（机械制造及其自动化专业论文）基于gprs的城市管网检测管理系统设计.pdf

基于g p r s 的城市管网检测管理系统设计 摘要 随着我国城市化建设的快速发展，城市管网系统日趋复杂，水、 电、气、油等对人民生活与生产的影响日益重要。对这些资源的输送 管网的管理和监控成为城市管理中的重中之重。 目前，我国大多数水厂、供电部门、供气单位的监控技术仍很落 后，尤其是输送管网的管理，很多还在采用专人定期定点巡检和抄录 不仅运营成本很高，而且很难适应现代化管理手段的需求。 本文提出一种基于g p r s 的远程管网监控系统。该系统以g p r s 网络作为远程信号的传输平台，并结合地理信息系统技术，对管网进 行远程监控。系统解决了监控中的无线通信问题，具有更好的可靠性 和实时性。 本文首先分析了g p r s 技术的现状，然后详细描述了系统总体设 计思想与实现功能，并在此基础上对系统各部分结构及实现方案进行 了深入分析与研究。 然后论文对系统软件设计进行了详细的论述。软件系统采用面向 对象的设计方法，在设计中使用了许多成熟的设计模式。 该系统功能丰富，操作简单，安装与维护方便，且便于以后的扩 展与升级。 关键词：g p r s ，r t u ，设计模式 t h ed e s i g n0 fc i t yp i p en e t w o r km o n i t o r i n g a n dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ng p r s a bs t r a c t a sc h i n e s eu r b a n i z a t i o n s r a p i dd e v e l o p m e n t ，t h ei n c r e a s i n g c o m p l e x i t yo fc i t yp i p e l i n es y s t e m ，t h ew a t e r , e l e c t r i c i t y ，g a s ，o i l ，e t c f o r t h ep e o p l el i v i n ga n dp r o d u c t i o ni sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t o f t h e s er e s o u r c e sp i p e l i n em a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n go ft h en e t w o r kh a s b e c o m et h ep r i o r i t yo fu r b a nm a n a g e m e n t a t p r e s e n t ，t h em a j o r i t yo fo u rw a t e rp l a n t ，p o w e rs e c t o r , g a ss u p p l y u n i t s ，m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sf a l l i n gb e h i n d ，e s p e c i a l l yt h ep i p e l i n e n e t w o r km a n a g e m e n t m a n yo ft h e ms t i l l u s i n gp e r i o d i c a l m a n u a l i n s p e c t i o n n o to n l yt h eh i g ho p e r a t i n gc o s t s ，b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt o a d a p tt ot h en e e d so f m o d e r nm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r ，ag p r s b a s e dr e m o t en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mi s d e v e l o p e d t h es y s t e m m a k eg p r sn e t w o r ka sa p l a t f o r m f o r l o n g d i s t a n c es i g n a lt r a n s m i s s i o n ，c o m b i n e dw i t hg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m st e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k m o n i t o r i n g s y s t e ms o l v e st h ep r o b l e mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dh