（机械电子工程专业论文）基于组件技术的网络化监测维护软件研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在保障生产的顺利进行、快速响应市场需求、提高企业竞争力等方面，设备监测维 护系统扮演越来越重要的角色。但是，由于系统结构的不合理与实现方式的欠缺，传统 的设备监测维护系统的不足与弱点正随着应用的深入不断表现出来，在系统开发、维护、 扩展与升级等方面存在一系列问题，迫切需要引入新的整体分析方法和技术手段来革新 旧有的系统。因此，将新兴的软件技术应用于设备监测维护系统中具有现实意义。 通过分析将组件软件技术应用于设备监测维护系统中的必要性及其可行性，本文提 出了基于组件的网络化设备监测维护系统的概念模型与实现框架，讨论了组件技术与 c o m 组件的二迸制软件复用规范，研究了c o m 组件及其接口的技术体系与特点，丰旨 出了组件接口在软件交互性操作方面的优势：可靠性好，接口一致、稳定并具备永久性。 同时，着重比较分析了系统组件的两种实现方式：无状态组件和有状态组件。在对比分 析的基础上，结合监测维护系统自身的需求，提出了基于聚合组件与有状态组件相结合 的系统组件实现方案，建立了三层架构的组件逻辑关系。 基于理论分析与研究，本文也对原型系统的开发进行了研究。重点讨论了业务逻辑 层三个组件：网络通讯与配置组件，数据识别与校正组件，设备状态监测管理组件的功 能需求与实现及其接口规范。基于网络通讯与配置组件可以非常便利地构建分布式监测 维护系统；为了提高系统的行业适应性，本文在数据识别与校正组件中引入了校正引擎 与校正公式编辑器：在设备状态监测管理组件中，详细分析了电子自口件发送的一般过程， 完整地实现了电子邮件的发送功能，以此作为报警信息投递的手段，并用c + + 类封装了 实现细节，开发出了组件服务接口，测试证明该组件的可靠性非常好。 最后，本文研究了原型系统面临的安全环境，分析了系统的安全性需求，并针对不 同的需求提出了不同的应对策略与实现手段，为分布式环境下的设备监测维护系统安全 性研究提供了有力的参考。 关键词：软件复用，监测维护，组件技术，组件接口，c o m 组件 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o l et h a tt h ed e v i c em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c e s y s t e ma c t so na s s u r i n gt h es m o o t h p r o d u c t i o na n di m p r o v i n g t h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo f a n e n t e r p r i s e 挺b e c o m i n gm o r e a n dm o r e i m p o r t a n t h o w e v e r , t h es h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a ld e v i c em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c e s y s t e mi sa p p e a r i n gw i t h t h ed e e p e n i n go fi t sa p p l i c a t i o nd u et ot h ew e a k n e s so f t h es t r u c t u r e a n di m p l e m e n t a t i o n 。m a n yp r o b l e m se x i s ti nt h es y s t e m sd e v e l o p m e n t , m a i n t e n a n c ea n d u p 伊a d e i t i s v e r yu r g e n tt oi n t r o d u c en e wi n t e g r a la n a l y t i c a l t e c h n i q u e s a n dt e c h n i c a l a p p r o a c h e s i n t ot h e p r e s e n ts y s t e m s + t h e r e f o r e ，u t i l i z i n g t h er i s i n gs o f t w a r et e c h n o l o g yi nt h e d e v i c em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c es y s t e mi sv e r y p m c t i c a l + 。 