中缴费处理。这样客 户端比较灵活。而后台只需少数人使用的功能则采用c s 结构，例如数据库管理、 报表结算等。采用这种结构优点在于： 1 ) 充分发挥了b s 与c s 体系结构的优势，弥补了二者不足。充分考虑用户 利益，保证浏览查询者方便操作的同时也使得系统更新简单，维护简单灵活，易 于操作。 2 ) 信息发布采用b s 结构，保持了瘦客户端的优点。装入客户机的软件可以 采用统一的w w w 浏览器。而且由于w w w 浏览器和网络综合服务器都是基于 工业标准，可以在所有的平台上工作。 湖北工业大学硕士学位论文 3 ) 数据库端采用c s 结构，通过o d b c j d b c 连接。这一部分只涉及到系统 维护、数据更新等，不存在完全采用c s 结构带来的客户端维护工作量大等缺点。 并且在客户端可以构造非常复杂的应用，界面友好灵活，易于操作，能解决许多 b s 存在的固有缺点。 4 ) 对于原有的基于c s 体系结构的应用，只需开发用于发布的w w w 界面， 就可非常容易地升级到这种体系结构，并保留原来的某些子系统。这样就充分地 利用现有系统的资源。 2 3 本章小结 本章详细介绍了几种分布式系统模型的实现方式及其各自适用范围，这几种 分布式系统模型包括：分布式操作系统、客户服务器模式、三层客户n 务器模 式和w e bs e r v i c e s 。通过深入分析分布式系统的特点和本系统现有功能特点，提 出适合本系统的基于c s 和b s 结合的分布式系统模型，建立了基于分布式系统 的用电管理信息系统框架，为后续设计做出良好基础。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 系统总体结构 3 1 1 总体方案设计 第3 章系统总体设计 用电管理信息系统是一个较为复杂的分布式系统，整体上由硬件和软件两大 系统组成。其中硬件系统包括电量采集模块设计、下层通讯模块开发、上层通讯 设备设计、网络布线和其他设备配置等。软件系统包括系统充值和抄表管理软件、 日常统计管理软件、数据库设计、网络缴费、电话缴费、a t m 缴费和欠费短信 通知设计等。因此在设计系统总体结构方案时拟采用计算机技术、语音技术、 g s m 技术和网络通信技术的最新成果，保证系统的先进性和开放性。 系统总体的设计思想体现了如下特点： 先进性和可扩展性 现代信息技术的发展，新产品、新技术层出不穷，为了使用电管理信息系统 在尽可能长的时间内适应今后的发展需要，设计方案必须具备前瞻性和可扩展 性，而且具有较高的综合性能价格比。 科学性和规范性 用电管理信息系统与一般管理系统不同，是一个先进复杂的综合性系统工 程，必须严格按照有关的标准和规范，做好系统的标准化设计和科学的管理工作。 安全性和可靠性 用电管理信息系统的设计必须安全、可靠。本方案从尽量减少故障发生的角 度考虑，在设备选型和系统的设计中采用了成熟的技术和产品，使得系统各方面 都满足了可靠性的要求。 根据用电管理信息系统的需要，结合计算机技术的发展和本课题组的成功经 验，我们的目标是设计具有国内先进水平的新一代用电管理信息系统。 本技术方案的核心为以计算机控制为基础，结合分布式系统核心技术、数据 库技术，网络通信技术，语音技术，g s m 技术，先进的抄表管理技术，以及完 善的检测和诊断技术，构成使用方便、功能完善、性能可靠的用电管理信息系统。 3 1 2 总体结构设计 由前面一章可知，用电管理信息系统是一个典型的分布式应用系统。整个系 湖北工业大学硕士学位论文 统由下层抄表通讯终端、公共网络和上层信息服务中心组成。其主要物理结构如 下： 系统上层设立了一个信息服务中心，其主要包括用电管理服务器、日常管理 服务器、数据库服务器、充值和查询终端。用电管理服务器与下层硬件控制终端 通信实现实时自动抄表业务、自动充值和调整费率；日常管理服务器主要管理日 常统计业务、系统设置、错误信息处理和指定报表输出。充值和查询终端则主要 包括电话缴费业务、网上查费、缴费业务和欠费短信通知业务。 系统下层抄表通信终端则由电袭、通信介质和多个抄表通信模块组成，这些 抄表通信模块是自主研发而成，每个通信模块又连接着多个用户的电表。这种以 树形级联的方式实现抄表和管理，使作为树根的系统服务器可以同时管理大批用 电用户，从而实现大规模自动抄表、缴费和管理等业务。而下层电表控制设备也 能自主实现电量实时显示、存储1 2 个月历史数据、程控网络实时时间校准和自 动停，送电等功能。用电管理信息系统总体结构图具体参见图3 - 1 ： 图3 - 1 分布式用电管理信息系统的网络结构图 系统的基本工作原理是：