a sb e t t e r r e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m e a tf i r s tt h ea r t i c l e a n a l y z e s t h es t a t u so fg p r s t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，a n dm a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h es y s t e md e s i g na n d f u n c t i o n s ，o nw h i c hb a s i st h ep a p e ri n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h e s y s t e ms t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o np r o g r a m s t h e nt h es o f t w a r es y s t e md e s i g n sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e s o f t w a r es y s t e m su s et h eo b je c to r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，a n du s em a n y o fs o p h i s t i c a t e dd e s i g np a t t e m s t h es y s t e mi sr i c ho ff e a t u r e ，s i m p l et oo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n to n i n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，a n de a s yt oe x p a n s i o na n du p g r a d e s k e yw o r d s ：g p r s ， r t u ，d e s i g n p a t t e m v 独创性( 或创新性) 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及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：绌垒土 日期：丝121j ! 12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：圣缒鱼垒这 导师签名： 日期： 日期： z o o j 门 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着国家经济的迅速发展，水、电、气、油等对人民生活与生产的影响日益 重要，质量与安全的要求不断提高。水、电、气、油等的价值也在提升，有关管 理和经营单位更加重视生产、供应等每个环节的质量设备安全和运行监测等管理 水平。 目前，我国大多数水厂、供电部门、供气单位的监控技术仍很落后，尤其是 输送管网的管理，基本采用专人定期定点巡检和抄录，首先是运营成本很高，其 次很难适应现代化管理手段的需求，给国家和企业造成了巨大的经济损失和资源 浪费。因此市场上迫切需要一种建设成本和运行成本较低，安装、维护和操作简 便的管网监测系统。 同时由于管网老化引起的频发的管网事故往往会给城市正常运行造成严重 影响，而沿用传统的人工巡查的管理模式将很难满足城市发展的要求。 城市管网监控管理系统要能够对管网资源进行统一配置，实现最优化的生产 调度管理，实现遥测、遥控、故障报警、远程查询控制、管网资源统计等功能， 具有实时性、可靠性、安全性、经济性、操作简便易用及智能化和技术上的高度 先进性等特点，有利于工作人员及时了解管网的情况并做出相应的控制和管理。 但仅仅设计硬件的监测系统不利于普通巡线人员的操作和数据采集。所以需 要设计配套的监测中心软件系统。同时，建立监测数据数据库也有利于对管网数 据的长期分析和预测。 1 2 研究现状及发展趋势 国内从2 0 世纪8 0 年代开始，s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统) 系统在监测行业得到了广泛的应用。 它可以实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自动控制，对供水过程 进行全面、实时监视，并为生产、调度和管理提供必要的参考数据。但早期的 s c a d a 系统通一讯方式落后，系统相对封闭，数据共享能力差，与现代化的水 厂运作模式要求己经有了较大的差距。 而国外在此领域发展较早，投入更大，应用也更加广泛，我国在很多时候还 不得不高价引进国外的监测系统。我国在这个方面的研究工作与国外还存在很大 差距。