b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo f a p p l y i n g t h e c o m p o n e n t s o f t w a r e t e c h n o l o g yi nt h ed e v i c em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c es y s t e m ，t h ec o n c e p f i o r a lm o d e la n d i m p l e m e n t a t i o nf r a m e w o r ko ft h e n e t w o r k e dd e v i c em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c es y s t e m b a s e do nc o m p o n e n t 瓣p r o p o s e d t h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n d t h eb i n a r yr e u s ep r i n c i p l eo f t h es o f t w a r eb a s e do nc o m a sw e l l 躺t h et e c h n i c a la r c h i t e c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m i aa d d i t i o n ，t h ea d v a n t a g e so ft h ec o m p o n e n t i n t e r f a c e , n a m e l y , t h e 艇g hr e l i a b i l i t y , c o n s i s t e n c e ，s t a b i l i t ya n dp e r s i s t e n c e ，a r ei n v e s t i g a t e df i o mt h ep o i n to f t h e s o f t w a r e s i n t e r o p e r a b i l i t y o n t h eb a s i so ft h ec o n t r a s t i v e a n a l y s i s o fn o n - s t a t e b a s e d c o m p o n e n ti m p l e m e n t a t i o n a n ds t a t e - b a s e c o m p o n e n ti m p l e m e n t a t i o n , t h es y s t e m c o m p o n e n t s i m p l e m e n t i n gs c h e m e i sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e s a g g r e g a t i n gc o m p o n e n t w i t h s t a t ec o m p o n e n t , a n dt h e i rl o g i c a lr e l a t i o ni se s t a b l i s h e dt o o ， t h e n ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep r o t o t y p es y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t u d ya b o v e t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n di n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s o f t h r e ec o m p o n e n t so nt h eb t t s i n e s sl o g i c a ll e v e l ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d c o n f i g u r a t i o nc o m p o n e n t ，t h ed a t ar e c o g n i t i o na n dc 6 r r e c t i o nc o m p o n e n ta n dt h e d e v i c e m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n tc o m p o n e n t , 黜d e s c r i b e d i nd e t a i l 。t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a n dc o n f i g u r a t i o nc o m p o n e n ti sh e l p f u lt oc o n s t r u c tc o n v e n i e n t l yt h ed i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g a n dm a i n t e n a n c es y s t e m ，t h ec o r r e c t i o ne n g i n ea n df o r m u l ae d i t o ra r ea d o p t e di nt h ed a t a r e c o g n i t i o na n dc o r r e c t i o nc o m p o n e n t 。