（电工理论与新技术专业论文）变电站遥视系统动力环境数据的集成与实现.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h es u b s t a t i o nt e l e - v i d e os y s t e ms t i l lh a ss h o r t c o m i n g sa n dd e f a u l t s p r e s e n t l y w h i c h a f f e c t st h e c o n s t r u c t i o no fu n a t t e n d e d s u b s t a t i o n t h e u n c o m p r e h e n s i v e n e s s so fp o w e re n v i r o n m e n td a t a , t h el o w l e v e lt r a n s m i s s i o no fp o w e r s v s t e r na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e dd v r m a k e si ti n c r e a s i n g l yu r g e n tt o i n t e g r a t et h ep o w e re n v i r o n m e n td a t a s ot h ep o w e re n v i r o n m e n td a t as y s t e mw h o s e p r i n c i p a lp a r ti sm u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n tc o n t r o lm a i n f r a m ea n dp o w e re n v i r o n m e n t s e r v e ri sd e v e l o p e db yt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g , t c p i pp r o t o c o l ，i e c 10 4 p r o t o c o l ，t h es o c k e ta n dd a t a b a s et e c h n i q u e t h e yc a l la c h i e v et h ee n v i r o n m e n td a t a i n t e g r a t i o nb ya c c e s s i n g t ot oa ne x i s t i n gs u b s t a t i o nt e l e - v i d e os y s t e m m u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n tc o n t r o lm a i n f r a m er e s p o n s i b l e s f o et h ea c c c s so fd a t a a c q u i s i t i o na n dc o n t r o lm o d u l e s u c ha st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y c o l l e c t o r ，f i r e s e c u r i t ym o d u l e ，t h ea l a r mc o l l e c t e d ，a i r - c o n d i t i o n i n gl i g h t i n gc o n t r o l l e r s i tc o l l e c t st t l e e n v i “) n m e n td a t ao fs u b s t a t i o n ，d i s p l a y si to nt h ei n t e r f a c eo ft h ep r o g r a ma n ds e n d si t t ot h ep o w e re n v i r o n m e n ts e r v e r p o w e re n v i r o n m e n ts e r v e rs e n d st h ee n v i r o n m e n t d a t a o fsu _ b s t a t i o nt om o n i t o rs e r v e ra n dt r a n s m i t s t h ec o m m a n di n s t r u c t i o n t ot h e m u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n tc o n t r o lm a i n f r a m e i e c 10 4i su s e di nt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n