前不久北京就刚刚引进了一套帕玛劳管网漏水监测系统，但我们应该看到 中国大部分城市的管网监测还是一片空白。 建立起一套属于中国自己的全方位、动态的全企业远程共享的实时监测系统 不仅有着非常现实的意义和非常广大的市场，更重要的是从长远来看，建立自己 的监测系统对保护国家经济安全也有着重要意义。 采用在g p r s c d m a 无线数据通信平台上搭建高度自动化的管网监测管理 系统的方案能够极大地简化管网的检测维护工作并节约市政运营成本。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础 的数据传输技术，可说是g s m 的延续。g p r s 和以往连续在频道传输的方式不 同，是以封包( p a c k e t ) 式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单 位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。采用这种成熟的技术正是为了 保证系统的稳定性和成本的控制。 1 3 本文的主要工作 针对目前管网监控中存在的问题，本文提出一种基于g p r s 的远程管网监控 管理系统，该系统以远程终端控制单元( r t u ：r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 作为现场数 据采集的核心，结合各种工业级的传感器，实现管网数据的远程采集功能。然后 以g p r s 网络作为远程信号的传输平台，将数据实时传送到监控中心，并设计实 现监控中心软件，结合g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 等技 术，对管网进行远程监控和资源管理。 该系统抛弃了无线电台和电话线等通信方式，代之以g p r s 网络，系统可靠 性更高。系统中使用的监控终端r t u 能够从现有的流量计和压力计等监控设备 或组态软件程序中读取监控数据，减少了安装新设备的成本，同时论文中提出了 监控终端在井内的安装方案，消除了井下环境对监控设备的影响。 论文还设计了监控中心软件，定义了监控中心和监控终端之间通信协议和消 息格式，保证了通信的可靠性，使终端能够及时上传各种监控数据和告警消息， 提高了系统的实时性，同时监控中心也能对终端的参数设置和软件程序进行远程 维护，提高了工作效率，节省了人力成本。 同时在软件设计中大量应用了各种先进的设计模式理论，使得系统模块的维 护和功能修改变得十分简便。 论文第一章绪论中，概述研究课题的背景，管网监控系统的现状及发展趋势， 以及论文的组织结构。 第二章讲述g p r s 技术现状。 第三章，介绍系统的主要功能，提出系统的总体设计，并对系统主要模块的 结构设计进行介绍。 第四章，详细介绍了消息解析模块和监控中心管理器模块的功能结构，并给 出了设计与实现 方案。 第五章对全文进行总结，并对监控系统以后的发展提出了一些建议。 2 1g p r s 技术现状 2 1 1g p r s 的概念 第二章相关技术现状 g p r s 的英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，中文含义为通用分组无线 业务，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 护连接。它是在现有的g s m 网络基础上增加一些硬件设备并同时对原有网络软 件进行升级，形成了一个新的网络。 g p r s 是一项高速数据处理的技术，它以分组交换技术为基础，用户通过 g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务。 g p r s 是g s m 向3 g 系统演进的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过 渡，同时又兼顾了现有的第二代系统，是第二代g s m 系统过渡到第三代w c d m a 系统的必经之路，所以g p r s 又被称为“2 5 g 【1 1 。 2 1 2g p r s 的主要特点 g p r s 是一种基于包的无线通信服务，它使得通信速率从5 6 k b s 一直上升到 11 4 k b ：，并且支持计算机和移动用户的持续连接。在理论上，g p r s 包服务的花 费将比电路交换服务所花的费用少；信道是共享使用的，在需要的时候才有包产 生，比专用的连接要节省很多资源：它将使得为用户提供应用服务更加简单。 g p r s 具有以下优点： 1 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，改变了原来采用电路交换模式的g s m 4 传输数据方式。 按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占 有无线信道：而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源， 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 2 传输速率高 g p r s 可提供高达 ll s k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 z k b s ) 。