（机械制造及其自动化专业论文）构件技术在远程故障诊断系统中的应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络通信及其相关技术的发展，远程故障诊断技术逐渐成为故障 诊断领域的一个新的发展方向。它把通信技术、数据库技术和控制技术等引入传 统的诊断系统领域，从而改变了传统的故障诊断模式，解除了以往故障诊断系统 在时间和空间上的局限性，在很大程度上提高了诊断效率，节约了成本。本文针 对远程故障诊断系统发展现状和实际需求，提出运用构件技术构建远程故障诊断 系统，以提高远程故障诊断系统的可扩展性、适应性和可靠性。降低系统的运行 成本。构件技术的基本实现在于：创建和利用复用的软件构件来解决应用软件的 开发问题。 本文详细讨论了构件技术的概念，探讨了构件的实现技术，分析了远程故障 诊断系统的功能、组成和开发环境，并运用m v c 模式设计了四层结构的系统体 系结构。在对远程故障诊断系统的功能和特点进行深入分析后，本文运用统一建 模语言( u m l ) 和统一软件开发过程( r u p ) 对系统进行构件化建模，提取和 分离出远程故障诊断系统中的各类构件，使其具有很强的可重用性。设计模式总 结了大量有益的软件开发经验，在对远程故障诊断系统进行构件抽取过程中，运 用了大量的设计模式，保证了系统的灵活性和可扩展性。最后，本文采用j 2 e e 技术进行构件的实现，探讨了系统各层构件的实现策略，并对主要构件的实现进 行了研究。 采用构件技术实现的远程故障诊断系统具有良好的重构性和可移植性，能够 对不断变化的需求做出快速反应。系统在上海印刷包装机械集团的下属五家企业 得到了初步地应用，取得了较好的效果，提高了企业产品的竞争力和售后服务的 质量。 关键词：构件，远程故障诊断，u m l ，j 2 e e 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d o t h e rt e c h n o l o g y ，i t sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oc o m b i n et r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i s s y s t e mw i t l ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs c i e n c e ，i tg r e a t l yc h a n g e st h e s t r u c t u r eo ff a u l td i a g n o s i sa n dm a k e su pf o rt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a ls y s t e m i n a l l u s i o nt od e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t i o no fr e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ( r f d s ) a n dd e m a n df o rr f d s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dd e v e l o p i n gar f d sb y c o m p o n e n tt e c h n o l o g yt oi m p r o v ee x p a n s i b i l i t y ，a d a p t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo f r f d sa n dr e d u c et h ec o s to f m a i n t a i n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fc o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n dm a j o r i m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g y o fc o m p o n e n tt e c h n o l o g y ，d e s c r i b et h ef u n c t i o n ， c o m p o s i t i o na n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t o fr f d s ，d e s i g nt h es y s t e m a t i c a r c h i t e c t u r eo ff o u rl e v e l ss t r u c t u r e 埘t l 】m v cp a t t e r n a f t e rt h ed e e pa n a l y s i