tc o n t r o lm a i n f r a m ea n dp o w e re n v i r o n m e n t s e r v e r t h ed r i v i n gf o r c eo ft h ei n t e g r a t i o na n dr e a l i z a t i o no fp o w e re n v i r o n m e n td a t ai st h e u n a t t e n d e ds u b s t a t i o na n dt h ep r o f e s s i o n a l i z a t i o no ft h es u b s t a t i o nt e l e - v i d e os y s t e m i t m s k e ss u p e r v i s eo fs u b s t a t i o ne n v i r o n m e n tm o r ec o m p r e h e n s i v e l y t h es p e c i a lp o w e r e n v i r o n m e n ts e r v e ri m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h ev i d e ot r a n s m i s i o n ，w h i c hm a k e st h e s v s t e mm o r es t e a d i l y i e c10 4p r o t o c o lc a ns a t i s f yt h ea c c e s sb e t w e e nd i f f e r e n t m u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n tc o n t r o lm a i n f r a m e sa n dp o w e re n v i r o n m e n ts e r v e r ，w h i c h h a sg o o da d a p t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , e x p l o r e san e w r o a df o rm u l t i p o l a rs t r u c t u r eo f s u b s t a t i o nt e l e - v i d e os y s t e m k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n s ；t e l e - v i d e os y s t e m ；p o w e re n v i r o n m e n t ；i e c10 4p r o t o c o l c i 。a s s n o ：t m 7 6 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 骧当访导师签名：蔓才b 签字日期：w 年z , 9 肜日 签字日期：如6 年参月，。日 独创性声明 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究r 1 ：作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通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1 作的 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。 学位论文作者签名：毛凑窆记签字日期：协石月护日 8 8 致谢 本论文的工作是在我的导师黄梅教授和郑三立副教授的悉心指导下完成的， 两位导师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 同时两位导师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助。在此衷心感谢两年来老师对我的关心和指导。 孙明老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，易国荣、耿树孙、桑艳艳等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 序 本文研究了变电站遥视系统动力环境数据的集成和实现。 本文在对变电站遥视系统概述的基础上，详细的描述了动力环境数据系统的设 计原则、技术基础、结构、功能、软件设计、硬件以及网络结构等特性。其中对 多功能设备控制主机、动力环境服务器的结构框架、功能设计、软件和模块设计 和i e c l 0 4 规约通信的规约结构和通信规则进行了详细的说明。 该论文课题是由导师与合作单位的变电站视频监视系统的工程项目提供的，负 责变电站动力环境数据的接入。 感谢公司单位领导和同事在专业上和生活上给与的帮助，经过了一年的时闻， 系统的开发和测试工作已经结束，现在两个月时间来在福建泉州投入运行状况良 好。 