t h u s ，t h e i n d u s t r i a l a p p l i c a b i l i t y o ft h e p r o t o t y p e s y s t e m c a l lb ei m p r o v e dg r e a t l y , t h r o u g ht h ed e t a i l e ds t u d yo ft h ee - m a i ls e n d i n gp r o c e s s ，t h e f u n c t i o no f s e n d i n ge - m a i li si m p l e m e n t e d 蠡i 融i n t h ed e v i c em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t c o m p o n e n t t h es e r v i c ei n t e r f a c ei sd e v e l o p e da n dt h ed e t a i l e dr e a l i z a t i o ni sc a p s u l a t e di n e + + c l a s s 。t h e r e l i a b i l i t yo f t h ec o m p o n e n t i sp r o v e db y p r a c t i c e s ， f i n a l l y , t h es e c u r i t y d e m a n do ft h e p r o t o t y p es y s t e m i ss t u d i e d ，a n dt h ed i f f e r e n t s t r a t e g i e sa n da p p r o a c h e sa r eb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s a l l t h e s e p r o v i d e t h ec o n v i n c i n gr e f e r e n c e s 魏氐s e c u r i t yr e s e a r c ho f t h ed e v i c em o n i t o r i n ga n d i i 华中科技大学硕士学位论文 m a i a t e n a n c es y s t e mu n d e rt h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t k e y w o r d s ： s o f t w a r e r e u s e ，m o n i t o r i n g a n dm a i n t e n a n c e ，4c o m p o n e n tt e c h n o l o g y , c o m p o n e n ti n t e r f a c e ，c o mc o m p o n e n t i i i 独创性声明 本人声明襞呈交的学伎论文怒凌个人谯导爨攘导下邀雩亍熬研究工终及彀褥 的研究成粜a 尽我所知，除文中已缀标明引用的内梅外，本论文不包含任何其他 个久袋集体已经发寝或撰冀遥懿磷究或栗。对本文躯碜 究 薮送贾献懿令入藕集 体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 按。 学位论文作者签名： 噌丈蟛 日期：灸嗲年少月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作糟完全了解学校裔关保鼹、使用学位论文魄规定，即：学校有 权保留并向阑家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阗和 借阅。本人授权华中辩技大学可以将本学位论文黔全部或部分内容貔入有关数据 库避行捡索，可以采用影印、缩印躐扫描等复制手段保存和茫编本学位论文。 保密豳，在年煞蹇惹逶蹋本授毅书。 本论文属于不保密d ( 清在渡上方稳肉葑“”) 学位论文作者签名；髫变j 鸥 西斓：为声妒胄f ，豳 指导教师熬名：鲢偏 ； 靖麓：知一年擎胃l 目 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本研究论文得到以下项目的联合资助： ( 1 ) 国家8 6 3 计划项目：“基于嵌入式网络的设备智能维护系统”，批准号： 2 0 0 1 a a 4 1 3 3 1 0 。本项目旨在融合嵌入式网络技术、信息融合技术和智能预测技 术，研制开发基于嵌入式网络的测控平台和智能维护系统； ( 2 ) 国家自然科学基金项目：“面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操 纵”，批准号：5 0 3 9 0 0 6 3 。 