so f f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fr f d s ，t h ep a p e rd e s i g nr f d sw i t hu m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ) a n dr u p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s i n g ) ，e x t r a c ta l lk i n do f c o m p o n e n to fr f d sa n dm a k et h e mh a v er e u s e d e s i g np a t t e r ns u m m a r i e st h e e x p e r i e n c e so f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ed e s i g np a t t e r n s a r eo f t e nu s c dt oa s s u r ef l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo fr f d s a tl a s t ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gc o m p o n e n tw i t hj 2 e et e c h n o l o g y r e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sq u i t ec o n f i g u r a b l ea n de x t e n d a b l e r f d sc a n f e e d b a c ks p e e d i l yt od i v e r s eu s e r sd e m a n d t h es y s t e mh a sg o tt h ef i r s tb a s ei nf i v e p r i n t i n gm e c h a n i c sf a e t o r i a si ns h a n g h a i e l e c t r o n i cc o r p o r a t i o na n dg o tb e t t e re f f e c t k e yw o r d s ：c o m p o n e n t ，r e m o t ef a u l td i a g n o s i s ，u m l ，j 2 e e 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垂盘亟日期兰堕塑 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) f ：驻兰日期：鲨堕3 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 课题“大型机电设备的远程监控和智能诊断系统”是根据“上海市电气集团 总公司信息化工程建设实施方案”和应用企业的具体需求而提出的。 上海市电气集团总公司为加快企业信息化工程建设，实施“信息化带动工业 化”发展战略，用信息技术对传统产业和产品进行调整与改造，提高新产品研制 速度和科技附加值，采用e r p 、s c m 等先进理念和软件系统实现企业的资源优 化配置，提高管理水平和管理效率，全面提高企业的综合竞争力。上海印刷包装 机械有限公司隶属于上海电气集团总公司，从事印刷包装机械研制、开发，拥有 众多一流的印机企业，其产品门类齐全，远销海内外许多国家和地区。在2 0 0 1 年的德国印刷机械产品展览会期间，国外部分企业的产品已具有了远程监控与故 障诊断功能，并且取得了良好的应用效果，为了继续保持产品的竞争力，上海印 刷包装机械有限公司提出开发同类技术水平印刷设备的需求。 电气集团总公司根据印刷包装机械有限公司的需求，以印刷包装机械有限公 司的下属五家企业为试点，开发新型产品和构建基于i n t e m e t 的设备远程监控与 故障诊断系统，降低服务成本，提高产品竞争力，并以此系统为基础进行扩展， 逐步实现数控设备等其它行业的远程服务，全面提高整个集团的竞争力。 1 2 课题研究背景和意义 现代工业生产规模越来越大，制造设备的技术水平越来越高，分别朝着集成 化、大型化、连续化、高速化、精密化、自动化、流程化、综合化、计算机化和 技术密集化的方向发展，这些发展主要有四个基本特点d i ：设备功能增多，各 工作单元间的关系曰趋复杂，影响设备安全和工作性能的因素越来越多；设备 结构日趋复杂，规模庞大，造价也越来越高；设备日益向系统极限效率与速度 方向发展，安全隐患增多，机电故障、连锁影响造成的损失十分惊人；现代设 备与生产系统在国民经济的发展和社会物质财富的生产中，扮演着越来越重要的 角色，影响面广。