巨大的吞吐 量改变了以往单一面向文本的无线数据应用，使得包括图片、话音和视频在内的 多媒体业务成为现实。 3 永远在线 g p r s 在不传输数据时并不与网络断开，只是把信道让出来，如果继续传输 数据，接入时间小于1 5 ，能提供快速及时的连接。用户访问互联网时，点击一 个超级链接，手机就在无线信道上发送和接收数据，使用户感觉好像一直都在网 上。 4 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持i n t e r n e t 上的应用最为广泛的口协议和x 2 5 协议，促进了通信 和数据网络的融合。 目前在g p r s 上可以开展的业务有：移动互联网业务( w e b 浏览、等) ；移动办 公；电子商务和电子银行；信息点播；家庭监视与控制等。可以与多种网络交互， e m a i l 、f t p 和t e l n e t 多媒体聊天、娱乐游戏。【2 】 2 2r t u 发展及应用 r t u 英文全称r e m o t et e r m i n a lu n i t ，中文全称为远程终端控制系统。 r t u 具有的特点是： 1 、通讯距离较长 2 、用于各种环境恶劣的工业现场 3 、模块结构化设计，便于扩展 4 、在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛 使用。 r t u 通常负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制 器p l c 相比，r t u 通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶 劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于r t u 完善的功能，使得 r t u 产品在s c a d a 系统中得到了大量的应用。 r t u 用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。r t u 将测得的状态 或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数 据转换成命令，实现对设备的功能控制。 监视控制和数据采集是一个含义较广的术语，应用于可对安装在远距离场地 的设备进行中央控制和监视的系统。s c a d a 系统可以设计满足各种应用( 水、 电、气、报警、通信、保安等等) ，并满足顾客要求的设计指标和操作概念。s c a d a 系统可以简单到只需通过一对导线连在远端的一个开关，也可复杂到一个计算机 网络，它由许多无线远程终端设备( r t u ) 组成并与安装在中控室的功能强大的 微机通信。s c a d a 系统的远程终端设备可以用各种不同的硬件和软件来实现。 这取决于被控现场的性质、系统的复杂性、对数据通信的要求、实时报警报告、 模拟信号测量精度、状态监控、设备的调节控制和开关控制。 第三章基于g p r s 的城市管网监控系统架构设计 3 1 系统总体架构设计 本系统可以作为管网企业生产、供应、应急抢险的调度指中心，也是相关数 据的汇集、发散中心，是公司相关生产、运营、管理数据资源的发布平台。 本系统依托数据系统，控制接入系统和显示系统，可以完成日常的管网监控、 故障处理、生产供应调度等基本功能，还可以完成在特定情况下的应急指挥调度 等功能。 本系统的建设是一个综合性的系统工程，涉及了计算机软、硬件、计算机网 络、有线通信、无线通信、g i s 地理信息系统、监控、报警、图像等许多领域。 包括复杂的计算机网络、有线及无线通信系统、电源保障系统、监控台坐席等。 圈3 - 1 系统拓扑结构 系统分为咀下几个组成部分：管理器，处理服务器，消息代理，远程终端控 制单元，数据库。具体结构图如下 图3 2 系统整体架构图 为了进一步提高系统的安全性，也可以把管理器和数据库服务器单独组网， 应用服务器配置双网卡，这样保证数据库服务器只有管理器一台计算机可以访 问，其它任何计算机都物理上无法连接。其它如客户端等都是远程调用应用服务 器上相关服务组件来操作数据库，彻底将对于数据库的操作封装起来，系统整体 安全性得到极大提高。【3 】 3 2 系统硬件构成 系统包含以下主要设备： 1 g i s 服务器：运行a r c g i s 的服务器端，进行管理系统的地图界面呈现和 图形管理。 2 组态服务器：运行o p c 组态软件，负责后台处理现场各厂站的监控数据， 9 完成实际的监控操作。向g i s 服务器提供接口，以实现和g i s 服务器数据的交 换和命令的传递。 3 备份组态服务器：作为组态服务器发生故障时的备用，同时为组态服务器 中的数据库提供备份。 4 监控终端：运行监控中心软件，以c l i c n t s e r v e r 方式分别实现与g i s 服务 器、组态服务器的信息双向传送。这种机制可以为大量的管线和厂内监控数据的 处理提供优越的性能保证，提供良好的人机交互界面，实现管理人员对管线的实 时监控。 