（电力系统及其自动化专业论文）基于自律分布系统技术的可扩展监控仿真系统的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i nt h e s ey e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d t h e s c a l e u p o f a p p l i c a t i o n f i e l df u r s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m ， t r a d i t i o n a ls u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e md o e ss h o wi t ss h o r t a g e st h a tt h e t e c h n o l o g i e sw h i c h i t a d o p t s c a nn o tm e e tt h en e wn e e d ss u c ha s o n l i n e e x p a n s i o n o n l i n e m a i n t e n a n c ea n df a u l t t o l e r a n c ea n ds oo n ，t o m e e tt h en e wn e e d s ，t h i st h e s i s m a i n l y d i s c u s s e st h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fa d s b a s e de x t e n d i b l e s u p e r v i s o r y c o n t r o l s i m u l a t i o n s y s t e m ，t h e s i m u l a t i o n s y s t e m m e e t st h en e e d so f o n l i n e e x p a n s i o n ，o n l i n e m a i n t e n a n c ea n df a u l t t o l e r a n c eo nt h ec e r t a i n d e g r e e ，w h i c h w e p u tf o r w a r db e f o r et h ed e s i g n t h et h e s i s f i r s t l ya n a l y z e s t h eb a s i cs i t u a t i o no ft r a d i t i o n a l s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma n dp o i n t so u tt h a tt r a d i t i o n a ls u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e md o e sn o tm e e tt h en e wn e e d si nm a n ya s p e c t ss u c ha s s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，c o m m u n i c a t i o n m o d e la n ds o f t w a r e c o m p o n e n t t e c h n o l o g y i tp u t sf o r w a r dt h es o l u t i o np r o j e c tw h i c h i sb a s e do na d s t e c h n o l o g ya n di n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t sa n d c h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea d s t e c h n o l o g y i t f o c u s e so nt h e d e s i g n o fe x t e n d i b l e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e m i ti n t r o d u c e st h ed e s i g ni d e ao f t h es y s t e m ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r eo r g a n i z a t i o na r c h i t e c t u r e a n d m a i n l y d i s c u s s e sf u n c t i o nm o d u l e so ft h e s y s t e m t h e n i t i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e “s t i c so fn x d l i n kw h i c ht h es y s