（计算机软件与理论专业论文）bms系统的设计与实现.pdf

摘要 本文在楼宇智能化的发展背景和相关技术基础上，阐述了l b m s ( 智能楼宇 系统管理系统) 开发的技术难点和问题，从实际案例的需求分析、概要设计、详 细设计的各层面的实现和测试行了详细的描述。 b m s 系统开发的关键在于各个智能子系统之间的无缝结合，o p c 规范是其 中的关键。所以整个系统构架考虑的重点放在o p c 规范上，包括设计合适的数 据结构和算法以适应o p c 规范。 关键词：b m s 智能楼宇o p c软件工程 a b s t r a c t t h i sa r t j c i ei u s t r a t e dl h et o u g hp r o b l e mi nt e c h n o i o g yo fi b m s ( i n t e i g e n l b u i i d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ) d e v i o p m e n tb a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h e h i s t o r yo fi n t e i g e n tb u i l d i n g t h ek e yi nt h ed e v e i o p m e n t0 fl b m si st h em e r g eo fe a c hi n t e i l i g e n t s u b s y s t e m t h eo p cf o r m u i ai st h em o s li m p o r t a n tt h i n go fa s ow et h j n k a b o u tt h e0 p cf o r m u l am o s t i yw h e nw ed e s i g nt h ew h o i ef r a m e w o r k ，a n d d e s i g nt h es u i t a b i ed a t as t r u c t r u ea n da l g o r i l h mt of - tf b rl h eo p cf o r m u l a k e y w o r d s ：b m s i n t e i i i g e n tb u i l d i n go p c s o f t w a r ee n g i n e e r i n g b m s 系统的设计与实现 一、智能楼宇管理系统的发展 ( 一) 发展历史 1 9 8 4 年美国康涅狄格州哈特福市建成世界上第一座“智能大厦”“都 市大厦”，美国智能型建筑学会等学术团体提出的智能大厦的有关理念及概念一 直沿用至今。随着l t 技术的发展，其理念和概念应进行了发展和更新。特别数 字城市的发展，智能大厦、智能小区已成为数字城市的一个信息节点，对传统的 商业大厦，居民小区的理念、概念产生新的挑战。 通常认为智能大厦的智能化系统是以楼宇自控系统为核心组成。很多专家 认为智能大厦作为数字化城市中的信息节点，其智能化系统应以信息系统为核 心，而传统的楼宇自控、消防、安防等子系统应作为一般必要的配置。智能小区 的智能化系统通常认为以安防为核心，而安防、物业管理等设备应作为一般必要 的配置。 智能楼宇中，往往存在着相当多的智能子系统，比如安防报警系统，消防系 统，楼控系统等等。每种类型的系统都自己的通信网络、协议、以及监控终端， 甚至同一类型的子系统在不同厂家的产品之叫也有着相当大的不同。所以系统集 成商在项目开发的时候，为了存取设备的数据，需要针对每一种设备) i ：发专用的 接口函数。而且由于产品不断升级，给用户和开发商带来了巨大的工作负担，通 常这样也无法满足工作的实际需求。这种情况下，系统集成商和丌发商急需一种 具有高效性、可靠性、开放性、町互操作性的即插即用的设备驱动程序。 为了解决此类问题，0 p ct a s kf o r c e 制定的o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 i ) 规范丁二1 9 9 6 年8 月正式诞生了。1 9 9 7 年2 月m j c r o s o f c 公司推出w i n d o w s 9 5 支持的d c o m 技术，1 9 9 7 年9 月新成立的o p cf o u n d a t i o n 对o p c 规范 进行修改，增加了数据访问等一些标准，0 p c 规范得到了进一步的完善。