目前此系统中对控制量的反馈检测、通信服务程序和监视界面的分离，显示界 面的优化的问题还可以进行完善。 引言 1引言 1 1课题的研究背景 目前建设无人值班变电站是电网调度自动化深入发展的必然趋势。国家电力 通信调度中心要求现有的3 5 k v 、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 变电站在条件成熟时，逐步实现 无人值班；新建变电站应按无人值班方式设计。 各地电力部门在探索变电站无人值班的实践中，在基本实现了“四遥( 遥测、 遥信、遥调和遥控) 功能的基础之上，逐步引入了第五遥遥视系统，它综合 利用了视频技术、计算机技术、通信技术和网络技术，将发电厂和变电站内采用 摄像机拍摄的视频图像远距离传输到调度中心或集控站，使主站的运行和管理人 员可以借此对厂站电器设备的运行环境进行监控，以保证厂站的安全运行和安全 生产。随着遥视系统被应用到变电站的日常监控之中，极大地解放了变电站工作 人员的劳动力，运行水平得到了显著提高，但是目前遥视系统还存在着不足和缺 陷，仍不能满足变电站无人值班的要求。 ( 1 ) 变电站内的动力环境数据不全面。 所谓的变电站动力环境数据是指变电站内的温湿度、水浸、灯光、空调、报 警等厂站设备运行的相关辅助环境信息。这些信息对了解和掌握变电站的环境状 况和安全防范具有重要的作用。 目前我国2 2 0 k v 、1 1 0 k v 变电站正在逐步引入遥视系统，但是引入的程度各 不相同。有的变电站只引入了视频图像监控部分；有的变电站引入的动力环境信 息的灯光控制等部分模块，不能实现变电站动力环境的全面监控，仍不能实现无 人值守。 ( 2 ) 站内的动力环境并不能传输到地区监控中心或更高级别的要求，没有统 一的传输协议。 目前在一部分地区实现了地区内变电站的遥视系统连接，但是由于各个厂商 提供的传输协议不兼容，使得更高级别的遥视系统连接变得十分困难。 ( 3 ) 视频监控嵌入式成为发展趋势，使得动力环境数据的集成日益迫切。 目前由于工控机的视频传输的不稳定性，视频监控生产厂商都向嵌入式的方 向发展，现在的d v r 都丢弃掉了动力环境数据部分，因而现在动力环境数据部 分的集成的需要也越来越迫切。 北京交通人：硕十学位论文 1 2课题的提出和研究意义 随着无人值班变电站的进一步深入和遥视系统对动力环境数据全面加入的渴 望，对变电站工作环境进行全面的监控和解决变电站日常工作辅助操作，使得动 力环境的作用更加突出。随着变电站无人值班的进一步深化，遥视系统也将成为 变电站不可缺少的基础自动化系统。而全面的动力环境使得变电站自动化程度进 一步提高。动力环境的两级服务模式使得地区监控中心可以将进行远程的动力环 境监控。 1 3遥视系统的发展及应用 1 3 1传统模拟监控系统 早期最简单的监控系统是由一个摄像机和一台监视器组成，后来发展为多个 摄像机和多台监视器，这些都称为闭路电视监视系统。它广泛用于银行、宾馆、 仓库和工业生产现场等重要部门，它可以使监控操作人员不必到现场就可以将现 场的状况尽收眼底。传统监视系统主要由摄像头、画面分割器、监视器、长时间 模拟录像机及配以适当的报警部件构成( 如图1 1 ) ，主控电路一般采用电子线路顺 序切换或微处理的控制切换。监视器主要是多画面分割的彩色监视器，采用模拟 录像带进行录制，控制操作使用按钮，功能单一化，不易查询和检索，已经不能 适应现代化监控和管理的要求。 豆臣马 录像机 营旷；j ： 圆面分割器l i i 檬傍业 。：。 i 陬e 簪；k 图1 1 传统模拟闭路电视监视系统结构示意图 f i g u r e l 1t h es t m c 缸l r eo f t r a d i t i o n a ls i m u l a t i o nc l o s e d - c i r c u i tt e l e v i s i o ns u r v e i l l a n c es y s t e m 1 3 2新型数字监控系统 随着计算机和多媒体技术的发展，数字监控系统逐渐取代了传统的模拟监控 系统。如图1 2 所示，一路或多路视频信号送至数字监控主机的视频采集压缩卡， 2 引言 采集压缩卡经过a d 转换，将模拟视频信号转换为数字视频数据，然后采用专用 压缩芯片对其进行压缩，最后将压缩后的视频数据送给计算机系统进行显示或存 储( 通过硬盘) 。 同时，数字监控主机通过计算机串口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) 和解码器，用户可 用鼠标或键盘方便地控制前端摄像机云台和可变镜头的角度。用户通过友好的人 机界面发出控制命令，控制信号通过计算机串口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) 传至前端的 解码器，解码器对该信号解释后，产生对云台和可变镜头的控制命令。 摄像头 数字监控主机 图1 2 新型的数字监控系统结构示意图 f i g u r e l 2t h es t r u c t u r eo f n e wd i g i t a ls u r v e i l l a n c es y s t e m 1 3 3远程联网监控系统 数字监控系统的发展方向就是网络化和集成化，以实现远程监控和集中管理。 