t e ma d o p t sa s d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt h ed e t a i l e dn e t w o r kc o n n g u r a t i o n sf u rt h e s y s t e m t h et h e s i sd i s c u s s e st h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no f t h ep i v o t a l f u n c t i o nm o d u l e sf u rt h i s s y s t e m s u c ha sf r a m ee d i t ，i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nf o rc o n t r o l o b j e c t s ，t r a n s m i s s i o n f o rf i l e sa n dn e t w o r k a u t o - d e c i s i o n m a k i n ga n ds oo n ，a n dp u t sf o r w a r ds o m es o l u t i o n sf o r t h es h o r t a g e si nt h e s ef u n c t i o nm o d u l e s i nt h el a s t ，w eh a v eas u m m a r yo nt h et h e s i s ，a n dl o o ki n t ot h e p r o s p e c to f f u t u r er e s e a r c hw o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e y w o r d s ： s u p e r v i s o r y c o n t r oi s y s t e m a u t o n o m o u s d e c e n tr aliz e d s y s t e m o nii r e e x p a n s io no niin e m ain t e n a n c e f a u i t - t o l e r a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 需求的提出 第1 章绪论 传统的监控系统呈现小规模、控制任务相对简单等特点，系统 设计的出发点是整个系统可以完整的预先定义。在系统设计方法方 面，采用一种自顶向下的设计方法，即面向功能( 结构化) 的设计 方法：在软件体系结构方面，采用集中式的结构或客户服务器的结 构 4 5 】；在系统的可靠性方面，采用冗余备用方式。这些技术在一定 程度上满足了监控系统的基本要求。然而，随着监控技术的不断发 展和应用领域的不断扩大，这些技术已逐渐不适应工业生产特别是 大规模轨道交通的迅速发展。目前广泛采用的是集中式结构和客户 服务器结构，对于大规模监控系统而言，集中式的体系结构不能满 足系统动态变化和扩展的要求：集中式监控系统软件之间的耦合程 度高，系统难于扩展，软件依赖于硬件平台，不能实现资源重用。 基于客户i n 务器结构的监控系统，实现了人机接口、通信、数据处 理等功能在网络上的分布，虽然在一定程度上降低了系统的复杂程 度、改善了系统的性能，但系统中客户与服务器之间的通信协议( 应 用层协议) 又依赖于不同的厂家，不同厂家开发的软件或硬件难于 实现集成。客户端与服务器直接连接，没有中间结构来处理请求， 服务器定位通常需要网络细节，不便与系统的扩展。客户服务器结 构还存在着系统负荷过于集中在服务器方的问题。随着系统规模的 扩大、信息量的增多，必然会加大服务器的负担。严重情况下，会 发生由于某时问段对服务器的访问骤增，而服务器响应不及，影响 了整个生产过程。因此，传统的集中式系统结构和客户服务器结构 已不能处理由于系统大规模的发展和广域分布所带来的复杂性问 题。传统的结构化设计和面向对象设计方法都是采用由顶向下的设 计方法，这些方法是假定在设计阶段系统的结构、规模和功能是确 定的。而对于大规模系统而言，很难在设计阶段就一次性将各个部 分、各个环节都考虑完整周全，即使能做到这一点，当系统的一部 分改变时，整个系统都将重新设计，这必然会给生产者造成极大的 经济损失。同时，目前的双机或多机冗余备用技术从根本j 二讲是一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 种防错技术，即防止错误的发生。在实际应用中，存在着成本高、 低可靠性等问题。未来的监控系统不断向大规模化、复杂化、广域 化和智能化，在线动态扩展化方向发展，传统监控技术已不能完全 满足现今监控系统发展的要求。针对传统监控系统中存在的不足， 提出一种能够解决传统监控技术不足的新型监控系统已经是迫在眉 睫的任务。 1 2 国内外监控系统的发展 目前基于集中式结构的监控系统已经急剧减少，而基于客户n 务器结构的监控系统逐渐的占据了主导地位。特别是在电铁和城轨 交通的监控系统当中，传统的r t u 监控方案已经逐渐被综合自动化 方案所替代，监控系统内的设备之间以及子系统之间的通信网络主 要由现场总线以及工业以太网综合构成【2 l f 引。