5 通信服务器：通过g p r s 网络和远端监控点进行通讯，负责数据格式的转 换，实现监控中心和监控点之间的信息无线传输。 通讯服务器不断对于r t u 是否上线进行监听，其内部记录一个r t u 在线情 况表，记录合法的r t u 在线情况。当r t u 在线时，通讯服务器就接收监控终端 发来的对此r t u 操作的命令，将命令转发给r t u ，等待命令执行的结果。收到 命令执行结果后将结果发回监控终端。同一个时刻对同一个r t u 只能执行一条 命令，故在r t u 执行命令的过程中，如果收到另外的监控终端发过来的操作命 令，系统会拒绝接收。 6 数据库服务器：用于保存各种监控数据以及其它与中水管网监控管理和系 统运行维护相关的数据。 7 r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t 远程终端控制单元) ：负责把现场采集的压力 和流量等参数通过g p r s 网络传到监控中心，并完成监控点和监控中心的通讯连 接和侦听重连等任务。采用a r m 9 主板系统和l i n u x 2 4 内核。 3 3 处理服务器 处理服务器( p s ：p r o c e s s i n gs e r v e r ) 是整个监控中心的核心，处理底层采集的数 据，并根据预先业务设定的业务处理逻辑对系统进行自动控制。处理服务器主要 完成数据采集、实时参数设置、系统级通信链路维护、设备状态管理、错误告警 1 0 处理等任务，系统通过底层平台与消息代理进行通信，系统接收来自管理器的命 令和消息，完成监控系统中的既定任务和无线监控中特定的连接跟踪维护工作， 以及操作数据库，完成配置信息、保持或者恢复运行状态等操作。【4 】 3 3 1 处理服务器的用例设计： 通过系统总体设计框图可以知道，p s 有六大功能：系统参数配置与修改、数 据库操作、接收下行消息、进行消息处理、发送下行消息、各种系统调度管理( 可 以进一步细化) 。其u m l 用例图如下所示 ) ( ) 系缬渗嗤蝤i 己置系纷调度 弋7 f 乒_ ( j 二声之_ 一) 一，戈 消息代理发送下行消息处理服务器 接收下行消息 管理器 ，、l 厂、 j ff - - - - - ) v 、一一一一。 消息处理 煳磁作数据库 图3 - 3 处理服务器用例图 整体用例图中得某些部分还可以进行细化，以帮助编程人员确立正确高效的 解决道路。本文将对数据库操作功能模块做进一步的用例设计。任何一个数据库 模块，其应当具备的基本功能无外乎连接数据库、执行s q l 语句、调用存储过 程、查询结果集等等，这些功能的具体设计可以封装a d o 的底层函数实现，同 时参考处理服务器的整体用例图，考虑在处理服务器与数据库之间使用四个数据 库常连接，分别对应着管理器消息件、消息代理消息件、底层的r t u 、调度模 块。详细的用例图如下： 管理器塑息件链消息佳要矛息件 调度模块链路f 讯麒欺链路 路链路 。 图3 - 4 处理服务器详细用例图 3 3 2 处理服务器的类图设计： 类图是确定系统设计模型的基础和关键，也是实现动态建模的依据，不确定 类图，就无法做出状态图、协作图等。类图的创建是一个需要不断反复修正的过 程，需要丰富的面向对象的知识和经验。 通过分析使用案例，论文确定了该系统的基本框架类，其中包括： 1 c p r o c e s s i n g s e r v e r ：表示监控处理服务器，完成基本的系统加载、系统参 数配置、数据库连接等操作。 2 c m a n a g e r ：管理器类，负责处理管理器的登陆、注销等操作。 3 c m e s s a g e a g e n t ：消息代理类，负责处理消息代理的登陆、注销等操作。 4 c t a s k s c h e d u l e ：该类派生出若干调度类，完成调度功能。对于系统中各项 定时或定周期的监控任务，如周期性采集远程监控单元运行状况，校准现场监控 单元的时间确保其与监控中心时钟保持一致等。系统通过封装调度类 c s c h e d u l e r ，调度类内封装了进程或者线程，满足监控系统的实时多任务特征， 实现了对并发处理的要求。 5 c f s u ：现场监控单元类，负责处理跟现场监控单元密切相关的各种操作。 6 c d a t a b a s e w a r e ：数据库连接中问件类，系统与数据库的连接采用数据库件 类封装。 具体的类图设计如下图所示： ，c d 臼黼 。1 1 ：n 1 ，；一+ i t m c f s o 1 一一 鬯 兰卜誉冬卡竺竺 l 一11 _ 一抽 ，。：一一 o 1 一n 1 一n 。一 匠苗i f - 三 图3 - 5 处理服务器类图 既然处理服务器的主要功能中有两个分别是负责接收管理器命令消息以及 下发消息给消息代理，无论从系统的物理体系结构还是逻辑体系结构，都应该设 想到提取这两个类的共性，形成一个消息接收、存储、转发的可复用功能模块。 因此，系统中可以加入一个新的功能模块，命名为c m e s s a g e w a r e 。该消息件模 块负责物理实体( 消息代理和管理器) 的i p 地址以及端口的配置和管理，并调 用底层的通信模块接收数据，进行存储，解释消息含义，进行相应的处理操作。 