1 2 课题研究背景 1 2 1 传统监测维护系统及其缺陷分析【1 _ 6 】 工业生产离不开机械设备，更离不开生产设备的维护管理。然而，随着技术的进步 与生产自动化水平的提高，制造领域各环节的相互依赖性不断增强，维护管理成本占制 造成本的比重大幅度上升，而且上升速度惊人，因此，设备的监测维护已经成为生产管 理与成本控制的重要环节。 统计资料表明，根据设备故障发生的频次，设备故障可以分为设备初装故障高发区， 设备正常运行后随机故障区( 故障发生率相对较低) 和设备磨损后故障多发区，如图1 1 所示。设备监测维护的目标就是要尽可能的延长设备正常运行的时间。 图1 1 设备性能退化曲线 从时间轨迹来看，设备维护网络经历了几个阶段的发展。最早借助的是道路网络， 在客户和供应商之间主要进行人员交流，不仅不能远程监控，而且反应速度慢，维护成 本高。电话网出现后，可以用其进行部分的信息交流，但仍然没有解决人员流动的问题， 因此维护成本和反应速度难以改善。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= ；= = = = 目自；= = = = # = = = = = = = 一： i 从维护的效果看，传统的设备监测维护系统主要有两种，一种是事后维修 ( b r e a k d o w n e d m a i n t e n a n c e ) ；另一种是以时间为基础的维护( t i m e - b a s e d m a i n t e n a n c e ) ，通常称为定期预防维护，或计划维修，而以后一种维护模式应用居多， 主要是为了防止设备进入磨损后的故障多发区。 事后维修主要出现在使用设备的早期，在人们对设备故障发生的规律尚不太清楚时 所采用的设备维修方法。它的缺点显而易见：损坏或事故已成事实，造成的损失无法挽 回。 定期维修是按照一定的时间间隔对设备进行定期小修、中修和大修，从而预防并减 少事故的发生。维修的时间间隔是根据设计的最少寿命周期或使用过程中统计的最低无 故障工作时间确定的。由于维修时间的确定性与事故发生的偶然性、统计数据的普遍性 与设备运行的特殊性之间的矛盾，在实践中常出现两种情况。一种是维修不足，即维修 时间尚未到，设备已经出现故障。另一种是过剩维修，即维修时间已到，设备尚完好无 恙却停机修理。显然，这两种情况都造成资源浪费，不符合最佳维修思想。 传统的设备维护方式，不论是事后维修还是定期维修，其维护监测系统或简单或复 杂，一般都采用了集中处理的思想，系统具有如图1 2 所示的一般结构。 图1 2 传统监测系统结构 从图中可以看出这种系统主要由五大模块构成，自底向上依次完成原始信号的获 取、信号的处理与分柝、决策推理以及现场控制等功能。这种顺序的、相互依赖的工作 模式也导致了传统监测系统的固有缺陷【6 】。 ( 1 ) 从系统的组成方式看，诊断结果的可信度和可靠性完全建立在单个模块的可信 度和可靠性基础之上，以及各模块的相互合作与协调的基础上，任何模块出问 题都会导致系统失败。 ( 2 ) 信息检测为集中式采集模式，这种模式在被监测对象不太复杂或地域分布相对 集中时尚不显困难，但当对象很复杂或地域分布很广时，实施起来就很困难， 布线成本高。 ( 3 ) 检测的大量信息直接送到故障分析处理模块，加重了此模块负担，甚至超载导 2 华中科技大学硕士学位论文 致系统崩溃，并提高了对计算机性能的要求，特别是对大型系统和生产过程监 测，这种问题更为突出。 ( 4 ) 大量的计算推理决策工作过分集中于一台或少数几台计算机完成，一旦这几台 计算机出现故障将会导致整个系统失效，同时，如果要实施多地域多个不同对 象的同时监测，实施起来很困难，系统的可靠性与稳定性得不到保证，而且， 系统升级困难。 除此以外，传统的维护监测系统在软件实现上大多采用的是面向过程与特定应用的 开发方式，不可避免的带来了许多软件开发上的弊端，主要表现在以下这些方面。 首先，软件对应用环境的适应性差，很难在不同应用环境间麸享代码，随着环境的 变更，许多代码失去其生命力，不得不重复开发，浪费人力物力。 其次，软件可维护性差，代码冗余量大，各模块之间交互关系复杂，局部小的改动 会导致应用软件整体重新编译、链接，软件维护的后期工作量大。同时，难以及时应用 新理论、新方法，适应生产运行的新要求，从而造成软件开发周期长、成本高的恶性循 环。 再次，目前的大多数软件使用v i s u a lb a s i c 或v i s u a lc + + 进行开发，前者提供了 友好的界面，大大简化了用户的操作，但不支持基本的代码重用，其运算性能也不尽人 意，后者支持的面向对象代码重用，由于其交互性方面的不足也未能从根本上解决问题。 最后，目前的大多数维护监测软件严重依赖于编程语言，用不同语言开发的应用难 以交互，开发人员必须在各种编程语言间做出取舍，在同一应用中难以荟萃各种编程语 言提供的优良性能，因而软件产品不能满足多方面的需求。 由此可见，传统的维护监测系统在系统结构上大量采用了集中处理、集中决策的构 建模式，系统无法取得良好的可靠性与稳定性：同时，系统软件的开发策略已经落后于 时代与应用的要求，已经不适应现代制造业的要求，迫切需要新的技术手段来满足生产 与客户新的需求。 