8 0 年代末国外如德国 的西门子公司和a b b 公司，9 0 年代中后期国内如南瑞都对其进行了 相关的研究并推出了相应的成熟的产品。但是随着工业生产特别是 城市轨道交通的快速发展，基于c s 模式的监控系统也凸现出系统 间集成困难，系统可扩展性差等缺点。日本国内率先对此进行了研 究，提出了以自律分布系统技术来满足监控系统的新需求并在实际 系统中得到了应用1 17 1 2 引。在我国，对自律分布系统技术的研究与应 用还处于刚刚起步的阶段。 1 3 课题的来源 本课题来源于国家创新基金启动的基于自律分布系统技术的重 庆轻轨监控系统项目。 1 4 本文研究的主要内容 目前传统的监控系统没有充分考虑在监控系统规模不断扩大的 实际状况下，监控系统所要具备的在线扩展、在线维护和容错等新 需求。针对这种情况，本文的主要工作如下： l 、研究了传统监控系统的系统设计方式、通信模式、软件体 系结构，指出其存在的不足，提出了自律分布技术解决方 案。 2 、分析了自律分布系统( a d s ) 技术的特点及其基本概念。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3 、 在自律分布系统技术上完成了可扩展的监控系统仿真平 台设计。 4 、 研究分析了仿真系统平台中的关键实现技术，指出了后续 研究工作方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章传统监控系统的不足及其解决方案 现有的监控系统基本上都是基于传统的监控系统技术构建的，它 们在系统结构上和内部实现技术上都普遍存在着以下几方面的问题， 导致系统无法适应未来监控系统向广域分布化、可扩展性的发展趋势。 2 1 传统监控系统的技术特点及其存在的主要问题 2 1 1 系统体系结构 在体系结构上，广泛采用的是集中式结构和客户服务器结构。对 于广域分布化监控系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态 变化和扩展的要求。在运行过程中，其缺点表现为： 三亘 图2 - 1 集中式体系结构 ( 1 ) 所有的现场设备信息必须汇总到通信前置机后再由通信前 置机发送到控制中心。这增加了信息传输中间环节，并且随着现场 设备的扩展，增加了通信前置机的负担，通信前置机是现场设备和 控制中心交互的咽喉，如果它出现故障，则整个监控系统处于瘫痪 状态。 ( 2 ) 现场的所有信息都是最终汇总到控制中心，控制中心的计算 机进行各种数据处理，最后由操作员工作站的屏幕上显示出来。同 时将各种控制信息发送给现场设备，进行统一监督和控制。这种集 中式的监控系统随着监控规模的不断扩大，必将大大加重控制中心 的负担。 ( 3 ) 若要对采用集中式结构的监控系统增加新的设备时，必须停 止整个系统的运行，并且还必须将控制中心的软件进行修改，甚至 重新编写软件，这也将大大影响监控系统的运行，而且将消耗大量 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的人力和物力。 对客户n 务器结构而言，虽然减少了中间环节，方便了动态扩充 却又存在着系统负荷过于集中在服务器的问题。 图2 - 2 客户服务器式体系结构 ( 1 ) 客户端每一次操作必须通过服务器统一处理。这样使信息交 互中的大量负担集中到了服务器，客户端只执行一些简单任务。特 别是在如今系统规模不断扩大的情况下，对服务器容量要求必然会 迅速增加，负荷进一步加重，严重情况下，很可能导致网络拥塞， 使服务器处于瘫痪状态。 ( 2 ) 由于客户n 务器结构中服务器必须处理大量的信息，且客户 端均与服务器连接，如当要加入新的客户端时，虽不影响其它客户 端的运行性能，但必须对服务器进行调整修改，服务器软件也要被 修改后才能使得整个系统运行正常。这时，修改服务器将导致服务 器部分失效或全部停止运行。其它客户端无法交换信息进行连接， 必然影响到整个监控系统的正常运行。 ( 3 ) 传统的客户n 务器应用软件模式大都是基于两层结构。它面 临的一个主要的问题是系统的扩展及安装维护困难。开发人员写出的 程序在客户端运行，占用了大量的系统资源和网络资源。而在分布式 实时控制系统中，c s 结构更显出它的不足： c l i e n t 与s e r v e r 直接连接，没有中间结构来处理请求，s e r v e r 定 位通常需要网络细节，s e r v e r 必须是活动的( a c t i v e ) ，客户端的应 用程序严格依赖于服务器端数据存储和组织方式。应用接口的异构性 严重影响系统间的互操作。许多相同的功能模块被多次重复开发，代 码的重用很困难。无法保证数据的实时性，系统可扩展性差，容错性 荠。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 由一个中心服务器处理所有数据，所有的数据都必须通过服务器 的中转，而不是直接的点对点的方式，从而增加了不必要的延时。这 种模式在服务器具备所有需要的信息的时候可以正常工作，而当数据 来源于多个节点且同时又被多个节点使用的时候就显得力不从心了。 而且服务器还是整个系统的性能瓶颈，若服务器由于某种原因出现故 障，则整个系统的通信都将陷入瘫痪。 2 1 ，2 系统通信模型 传统的监控系统通信模型对应于其传统的体系结构，同样具有 一些技术上的问题需要解决。传统的通信一般分为轮询( p o l l i n g ) 型和请求应答型( r e q u e s t r e p l y ) 。 ( 1 ) p o l l i n g 通信模型 幽2 - 3 p o l l i n g 型通信模型 其主要问题在于控制中心的主机采用定时轮询技术，控制中心 发出信息后，各个从机是按照与控制中心联接的顺序来接收信息并 对控制中心的信息做出反应，例如在m a s t e r 对s l a v e l 发出信息后， s l a v e l 接收信息并做出反应后将发出反馈信息到m a s t e r ，m a s t e r 在 接收到s l a v e l 的信息后再向s l a v e 2 发送信息，以此类推，在最末端 的s l a v ei 将在最后接收到m a s t e r 发出的信息，在这个过程中如若其 中某一个s l a v e 出现问题或连接中断，则需要在采耿相应的延时和 重试连接等措施后，主机才能和后面的从机通信。因而这种通信方 式将花费一定量的时间，对于监控系统的可靠性和实时性造成一定 障碍。 ( 2 ) 请求应答通信模型( r e q u e s t r e p l y ) 则对应于客户服务器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 结构的监控系统 图2 4 请求应答通信模型 请求应答通信模型是基于t c p i p 协议的一种网络化通信模型。 它是一种客户端向服务器发出发送信息的请求后，在得到服务器应 答后才能发送信息的通信模式。与p o l l i n g 通信模型相比较而言，其 优点在于各客户端无需按照连接顺序来进行请求，从而节省了大量 的时问，但是如若一旦服务器发生故障，则通信就无法进行，也将 影响到监控系统的正常运行。 从上述两种通信模型来看，两者都有一些技术上的问题有待解 决，影响了监控系统的动态扩展及可靠性，所以需要有新的通信模 型来加以改进。 2 1 3 系统软件技术 过去系统设计大多采用自顶向下的方法，这些方法假设在设计 阶段系统的结构，规模和功能是确定的。系统的扩展和变化，必将 引起整个系统的变化。对于大规模系统而言，不可能一次设计，一 次建成，需要分阶段地设计和建设实施。因此应采用由子系统逐步 构成整个系统的设计方法。 传统的系统软件对平台具有较大的依赖性，不同厂商的产品集 成较为困难，给用户带来极大的不便。软件组件技术实质上就是针 对这一问题的有效解决途径。现代软件开发技术的一个特点是组件 化的设计，不需要任何事情都从底层做起。采用一些已有的通用的 软组件( 中间件) ，通过搭积木的方式对原有系统进行组装，从而大 大的节省开发的成本和风险。组件化软件系统开发是将系统各个对 象做成独立、可重用的软组件，在生成新的软件系统时可以方便地 组合某些软组件，并且只要对象组件的对外的接口不改变，则我们 对对象的内部逻辑进行修改，并不需要修改整个生成的软件系统应 用程序。在监控系统面对不同的对象时，可以对软件系统进行重组， 完成新软件系统的组成，这样就可以不影响系统的正常运行，从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 达到软件系统的扩展。 在传统的监控系统中，控制中心的实时数据要靠客户对服务器 的主动请求，或者来自服务器的定时轮询，这必然会使事件的发生 与相应在控制端的反映产生一定的差异，差异的多少直接影响到系 统的性能。提高监控系统的实时性，是现有系统的又一技术问题。 系统可靠性则很大程度上依赖于系统的容错技术。目前主要是 通过硬件上的双机或多机备用技术来进行防错，即防止错误的发生， 在实际应用中，存在着成本高等问题，因此，可利用软件成本较低， 使用灵活的特点，在监控系统内部研究丌发通过多种软件机制来实 现容错技术。 2 2 未来监控系统的特点 a 大规模化、复杂化、广域分布化 监控对象的数量成倍增长，监控的内容日趋复杂，而且原有的 监控系统也要求纳入新的监控系统之中，从而形成一个大规模化、 复杂化的监控网络。由于生产和生活方式的变化，一个企业的生产 经营活动范围越来越广，往往涉及多个部门、地区甚至国家，广域 分布化的特征越来越明显。而且大规模监控网络的出现必然会导致 监控系统的广域分布化。 b 移动性、动态性和高可靠性 可移动性表现在被监控对象和监控者处于移动状态，未来监控 系统要求广泛的对被监控对象进行监控，同时监控者也要求在不同 的地点都可以得到全局的信息，这种趋势的发展导致可移动性需求 的提出。如机车等被控对象处于不停的运动状态。监控者亦要求在 移动状态下实现对监控对象的监控。运行中的监控系统由于用户需 求的变化，要求能实现系统规模和功能的扩展。同时，由于新技术 的不断出现，要求系统能平滑地实现升级改造，保护用户的投资。 这些都要求系统有很好的动态特性和可靠性。 c 智能化 由于监控对象的复杂化，要求监控系统根据外部条件、状态的 变化，自动地优化控制策略，提供解决方案。同时由于监控对象外 延量的变化和内涵质的变化，迫切需要综合化、系统化的技术以解 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 决监控系统面临的技术难题，满足用户和生产企业的需求。监控系 统的技术研究及发展将以上述未来监控系统的特点为出发点，以智 能控制技术、现代通信技术和计算机技术为基础，以三者的有机融 合为目标，进行关键技术的应用基础研究和开发，为传统产业的升 级改造、生产和管理过程的自动化、信息化和智能化提供强有力的 技术支持。 