上面提到的底层通信模块是本论文应用s o c k e t 通信技术设计的一个通信类，该 类封装了s o c k e t 的基本操作，实现了利用本系统中指定的u d p 协议对指定的端 口的读写命令，该类命名为c c o m m u n i c a t i o n 。由于监控系统的实时性要求比较 高，本系统中大量使用多线程技术，为了对系统的消息进行有效的管理和操作， 因此论文又设计了一个消息队列类，该类使用了c + + 中的s t l 标准模板库 d e q u e 模板实现，命名为c m e s s a g e q u e u e 。 加上c m e s s a g e w a r e 和c m e s s a g e q u e u e 之后的处理服务器类图如图6 所示。 其中c m a m e s s a g e w a r e 和c m g r m e s s a g e w a r e 是继承自c m e s s a g e w a r e 的子类， 分别对应于消息代理和管理器，负责消息的解释和转发处理等工作。在 m e s s a g e w a r e 中包含有三个消息队列对象c m e s s a g e q u e u e ，分别存储接收的消 息、发送的消息和分发的消息。 c u n k 。 1 、1 。n 一 ：a 性i n 妁甘j a 惦g q 麒冶 - o c ( ) m mi n c a l i o n 图3 - 6 添加了消息件的处理服务器框架类 3 3 3 处理服务器的动态建模： 动态建模是面向对象方法中的一个重要步骤，它主要描述整个系统的控制结 构，在功能分析和对象建模的基础上确定每一个类及其子类的行为。在u m l 中， 1 4 、卜。 一 。彳 动态建模是通过行为图( 状态图、活动图) 和交互图( 序列图、协作图) 表示的。 每种表示方法都从不同角度描述了系统的行为。下面针对处理服务器中不同 模块的相互关系以及工作原理，会选择不同的动态建模方案。 消息处理模块的序列图建模： 处理服务器消息件序列图如下图所示，为了更清楚地表示监控中心以消息为 驱动的行为特性，采用了序列图( s e q u e n c ed i a g r a m ) 的方式描述该动态模型。 消息进行解 通篮撞坻；澄息丛到摸堪； 1 篮理盟丛到型盈；! c c o m m u n i c a 石o c m e s s a g e q u e u i v e c t o r s t o它( ) 线程启动 。八 广 m e m c z 3 一 、线程动j 、 送删) 厂发送指定消、 。线程启动卜二一 争 n 。、， 、 喜 国序退出否 弋 ， 个 、 寒出发送队列队首的消息 卜 八 消息分发 曹 线程启动卜一- ( 分发删) 底层到管理器得消息需要分 如 发，下行消息在特殊。隋况下 需要向多个消息代理发送 3 4 远程终端控制单元 图3 - 9 调度模块的活动图建模 远程终端控制单元是一种远端测控装置，负责对现场信号、工业设备的监测 和控制。与常用的可编程控制器p l c 相比，r t u 通常要具有优良的通讯能力和 更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。j 下是 由于r t u 完善的功能，使得r t i j 产品在监控系统中得到了大量的应用。 5 】 3 4 1 相关特性 1 实时在线 主程序运行后，每隔1 0 分钟p i n g 监控中心的r o u t e r 和m a ，如果二者中有 一方可以p i n g 通，g p r s 网络工作正常。如果都没有p i n g 通，主程序给g p r s 模块断电5 0 秒钟重新加电。加电2 0 秒后，启动拨号程序进行g p r s 拨号。 主程序运行后，首先向监控中心发送登录消息。如果收到登录消息的回应， 表示系统工作正常。可以上报采集的数据。如果没有收到登录消息的回应，r t u 每隔1 0 分钟发送一次登录消息。在没有收到登录消息的回应的前提下，r t u 不 会向监控中心发送任何消息。 2 实时数据采集 r t u 每隔5 秒钟采集一次现场的数据，例如电压、液位、井盖、压力的信 息。对于需要断电的设备，比如压力的信息。数据读取后，判断其是否有效( 在 压力设备加电，并且加电时间大于3 0 秒钟后读取的数据认为有效) 。不需要断 电的设备，读取的每次数据都是有效的。 3 告警实时上报 r t u 采集到的数据超过设定的上下限时，自动向监控中心发送告警消息。 4 远程参数可配置 可通过管理器对r t u 的多项参数进行设置。 5 实时数据上报时，无g p r s 信号，采用短信发送 6 节电特性 r t u 会根据采集设备配置的工作时问间隔，每次加电的工作时问。进行设 备的断电、加电工作。 3 4 2 程序模块划分 c p a r a m f i l e 类：负责应用程序的所有可配置、修改的参数的管理类。完成如 下功能： 1 程序启动时，从l m a s c f g 文件中读取所有的参数； 2 接收到监控中心的配置消息后，记录修改的参数到配置文件。 c m s g w a r e 类：负责监听来自监控中心的数据，查看类型并转发给数据处理 器或者是信令处理器。