1 2 2 面向对象系统实现的局限性【5 】 上世纪七十年代，面向对象软件技术开始了其发展历程，并在八十年代得到了巩固 与加强，一段时间内，大量的范例和方法论，从创建流程图到面向对象等在不同程度、 不同范围内得到接受，希望成为解决这些软件难题的灵丹妙药，但最终所有这些解决方 案都遭到了失败，而且没有找到可靠的替代品。当然，并不是说流程图没有帮助或面向 对象设计是无效的，而是说，它们并没有将软件开发减少到可以保证结果的规范。面向 对象编程某种程度上是软件业乐于接受的最新方案，这反应在面向对象语言( 如j a v a 、 a d a 、s m a l l t a l k 和c + + 等) 的大量流行上，这些语言都在不同程度( 取决于它们的 3 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 = = 日= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 一z 2 i 设计者原有的技术领域、它们所要解决的问题以及它们所面对的局限性) 上带有面向对 象的标志。简单的说，面向对象编程技术的目标并不是用模仿计算机逻辑的程序方式以 方便编程，而是让开发者按照现实世界人们思考问题的模式编写程序。 如前所述，进行相似代码和算法的重新开发将导致难以置信的时间、精力和物力浪 费。虽然代码的共享和重用被认为是设计良好的面向对象设计最主要的益处，但实际上 共享的代码还是太少了，其根本原因在于面向对象编程对语言和应用环境的依赖性及其 交互的局限性。 代码重用是任何人都会自然想到的事，这也是很好的想法，但是代码重用需要周密 计划，其实现要考虑周到。如何将早期编写的代码链接到现在的应用程序? 若对早期基 于代码重用设计的代码的某些方面不满意，是否进入源代码内部进行修改等等这些问 题，都是在代码重用时需要仔细考虑的。 真正的代码重用意味着代码必须是以足够通用的方式为构建更大型的应用而编写， 而且还能够按照代码的工作方式得到定制。多数类型的代码重用还存在另一个问题，它 们一般要求原始的开发者和打算重用代码的人使用同样的编程语言，如某个类库是用c + + 编写的，那么用其它语言编写的应用程序就基本上不能重用该代码，同样，j a v a 类 就只能在j a v a 程序中使用。所以，虽然使用面向对象编程比不使用它能获得相对多的软 件重用，但面对上述局限，如何将代码共享与重用应用到实际的、现实的编程中? 虽然 面向对象编程长期以来一直作为对这个问题的最直接解决方案，但显然未尽人意。 1 2 3 现代工业对设备监测维护系统的要求【7 。1 4 】 随着信息化进程的加快，设备监测维护系统也必须适应新时代的新要求。在新的技 术背景下，作为设备运行管理、维修保养管理、故障隐患管理、安全经济管理等重要技 术基础的设备状态监测维护技术，其推广应用也将具有信息时代的新特点。 一、由离散性状态监测向集成监测或信息化监测发展 在传统的设备管理模式下，设备状态信息离散的存储在不同地点如安装检修部门、 运行车间、机动科( 点检站) 等，成为信息孤岛，难以发挥应有的作用。建立设备管理 信息系统后，可使分散的状态信息集成化，由离散性的设备状态监测向设备状态集成监 测或信息化监测转变，并逐步成为设备管理信息系统中设备点检子系统的主要内容。随 着该系统的发展完善，将可自动生成设备维修工单甚至备品备件工单。 可以预见，未来的设备状态监测系统应是庞大而完善的，它将通过与p l c 、d c s 和i p c 等的集成，提取所有用于状态监测与故障诊断的设备状态信息( 在线的、离线 的，温度、电流、电压等) ，从而形成真正意义上的信息化设备状态监测诊断技术，为 全面掌握设备运行状态、准确诊断设备故障创造条件。 4 华中科技大学硕士学位论文 = 、由各自为阵向网络化专业设备监测诊断发展 在目前的大多数设备监测维护系统中，一般都是由各企业自行开发，其监控、诊断 和维护都是面向本地的设备或系统，并在本地进行，具有很强的地域性。然而当故障发 生而本地又解决不了时，只能停机或停产，向供应商请求帮助，这不仅要花费大量的时 间和财力，而且由于设备或系统的长时间停工，大大降低了企业快速反应市场的能力。 设备状态监测和故障诊断技术在许多企业难以推广，技术是一个方面，更主要的是 缺少人才。状态监测与诊断技术是涉及多学科的综合性技术，人才的培养需要较长时问。 从发达国家的发展过程来看，未来技术人员的分工越来越细，设备监测和故障诊断的开 展将以社会化为主，设备监测诊断公司( 设备诊断医院) 以及基于i n t e r n e t 网络的远程 设备监测诊断服务将逐步成为主流。随着技术的发展，还将形成行业性、区域性甚至国 家级的设备监测诊断中心。设备监测诊断公司将与许多企业监测中心相连接，积累大量 的设备监测和诊断信息，为企业提供异地诊断服务。还可在网上组织或邀请不同行业、 不同地区甚至不同国家的诊断专家对设备故障进行会诊，实现专家知识共享。 大型企业可以配备一定数量和档次较高的设备监测诊断仪器，培养一批能够熟练应 用测试仪器和诊断经验丰富的专家，把本地区的中小企业组织起来，制定合理的有偿使 用办法，形成地区性的社会化服务网络。以此为基础，逐步形成设备状态维修市场。对 大企业和中小企业来说，这是一个双赢的方法。大企业拓宽了监测诊断的业务范围，充 分发挥了仪器、人才和资金的优势，为企业赢得了效益；中小企业则可避免困仪器或人 才缺乏而难以开展监测诊断工作，同时，培养了自己专业的设备诊断人才。 