0 p c 是基于m l c r o s o f 【公司的d i s i r j b u t e di n t e m e ta p p i i c a t i o n ( d n a ) 构架和c o m p o n e n to b j e c tm o d e ( c o m ) 技术的，根据易于扩展性而设计的。o p c 规 范定义了一个工业标准接口，这个标准使得c o m 技术适用于过程控制和制造自 动化等应用领域。o p c 是以0 l e ，c o m 机制作为应用程序的通讯标准。o l e ， 1 c o m 是一种客户，服务器模式，具有语占无关性、代码重用性、易于集成性等优 点。o p c 规范了接l l 函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方 式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出 来。 有了o p c 标准，系统集成商的任务就是通过设备厂商提供的o p cs e r v e r ， 开发自己的o p cc i i e n i ，将所有智能设备的数据与控制集成到统一的界面中。 这样可以极大地降低集成系统丌发和维护所需的成本，也使得开发商不再为不同 设备之间的接口而烦恼，专心与提高系统性能和稳定性上。 b m s 系统中的另外一个义键组成是实时数据库。智能楼字系统由数个智能 子系统组成，每个智能予系统中有许多类型的设备，往往一个b m s 系统需要从 数千乃至上万个点位获取数据，数据的刷新率一般都在数毫秒到数百毫秒之间。 所以对众多的实时数据中进行检索和修改是b m s 系统中非常关键的一个问题。 传统的数据库无法在如此大量的实时数据流量下发挥作用，另一方面，并没有必 要将这些实时数据全部进行保存，开发商需要保存的数据的时间间隔远远大于数 据刷新的间隔。同时，此时数据的i f 确性不仅依赖与事务逻辑性的正确，也依赖 与数据的时潮。实时数据库呵以实现对大量无需保存的数据的实时检索。臼前， 在工业控制领域，有许多成熟的实时数据库产品。考虑到b m s 系统对于实时数 据库功能和性能的要求，没有必要使用工业级的实时数据库产品，其基本的功能 可以由丌发商自己实现。 过去的大型监控系统如d c s 、b a s 等系统都是专用封闭系统。使用专用的 控制总线，专用的软件，用户投资大，可维护性差，升级困难，皋本上只能采用 一家的产品，产品兼容性很差。国外的自动化拧制大公司不能关注用，、的需求， 为用户创造价值。例如：用户提出要降低设备成本，有选择多家设备的权利；降 低管理成本，使控制层管理系统与企业的信息管理系统有良好的接口。系统应拥 有个标准、统一、开放的接口标准，降低用户总体拥有成本( t c 0 ) 。 同时随着商用网络的日益普及、w e b 技术的广泛应用，许多用户提出网络 监控软件能否象i n t e m e t 一样，客户端用浏览器监控，无须专用的监视控制台， 使系统可以方便的进行远程管理。因此将商用w e b 技术应用于监控软件中，使 客户端变瘦，可以极大的降低监控系统的管理成本。 现代的智能化建筑提倡“以人为本”，构造i - b u i l d i n g 系统。智能化建筑b m s 系统在整个智能建筑物管理系统( 1 b m s ) 中是承上启下的通道，是沟通控制 系统与信息管理系统的桥梁。通过b m s 系统用户可以集中监视各种建筑设备的 运行状态，统计设备的运行参数；同时b m s 系统自动提供设备的维修报告，具 备强大的报警功能，可以让用户从本地( i n t r a n e t ) 或者远方( i n f e m e t ) 管理操 作系统，具有可靠的联动功能。 在自动化的层次之卜，b m s 系统还为信息管理系统如物业管理、i c 卡支付 系统等提供所需的设备历史状态信息。凶此，在b m s 系统上甚至可以提供完整 的信息管理解决方案。 ( 二) 国内目前智能管理系统的发展状况 智能建筑行业，这是国内乃至令球发展最快的一个领域。包括为：智能建筑 行业( 智能大厦、智能小区、智能家居) 、综合布线行业、计算机网络集成行业、 宽带网运营业、家庭网络行业、家庭娱乐行业，智能建筑行业f 进入品牌服务时 代。