另外，负责将分别来自数据处理器和信令的消息上发给监 控中心。 l i n k c h e c k 类：负责监视无线网络的状态，判断是否需要发送心跳包、是否 需要p i n g 、是否需要重新拨号。( 包含了信令处理器) m s g p r o c e s s o r 类：负责解析数据层的数据，转发给l m a s r t u 类去处理。 另一方面封装来自r m 的各种需要上报的数据，转发给m s g w a r e 类。 l m a s r t u 类，负责实时查询现场数据，控制i o ，实时数据上报，接收查 询和配置指令。 c o m m u n i c a t i o n 类：实现具体的u d p 操作，读取端口数据，发送消息至监 控中心 r s 2 3 2 类：实现串口的读写操作，提供s e n d 和r e a d 接口函数。 由此得到类关系图： c p a 阳m f i i e 一一一 一。_ _ 一 c m s g p r o c e s s o r - 号 二” 。 c p i r k j ! “+ c l i n k c h e c k ， 小 、 c m s g w a r e - ) c o m m u n i c a t i o n 厂l m a 耋盯u 0 一覃 l 一一t j ，l c f s u 图3 - 1 0r t u 类图 1 9 3 5 软件模块构成 系统软件的构成主要分为r w c i 管理器、r w c i 处理服务器、消息代理三个 部分。 3 5 1 消息代理 图3 - 1 1 系统构成示意图 消息代理用于通讯服务器上接收从各个现场监控单元发送来的消息，通过解 析，将其转化为更易识别的x m l 格式的消息，发送给处理服务器：同时，将处理 服务器发来的对于现场监控单元的命令转换为现场监控单元程序能识别的格式， 发送给相应的现场监控单元。消息代理起到个连接远程现场监控单元和处理服 2 0 务器的枢纽作用。消息代理又分为g p r s 消息代理和s m s 消息代理，s m s 消息 代理是g p r s 消息代理的一种备用方式，当g p r s 消息代理出现故障时，采用 s m s 消息代理。【7 】 之所以要建立一个消息代理，而不是由监控程序( 通过处理服务器) 直接和远 程控制点进行消息交互，是基于以下几点原因的： 1 保证监控中心与现场监控单元的实时连接。监控程序是一个具有w i n d o w s 界面的程序，不能保证它随时都处于活动状态，这就不能保证监控中心与远端控 制模块之间的连接的实时性，一旦出现告警信息而监控程序又没有开启的话，造 成无法通知的情形。而消息代理被设计成为一个w i n d o w s 服务形式的应用程序， 没有用户界面，能够保证其始终运行。 2 保证监控中心处理事件的高效性。根据设计，逻辑层是一个c o m 组件， 它与监控程序的交互依赖c o m 机制，涉及到了远程调用r p c 和事件机制。这 在一定程度上会影响到其处理数量较多的控制点信息的效率。而建立消息代理以 后，能够保证远端控制点的事件消息都到达中心。 3 负荷分摊。消息代理对消息进行转化，使得与监控程序的交互信息更易 理解，而与控制点的交互信息以简单为主，这在一定程度上分摊了监控程序逻辑 层解析和封装消息的任务负荷。同时，消息通过消息代理的过滤，也使得监控程 序逻辑层的负荷减小，这有利于在控制点很多的情况下保证系统的高效性。 4 便于系统扩展。可以启动一个消息代理，而同时在多台计算机上启动监 控程序，对系统进行监控；也可以开多个消息代理，各自负责一部分控制点，而 由一个监控程序监控，大大增加了系统的灵活性。 消息代理的软件结构比较简单，主要包含消息收发模块和消息格式转换模 块，和处理服务器以及管理器中的相应模块结构相同。 图3 1 2 消息代理结构示意图 本模块采用s o c k e t 的方式接收p s 的消息；g p r s 正常情况下本模块采用 s o c k e t 方式向r t u 发送消息，s m s 短信方式作为g p r s 故障时的备份方式。 主进程启动后，启动p r o c e s s o r s e r v i c e 线程，接收从p s 发送消息，进行处理 后发送，同时将消息保存在r t u 发送消息队列中，由消息跟踪处理模块处理； 处理完毕继续监听p s 的消息。 3 5 2 管理器模块 管理器用于实现整个系统的管理，是用户管理系统的工具，系统的所有功能 都通过管理器呈现给用户，包括设备配置管理、用户管理、故障管理和监控管理 等。 管理器的主要功能如下 l 、实时监控： 从r t u 和厂站监控程序采集上来的监控数据通过g p r s 网络发送到监控中 心，最终将显示在管理器的用户界面上。工作人员通过这些数据可以实时掌握中 水管网的运行状态，同时系统还提供监控数据分析功能，可以查看每个监控点在 一段时间内监控数据的变化趋势，也可以比较同一条管线上的监控点在同一时间 的监控数据。 当监控数据超过系统设定的限值时，r t u 会上传一条告警消息，系统会提 示工作人员告警地点，告警时间，告警类型以及告警数据。如果监控数据不久之 后恢复正常，r t u 将上传告警解除消息。