这些进展一方面满足了提高生产效率、降低生产成本、节约能 源等现代化工业发展的客观要求，取得了巨大的社会效益和经济效益；但另一方 面，对现代制造设备的设计、制造、安装、使用、维修和安全可靠运行提出了更 高的要求，设备和系统一旦发生故障，就会影响到整个生产系统安全稳定的运行， 轻则降低系统的生产效率，重则系统停机、生产停顿，造成重大经济损失，甚至 出现设备损坏，威胁生命财产安全的恶性事故，造成灾难性后果。 上海大学硕士学位论文 面对这种情况，世界各国企业都十分重视，但是对于现代制造设备，单靠使 用者自身的力量来解决设备运行中出现的问题或对设备进行日常维护和故障检 测、维修等变得越来越困难，设备用户迫切需要制造商提供更加快速、准确和高 效的专业化故障诊断服务。但是随着经济全球化、企业全球化和设备供需链国际 化的发展，同时客户对服务要求的不断提高，这些都给企业的售后服务带来极大 的挑战1 2 】。由于存在设备维修人员比较缺乏、经验不足、知识面有限以及诊断和 故障处理延误等问题，传统的上门诊断服务方式已无法适应当今顾客对快速故障 诊断和维修等方面的要求，因此，这就对现代制造设备的故障诊断提出了新的要 求，即如何克服地域和时间的限制，实现对制造设备进行远程监控和故障诊断。 随着各种技术的不断发展和完善以及企业信息化基础设旖的建立，为上述目 标的实现提供了有利的条件：现场总线技术的发展适应了控制系统向智能化、 网络化、分散化方向发展，系统的开放性为底层设备单元的接入提供了方便，为 异地诊断现场信号的快速提取提供了保证1 3 。全球计算机网络技术的不断发 展，i n t e m e t 的迅速普及，网络带宽的不断增加和价格不断下降，都为远程故障 诊断和远程通信提供了便利条件【4 】。人工智能的发展和完善，使专家系统、人 工神经网络、模糊控制技术、数据挖掘技术等可以广泛地应用到故障诊断系统中， 提高了系统的智能性和实用性。 因此，许多企业和院校都开展了对现代制造设备进行远程监控和故障诊断的 研究工作，建立基于网络的设备远程监控和故障诊断系统，以实现综合设备制造 厂和使用者多方面的力量来完成制造过程中的设备监控与故障诊断，保证机械设 备的正常运行。 1 3 远程故障诊断系统的研究现状 1 3 1 远程故障诊断系统的国内外研究现状 远程放障诊断技术是利用网络系统在异地对远程现场设备进行检测和监控， 并根据检测的数据进行故障预报和诊断的技术，它是涉及到计算机网络、信息集 成、人工智能、控制技术等多门学科的综合技术【4 卯。运用远程故障诊断技术，可 以使工业现场的设备在出现故障征兆或发生故障，现场的维护人员或故障诊断系 统对其不能做出诊断时，通过与技术力量和资源较强的远程故障诊断中心建立连 接，由远程诊断中心的领域专家、智能故障诊断系统及时对其进行诊断，并给出 诊断结果，指导设备用户进行维修处理。较之传统的诊断方式，采用远程诊断服 务方式能给设备制造商和设备使用者带来很大的实际效益【5 】。 远程诊断系统的研究始于上个世纪6 0 年代初的医疗领域1 3 ”。经过近4 0 年的 2 圭鲞盔兰坚圭兰竺丝苎 面对这种情况，世界各国企业都十分重视，但是对于现代制造设备，单靠使 用者自身的力量来解决设备运行中出现的问题或对设备进行日常维护和故障检 测、维修等变得越来越困难，设备用户迫切需要制造商提供更加快速、准确和高 效的专业化故障诊断服务。但是随着经济全球化、企业全球化和设备供需链国际 化的发展，同时客户对服务要求的不断提高，这些都给企业的售后服务带来极大 的挑战吲。由于存在设备维修人员比较缺乏、经验不足、知识面有限以及诊断和 故障处理延误等问题，传统的上门诊断服务方式已无法适应当今顾客对快速故障 诊断和维修等方面的要求，因此，这就对现代制造设备的故障诊断提出了新的要 求，即如何克服地域和时间的限制，实现对制造设备进行远程监控和故障诊断。 随着各种技术的不断发展和完善以及企业信息化基础设施的建立，为上述目 标的实现提供了有利的条件：现场总线技术的发展适应了控制系统向智能化、 网络化、分散化方向发展，系统的开放性为底层设备单元的接入提供了方便，为 异地诊断现场信号的快速提取提供了保证例。全球计算机网络技术的不断发 展，i n t e m e t 的迅速普及。网络带宽的不断增加和价格不断下降，都为远程故障 诊断和远程通信提供了便利条件【4 l 。人工智能的发展和完善，使专家系统、人 工神经网络、模糊控制技术、数据挖掘技术等可以广泛地应用到故障诊断系统中， 提高了系统的智能性和实用性。 因此，许多企业和院校都开展了对现代制造设备进行远程监控和故障诊断的 研究工作。建立基于网络的设备远程监控和故障诊断系统，以实现综合设备制造 厂和使用者多方面的力量来完成制造过程中的设备监控与故障诊断，保证机械设 备的正常运行。 1 3 远程故障诊断系统的研究现状 1 3 1 远程故障诊断系统的国内外研究现状 远程故障诊断技术是利用网络系统在异地对远程现场设备进行检测和监控， 并根据检测的数据进行故障预报和诊断的技术，它是涉及到计算机网络、信息集 成、人工智能、控制技术等多门学科的综合技术嘲。运用远程故障诊断技术，可 以使工业现场的设备在出现故障征兆或发生故障，现场的维护人员或故障诊断系 统对其不能做出诊断时，通过与技术力量和资源较强的远程故障诊断中心建立连 接，由远程诊断中心的领域专家、智能故障诊断系统及时对其进行诊断，并给出 诊断结果，指导设备用户进行维修处理。