2 3 所选解决方案一一自律分布系统( a d s ) 技术 自律分布系统( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e ds y s t e m ) 是近几年才 发展起来的一个概念。它打破了原有的传统的集中式或分布式系统 的c s 体系模型，提出了一种新型的系统框架。在自律分布系统中 有两大特性：自律可控性和自律可协调性。利用这种系统概念组建 的系统较好地保证了在线扩展、在线维护及容错，这些特点与不断 发展变化的监控系统的要求非常吻合。 2 3 1a d s 的基本构成 基本构成如图2 - 5 所示 2 3 2 节点 节点是a d s 构成的最基本自 律单元。在物理网络中，它对应 图2 - 5自律分布系统结构示意图 于计算机、智能设备或其他硬件。图2 5 中的a 、b 、c 等就对应为 节点。每个节点都能独立地从数据域中提取信息并进行内部处理， 同时又主动地以广播方式向数据域发送处理结果及其他内部信息， 发出的信息在数据域中循环。节点之间没有直接耦合关系，它们只 对数据域中的信息内容感兴趣而不必知道此信息来自何处，这就有 效地降低了系统的整体复杂性。在数据域中流动的信息都包含一个 内容码c c ( c o n t e n tc o d e ) 来标志其属性，各个节点就是通过识别 内容码来决定自己是否需要此信息的。这种基于内容码的通信方式 保证了每个子系统的自律信息发送和接收。即每个子系统不必知道 信息来源和目的地之间的关系，因而它实现了每个子系统的局部性。 当。个程序所需的数据到达数据域时，由系统自动启动该程序。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 种方式称为数据驱动方式。 2 3 3 数据域 数据域是a d s 中信息传播的空间。从物理概念上讲，它相当于 网络或存储器。一方面所有节点主动地向数据域发送信息，同时各 个节点又根据自己所需从数据域中取走信息以完成内部模块的功 能。数据域延伸至节点内部的一部分称之为节点数据域( a t o md a t a f i e l d ) ，其中流动的是节点的系统或应用程序模块所需的数据。 数据域和广播的通信方式是实现a d s 系统模型的关键概念。数 据域、内容码通信、数据驱动是自律分布系统的三大特征。 2 3 4 组播组 由于在自律分散系统中，最基本的通信方式是广播，因此可以把 同一数据域中关系相近的多个节点划分为一个组播组，这样便于信 息发送的管理。一个节点可以根据自身需求加入一个或多个组播组。 组播组不能跨越数据域，其最大等于数据域。 2 3 5 域 多个数据域通过路由器相互连接成为一个整体就构成了域。域的 概念相当于l a n ，不同的域相互通信就形成了通常所说的w a n 。 2 3 6a d s 的基本特点 定义自律分布系统有两个前提：一是系统中有故障是正常现象； 二是系统是由子系统组成。首先必须存在子系统。整体系统是不能 事先定义的，只能定义为子系统的集成。其中某些子系统可能处于 故障状态、正在进行改进或维修。因此，若一个系统满足以下两点 要求则可称之为自律分布系统： ( 1 ) 自律可控性：即系统中有任何子系统出现故障，正在维修 或刚刚加入，这都不影响其他子系统的自我管理及功能的运行。 ( 2 ) 自律可协调性：即系统中有任何子系统出现故障，正在维 修或刚刚加入，其他子系统之间能够协调各自的任务并以协作方式 运行以实现各自功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 正是这两个特性保证了系统的在线扩展、在线维护和容错。因 此要求每一个子系统都能有“智能”管理自己而又不干涉其他子系统 的事务并且也不受其他子系统干涉，同时它还能和其他子系统进行 协调工作。 自律可控性和自律可协调性的实现反过来又要求每个子系统必 须满足： ( 1 ) 平等性。每个子系统都能管理自己且不能被其他系统管理， 子系统之间没有主从关系： ( 2 ) 局部性。每个子系统在只依靠本地信息的情况下就可以管理 自己并与其他子系统进行协调； ( 3 ) 自足性。每个子系统管理自己和协调他人的功能是自足的。 以h 三个特点表明了即使其他子系统都出现故障或者终止了与 某子系统的通信，该子系统仍能进行工作【l 。 2 3 7 a d s 的协议一一自律分布协议a d p 自律分布协议a d p ( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e dp r o t o c 0 1 ) 是一 种基于t c p i p 基础之上丌发的又一层协议，它基本上实现自律分布 系统概念提出的特点及功能，并且已经逐渐开始应用在控制网络中。 自律分布协议a d p 主要使用了无连接的u d p 协议，将a d p 数据单 元p d u 封装在u d p 信息的数据部分。同时a d p 协议使用了组播、 生存信号、故障信息等多项措施来保证正确可靠的传输【2 。 2 3 8a d s 技术成熟性 自律分布系统体系结构和相关技术是成熟的、可靠的，其理由 如下： a d s 是一种丌放的技术 a d s 的核心协议a d p 是建立在t c p i p 的u d p 协议之上的一个应用 层协议。因此，只要支持t c p i p 协议的环境都可以支持a d s 技术。 