国内的智能建筑市场也面临着国外同行的激烈竞争和市场细分的考验。 1 智能建筑在中国 中因智能建筑是逐步发展起来的，在上世纪八十年代末，九 一年代初，随着 改革丌放的深入，国民经济持续发展，综合国力不断增强，人们对工作和生活环 境的要求也不断提高，一个安全、高效和舒适的工作和生活环境已成为人们的迫 切需要；同时科学技术飞速发展，特别是以微电子技术为基础的计算机技术、通 信技术和控制技术的迅猛发展，为满足人们这些需要提供了技术基础。这一时期 智能建筑主要是些涉外的酒店和特殊需要的r 业建筑，采用的技术和设备主要 是从国外引进的。虽然普及程度不高，但是人们的热情是高涨的，得到设计单位、 产品供应商以及业内专家的积极响应，可以说他们是智能建筑的第一推动。 在八十年代末建设部编制的民用建筑电气设计规范中，就已经提出了楼 ! 自动化和办公自动化，对智能建筑理念和各种系统有了比较全面的涉及。这个 时候人们对建筑智能化理解主要是将电话、有线电视系统接到建筑中来，同时利 用计算机对建筑中机电设备进行控制和管理。各个系统是独立，相互没有联系， 与建筑结合也不密切。 1 9 9 5 年中国工程建设标准化协会通信工程委员会发布了建筑与建筑综合 布线系统和设计规范，这些都促进了通信网络和办公自动化系统在建筑中的应 s 用。同年上海正式颁发了地方标准智能建筑设计标准，它根据不同的需求， 把智能建筑划分为三级，为智能建筑规划、设计和施工提供了依据，推动了智能 建筑的发展。 对智能建筑另一个重要推动力量来自房地产开发商，在九十年代房地产丌发 热潮中，房地产开发商，在还没有完全弄清智能建筑的时候，发现了智能建筑这 个标签的商业价值，于是“智能建筑”、“5 a 建筑”、甚至“7 a 建筑”的名词出 现在他们促销广告中。正是这些情况，智能建筑迅速在中国普及起来，在九十年 代后期沿海一带新建的高层建筑几乎全都自称是智能建筑，并迅速向西部扩展。 据不完全统计，到目前为止，全国各地累计已经建成或正在建殴的各类智能建筑 已近两于多项。迅速膨胀的市场在锻炼和培养一支智能建筑设计和施工队伍的同 时，也出现些不规范的现象，智能建筑的工程质量也出现些隐患。 如果说把综合布线当作智能建筑的全部是过于简单化，那么盲目追求智能建 筑一体化集成，则对智能建筑不分对象和需要，则是过于复杂化了。针对智能建 筑系统集成这个问题，建设部建筑智能化文化教育工作专家委员会1 9 9 9 年在北 京举办了“智能建筑系统集成高峰论坛”，与会代表就智能建筑系统集成的必要 性、如何进行系统集成等有关问题进行了研讨，有关代表提出了系统集成应该主 要是以楼宇自控系统为主的系统集成、和利用丌放标准进行系统集成的观点；这 些观点在后来的系统集成实践【f j 成为主要指导思想。这标志着智能建筑建设从盲 目追求智能化、贪大求全转向务实。 中国对智能建筑的最大贡献是开发智能小区建设。在上世纪末在中国丌发的 住宅小区建设是中国独有的现象，在住宅小区应用信息技术主要是为住户提供先 进的管理手段，安令的居住环境和便捷的通信娱乐工具。这和以公共建筑如酒店、 写字楼、医院、体育馆等为主的智能大厦有很大的不同，智能小区的提出j 下是信 息化社会，人们改变生活方式的一个重要体现。建没部住宅产业促进中心于1 9 9 9 年底颁布了全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点与技术导则，导则 计划用5 年时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带动和促进 我国智能化住宅小区建设，以适应2 1 世纪现代居住生活的需要。 推动智能化住宅小区建设的主角是电信运行商，人们试图通过投资建设一个 到达各家各户的宽带网络，并以此网络开展各种增值服务如：电子商务、网上娱 6 乐、远程教育、远程医疗及其他各种数据传输和通信业务等，并以这些增值服务 来回收投资。于是开发商和住户便享受起这个“免费的晚餐”，一个遍及全国的 “宽带热”正在各地兴起。各种类型的公司纷纷加入这场“圈地”运动中，恶性 竞争频频发生，甚至有些住宅小区同时几套宽带网络同时建设。 虽有人对这种发展建筑智能化的思路持怀疑态度，但这并不影响“宽带网” 成为建筑智能化行业，乃至房地产行业最热门的话题。更重要的是他将会改变人 们进行建筑智能化建设的技术路线和运作模式，也许这也标志着智能化已经突破 建筑，走向整个城市、整个社会。