较之传统的诊断方式，采用远程诊断服 务方式自e 给设备制造商和设备使用者带来很大的实际效益1 5 j 。 远程诊断系统的研究始于上个世纪6 0 年代初的医疗领域田】。经过近4 0 年的 远程诊断系统的研究始于上个世纪6 0 年代初的医疗领域田】。经过近4 0 年的 2 上海大学硕士学位论文 不懈努力，一些新的技术( 如控制论、信息论、计算机技术和人工智能等) 的不 断应用，使远程故障诊断技术得到了不断地发展。 一国外研究现状 近十多年来，国外不少学者已经在远程故障诊断方面进行许多的研究工作， 并已经在制造、冶金、石化、电力等领域得到广泛的应用，取得了较为显著的成 效。例如，1 9 9 7 由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发的基于i n t e m e t 的远程诊 断示范系统采用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 实现远程信息交换和诊断推理，多个 用户通过w e b 浏览器对系统进行浏览嘲【7 】；美国密歇根大学针对机械加工控制系 统研究开发了远程诊断系统，它建立了一个远程诊断技术中心，集成了部分信号 处理和诊断工具，供不同用户通过浏览器进行诊断任务的提交，获取诊断结果： 美国西屋公司所建立和开发的远程监测和诊断系统，在其诊断操作中心可以远程 在线监测和诊断全美二十多个电厂的运行情况【8 】；德国e r l a n g e nn u r m b e r g 大学 研究开发了基于i n t e m e t 的工厂装配系统的远程故障诊断系统，通过i n t e m e t 网 络，远程专家可以实现对多个工厂装配系统的在线监测和故障诊断1 9 1 1 0 3 ；另外还 有美国n a s a 的用户复杂设备的远程诊断服务系统1 1 1 】【1 2 】，德克萨斯m o n i c o 公司 开发的发动机远程监控和i n t e m e t 信息服务系统【1 ”。 国内研究现状 近年来，随着我国信息高速公路的稳步拓展和互联网技术的飞速发展，国内 一些研究单位和学者开始在工业领域从事远程故障诊断研究工作，有的设备制造 商与高校或者科研部门联合对新旧设备进行技术改造，使之具备了实现远程设备 监控、故障预报、诊断技术的功能，个别单位还建立了远程故障诊断系统网上实 验室。如：同济大学以中德政府合作项目为背景，对设备故障的远程诊断方法及 其诊断新模式进行研究，应用到上海大众冲压设备生产线的故障诊断上【1 4 】；上海 交通大学制造技术和自动化研究所针对c n c 系统提出了远程故障诊断系统的解 决方案，利用数据库技术建立了远程故障诊断系统的模型 1 5 】；清华大学以大型电 站设备为对象，开展了远程在线监测和诊断研究 1 q ；华中科技大学提出了基于 i n t e m e t 的远程协作故障诊断的相关理论1 1 7 】。 1 3 2 远程故障诊断系统的研究现状分析 通过对远程故障诊断系统国内外研究状况分析，远程故障诊断的模式分为以 下两种【1 扪： 1 设备客户端诊断模式 将远程故障诊断系统建立在使用设备客户端，属于典型的一对一诊断服务模 式。在原有设备中增加嵌入式接口硬件和具有w e b 功能的诊断软件，领域专家 3 上海大学硕士学位论文 通过浏览器来实现对设备故障信息的浏览、监控和诊断。设备诊断数据库的建立 和知识库的更新由设备客户自行维护。 图l ，l 设备客户端诊断模式 2 制造商端诊断模式 将远程诊断系统建立在设备制造商端，属于一对多诊断服务模式，如图1 - 2 所示。制造商把各个用户的设备现场信号提取到自己的远程诊断系统，诊断系统 同时为多个客户的设备提供诊断和监控服务。设备信息和诊断知识库的更新由制 造商的领域专家维护。 图1 2 制造商端诊断模式 综合起来，这两种诊断模式的不足之处在于： f 1 1 在一对一服务模式下，各客户端需要配置一套支持自诊断系统的软硬件 设施，这不仅增加了设备成本，并且备设备用户的诊断知识库之间无法沟通，诊 断知识有限，知识库不能得到及时更新和维护。 ( 2 ) 在一对多服务模式下，制造商各自建立独立的远程诊断系统，诊断共性 技术、资源和工具缺乏共享，尤其当这些企业属于同一行业集团时，限制了企业 4 上海大学硕士学位论文 集团化协作优势的发挥，并造成大量的资金浪费。 ( 3 ) 由于各个企业独立发展，企业技术发展不平衡，不利于诊断系统标准化、 规范化，尤其不利于故障诊断技术的深入研究和应用，不适应集团企业的应用推 广。 另一方面，随着网络时代来临，企业经营的制胜关键在于强调速度和品质， 尤其对于信息化建设总体水平较低，资源匮乏的中小企业来说，如何不必再投入 大量设备、资金、人力等资源，充分利用公共的i n t e m e t 通信设施条件及信息技 术带来的好处，从而具备快速相应客户需求变化的手段和能力，建立起自己的核 心竞争优势，已是一个迫在眉睫的问题。而a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 的出现，正好满足了此种需求。a s p ，即网络应用服务供应商，是指通过网络给 商家或个人提供配置、租赁和管理应用解决方案的专业化服务公司，即一种业务 租赁模式，企业用户可以直接租用a s p 的计算机及软件系统进行自己的业务管 理，从而节省一大笔用于i t 产品技术购买和运行的资金。