a d s 即将被采纳为i s o 国际标准 目前，a d s 标准草案( i s o i t c l 8 4 s c s s g 5 ) 已提交给国际标准 化组织，即将被采纳为国际标准。 另外，a d s 与o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 和c o r b a 的融 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 合及其标准化工作正在进行之中。 a d s 有成功的应用实践 日本东京圈自律交通运行控制系统( a t o s ) 是目前世界上最大 的自律分布系统，它管理着东京地区的2 0 0 多个车站和2 0 0 0 多公里线 路。实现了行车指挥、设备监控和旅客信息服务综合自动化。实现 了列车的高密度运行( 1 2 0 秒) ，实现了系统的分阶段的建设。具有 典型性和代表性。 a d s 有较成熟的开发平台和工具 目前，自律分布系统的主要开发工具有：n x d l i n k ，n x d f s ， n x c o n s t r u c t o r 3 2 ，n x m a r t v i e w ，n x m a r t w a r c h 等。均支持目前主 流的操作系统平台如u n i x ，w i n d o w sn t ，还支持p l c 币 i 设备网 ( d e v ic e n e t ) 。 因此，采用自律分布系统在技术上是完全可行的，其产品是可 靠的。 2 4 小结 本章对传统监控系统的特点进行了分析，指出其在在存在的不 足。针对监控系统的新需求，提出了新的解决方案：以自律分布系 统技术来构建新型监控系统。同时介绍了a d s 的基本概念、特点和a d s 的实际应用情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章可扩展监控仿真系统设计 本章介绍了可扩展监控仿真系统的设计思路，系统体系结构和 软件结构，并在此基础上完成了监控系统的基本功能模块设计。 3 1 系统设计基本思路 因为系统的通信模型、体系结构及系统软件技术决定系统的各 种特性和性能，为了满足监控系统未来发展的新需求，要求对原有 的系统体系结构、系统软件技术和通信模型进行改造，下面从三方 面提出新的思路。 在体系结构上不采用传统的集中式和客户服务器模式，而是采 用对等而又自律分散的体系结构，在这种体系结构下监控对象之问 的沟通不再是请求应答方式，系统性能不再依赖于某个关键节点， 组成系统的各个对象不再是相互独立的个体。在新的体系结构下， 请求应答只是通信的一种方式而不是唯一的，系统性能依赖于组成 系统各个对象间的有机合作，某个节点加入退出系统只是系统的局 部行为。组成系统的对象间要求不断地进行通信交换信息。 在通信模型上，传统的请求应答通信模型已经不能适应系统中实 时的通信要求，所以采用了发布定购( p s ) 通信模型。在p s 通信 模型下，发送者只管发送数据，而接受端只是接受它感兴趣的数据， 系统在通信性能上服务器不再是通信瓶颈，这样对等的通信模式确 保了通信在各种故障情况下的可靠性，省去了请求这个环节，提高 了系统通信的实时性。 在系统软件技术方面，因为未来监控系统要面对的是广域分布式 的应用，不可能一次建成一次全部使用。所以在系统软件技术上面 必须要考虑一边建设一边投入运行使用的这样应用方式。组件化的 大规模应用程序开发已经是不可阻挡的趋势，动态扩展的软件技术 要能实现节点级、模块级软件的动态扩展。 从监控系统的设计思路出发，我们选择以自律分布系统( a d s ) 技术来构建可扩展监控系统，在开发工具上选择成熟的开发工具 n x d l i n k 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 系统体系结构设计 可扩展监控系统仿真平台系统结构可见如图3 1 所示： 图3 1仿真系统体系结构 整个系统由控制中心、控制中心备用及各个子站构成。予站有 两种工作模式：本地工作模式和远程工作模式。同传统的监控系统 一样，设置了控制中心及其备用。控制中心接收各个子站发送的信 息，可以对处于本地工作模式的子站进行监视和对处于远程工作模 式下的予站进行监控。但是不同点在于，控制中心及其备用和其他 予站节点在可扩展监控系统中自律对等一一在结构上是对等，在功 能上潜在对等即各个子站拥有升级为控制中心的能力：在需要的时 候，系统中的子站可以升级为控制中心，实现控制中心的漂移。在 监控在实际的仿真系统中，包括了五台计算机：两台为控制中心， 三台为子站。五台计算机在实验室中通过1 0 m 以太网连接。 3 3 数据流类型分析 在监控系统中存在着不同的数据流类型，其一般可以分为以下五 种类型： 1 信号量：大多数监控系统要求对实际的物理量进行测量，如 温度、电压、电流等。信号量总是在持续不断地发生变化。 对信号量的处理一般有以下特点： 时要性：时间对信号量来说十分重要，过期的数据是无 意义的。 幂等性：快速重复更新对信号量数据来说是允许的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 新鲜度：新鲜的数据相对于丢失的数据对信号量来说更 为重要。 2 命令量：监控系统必须要处理序列化的命令，系统本身既不 能错过一条命令，也不能将任意一条命令执行两次。 3 状态量：状态量用来表示当前对象的状态或目标状态。 4 事件量：事件量是用异步操作来串行化任务执行的物理量。 例如：只有当容器内的液面值低于某一个设定值时，泵操作 才启动注入操作。 