如果告警不能自动解除，或者监控设 备发生故障，系统可以通过短信形式通知现场工作人员对告警地点的管网设备进 行检修，排除故障。【8 】 在管理器中可以添加和删除监控点，设置r t u 的数据采集间隔和告警限值， 设置系统告警方式，记录工作人员的联系方式以便短信通知。 2 、g i s 地图显示： 管理器中采用g i s 组件将中水管网分布情况呈现给工作人员，同时还包括 其它的地理信息，如交通道路，建筑物，河流湖泊等等。在g i s 地图上提供了 基本的地图操作，如放大、缩小、平移和距离测量等等。 可以设置将监控点实时数据显示在地图上，显示方式为全图状态下隐藏，在 放大到一定比例后监控点的实时数据以标注的形式显示在g i s 界面上，并实时 刷新数据。从g i s 地图上可以看出监控点的状态，绿色为正常，红色为报警， 黄色为正在维修。 通过管理器可以编辑g i s 地图，在g i s 地图上可以添加和删除监控点，修 改每个地图元素的属性，还可以导入新的a u t o c a d 管线图作为新的图层。 3 、应急抢险： 当管网出现事故( 如漏水、坍塌等) 或遭遇自然灾害( o n 洪水、地震等) 时，系 统将启动应急抢险流程。工作人员按照管理器上的提示进行操作，根据事故类型 和事故地点，调用相关的抢险预案，通知现场处理人员并记录事故处理过程。 如果在应急抢险过程中需要关闭管网阀门，系统可以分析管线上的阀门位置 和状态，提供最适合的关阀方案，并根据要关闭的阀门生成停水用户通知单，使 工作人员能够通知停水用户。 4 、查询分析： 管理器提供了各种详细的查询功能，包括g i s 地图查询和中水用户查询两 大类。对于g i s 图层上的元素，可以使用不同的查询条件进行查询并在地图上 定位，如果有多个查询结果，将以列表形式将结果显示出来，并在地图上以醒目 的颜色标出查询结果。通过查询得到中水用户后，可以查看用户的基本信息，收 费情况以及历史用水量。 5 、报表统计： 管理器采用水晶报表( c r y s t a lr 印o n ) 组件提供各种统计报表。水晶报表是业 内最专业、功能最强的报表系统，它除了强大的报表功能外，最大的优势是实现 了与绝大多数流行开发工具的集成和接口，它有以下特点： 支持多数据源：统一张报表可以支持来自异构数据源的数据，包括o r a c l e 、 i b m n b z 、m s s q l 等各种数据库，a d o n e t 等程序中的数据集以及x m l 、e x c e l 、 a c c e s s 等数据文件。 支持多主题的统计汇总：通过多层分组，水晶报表可以实现按照多主题层级 式统计汇总，例如，将客户按照区、市、省、国家逐级依次分类统计：通过层次 分组设置，水晶报表可以实现树状层次关系，例如显示公司人员的管理与被管理 级别图：通过交叉表，水晶报表可以实现常见的不定列长报表，例如，以产品类 型、产品名为行，以订货日期为列，展示产品在某一日期的t t 货数量和金额， 并且支持不同订货周期数量和金额的对比计算；通过主子表和公式化字段，水晶 报表能够实现横向纵向分片、各片数据展现格式不同的复杂报表。 除了多源、分片、格间运算之外，水晶报表还能满足不少麻烦的细节要求， 如斜线分格、分栏打印、票据套打、横向分页时表头的重复、特殊信息着重显示 等。因为，在水晶报表中，大至报表页面的显示风格，小至每个数据字段的格式， 都可以由用户自定义。 水晶报表支持条形图、折线图、面积图、饼图等1 6 大类图表类型，并且支 持将报表导出为p d f 、h t m l 、x m l 、c s v 、m s w o r d 、e x c e l 等多种流行的 文字处理软件、数据库及电子数据表格式。 管理器中提供了用户报表和监控数据报表两大类报表，用户报表用于统计各 种用户分类以及中水销售情况，监控数据报表用于统计各种监控数据，告警记录 等。通过报表统计可以使工作人员更准确的了解管网的运行状况。 2 4 第四章系统软件设计 4 1 消息解析器模块结构设计 消息解析器是管理器和处理服务器之间的通信工具，它接收并解析处理服务 器发送给管理器的消息，同时将管理器的指令封装成x m l 语法格式的消息发送 给处理服务器。 消息解析器的流程逻辑如下： 习 入队列 l 翌：曼坠型 i。一 出队列 接收发送 发送 厂 厂 一消息解析器bf 发送消息i 。一一i、，j 图4 - 1 消息解析器流程图 整个管理器中只有一个消息解析器的实例，它工作在后台，负责接收和发出 消息的编码和解码，负责管理器和处理服务器之间的信息交互，当管理器退出之 后消息代理将关闭 消息解析器的类结构图如下图所示： 图4 - 2 消息解析器u m l 图 消息解析器的核心是m s g i n t e r p r e t o r 类，它负责消息接收和消息解析两个线 程的创建以及它们之间的通信，初始化消息队列，读取处理服务器和管理器的通 信端口和i p 地址等配置信息。同时，它提供了每条消息的解析和封装方法，并 使用c 语言的委托事件机制将消息的处理结果显示在主界面上。 消息队列m s g q u e u e 类用于保存收到的待解析的消息，它采用先进先出的方 式将消息暂时保存在队列中，等待消息解析线程的处理。它提供了入队列 ( e n q u e u e ) 矛1 出队y l j ( d e q u e u e )