与传统公司内部运作 的应用软件相比较，a s p 使其安全性、可靠性和可伸缩性大为增强。客户不必再 自己购置硬件设备、配景软件，成本大大降低。a s p 将成为今后企业使用软件的 主导模式。对于资源匮乏的国内大量的中小企业来说，选择a s p 提供的租赁服 务，是企业实现信息化的最好方式。企业可以通过这种i t 资源外包方式，在不 必投入大量设备、资金、人力等资源的条件下，充分利用公共的i n t e m e t 通信设 施，迅速地、甚至是“自助式地”在i n t e r n e t 上建立起具有竞争力的企业门户和 远程服务环境，使企业具有快速响应客户需求变化的手段和能力，如此一来，企 业就能在最经济的基础上，获得与大型企业同样的竞争优势i l 。 综合以上分析，本课题提出构建基于i n t e m e t 的远程监控与故障诊断公共服 务平台，即通过一个公共技术平台服务于多个客户和多个制造商( 如图1 3 ) 的 诊断模式。不同的制造商可以共同投资建设系统平台的软硬件设施，使用同一个 远程监控与故障诊断系统，节约投资；从行业角度出发，将共性技术和个性技术 相结合，实现标准化和规范化，从整体功能需求统一考虑，设计和开发通用的监 控和诊断模块，从单一用户的需求考虑，设计和开发适于单一用户的个性化的功 能模块。利用这个公共服务平台，使整个行业企业实现在一定范围内的信息和资 源共享、协同工作。这种模式适应企业集团化的发展趋势。 5 圭塑奎兰堡圭兰垡兰苎 图1 3 基于i n t e m e t 的远程监控与故障诊断公共服务平台 同时，基于i n t e m e t 的远程监控与故障诊断公共服务平台的提出给系统的开 发带来了巨大的挑战，如何以最快的速度搭建一个好的系统平台将最紧迫的业务 功能实现，如何能在用户企业和设备不断增加、设备快速更新换代和故障诊断方 法不断改进的情况下实现系统功能的平滑扩展，如何能在系统实现通用性的情况 下满足企业的个性化需求，如何能在处理数据庞大的情况下提高处理性能，如何 能在需求不断变化的情况下保护现有软硬件投资实现系统能力的扩充，这些都是 我们在设计和实现远程故障诊断系统时必须考虑的重点。由于应用传统软件开发 方法和技术开发系统时往往具有重复工作多，效率低下，开发周期长等弊端，并 且开发出的应用系统是一个独立的整体，系统的通用性和可扩展性差，缺乏灵活 性和适应性，在跨网络环境、跨平台和应用软件间的互操作性先天不足，这些都 使传统软件开发方法和技术难以满足我们系统的开发需求，因此必须寻找更合理 的开发方法和技术来解决上述问题。 1 4 构件技术的发展及其在远程故障诊断系统中的应用 计算机硬件技术的飞速发展使硬件实现了“即插即用”的功能。而大多数软 件开发组织仍然把每一个软件开发项目看成是必须完全从头开始的新任务，导致 大多数软件项目或是推迟交付时间，或是超出预算，甚至无法完成。 进入9 0 年代以来在软件开发领域由日趋成熟的构件技术引起的一场革命正 在悄悄兴起。构件技术已成为工业界普遍接受的提高软件质量、可靠性与软件生 产力的行之有效的方法和技术。构件技术的基本思想在于创建和利用可重用的软 件构件来解决应用软件的开发问题。软件构件，是指在软件系统设计中能够重复 使用的建筑模块【2 0 】。构件包装了一系列互相关联的操作和服务，具有模块性、可 重用性和可靠性等优点。构件概念的范围很广，小到图形界面的一个按钮，大到 一些复杂的构件如文字编辑器和电子表格。 6 上海大学硕士学位论文 从第一代( 二层) 和第二代( 三层) 的客户机服务器发展起来的基于构件的软件 开发( c o m p o n e n t - b a s e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，简称c b s d ) 是集软件复用、分布 式对象计算、企业级应用开发等为一体的技术，这种技术以软件架构为组装蓝图， 以可复用软件构件为组装模块，支持组装式软件的复用，大大提高了软件生产效 率和软件质量 4 6 】，具有开放性、易升级、易维护等优点。可复用软件构件技术及 基于构件的软件工程受到了人们的广泛关注。有专家预言，基于构件的软件工程 将对未来的软件工业产生巨大的冲击。为此，国内外对于这一技术的研究正在不 断深入，目前c b s d 在部分应用领域的研究已经从理论研究进入应用实施的阶 段，大型的软件公司( 例如s u n ，m i c r o s o f t ) 及软件组织机构( o m g ) 都推出了支持 构件技术的软件平台。 一般来说，采用c b s d 进行系统开发具有以下优势： ( 1 ) 系统集成性：利用构件技术的思想，系统不再采用传统的开发模式，而 是采用基于构件的软件开发模式。系统整体上呈现集成性，由不同的构件组合而 成。这样可以采用一些已有的软件构件，大大减少开发的时间。 ( 2 ) 可拓展性：由于系统是基于构件的开发，因此根据用户需求的改变，系 统可以很容易地增加和删除构件，从而达到用户的要求。即使是对某构件的功能 的修改，亦只要针对相应的构件进行修改，而不需要涉及到别的构件或是系统的 整体框架。