5 查询量：监控系统经常需要发布一些对所需要数据的查询。 但是在可扩展监控仿真系统中，因为实验条件的阶段性限制， 没有将实际的现场设备接入到仿真平台中来，所以监控系统中数据 流只有采用仿真模拟的方式完成。 3 4 物理设备的抽象 在仿真系统中，我们将整个网络设置为一个数据域，同时对地 铁供电所中的电气元件类型进行分类分析，设定其类型最多达到1 2 8 种。仿真平台中将物理设备抽象成拥有一系列属性的对象。根据输 入输出将设备抽象为a i ( 模拟量输入) ，a o ( 模拟量输出) ，d i ( 数 字量输入) ，d o ( 数字量输出) 。对于a o 和d o 是监控人员对物理 设备的可控量，在平台中可以通过属性表和控制面板来进行相关控 制和设置。而a i 和d i 是实际的现场设备向系统传输的监控量，在 系统中是不可控量，不过因为平台上还没有将实际的信号输入进行 系统中，为了也能对a i 和d i 元件进行仿真，对于在本地节点的本 地电气接线图的a i 和d i 属性元件设为可控量。对于a i 属性元件， 仿真系统采用模拟波形的方法来模拟实际的模拟量输入。波形就用 一个数学表达式来产生，系统中可以设置a i 设备在正常、异常、调 试情况下产生波形。所有物理设备元件的抽象属性如下表 属性值属性描述 m s t r d e s c r i p t i o n 设备描述 m s t r a o f o r m u l a设备对象的输出模拟量公式 m s t r a o f o r m u l a b a d在异常情况f 设备对象输出的模拟量公式 m n d r a n d o m u p数字量异常时候的杂波上限 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 m n d r a n d o m d o w n 数字量异常时候的杂波下限 mn s l o t n i i m 节点号 m n x u p 模拟控制量的输入上限 mn x d o w n模拟控制量的输入下限 t y p e 是a i 。a o ，d i ，还是d o mn d e i v c e i d 设备i d 号 mb i s e n a b l e是否可控 mn t c d 分配给该设备的t c d 代码 m b s w i t c h s t a t u s 数字量状态 m n c h a n n e l n u m 通道数 f a n l t s t a t u s 设置设备进入故障状态 n l b p r o t e c t e d m o d e 保护模式 mn c u r x v a l 假如本元件是a o 类，在m n x u p 和 m n x d o w n 之间的值 m a n d a r r a y l i s t 启动设备时要求计算表达式 m a n d a r r a y d i s a b l e l i s t关闭设备时要求计算表达式 表3 - 1 物理设备兀件抽象属性 3 5 系统软件组织结构 仿真系统主要由界面组态和编辑，属性和逻辑控制，数据打包 和解析，网络通信中间件，文件传输接收，波形仿真，六个子系统 组成。其中界面组态和编辑子系统用于创建用户自定义元件库，并 且设置相关设备的属性。属性和逻辑控制用于实现系统在属性和逻 辑上的有序操作。数据打包和解析子系统用于打包从属性和逻辑控 制子系统产生的数据包，或者解析从网络中间件传来的数据包。网 络通信中间件子系统采用的是n x d l i n k 网络中间件。由网络中间件 来保证通信传输的可靠性和实时性。文件传输是一个特别的数据打 包和解析子系统，它用于系统在子站和控制中心之间接收和发送电 气接线图文件。波形仿真子系统用于给用户提供一个自动仿真波形 的工具，用仿真波形来模拟实际的现场设备( a i 设备) 。系统软件组 织结构如图3 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 - 2 系统软件组织结构 3 6 仿真系统的功能模块 在对可扩展监控仿真系统进行分析的基础之上，系统已经实现 了9 个系统功能，它们分别是： 1 面组态和编辑 2 组态一致性自动校验 3 组态画面文件传输 4 控制信息的触发和传输 5 控制中心漂移与网络自动决策 6 物理对象仿真 7 系统状态( 节点级) 自监测 8 底层配置修改 9 子站工作模式切换 以上各个系统的相互协作实现了系统的有序运行。 系统运行全图如图3 3 所示，其对应所标数字说明如下： ( 1 ) 用户自定义组合元件库路径选择面板 ( 2 ) 组合元件预览面板 ( 3 ) 系统状态监视窗口 ( 4 ) 元件对象全局表 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 3 系统运行全图 ( 5 ) 线图文件打开窗口管理面板 ( 6 ) 手动控制面板 ( 7 ) 元件属性控制面板 ( 8 ) 打开的接线图文件 ( 9 ) 系统本地远程控制模式切换 ( 1 0 ) 启动物理对象实验室 ( 1 1 ) 显示全线显示面板 系统监控主界面如图3 4 所示： 图3 - 4 被激活全线图现实窗口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 6 1 画面的组态和编辑 ( 1 ) 单元件 单元件如下：直线( 1 i n e ) ，多边形( p o l y l i n e ) ，闭合多变形 ( p o l y g o n ) ，矩形( r e c t a n g l e ) ，椭圆( e l l i p s e ) ，贝塞尔曲线( p o l y b e z i e r ) 这些基本的单元件是构成组合元件的基本图形要素 ( 2 ) 组合元件 用户要使用的元件都是自定义的组合元件，用户可以根据单元件 自己组合成各种复杂的组合元件。