于是有人对智能建筑进行新的解释和理解，所 谓建筑智能化就足通过接入到各种建筑的宽带网络，为生活和工作在这些建筑内 的人们提供各种人们需要的智能化信息服务业务，用户通过这个网络接受和传送 各种语音、数据和视频信号，满足人们信息交流、安全保障、环境监测和物业管 理的需要。 2 国际知名品牌强势进军 2 0 0 4 年4 月7r 新任h o n e y w e 公司安防系统事业部巾国区总经理的王必 清先生接受外界的采访时介绍说，近几年来，h o n e y w e 公司陆续收购了几家国 际上知名的安防企业，如安定宝、西屋( 北方电脑) 、n e x w a t c h 等公司。为了 更好地整合公司的资源，发挥团队的整体作用，h o n e y w e 决定将公司有关安防 的几家子公司组合成一个安防系统事业部。并且，从今年6 月以后，公司的安防 产品除保留西屋一个品牌，所有其他产品统佣h o n e y v 悒这一品牌，h o n e y w e 也就成为全球第一大安防器材集团生产商。h o n e y w e i i 整合其楼宇自控、安防 领域的优势资源，并在巾国进行本土化的服务，将成为中国智能建筑行j 【k 的重要 厂商和服务商。 名列全球5 0 0 强的施耐德电气公司在中国全面推出其梅兰日兰旗下的l n f r a + 系列智能布线产品，同时带来的还有其超前的“透明数字世界”概念。施耐 德电气以梅兰n 兰l n f r a + 系列为平台，将这一平台所承载的内容从传统的计算 机通讯、信息加以扩展，在建筑方面，融合了消防、安防、自控等综合楼宇控制 信息，在工业领域则是对工业生产中应用到的通讯、计算机、工业自动化技术进 行整合，从而使信息、控制等多种数字信号可以融合在同一系统内高速、稳定、 无障碍的传输。全面满足和丰富施耐德电气提出的具有领先意义的“透明建筑” 和“透明工厂”解决方案。 7 另外两家来自电t 领域的最知名的厂商也瞄准了智能建筑领域，奇胜一源自 澳洲的全球知名品牌，除了提供享誉世界的装置电器产品外，更将工控装置、智 能科技、照明产品及通讯系统带入了中国，提供了完整的智能建筑，尤其是智能 家居解决方案。2 0 0 3 年1 2 月2 2 闩，另一知名的电工品牌也有大的动作，t c l 智能楼宇事业部正式宣布成立，t c l 智能楼宇包括了综台布线、智能门锁、可 视对讲、闭路监控、防盗报警5 大子系统，经过资源整合后的t c l 智能楼宇事 业部跃升成为国内大型智能建筑系统提供商。 美国江森公司、德国西门子公司在中国已有多年b a 产品销售与服务经验， 从去年开始以智能建筑集成作为重要的服务起点。思科一这家全球著名网络产品 供应商，从去年底jf 始在中国成立专门的智能建筑市场拓展部门，通过与其它智 能建筑子系统厂商的联合，共同进军智能建筑市场。 我们还看到，g e 、松下、r 立等国际巨头近期也频频亮相各种智能建筑、 智能家居的展会，并带来智能建筑系统产品与解决方案，这些公司也看到了中国 智能建筑市场诱人的商机，并在为会国进军作充分准备。 3 中国智能建筑市场的发展前景 中国建筑自九十年代丌始腾飞，随着资讯科技的改革性发展，社会出现了新 的生活模式，市场对建筑的需求迅速转变。由于智能大厦能将不同的管理系统及 应用融合于楼宇的结构内，提供富弹性，高效率，成本相宜的智能服务，因此智 能建筑的需求h 益增加。建筑智能化和社区信息化投资在建筑工程总投资中所占 比重，已从早期的5 增加到目前的8 左右，有些项目甚至达到了1 0 。根据 千家市场研究部门的调查分析，2 0 0 3 年中国智能建筑市场规模已达3 0 0 亿元， 而且仍在以年均3 5 的增幅高速成长，预计到2 0 0 7 年市场规模可达1 0 0 0 亿元， 2 0 0 9 年达1 8 0 0 亿元。 智能建筑服务市场规模也正急骤上升，到2 0 0 7 年约占智能建筑市场的3 ， 即3 0 亿元，2 0 0 9 年将占到5 ，服务市场总规模达9 0 亿元。专业的市场需要 专业的服务，智能建筑服务内容包括信息咨询、媒体运作、可行性分析、项目策 划、培训认证、测评、项目监理、专业市场建立与运营、物流配送等第三方服务。 伴随市场规模的扩大，随之而来的必然是激烈的市场竞争。智能建筑中的服 务项目逐渐凸显其重要性。过去那种以，栋建筑和一个小区为单位运行和管理模 式不能很好发挥智能化系统应有的功能，应浚把智能化系统构筑在社会统一信息 r 平台上，并以此平台为建筑和建筑中的人员提供服务，这就需要对智能建筑的投 资、建设、运行和管理模式进行调整。