采用构件开发的思想，大大提高了系统的适应性。 ( 3 ) 可重用性：正是基于构件开发的思想，系统是由构件集成。那么很多构 件的开发，不再是特定的，他们同样适应于领域内的其他系统。而这部分的构件 不需要再次开发就能使用，亦或是只要小小的改动即可，从而提高系统开发的效 率。 因此，本课题采用构件技术构建基于i n t c m e t 的远程监控与故障诊断公共服 务平台，从提取行业共性诊断技术出发，抽取和分离远程故障领域中的共同部分 和不同部分，并用构件技术将其封装和模块化，开发厩向远程故障诊断领域的可 重用构件，实现能够通过内部开发的、第三方提供的或市场上购买的现有构件来 集成和定制系统平台，满足系统的开发需求。 1 , 5 本文的主要研究内容 本文针对远程故障诊断这一特定领域，结合系统的建设和应用特点，运用构 件技术对系统进行分析、建模和抽取，构建适用于远程故障诊断领域的构件集合， 并利用这些构件搭建通用性模块化的基于i n t e m e t 的远程监控与故障诊断公共服 务平台。同时，总结在远程故障诊断系统中可复用构件技术实施软件复用的一般 规律和过程，以提高远程故障诊断系统的开发效率和健壮性，对今后相关系统的 7 上海大学硕士学位论文 开发起到一定的借鉴作用。 第一章阐述了课题研究的背景和意义，以及远程故障诊断系统的国内外研究 现状，并在对研究现状进行分析的基础上提出运用构件技术构建基于i n t e m e t 的 远程监控与故障诊断公共服务平台。 第二章详细分析了课题研究涉及到的技术，包括软件复用、构件技术和j 2 e e 开发框架。 第三章对系统进行了需求分析，对远程故障诊断系统的总体结构和功能结构 进行了探讨，并研究了系统的多层体系结构。 第四章论述了远程故障诊断系统的构件化设计，研究了设计模式在远程故障 诊断系统中的应用，重点讨论了基于统一建模语言u m l 和统一软件开发过程 r u p 的构件抽取方法，并给出实例，最后对远程故障诊断系统中的构件体系进 行了研究。 第五章论述了远程故障诊断系统的构件化实现，介绍了系统开发平台和工 具，研究了j 2 e e 平台下系统各层构件的实现策略，并对主要构件的实现进行了 研究。 第六章对研究成果和课题进行总结与展望，根据实际需求，结合最新的计算 机应用技术，对课题下一阶段研究和应用作进一步规划。 8 上海大学硕士学位论文 2 1 软件复用 第二章软件复用和构件技术 几十年来，在学术界和产业界的共同努力下，软件生产率直稳步上升，但 仍不能满足开发更可靠更复杂的新系统以及维护己有系统不断升级的需求。人们 希望找到快速开发软件系统的有效解决方案。软件生产自动化是人们追求的目 标，但是在仍然基于不一致的非形式化的用户需求开发可运行系统的情况下，自 动化仍然是难以企及的目标，要改变软件开发的现状，人们认识到软件复用是目 前比较现实的可实现的运行方案。 2 1 1 软件复用基本概念 软件复用是指在开发新的软件系统时，对己有软件的重新使用，该软件可以 是己存在的软件，也可以是号门设计的可复用构件。能够被复用的制品种类不限 于源代码段，还可以包括设计结构、模块级实现结构、规格说明、文档和变换等 软件制品【2 j i 。软件复用是重复使用“为了复用目的而设计的软件”的过程，而可 复用软件则是指为了复用目的而设计的软件。与软件复用的概念相关，重复使用 软件的行为还可能是重复使用“并非为了复用目的而设计的软件”的过程，或在 一个应用系统的不同版本闻重复使用代码的过程，这两类行为都不属于严格意义 上的软件复用。 在软件演化的过程中，重复使用的行为可能发生在三个维上： ( 1 ) 时问维：使用以前的软件版本作为新版本的基础，加入新功能，适应新 需求，即软件维护。 ( 2 ) 平台维：以某平台上的软件为基础，修改其和运行平台相关的部分，使 其运行于新平台，即软件穆植。 ( 3 ) 应用维：将某软件( 或其中构件) 用于其他应用系统中，新系统具有不同 功能和用途，即真正的软件复用。 这三种行为中都重复使用丁现有的软件，但是，真正的复用是为了支持软件 在应用维的演化，使用“为复用而开发的软件( 构件) ”来更快、更好地开发新的 应用系统。 软件复用的思想由来己久，从早期的过程( 函数) 复用到对象( 类) 的复用再到 现在的构件复用，复用技术不断发展。软件复用可以从多个角度进行考察。依据 复用的对象，可以将软件复用分为产品复用和过程复用。产品复用指复甩己有的 软件构件，通过构件集成( 组装) 得到新系统。过程复用指复用己有的软件开发过 9 上海大学硕士学位论文 程，使用可复用的应用生成器来自动或半自动地生成所需系统。过程复用依赖于 软件自动化技术的发展，目前只适用于一些特殊的应用领域。产品复用是目前现 实的、主流的途径。 依据对可复用信息进行复用的方式，可以将软件复用区分为黑盒( b l a c k - b o x ) 复用和白盒( w h i t e b o x ) 复用。黑盒复用指对已有构件不需作任何修改，直接进行 复用。这是理想的复用方式。白盒复用指已有构件并不能完全符合用户需求，需 要根据用户需求进行适应性修改后才可使用。而在大多数应用的组装过程中，构 件的适应性修改是必需的。 通常情况下，应用软件系统的开发过程包含以下几个阶段：需求分析、设计、 编码、测试、维护等。