三、由部分向全员设备状态监测管理发展 按照所处位置和功能角色的不同，企业设备管理人员可以分为以下三类：( 1 ) 决策 控制层又称高级管理层，如公司、部处、分厂、机动科管理人员等；( 2 ) 过程控制层又 称中级管理层，如区域管理工程师、专业管理工程师、监测诊断工程师等；( 3 ) 现场控 制层又称低级管理层，如车间管理人员、设备技术员、操作、维修人员等。通过信息共 享，决策控制层利用客户端浏览软件，实现设备状态的浏览分析，查询设备状态，做出 正确决策。过程控制层利用数据采集器等设备诊断仪器和客户端分析软件，实现设备状 态的诊断分析，完成精密诊断工作。现场控制层利用数据采集器与其它状态监测仪器， 以及点检站( 或车间) 分析机和监测软件，完成日常设备状态监测工作。通过以上手段， 实现全员设备状态监测管理。 1 3 软件组件技术与网络技术带来的生机u l 基于以上面向对象软件技术的局限性，以及信息时代对设备监测维护系统的要求， 软件组件技术应运而生，并给设备监测维护系统带来了新的生机。软件组件通过良好的 5 华中擗技大学磺士学位论文 二遴剃代碣霞髑，禳好静鳃决了蟊淘对象豢统源代弱燕焉蕊产艇鹩闫瓣，熬够窦觋“帮 插静用”的应用禳斌。应用软件组件技术盾，系统在分车蓐设计模式、实现方法以及后期 维护餐各方蘑都有穰大豹改迸。 将应用分解为逻辑缀 牛是面向维彳串分析和设计的麓础，也楚缀谗软件的基础。维件 软 串巍霹熬蕉静二迸镱形式静缀箨软缎藏( 不同予源代码) ，这些疆释块霹薅l 相警套麓 精力攒入到来蠢其窀开发商静缀律中。这荦申对软件的开发袋用纂予缀件的方式丽不强调 获 孛缀梅载设计悉怨燕缀鬟簧瓣，箍整，它燕一穆使褥= 遴潮软梅缀件豹缡稔、使蠲帮 猿立获骚藏为霹麓静穰式。 鏊予缝羚缡程攘墅黪一令蓬要谯势是瑟骞缀驽豹鬣搽佟程，帮籍乎台、游语言缝络 耱筏王终戆熊力。在戳往熬绫攫中，魏果纛漤霈要逶行妖态藏渊，冒鬻擎瓣煮臻在程侉 斡主髂部分编麓状态簸测健避，这群簸存程嚣令潜在瓣耀鼷，菸一，糕窍零身豹嚣耘墩 谗势 # 进行扶杰燕溅，嚣哭爨溪要狻淼渣测懿缝果鞋蜜理本隽瓣功能，毽帮不褥不麓赞 稿獭的时阙进行状态黢溅的缀码；其二，程裁费了缀长融嘲实现了炊惑监测臻l 爱，妻翼 票其它应嬲稷撵孛魄爨要避嚣数悫簸测，却不缝方骥懿垂髑上港钱秘。解捩魏运瑟豹蒸 予缀传的方法就是把状态艇测实现为单独的缝馋，速榉，阚题裁转化为、拔态监测缎牛和 应翔糕詹的交强。焱予组传较孝# 方壤簧求援蠢缀传定义箕接嗣游袋零熟可鞠熬功戆，只 要缝彳串实现了焚接口，且鬻户程序遵循接口礁则，匿攥馋憔款勰决了。在上霞的状态般 测戆倒串，寝期程黪开发者只鬟嵌入炊态簸测缀 串蠲可，这将太大节约开发、调试窝维 护时闻，再者，由于缀伟可独立予成周程序，它可以方便的独立发展蕤至被蛰代戈其它 毪辘爨好稳缓佟，藤不至予嚣微小豹修改蕊破坏穆謦箕它舔分豹戴褥，当然，应霜疆痔 熬修敬亦不会熊及缀伟的安垒，丽艇，缀 警独立予使淄它街的腹用程序和用于刨蔑它们 戆缀疆语京。 戮藏，软彳窜盔 警技术静学l 入，w 黻很好的解决传统设备盗浏维护系统软件襄瑰上翡 诸多瘸蘑。嗣瓣，在壤愚瓣钱全球疑济一搭纯戆憝势下，踌萼予曛、跨滚区、乃趸跨嚣熬 蒂l 逡企娃联翻造姿滚磁奁檠络威一个凑大豹、菱杂豹案l 疆两缀。产灞豹设计、潮逶帮维 护链务褥盎多家攀经淡婚辩动态联鼹懿形式突藏，默鼷整浚馨熬敖簿诊凝每终护黛褥受 热袈絷。在这耱壤激下；綦予i n t e m e t 潞远程爨溪缭妒戮“落惠滚动”代替“久爨漉凌”， 为实现囊委意义上鹣快速、蹇效、低成本避毽服务摆爨了方两。 程总毒拳结构土，游一改过嚣寸麴集串式缝褥，囊差分毒式、网终优靛曩，豁提黉祭 绞商局的冗众性与可靠性；在功鼹结捻上，套雄元麴对独立，县袁缀好黪开放性与窦派 毪，箕交爱赛颟篾溶绞一；在穆塞结稳上，键痣撄赛不必要懿a 爨濂韵，瓣爨罴霜分u 蠢 式的傣惠滚动；在物避结构上，大爆模采用模块化、“捶髂式”缝构，可缀出照终裙软 6 华中科技大学硕士学位论文 件随时进行薰缀；在能能上，系统容错能力得剐很好的保证，支持在绫维护、智能仡敝 障快遥诊断与维修等功能。 胃戳预测，隧着鬣粹较 串技术的等 入和潮络技术的大规模介入，嵇统静设备盆测雅 护系统一定会焕发出新的青誊! 1 4 课题相关研究情况 1 4 ，l 溪羚凳 究情况疆，是1 支糊 鼬雄健，一些工亟发达嚣寒裁着学嚣发设餐监溅诊断技术，7 0 年代，骧慧债号矬鬻 和计算机技术的普及，该技术被广泛臌用于备个领域。冷战时期，美嘲就开始研究应用 于军攀装备的监测与遴程诊辫系统，薅来又在海洋= 匿油平台辩大型邀站设备上推广搜 甭。飘8 0 年代戬君，图外又稻缝研究开发了商性能的状态簸测系统，如丹麦b & k 公 霹开发盼c o m p a s s 蘸缝则运过卫星邋信对设餐进行艇测与遴程诊断，美国w h e c 公 司逸j 毫电话线瓣夫垄瑟转梳撇疆供迸稷诊断濂务，美溺的高技术开茇辫也开茨了基予嘲 络的机械远程诊断预测系统，娅特兰大公司的m 7 0 0 0 斑线监测系统，i r d 公期的t c 一 e 瘸颓运裣系统等。它稍静特点题硬舞骚蠢篦铡太，采集傣惠多、楚理速度诀、藏 测功能强，具肖简单的诊断功能，但价格昂贵，且采用专用计簿机系统及语蠢，新功能 不暴开发，对健霉天爱甍求较离。 当前，欧，美、日、英等网家都禚继续深入研究，不断谯新领域内育所突破。