随着社会经济和科学技术的飞速发展，特别是计算机网络的发展，人们对安全技 术防范的要求也越来越高，组建距离跨度更大、功能更加完善的远程联网监控系 统成为当前监控需求的新热点。越来越多的用户不再仅仅满足于传统的本地分散 式监控管理模式，还需要集中化管理和网络信息传输，实现中心统一的监控和管 理，最终达到管理的信息化和网络化。 远程联网监控系统是基于计算机、多媒体和网络通讯技术的全数字化的图像 监控、信息传输和管理系统。系统采用标准的互联网通讯协议和先进的视频编 解码技术，以网络数据库集中管理为核心，完成信息采集、信息传输、信息管理、 信息储存和系统控制的全过程。远程联网监控系统构架在局域网城域网广域网 之上，与现有网络设备实现无缝连接。远程联网监控系统真正实现了联网图像监 控和集中信息管理，极大扩展了传统监控系统的功能。如图1 3 所示。 现在的遥视系统采用e 1 信道和带宽网络进行通信，整个遥视系统实际上就 是一个多媒体网络系统。目前它只将自身所携带的简单的报警信息添加到遥视系 统中，还远远不能满足远程视频监控功能。 北京交通人。、顾jj 乎? f 口论文 霎望。 霪o 4 蠹爹 j 鳖匹兰；! 曼一= ：! - _ ：! - 分控中心 ( 客户端) 朗 打。t ； 监控中心 中心管理 服务器 网络交换机 瀚 g 鬣冷 心吨- 争z 7 。 报警控制器 愿蒸。 ： 簟； 隧荔鬻 篷薹 摄像机球形摄像机抬暂器传感器 监控前端l 朗 阿黼 l 隧。二羞：j 撮f 鲁儿 g l 控电视墙 口霸暖 , e 3 口 j 凰望 电视墙主机 正台摄像机拾阿器f 0 感措 监控前端n 图1 3 远程联网监控系统结构示意图 f i g u r e1 3t h es t r u c t u r eo ft e l e n e ts u r v e i l l a n c es y s t e m 1 4本文的主要工作 本文的工作涉及计算机软件技术、网络通信技术、数据库技术、国家电力通 信规约等，吸取了国内外数字监控产品和计算机通信产品的成功经验，根据电力 系统对变电站监控的实际要求，将动力环境数据集成到现有的遥视系统中。具体 的工作有如下： ( 1 )研究当前变电站遥视系统的结构、功能、特点、实现方式手段和主要 的技术支持等方面的内容，熟悉动力环境数据系统集成的基础。 ( 2 )设计动力环境数据系统的整体结构和功能。采用两级服务模式，下级 实现变电站动力环境数据的采集处理和上传，上级实现变电站动力环境的集中处 理和转发。 ( 3 )实现动力环境系统的模块，实现动力环境服务器程序和多功能设备控 制主机程序( m e c ) 。 ( 4 )实现动力环境服务器和m e c 之| 、白j 采用国家标准电力传输规约i e c l 0 4 规约实现传输。 4 爱覆黼 引言 ( 5 ) 将此套动力环境系统接入的遥视系统应用到福建泉州地区变电站实 施的变电站改造中。 动力环境系统设计原则与技术基础 2动力环境系统设计原则与技术基础 2 1 系统设计基础 动力环境系统的设计是基于一套已成立的变电站遥视系统之上的。此系 统可以实现三级结构，它们分别为站端、地区中心和省级中心三级。 ( 一) 站端 子站主要设备为视频监控主机和多功能设备控制主机。视频监控主机 负责视频信号的采集、压缩、传输和录像，连接摄像机、云台、云台解码 器等设备。多功能设备控制主机负责其它动力环境设备的信号采集和控制， 连接报警探头、温湿度传感器、环境采集适配器、空调通讯适配器、消防 通讯适配器、灯光控制适配器等。子站系统负责采集前端的视频、报警、 灯光、空调、消防、环境信号和执行各种控制指令。如图2 1 所示。 分控端( 即客户端) 为值班人员提供人机交互界面，可监控站内视频 图像及其它设备的运行状态。无人值班变电站可不配分控端。 视频监控主机和多功能设备控制主机如果由1 台工控主机实现，由于视 频量大，设备输入输出量多，极易造成系统不稳定。因此采用视频监控主 机与多功能设备控制主机独立运行，互不依赖。采用长期运行更为稳定的 嵌入式监控主机也成为发展趋势。 分控端 e 1 ( 一) 以太网 协议转换器 坤9 r s 2 3 2 陌西函五习 一一一一一一一 智能空调 图2 1 子站系统示意图 f i g u r e 2 1t h ep i c t u r eo fs u b s t a t i o ns y s t e m ( 二) 地区监控中心 北京交通大学硕+ 学位论文 地区监控中心包括管理服务器、动力环境服务器和流媒体服务器，实 现“监管和“执行”两大职能。管理服务器负责对用户、设备、信息进 行统一集中管理，其后台安装网络数据库，实现信息集中存储，并对子站 视频监控主机上传的音视频信号进行接收和处理。动力环境服务器负责对 子站多功能设备控制主机上传的动力环境信号进行接收和处理，并发送相 关控制指令。流媒体服务器转发来自各子站的音视频数据流给各个客户端， 可以解决多个客户端并发访问同一子站视频时的带宽占用问题。 监控工作站为安装客户端软件的计算机。用户在监控工作站上使用客 户端软件，对系统进行监控和操作。地区监控中心的计算机( 如局领导的 计算机) 和集控站计算机均可作为监控工作站。