元件可以定义不同的帧图形，不 同的帧图形代表元组合元件的不同状态，比如开关元件就由两帧图 形组成，分别代表开和闭的两种状态( 仿真系统目前只是支持两帧 图形的组合元件) ( 3 ) 元件动作逻辑关系编辑 仿真系统实现了元件间逻辑关系的任意编辑。在接线图运行过 程中一个元件的动作依赖于其它元件的当前的状态量，元件的状态 由内部的逻辑关系表而相互影响。系统设计了一套具体的方法来实 现元件问逻辑关系的编辑。在系统中可以设定元件启动和元件退出 运行时需要的逻辑条件。通过鼠标选定元件以后，点击被激活的属 性表中的逻辑按钮，就可打开元件逻辑设定对话框。如图3 5 所示： 图3 - 5 元件逻辑关系发定 符号“& ”代表与的关系，符号“! ”代表非的关系，逻辑关系、 可以有多组。通过这样的设置就可以指定元件间和其他元件问的逻 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 辑关系了。 ( 4 ) 画面文件编辑态和运行态 画面在本地编辑状态下，系统的组态功能自动被激活，这时可 以对接线图文件进行组态。在组态下电气元件的动作不会触发控制 信息的网络发送。在从编辑态转向运行态时系统将自动对接线图文 件进行校对和检查。校对过程是对接线图文件的各种设置进行扫描 的一个过程，只有没有错误的接线图才可以投入运行。在组态下， 不同类型的元件有不同的可控属性，不可控的属性条目颜色为灰色， 可控制或可编辑的条目为醒目的黄色。 3 6 2 组态一致性自动校验 在把一幅电气接线图投入运行的过程中系统将自动对接线进行 检查和校对。以防出现重复的设备i d 和无效的t c d 代码。没有任 何错误的接线图文件会被直接投入运行，假如经过校验发现有错误 系统就会弹出详细的错误信息对话框，指出发生错误的具体地方， 并且把相应设备i d 号前面的图标设置为红色，如图3 6 所示。 图3 - 6 在投入运行过程中自动检查 3 6 3 组态画面文件传输 系统文件传输是实现监控系统自律的一个重要技术途径，系统 在不同情况下有不同的文件传输方式： ( i ) 自动文件传输方式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 一个普通节点启动以后，在确认控制中心后会启动全自动文件 传输，将系统中自动加载的接线图文件自动发送给控制中心。在全 自动模式下，系统会自动的调用接线图校对系统对每一个文件进行 校对，假如发现不正确的接线文件，系统将自动中止全自动传输过 程，并弹出详细的错误提示对话框。 ( 2 ) 人工主动要求传输方式 控制中心假如在接收文件的过程中发生错误，没有接收到全部 的文件，可以要求传输故障的节点发送文件到控制中心。这时控制 中心可通过通知该故障的节点传输接线图文件来重新获得接线图文 件。如图3 7 所示： 在图3 7 中可以看见在控制中心可以有权限向系统的其它在线 节点发出命令要求重新上传新的接线图文件，但在普通节点这个功 能就被禁止。 图3 - 7 控制中心要求所有在线节点传输最新接线图文件 ( 3 ) 全人工方式 全人工方式下用户可以把经过修改后的接线图文件，以人工的 的方式重新发送到控制中心，控制中心中假如有这个接线图文件的 老版本，系统会自动更新老的接线图文件。如果没有的话，控制中 心就在系统中接受这个新的接线图文件。全人工方式传输如图3 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 - 8 全人工方式传输文件 3 6 4 控制对象信息的触发和传输 通过在平台中提供的属性面板和控制面板可以触发接线图文件 相应元件的动作。当接线图文件在运行状态下，对于a i 、a o 、d i 、 d o 类型设备元件可以通过控制面板上的e a n b l e d i s a b l e 按钮来控 制其在系统中是否处于可控状态。对于d o 量可以通过开关控制按 钮来切换开关状态。对于a o 类型设备可以通过控制面板上的旋钮 来控制其模拟输出量的大小。系统根据元件状态自动的设置相应按 钮为可控或不可控状态。如图3 - 9 所示： 图3 - 9 手动控制面板 系统中可有多种方式来触发系统向网络发送控制信息： ( 1 ) 修改属性表 在运行状态下，通过修改属性表中的属性值，系统发现相应属 性发生了变化，就会自动触发控制信息的网络发送，同时通知元件 切换状态。属性表的状态和接线图当前运行状态有关，假如接线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 文件在编辑状态 图3 1 0 属性表控制窗口 下，属性表中的各个属性是否可控由元件的分类来决定( 属于a i ， a o ，d i ，d o 中的一类) 。在运行状态下，属性表的可编辑状态和手 动控制面板上的可控按钮在功能上是对应一致的。在运行状态下， 控制中心和子站的接线图文件属性表可编辑条目与子站是否进行远 程本地模式切换相关：子站在本地控制模式下，那在控制中心的属 性表就是完全不可控制的，只能起