其他 嚣家黧德藿，磺冀、芬兰等国据设备蕊溪诊舔技寒骜佟- - f q 鞭鲢学辩，奁最多大学中开 设了专业课，系统讲授设备诊断技术。 予1 9 9 4 霉或立熬m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 非撤利性组织正在制定开发状态监测c b m ( c o n d i f i o nb a s e dm o n i t o r i n g ) 繇 绞软转模块落爨掭准。谈标准莱恩分蠢式鼹终纯器藏架梅，致力于必餐释鉴测麓棒撮供 数据交互的手段，其核心是公蒸关系信息模式c r i s ( c o m m o nr e t m i o n mi n f o r m a t i o n s c h e m a ) ，定义了各耪数据类型以及数据交互携噩，并提出了软转系统的功g 参考模型r 如图i 3 所示。该功熊模型分为七层，分剐是传感器撩口层、信号预处理层、状态监测 层、性能评估屡、预测功s 层、决策支持星和系缝表现层，鍪层的具体功能请参考文献 f 载。备罄经商o s a c b m 数据流与c o m m o n 数据流滋行交甄，芽道_ i 篷各释缀件接口向 外界撼供服务。 7 华中科技大学硕士学位论文 p 、二一嚣辅鞲辚糕鹣巷、 袭现层( p r e s e n t a t i o n ) 疑燕点持屡( d e c i s i o ns u o r t ) 预测( p r o g n o s t i c s ) 性熊评估( 1 l e 8 i t ha s s e s 辅e n t ) 状惠艇测( c o a d i t i o nm o n i t o r ) 信号预处理 传感嚣接口( s e n s o ri n t e r f a c e ) 豳1 3o s a c b m 款 牛参考模型 作为m i m o s a 成员之一的美国宾夕法尼驻州立大学a r l ( a p p l i e dr e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 实验蜜开发了套如图1 4 8 3 繇示静试验床系统- - d e m d t b ( d i e s e le n b a n c e d m e c h a n i c a ld i a g n o s t i ct e s tb e d ) ，来演示以上的功能模型。该试验床的监测目标是 圈l 。4d e m d t b 系统结构示意圈 慕季孛型号懿增压紫瀵发动枫，通过远程分布式监测维护，该平台能够提供撂识各秽同类 蛩发动机工作状况的特征参数( c b m 参数) 如输出扭矩、发动机转速等。由计冀机数 8 华中科技大学硕士学位论文 据采集系统来获得发动机的运行参数，并存储与管理这些参数，作为后续分析预测之用， 其中数据的存储既有本地的热存储，也有中央控制区的备份存储。c b m 监测管理软件 负责实现各个模块，包括设备数据的处理、合法性验证、存储，特征参数提取等。通过 i n t e r n e t ，可以实现远程分布式访问这些数据，从而详细了解设备的运行情况，达到远程 预测维护的目的。 1 4 2 国内研究进展副 在最近十年内，国内一些科研单位及高等院校相继研制了多种状态监测和故障诊断 系统，其特点是以微机为基础，以软件开发为中心，功能多、灵活性大、适用面广、价 格低。目前存在的主要问题是：硬件功能较弱，以巡回监测为主，实时性较差，系统集 成化程度和软件商品化程度较低；传感器、二次仪表、计算机系统及软件的可靠性较低， 难以适应工业现场恶劣的工作环境。存在这种差距的一个主要原因是研究开发经费投人 不足，难以将诊断系统建立在高水平的硬件平台上，从而影响了系统的整体性能。 1 5 本文研究目的与内容安排 本文从软件工程的角度对设备监测维护系统的实现进行了分析，总结了传统软件开 发方法的不足，讨论了开放式组件软件结构的优势，并应用组件软件的思想，采用组件 对象模型c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 组件技术开发了原型系统。 全文共分六章：第一章绪论；第二章分析了系统研究中的两个关键技术：c o m 软 件组件技术和分布式c b m 体系构成，并提出了系统的概念模型和总体结构；第三章进 行系统软件的组件架构分析，讨论了组件的一般实现模式，并结合本系统的特点确定了 系统中组件实际采用的实现模式；第四章详细描述了业务逻辑层三个组件的具体实现， 给出了组件接口的设计规范与实现细节；第五章从三个方面分析了系统的安全性需求， 并针对不同的需求给出了不同的解决方案，同时也讨论了系统交互通道的设计与实现； 第六章总结全文，对系统的进一步研究及相关领域的研究提出了建设性的建议。 9 华中科技大学磺士学弦论文 2 。1 弓l 言 2 纂予组件的网络化监测维护系统研究 上一零毫经攒感，黄统瓣设蚕簸测维护蘩统已经游蓐予瓣代款螫袋，凝按拳、裁方 法、毅鼹念的快速发矮已经为迓斑时代要求的设鸯贬测维护系统熬定了物质慕础。同时， 本文辑要讨论豹设餐魏铡缳拶系统并不是锌对慕一舆体对浆藏模型褥设诗的，露麓孰系 统的角度出发，用系统王耪的方法在受普遍意义上研究它的一般概念、樽架构成、系统 屡次绦构以疑秘髓攘浚豹实施方案，缓期裁够为客户擒供邈遮、蠢效、低溅本静系统解 决方案。 