地区监控中心系统与m i s 网相连时，要求安装防火墙加以隔离。 ( 三) 省中心 省指挥中心包括管理服务器、w e b 服务器和流媒体服务器。管理服务 器与地区监控中心的管理服务器可实现级联，自动获取下级服务器的设备 配置信息，不需要重复配置。省指挥中心的流媒体服务器与地区监控中心 的流媒体服务器可实现级联。在一个系统内多台流媒体可组成集群，进行 负载均衡，管理服务器根据客户端的访问量自动分配流媒体服务器，为客 户端提供流媒体转发服务。监控工作站安装客户端软件，是对系统进行监 控和操作的平台。在省指挥中心可建设电视墙，采用数字视频矩阵实现视 频压缩信号的解压、数模转换和组合显示。 三级结构的视频监控系统示意图如图2 2 所示。 动力环境系统设计原则与技术基础 神。$ 一删触一鼹流隰 地二_ 哆一一 一一 一 掌 簟磅一 努气 “i i r h 视频流 扩交蚴黔二，瞑器粤 各! 一、一连豇 跫乜站 变，i 站八 前端 ；d v r 龠苍7bc d v v rm 妄 图2 2 省级变电站遥视系统框架图 f i g u r e 2 2s t r u c t u r eo fp r o v i n c i a lt e l e - v i d e os y s t e m 2 2 系统设计原则 2 2 1安全性和稳定性 动力环境系统负责显示变电站工作环境信息和工作辅助操作，首先要满足工 作安全性和稳定性的要素。安全性就是要求动力环境系统传输和显示信息的信息 正确，不误报。稳定性就是要求动力环境系统能够在变电站环境下长期f 常运行。 2 2 2可扩展性设计 完成系统设计，先要进行硬件设备选型和软件结构的设计。选择硬件设备要 根据实际应用的要求，比如处理图像、信息显示的实时性，还要考虑具体条件比 如计算机速度、通信线路带宽等；软件设计应能灵活地移植到不同的硬件平台上， 协调硬件设备最优地发挥作用，并能随硬件能力的提高不断增进自身的性能指标， 以适应新的多媒体通信要求。对于网络分布式系统的可扩展性要求还来自于方便 ：i 匕京交通人学硕十学位论文 地接入新的终端，而不影响原系统的工作并使新系统能稳定运行。 2 2 3灵活性和高效性 变电站远程动力环境系统需要处理各种信息，包括信息显示、报警状态、报 警联动、事件信息等。因此系统设计要求灵活高效地处理各前端模块，处理各种 信息。同时系统应向使用者提供方便的查看和调试手段，即能通过交互人机界面 控制系统完成各种特定功能。 2 3系统设计的技术基础 2 3 1电力系统通信协议 电力系统通信网是电网调度自动化和现代化管理的基础，是电力系统的重要 资源。现今，电力系统已建立自己从天上( 卫星通信) 到地下( 电缆) 的立体式 通信体系，极有希望发展成为局部高速公路，并进一步和“中国国家信息结构基 础计划”接轨。因此，电力系统可靠、先进的通信支持为变电站远程视频监控系 统的实现奠定了坚实的基础。电力系统的通信种类很多，除拨号电话网和电话专 线外，能满足变电站远程视频监控系统通信要求的通信方式主要包括： ( 一) 微波通信 微波通信是一种无线通信方式，是依靠电磁波在空间的传播来实现信息传输 的。进入8 0 年代，微波通信开始从模拟方式向数字方式过渡。微波通信的特点是： 频带宽，通信容量大；受外界的干扰小，可靠性高；微波天线的方向性强，增益 高，可降低发信机的输出功率；通信灵活，投资少，见效快。数字微波通信系统 的终端设备一般采用p c m 终端机。它有两种通路接口，一种是模拟电话信号变 换成数字信号的数据通路接口；另一路是直接接入6 4 k b s 速率的数字信号的数 字通路接口，可直接进行动态图像等多媒体信息实时传输。 ( 二) 光纤通信 光纤通信是以光波为载体，以光导纤维为传输媒质的新型通信方式。其的主 要优点是：频带宽、信息容量大；传输损耗小、传输距离长；抗干扰性强、使用 安全；体积小重量轻，便于敷设。光纤通道是理想的多媒体通信通道。微机之间 要利用光纤通信系统进行数据交换，一般可以采用如下两种方式。一是直接利用 带有r s 2 3 2 口的光纤m o d e m 把计算机和光纤通路连接起来；二是利用光纤通 信系统中的电端机向微机提供接口，经由电端机多路复用，再与光纤通信的光端 1 0 动力环境系统设计原则与技术基础 机进行通信。当前，在无人值班的变电站建设中，一般都建议以光纤作为主要的 通信方式。 ( 三) 扩频通信 无线扩频c d m a 是近年迅速成熟的通信技术。无线扩频采用扩展频谱和码分 多址技术在几十公罩至上百公罩距离内建立无线通信。扩频通信的特点是：发送 功率密度谱低，不干扰同频的其它常规通信；接收门限信噪比低，抗干扰能力强， 保密性好；安装调试简便。其设备体积小，类似基带m o d e m ，可选用小型定向天 线或全向天线。通信速率为6 4 k - - 一2 0 4 8 m b p s 。无线扩频占用的通信频率为2 4 g 或5 7 g 。 ( 四) 接入网技术 接入网是近几年出现的新术语。当前整个通信网可以分成三个部分：传送网、 交换网和接入网。在电信传送网和交换网方面由于光纤通信和长途微波无线通信、 a t m ( 异步传输模式) 和d x c ( 数字交叉连接设备) 的采用，已经极大地增加了 通信容量，改善了通信性能。