当每个应用系统的开发都是从头开始时，在系统开发过程 中就必然存在大量的重复劳动，如：用户需求获取的重复、需求分析和设计的重 复、编码的重复、测试的重复和文档工作的重复等。而软件复用是利用已有的软 件成分来构造新的软件，它可以减少软件开发所需的费用和时间，并有利于提高 软件的可维护性和可靠性，出发点是应用系统的开发不再采用一切“从零开始” 的模式，而是以己有的工作为基础，充分利用过去应用系统开发中积累的知识和 经验，将开发的重点集中于应用的特有构成成分。 2 1 2 软件复用关键因素 软件复用有三个基本问题，一是必须有可以复用的对象，二是所复用的对象 必须是有用的，三是复用者需要知道如何去使用被复用的对象。软件复用包括两 个相关的过程：可复用软件( 构件) 的开发( d e v e l o p m e n tf o rr e u s e ) 和基于可复用软 件( 构件) 的应用系统构造( 集成和组装) ( d e v e l o p m e n tw i t hr e u s e ) 。解决好这几个方 面的问题才能实现真正成功的软件复用。 与以上几个方面的问题相联系，实现软件复用的关键技术因素主要包括：软 件构件技术( s o r w a r ec o m p o n e n tt e c h n o l o g y ) 、领域工程( d o m a me n g i n e e r i n g ) 、 软件构架( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 、软件再工程( s o r w a r cr e e n g i n e e f i n g ) 、开放系统 ( o p e ns y s t e m ) 、软件过程( s o f t w a r ep r o c e s s ) 、c a s e 技术等。 除了上述的技术因素以外，软件复用还涉及众多的非技术因素，如：机构组 织如何适应复用的需求：管理方法如何适应复用的需求；开发人员知识的更新； 创造性和工程化的关系：开发人员的心理障碍；知识产权问题；保守商业秘密的 问题；复用前期投入的经济考虑；标准化问题等等。实现软件复用的各种技术因 素和非技术因素是互相联系的。它们结合在一起，共同影响软件复用的实现。 l o 上海大学硕士学位论文 2 2 构件技术 通过软件复用，可以控制软件开发的复杂度，缩短开发周期，并提高软件产 品的质量。由于软件开发模式多种多样，因此复用的方式也不尽相同，其中基于 构件( c o m p o n e n t ) 的复用是目前学术界和产业界公认的主流技术，与其他复用方 式相比。基于构件的复用更为可行、实用。 构件技术以面向对象技术为基础，并很好地发展了面向对象技术。它的目的 是将对象，包括其用户界面、对外接口等属性以及对象的功能实现封装成一个规 范的、标准的、可以方便地被构件容器所操纵和使用的整体，使其成为一个通用、 高效的软件部件，使设计人员可以通过对各种各样的软件构件的使用，来方便、 快捷地生成应用系统，从而进一步提高了软件的可重用性，缩短软件开发周期、 提高开发效率、增加软件开发的规范性。它涉及构件的获取、管理以及组装等环 节。 2 1 1 构件概念 由于构件自身固有的特性，目前人们对构件这个概念还没有一个统一的定 义，下面是关于构件的一些具有代表性的观点： 构件是一个独立的可传递的操作的集合。 - 构件是软件开发中一个可替换的软件单元，它封装了设计决策，并作为 一个大单元的一部分和其它构件组合起来。 构件是由对象类组合起来的物理意义上的包。 _ 构件是具有特定功能，能够跨越进程的边界实现网络、语言、应用程序、 开发工具和操作系统的“即插即用”的独立的对象。 _ 构件在通常意义上是指任何被分离出来的，具有标准化的和可重用性的 公开接口的软件( 子) 系统。 对象管理组织o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 对构件的定义是田】：构件是 一段具有自己的数据和逻辑的自包含的软件代码，并且具有良好的与外界通信接 口。 纵观上述观点，构件的一般定义为：构件( c o m p o n e n t ) 是一个独立发布的功 能部分，可以通过它的接口访问的服判矧。 通过这个构件的概念，可以发现构件的很多重要方面： 一它将构件定义为一个可交付的单元，因此具有可执行软件包的特征。 _ 它提到构件会提供一些有用的功能，这些功能集合到一起会满足一些需 求，这些功能的设计符合一些设计准则。 上海大学硕士学位论文 构件通过接口提供服务。使用构件，要求通过这些接口提出请求，面不 是通过访问构件的内部实现细节。 当然，这仅仅是构件的狭义理解，从广义上来说，构件还可以是需求分析、 设计、代码、测试用例、文档或软件开发过程中的其它产品 2 4 1 。但通常情况下是 指前者。 2 1 2 构件的研究内容和基本性质 软件构件技术是支持软件重用的核心技术，是近几年来迅速发展并受到高度 重视的一个学科分支。其主要研究内容包括【2 5 l ： 一构件获取。有目的的构件生产和从已有系统中挖掘提取构件； 构件模型。研究构件的本质特征及构件间的关系； _ 构件描述语言。以构件模型为基础，解决构件的精确描述、理解及组装 问题； 构件分类与检索。