零章褥主要分耩蔡绕设诗豹荚辘技术：缀俘歉捧设计按拳岛分卷式c b m 技术，在 藏基礁上礴蠢了系统簸概念穰謦与总体结构。 2 2 缀终技术产生渊源 广义上瓣缝传按零悬撵复杂裂缝戆分辑与设计方式，楚穆嚣学壤惫上熬方法谂。 狭义上懿软俸组势技零魁楚豢耱软转设谤舞发方法，具体寒诺，英懑怒裁憝终爱象豹 敬 孛浚诗戏一些小的、功攀一麴缘传模块，缓髂之阕霹以跨越溅程边界、蹲语蠢、跨 掇嚣蓑至踌掇终平套避 亍遇镶，以攮褰软嫂开发效率及其稳逡蛙，增强软绺的霹黧建缝 与w 缎护挂。敬惨缌传技术鼹为了解决现代软件设计与开艘中所戮姨的器葶争阅题骶褥以 趣现势褥剿迅速发震鹃。 2 。2 ，l 较粹监瑟瞧沟圈壤 随黄应用系统功髓酶麓祭伍、需求的多样纯越来越突融，褶芙软评斡设计开发遗遘 了趋柬越雾的润愁，芄其楚程大黧盛嗣较佟豹开发过程中，开菱爨震器贵、避发不菊控 制、开发爨难戳倍计、软俾藤囊低、顼冒失簸率黼、错误多、嚣麓缀栌佟务鬟等种衿漆 瑟愈演塞瓣。软襻行妲笈摄翔瑛强，露l 臻麓越来越多靛麓题髑难越# ”： ( 1 ) 璐代软传应丽聚大又复杂。开发溺鬻长，维轳困难瑟盈维护或零麓，难良扩震 羹戆场筏。 ( 2 ) 反蔫楚摹一集袋熬。穗翻褰藏了谗多功麓，露大多数瑶熊嚣法擎独舞缀或替按。 ( 3 磁用熬露复鼷度麓、不秘嶷残。甭溺戆残月程序熬翅翡模块铗纛揍圈工非的方 式与孚段，一个藏震瓣数据释功缝不裁麓予嫠令瘫耀，帮镬聪个痰霜跫凑弱 一耪浯吝缡麓瑶驻运行褒阚一套搬嚣上。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ；= = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = = = = # _ = = = = = = = = = = = = = = = t _ i i 自自= ；l = = = = = ( 4 ) 应用严重依赖于操作系统和特定的网络结构与服务，不具备跨平台、跨系统的 能力，其整体开放性很差。 ( 5 ) 开发方式不统一。即使当应用之间可以进行交互，提供服务的方式也闶由操作 系统或通过网络提供的服务不一样，甚至，根据服务是来自同一进程空间，还 是来自本地机器的另一进程空间，或者是来自不同操作系统以及来自网络上的 另一台机器，其开发方式、编程模型的变化都非常大。 造成以上这些困境的一个重要原因就是应用软件的开发严重依赖程序设计员自身， 而不是良好的软件工程管理，软件的开发不断从头重复进行，使得系统代码冗余量大， 难以维护升级，质量低下。 2 2 2 已往解决方案分析 软件行业的从业者们早就意识到了这些问题，并采取了各 种技术措施来缓解或解决这些难题。 最初的面向过程的结构化开发思想，采用的是把一个庞大 的应用程序分成多个模块，每一个模块保持一定的功能独立性， 并把一些软件设计中常用的功能单独编写成一个标准库，使用 库函数作为访问这些模块功能的方法，这些库通过应用程序编图2 1 通过a p i 访问模块 程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，简称a p i ) 向外界提供其功能，图2 1 说明 了这种编程模式。然而，这种使用a p i 的面向过程的方法是一种依赖性很强的操作模式， 对于系统、平台、调用模式都有强制性的要求，因此，存在许多技术上的缺陷【l 8 】： ( 1 ) a p i 的更新：a p i 的更新对a p i 创建者和试图扩展a p i 的软件提供商都将是一 个问题。创建者对于a p i 的任何改动都会潜在的破坏现有程序，即对a p i 的扩 展最终会导致实现的不一致性。 ( 2 ) 版本问题：对于a p i 的多种不同版本的宣传和维护都是问题，且作为a p i 的创 建者，强迫开发人员去检测正确的版本似乎难排众议。 ( 3 ) 模块之间的通信：一直以来，模块之间的通信面临不同需求的挑战，特别是不 同开发人员创建的模块之间的通信。 ( 4 ) 实现语言：模块的开发语言很大程度上决定了通过a p i 访问模块的方式，例如， 在b a s i c 语言开发系统中调用由c + + 开发的模块将面临困难。 随着时间的推移与技术的发展，面向对象的软件设计开发方法在一段时间内获得了 颇为广泛的采用，其基本思想是：从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发来构造 系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式。 在面向对象系统中，对象代表了一切，它对应着问题域中的各个事物，它们内部的 华中科技大学硕士学位论文 属性与服务刻画了事物的静态特性和动态特性，对象类之间的继承关系、聚合关系、消 息和关联表达了问题域中事物之间实际存在的各种关系，可直接地映射问题域。代码重 用也是面向对象系统的一大特征，它允许在不同的工程间共享代码，这在一定程度上可 以提高软件开发的质量、降低开发的难度、工作量和出错的可能。同时，面向对象模型 这种对问题域的直接映射使得从分析、设计直到编程和测试、维护成为自然且连续的过 渡过程，从而使软件开发的各阶段能够形成紧密的衔接。 尽管面向对象技术在许多方面对面向过程的软件开发方法有很大的改进和补充，但 是由于面向对象技术对其描述客观世界的核心概念：对象之间的相互