这种服务模式也有利于满足不同的服务需 求，和降低智能化设施维护管理成本。总之技术在进步、制度在变革，中国智能 建筑充满着希望，也面临严峻挑战，需要不断地学习，1 i 断地研究，共同探讨智 能建筑的发展道路。 二、b m s 系统介绍 ( 一) 系统概述 b m s 系统的总体原则是：以计算机网络为基础、软件为核心，通过信息交 换和共享，将各具有完整功能的独立分系统组合成一个有机的整体，提高系统维 护和管理的自动化水平、协调运行能力及详细的管理功能，彻底实现功能集成、 网络集成和软件界面集成。 b m s 系统监控和管理的对象包括建筑设备监控系统( b a s ) 、安全防范系统 ( s a s ) ( 包括入侵报警系统、电视监控系统、出入口控制系统、巡更系统和车 库管理系统) 、火灾自动报警系统( f a s ) 、公共广播及紧急广播系统( p a s ) 及 办公自动化系统等。根据各类设备所要完成的功能，建筑自动化管理系统由对应 的各分系统组成，它们相对独立工作，完成各系统的监测和控制任务。 b m s 的各分系统相对独立下作，但又必须协调致，在b m s 管理中心的统 监控和管理下，共同为建筑物提供安全、舒适、方便的生活条件和高效的工作 环境，并保证其运行维护管理的经济性和智能化。 b m s 是在建筑自动化行业建设的基础上，应用了楼宇自动化系统和开发平 台中最先进的软硬件技术。面向建筑自动化行业、采用子系统集成模式的，集数 掘采集、网络通信、自动控制和信息管理于一体，是一种可二次开发的监控管理 平台软件。具有使用简单、性能可靠、速度快、系统开放等特点，可广泛应用于 智能大厦、智能小区等智能建筑物。 b m s 的总体目标是：“以计算机网络为基础、软件为核心，通过信息交换和 共享，将各个具有完整功能的独赢子系统整合成一个有机体，实现系统的信息共 享，降低系统的运行费用，提高系统维护和管理的自动化水平，提供个性化服务。” ( 二) 结构与组成 根据对脏控和管理的对象及其功能要求的分析，b m s 组成如下图所示。监 控的内容包括：楼宇设各自控系统( 队s ) 、安全防范系统及报警系统( s a s ) 、 火灾自动监测和消防系统( f a s ) 。 系统结构： b m s 服务器与下层设备之问通过0 p cs e r v e r ( 即图中的b a ，s a 和f a 服 务器) 进行数据交换。b m s 服务器与综合监控端甚至o p cs e n ，e r 可以是同一 台计算机，也可以是i n t r a n e t 中的远程机器。o p cs e n ，e r 负责与现场设备进行 数据通信，搜集设备的数据并进行转换。 从上图可以看出整个b m s 系统分为3 个层次： 现场设备层。这一层由众多的现场设备组成，包括各类传感器、探测器、仪 表和执行结构等，结构分散，各现场设备有着自己的数据接口和传输通道。 控制总线层。所有的o p cs e n ，e r 和| n l r a n e t 组成了这一层。o p cs e r v e r 负责与下层的现场设备进行数据通信，将数据转换为o p c 规范，通过i n t r a n e t 与上层集中监控层通信。 集成监控层。负责整个系统协调运行和综合管理，对下层的数据进行集中管 理，并提供最终用户界面。 b m s 由以上分层结构组成，它们相对独立，各自完成相应的监测、控制和 管理功能；但大厦是一整体现代化建筑，其自动化系统也应是一个有机的整体， 分系统之间相互连接，实现信息交换和共享，协调联锁工作，共同完成建筑自动 化管理的各项功能。 ( 三) b m s 系统的基本设计原则 a ) 开放性：集成后的b m s 系统应是一个开放、通用的系统。系统集成的 关键问题是解决不同子系统、不同产品问接口和协议的标准化，以使它们之间能 达到互联性和互操作性。它应提供数据接口、网络接口、系统和应用软件接口。 系统开放性特征是：集成接口遵循丌放、通用的国际标准。如被称为工业监控软 件的现场总线的、由非盈利性组织o p c 基金会制定的0 p c 规范：集成接门互 换性好；可维护性好。 b ) 先进性：系统要采用符合困际技术发展潮流的技术和产品，建立一个可 扩展的平台，保护前期工程和后继先进技术的衔接，使系统具有先进性。 c 1 可靠性：系统应提供多种方式构建一个高可靠性系统。丰要方式有冗余， 当然最主要的是集成软件的连续无故障运行能力。 d ) 模块化：系统要严格按照模块化结构方式开发，以满足通用性和可替换 性。 