研究构件分类策略、组织模式及检索策略，建立构件 库系统，支持构件的有效管理； _ 构件复合组装。在构件模型的基础上研究构件组装机制，包括源代码级 的组装和基于构件对象互操作性的运行级组装： 标准化。构件模型的标准化和构件库系统的标准化。 可重用构件应具备以下特征1 2 6 j ： 有用性，必须提供有用的功能； 可用性，必须易于理解和使用； 适应性，应该易于通过参数变化等方式在不同语境中进行配置： _ 可移植性，应能在不同的硬件平台和软件环境中工作。 - 可靠性，构件自身及其变形必须能正确工作； 通过基本性质来描述软构件，我们认为，软构件具有三个相互关联的基本性 质【2 7 l ： 重用性( r e u s a b i l i t y ) 。重用是软构件存在的意义，也是软构件技术的目的 和发展的驱动力； 封装性( c a p s u l i z a b i l i t y ) 。软构件是一个自包含的实体，封装了设计和实 现的内容，仅通过接口与外界交互； 组装性( c o m p o s i t a b i l i t y ) 。软构件通过组装可以形成更大的整体( 应用系 统1 ，组装是实施重用的手段。 上海大学硕士学位论文 2 1 3 构件模型 构件模型是构件技术的核心内容，是构件定义和构件性质的具体化。构件模 型除定义了构件的本质属性外，还规定了构件接口的结构以及构件与应用框架 ( f r a m e w o r k ) 、构件与构件之间的交互机制。构件模型通常还提供创建和实现构 件的指导原则。一个被构件生产者和使用者所共同接受的构件模型实际上起到了 构件标准化的作用。 构件模型的思想是创建可重复使用的构件并将其组合到容器中，来获得新的 应用系统。构件模型定义了构件的基本体系结构、构件界面的结构、与其他构件 及容器相互作用的机制等。利用构件规范说明，构件开发人员实现那些应用系统 逻辑的构件，而应用系统开发人员则把这些预先开发好的构件组合成应用系统。 软构件模型思想己经在软件界迅速流行，因为它有以下的优点：重用、高层开发、 通过工具进行自动开发、简化开发过程。 o m g 的c o r b a ，m i c r o s o f t 的c o m d c o m 和s u n 的j 2 e e 为当前的主流 构件模型，这三种主流构件模型都有自己的优势。其中j 2 e e 的多层分布式处理、 基于w e b 的轻量级客户端、对异构平台的支持、良好扩展性和安全性，是组件 化软件实现的最佳方案，并且j 2 e e 还广受业界的支持，产品总成本低，成熟稳 定，同时由于本系统服务器端采用l i n u x 操作系统，因此本课题采用j 2 e e 来实 现远程故障诊断系统，下面重点对j 2 e e 进行介绍。 2 3 j 2 e e j a v a2e n t e r p r i s ee d i t i o n ( j 2 e e ) 是s u n 公司提出的利用j a v a 2 平台来简化企 业解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构，它提供中间层集成 框架用来满足高可重用性、高可靠性以及可扩展性的应用的需求。通过提供统一 的开发平台，j 2 e e 降低了开发多层应用的费用和复杂性，同时提供对现有应用 程序集成强有力支持，j 2 e e 确保在其平台上开发出来的应用程序具有很好的移 植性和扩展性，它为开发人员提供了一个基于构件的方法来设计、开发、装配和 部署企业级应用程序。 2 3 1 灵活的系统结构 与传统的c s 或b s 结构相比，j 2 e e 在构件化开发中的应用相当灵活： ( 1 ) j 2 e e 将客户端数据和业务逻辑相分离，通过接口相互丽各司其职。在保 持接口不变的情况下，某一层次的变更对其它层次的影响最小。中间层次的组件 化又将业务逻辑按需要进行分离，每一组件处理自己盼业务需求，并通过接口调 1 3 上海大学硕士学位论文 用其它组件，使得各部分适应变化的能力更强，并为组件的复用提供的基础。 ( 2 ) 系统结构丰富。传统的b s 结构虽然实现在轻量级的客户端和零安装， 但网页的表现形式、报表处理功能较弱。在局域网内处理效率不及c s 结构。而 传统c s 或将表现层与处理层绑定，或将处理逻辑与数据库绑定，又未实现发布 的灵活性。j 2 e e 支持这两种结构，f _ , j b 组件可以响应w e b 请求，也可响应 a p p l i c a t i o n 请求。系统可以对不同的用户开放不同的界面风格，而保持后台处理 服务不变。 ( 3 ) 实现高效的开发。j 2 e e 允许用户把一些通用的、很繁琐的服务端任务交 给中间件应用服务器去完成。这样开发人员可以集中精力在如何创建商业逻辑 上，相应地缩短了开发时间。 2 3 2j 2 e e 多层结构 j 2 e e 平台提供了个多层分布式应用程序模型，该模型具有重用构件的能 力、基于扩展标记语言( x m l ) 的数据交换、统一的安全模式和灵活的事务控 制。一个多层的分布式应用模型意味着应用逻辑根据功能而被划分成构件，并且 安装在j 2 e e 的不同层内。这些层是客户层、表示层( e pw e b 层) 、业务层及数据 库或企业信息系统层( e i s ) 。如图2