与传送网和交换网相比，本地环路技术从一百多年之 前诞生至今变化不大。由铜线组成的用户接入线难于满足宽带新业务需要，逐渐 成为电信网的“瓶颈”。 ( 五) i e c l 0 4 规约 本标准适用于具有串行比特数据编码传输的远动设备和系统，用以对地理广 域过程的监视和控制。制定远动配套标准的目的是使兼容的远动设备之间达到互 操作。本配套标准利用了国际标准i e c6 0 8 7 0 5 的系列文件。本标准规定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的应用层与t c p i p 提供的传输功能的结合。在t c p i p 框架内，可以 运用不同的网络类型，包括x 2 5 ，f r ( 帧中继) ，a t m ( 异步传输模式) 和i s d n ( 综合服务数据网络) 。根据相同的定义，不同的a s d u ，包括i e c6 0 8 7 0 5 全部 配套标准( 例如i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 ) 所定义的a s d u ，可以与t c p i p 相结合。 2 3 2面向对象的软件开发技术 近代软件工程发展正面临着从传统的结构化范型到面向对象范型的转移，面 向对象技术正在发展成为当代软件工程的主流技术。有人认为，能够用一种面向 对象的语言( 如c 抖) 就是掌握了面向对象技术，这是一种误区。实际上，面向 对象技术虽开始于面向对象语言，但早已被上升为面向对象方法学和面向对象软 件工程的高度。变电站动力环境系统不仅最后采用面向对象的程序语言c + + 实现， 在其软件分析和软件设计中也运用了面向对象的软件开发方法。在此对面向对象 的软件开发技术作简单的介绍。 北京交通火学硕十学位论文 ( 一) 面向对象的基本概念和表示法 ( 1 ) 对象 对象是一个封装体和抽象体，是属性和处理这些属性的方法的封装体以及问 题域的抽象体。在面向对象的程序设计中，对象是数据和对这些数据进行处理的 方法的封装体。对象用图2 3 所示的记号表示。 图2 3 对象的图形标记 f i g u r e 2 3t h eg r a p hs i g no fo b j e c t ( 2 ) 类 类是一种对象类型，它是对一个以上的对象的共同属性和方法集合的描述。 对象是类的一个实例。类用图2 4 所示的记号表示。 图2 4 类的图形标记 f i g u r e 2 4t h eg r a p hs i g no fc l a s s ( 3 ) 不同类或不同对象之间的关系 不同对象或不同类之间主要有三种关系：一般化、关联和聚合。 ( a ) 一般化 亦称作一般一特殊关系，指父类与子类之间的关系，子类从它的父类继承所 有属性和操作。一般化关系用图2 6 所示的记号表示。 图2 5 一般化的图形标记 f i g u r e 2 5r e g u l a rg r a p hs i g n 1 2 动力环境系统没计原则与技术基础 ( b ) 关联 关联代表两个类之间的结构关系。每个关联的实例是一个链同一类或不 同类的两个( 或多个) 对象之间的物理或逻辑联接。关联并不总是双向的。每个 关联的每一端都代表着该类在与其它类作用中所扮演的角色。图2 6 显示了关联 的表示记号。 一对一 一。 一对零或一( 可选) 一对多 多对多 图2 6 关联的图形标记 f i g u r e 2 6t h ec o r r e l a t i v eg r a p hs i g n 图2 7 是一个关联的例子。 图2 7 一个关联的例子 f i g u r e 2 7a ne x a m p l eo fr e l e v a n c yr e l a t i o n s h i p ( c ) 聚合 聚合关系即总体与部分的关系，用图2 8 表示。 图2 8 聚合关系图形标记 f i g u r e 2 8t h eg r a p hs i g no fa g g r e g a t i o nr e l a t i o n s h i p ( 二) 面向对象的分析 北京交通大学硕十学位论文 应用开发被划分为许多阶段，关于这些阶段的定义和划分有许多不同的说法。 一般地，应用开发可划分为需求描述、分析、设计、实现、测试、维护7 个阶段。 其中，分析阶段的目标是理解软件为满足需求所要解决的问题，它描述软件应该 做什么而不是怎样去做。分析阶段所侧重的是软件而非用户的需求；当然目标总 是解决业务领域中的实际问题，而不是只盯着实现。 面向对象分析的目的是建立可理解的现实世界模型。分析的结果是对系统的 一般性定义。分析阶段产生两种模型，它们一起组成了对系统的两种互补的视图。 ( 1 ) 对象模型描述问题的静态特征。它陈述静态对象结构，包括系统中的对 象，对象之间的关系以及类的属性和操作等特征。 ( 2 ) 动态模型表示问题的暂时的、行为的和控制方面的特征，包括系统对象 的事件序列、状态和操作。 一般说来，面向对象的分析包括以下活动：理解问题、寻找对象、把对象归 到各类中、建立类之间的关系、定义类的性质和行为、对象交互的建模和研究对 象的状态变化。其中前五个活动合称静态建模，后两个活动合称动态建模。 ( 三) 面向对象的设计 设计阶段研究怎样满足分析阶段对软件的定义，即怎样构造软件系统。面向 对象设计有两个设计阶段：系统设计和对象设计。系统设计确定高层次的开发策 略。系统被划分为子系统，并分配到各种资源。对象设计的目标是确定对象的细 节。分析阶段的两种模型在对象设计阶段被细化，它们把问题( 业务) 域映射到 解( 计算机) 域。 ( 四) 面向对象的实现 实现阶段的主要任务是通过某种程序语言( 一般用面向对象语言) 将设计阶 段定义的模型和算法转换为程序代码。 2 3 3网络体系结构和t c p i p 协议 ( 一) 网络体系结构 从1 9 7 7 年到1 9 8 4 年，网络专家制定了一个叫做开放式系统互连参考模型 ( o s i ) 的网络设计模型。这个模型用层将一个网络分成定义好的功能模块，并 为每一层定义各自的协议，使每层均可以通过定义好的协议与它周围各层通信， 每层为其相邻层提供服务，实现专门的功能，同时对其上面各层隐藏了低层的实 现细节。 1 4 动力环境系统设计原则与技术基础 从概念上讲，当两台主机进行通信时，它们的相应层也进行对话，我们可以把 不同网络主机内的各层称为对等实体( 图2 9 ) 。实际上，在网络模型中，主机发 送的数据从上层传递到最底层( 即物理层) ，在物理层中数据通过实际的通信信道 水平地传递到目的主机，在目的主机，数据由最底层向上传递到最上层。由此可 见，发送方的任意一层发送的数据最终要达到目的主机的相应层。虽然物理上不 直接在对等实体之间传输数据，我们却可以认为它们之间进行了虚拟通信。网络 分层和对等实体间的虚拟通信，减化了网络编程。 应用层 。a 。p 。p 。l i l c 。a 。t 。i o 。n 。l 。a 。y 。e 。r 应用层协议 堕旦星- 1 a p p l i c a t i o np r o t o c o l s | 竺出鲤1 2 2 竖2 ：1 上壅墨墨一 表示层协议 p r e s e n t a t i o nl a y e rk p r e s e n t a t i o np r o t o c o l s p r e s e n t a t i o nl a y e r 土叁塑堡会话层游议 一 土垒望星 s e s s i o nl a y e r s e s s i o np r o t o c o l s 。叫呈2 ：1 2 2 垫： 王笪塑星传输层协议上焦苎墨 t r a n s p o r tl a y e rk t r a n s p o r tp r o t o c o l s - t r a n s p o r tl a y e r l 罔络屡 n e t w o r kl a v e r 1 _ 一 墼塑上壁墅墨 d a t a - l i n kk i v e r _ f _ 一 一一土竺堡星 p h y s i c a ll a v e r _ - - _ _ _ _ _ _ - i - 一 主枧l h o s tc o m p u t e r1 暇络层协议 n e t w o r kp r o t o c o l s 数据 链路层协议 d a t a - l i n kp r o t o c o l s 物理层协议 p h y s i c a lp r o t o c o l s l 网络屡 ”卅 n e t w o r kl a y e r r 一 墼堡土壁堕星 一”l d a t a - l i n kl a y e r t 一上望墨星 刊p h y s i c a ll a y e r 主觇2 h o s tc o m p u t e r2 图2 9 显示对等实体的网络模型 f i g u r e 2 9t h rn e t w o r km o d e lo fe q u i t ye n t i t y ( 二) t c p i p 协议 协议是一组规则，它们定义了软件如何工作，计算机操作系统使用规则处理 用户之间、应用程序之间和计算机之间的信息流动，同样，网络协议管理网络计 算机和网络应用程序之间的信息流动。 i n t e r a c t 依赖于一组叫做t c p i p 的协议组。一个协议组是一组互补和合作的 协议集。t c p i p 协议组不仅包括传输控制协议和互联网协议，还包括其他协议， 所有这些协议共同工作以便在i n t e m e t 上传递信息。表2 1 列举了目前通常使用的 t c p i p 协议。 北京交通人学硕士学位论文 表2 1t c p i p 协议描述 t a b l e 2 1t h ed e s c r i p t i o no f t c p i pp r o t o c o l 协议描述 i p 互联网协议是在主机间传递数据的网络层协议 t c p 传输控制协议是在应用程序间传递数据的传输层协议 u d p用户数据报协议是另一个传输层协议。u d p 也在应用程序间传 递数据，但u d p 没有t c p 那样复杂，也没有它那么可靠 i c m p 互联网控制报文协议携带网络错误信息，并报告网络软件需要 注意的其他情况。 上面已经介绍了，o s l 模型将网络分层，每层完成特定的功能。o s i 模型将 每层和定义此层功能的协议联系在一起。例如，管理互联网中数据传送的网络层 包含互联网协议，此协议在主机间传输数据。如图2 1 0 所示，o s i 模型将网络表 示为一个垂直的模块栈。由于此模型每层至少和一个协议相联系，所以可以认为 此模型将协议像栈一样一个一个堆在一起。 鼢层匝hm h a r 耐d w a 雠r e l i n k arpl 叶固 i 卜叫。 a y e r 。一 。1 “。 图2 1 0o s i 模型的协议栈 f i g u r e 2 10t h ep r o t o c o ls t o c ko fo s im o d e l o s i 参考模型将网络设计划分成七个功能层。但此模型只起到一个指导作用 一它本身并不是一个规范。t c p i p 网络只使用o s l 分层的五层，如图2 1 1 所示， 其中有箭头的线表示不同的网络软件和硬件组件之间可能的通信通道。例如，为 1 6 动力环境系统设计原则与技术基础 了和传输层通信，应用程序必须与用户数据报协议( u d p ) 和传输控制协议( t c p ) 模块对话。为了和网络层通信，应用程序必须与互联网控制报文协议( i c m p ) 或 者互联网协议( i p ) 模块对话。但是，不管数据通过何种路径从应用层传递到网 络层，数据都必须经过口模块才能到达网络硬件。 t c p i p 网络的物理层同o s i 模型的物理层相同一它包括携带物理数据的传输 媒质，这种媒质通常是某种类型的双绞线或同轴电缆。 链路层包括一个硬件接口和两个协议模块：地址解析协议( a r p ) 和反向地 址解析协议( r a i 冲) 。它位于物理层和网络层之间，为网络层的i p 模块发送和接 收数据。 应用层 传输层 网络层ln 脚e t w o e r r k 臣亘 臣) 悃 二i i i i i i i i i i i i i i i i i i | | | i i i i i i i i i i i i i i i i i i | | 左i i | i i i i i | | i i f 。一。一一一。一一一一。一一。一一一。一一一。一1 r 一一。一。一。一一一1 链路层i蒜匹丑埘堕亘悃l ：- - - - _ - - _ - - - - - - - - - _ - - 一。- - - - - _ - - 王一- - - - _ - - - - ： 物理层 p h l y a s y i e c r a l 二一 图2 1 1 具有相联系的协议的t c p i p 网络模型 f i g u r e 2 11t h et c p i pn e t w o r km o d e lo fa s s o i c i a t e dp r o t o c o l 网络层是基于t c p i p 协议组的任意网络的核心。网络层包含互联网协议 ( i p ) 、互联网控制报文协议( i c m p ) 和互联网组管理协议( i g m p ) 。在网络层 中，i p 完成大部份工作，i c m p 和i g m p 是支持1 1 的协议，帮助i p 管理特殊的 信息，如差错信息和多站广播信息。 传输层包括两个传输协议：传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。 传输控制协议使用可靠的字节流发送和接收数据，是一种面向连接的协议。传输 控制协议为网络通信提供虚电路。用户数据报协议使用数据报发送和接收数据， 1 7 北京交通大学硕十学位论文 是一个不可靠、无连接的协议，其次每次发送的数据报的大小，视网络状况而定。 2 3 4w i n s o c k 编程 ( 一) w i n s o c k 简介 w i n s o c k ( w i n d o w ss o c k e t 的简称) 是i b m 于1 9 9 4 年4 月推出，并得到包 括m i c r o s o f t 在内的多家软件厂商支持的当前w i n d o w s 平台上网络应用编程的标 准接口。 w i n s o c k 是从u n i x 平台上成熟的s o c k e t 编程接口的基础上发展起来的，并 对其网络通信机制进行了功能上的扩充。s o c k e t 是b s du n i x 提供的基于t c p i p 网络协议的网络应用编程接口。它采用客户机月艮务器的通信机制，使网络中的客 户机和服务器双方可以通过s o c k e t 实现网络之间的连接和数据交换。s o c k e t 提供 了一系列系统的调用，通过这些系统调用可以实现t c p 、u d p 、i c m p 和口等多 种t c p i p 网络协议之间的通信。w i n s o e k 是s o c k e t 在w i n d o w s 平台上的实现和 扩充。 随着w i n d o w s9 5 和w i n d o w sn t 的推出，w i n s o c k 已经正式集成到w i r l d o w s 平台中，并同时包括1 6 位和3 2 位两个版本。w i n s o c k 开发工具可以在v i s u a lc + + 和b o r l a n dc + + 等c c + + 编译器中找到，