e ) 适用性：系统要考虑技术和成本的适用性。应从系统目标和用户需求出 发，经过充分论证，选择合适的技术和产品。 b m s 系统集成的本质是实现各个子系统之间的信息交换、对各子系统实行 统一的管理和监控。系统集成首先应关注各子系统之问的互联性和互操作性问 题，此外还应关注系统联动实现问题。 系统联动实现的主要目的，是达到处理突发事件的能力。以往为达到同样功 能，往往要增加许多硬件设备，如在消防和安保系统中增加输出点，接入楼宇自 控系统的输入点上，以达到统一监控和联动的目的。但由于硬件接点数量的限制， 往往增加了投资义不能达到很好的效果。8 m s 系统集成应用软件功能代替硬件 设备，不仅节省了初次投资，更增加了集成的信息量和系统联动功能。b m s 系 统集成可以使管理人员在任何一台连接到网络的电脑上，以相同的、熟悉的界面 管理各子系统，提高管理效率，降低运行成本。 各子系统之间的互联性和互操作性问题，这是一个多厂商、多协议、面向各 种应用的体系结构，需要解决各类设备、子系统之问的接口、西议、系统平台、 应用软件、建筑环境、运行管理等各类面向集成的问题。能否方便、灵活地接入 各子系统，是b m s 系统软件设计和实现时的一个重要问题。前文提到的o p c 规范这个问题的一个较好解决方案，在下一+ 个章节将对o p c 规范进行详细介绍。 三、o p c 规范 本文在第一部分对智能楼宇管理系统的发展历史介绍中提到了o p c 规范的 出现。由于o p c 规范在当前智能楼宇管理系统中的重要地位，本文在这里对o p c 规范进行详细的介绍。 ( 一) 历史背景 o p c 规范的产生具有定的必然性。由于智能楼宇中各种智能设备的种类 不断增加，厂商之间的设备接【_ l 互不兼容，共至相同的设备升级时也会带来接口 升级的问题，所以系统集成商不得不而对越来越多的设备接口。要获得正确的数 据就需要了解每个没备独特的接口函数的调用，为集成系统的开发和部署带来的 相当大的困难，也大大增加了系统维护的成本。比如某个智能子系统升级或者更 换后，就必须重写集成系统中的数据存取接口。这类问题在上业控制中更为严重。 实际上，o p c 规范的诞生就是为了解决工业控制中数据接口不统一的问题。 0 p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o i 用于过程控制的o l e ) 是一个工业标 准，它是许多世界领先的自动化和软、硬件公司与微软公司合作的结晶。这个标 准定义了应用m i c r o s o f t 操作系统在基于p c 的客户机之间交换自动化实时数据 的方法。管理该标准的组织是o p c 基金会。该基金会的会员单位在世界范围内 超过2 2 0 个。包括了世界上几乎全部的控制系统、仪器仪表和过程控制系统的 丰要供应商。o p c 基金会的先驱一支由f i s h e 卜r o s e m o u n l 、r o c k w e 软 件公司、0 p l o2 2 、l n l e u 怕n 和i n t 响i v et e c h n o i o g y 公司组成的“特别工作组” 在经过一年工作后，丌发出一个基本的、可运行的o p c 规范。简化的第一 阶段的标准在1 9 9 6 年8 月发布。 o p c 委员会的主席d a v er e h b e i n 是这样描述o p c 规范的：“o p c 基于m i c r o s o f i 公司的d n a 构架和d c o m 技术，根据易于扩展性而设计的。o p c 规范 定义了一个工业标准接r 】，这个标准使得c o m 技术适用于过程控制和制造自动 化等应用领域。” 0 p c 是以o l e ，c o m 机制作为应用程序的通讯标准。o l e ，c o m 是一种客 户朋酲务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。o p c 规范 了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而 保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的丌发中脱离出来。开发商将不 再烦恼与复杂多变的接口函数，可以将精力集中在增加集成系统的功能和性能 上。同时可以大大降低系统维护的成本和精力。 ( 二) 规范简介 1 o p c 对象与接口 o p c 技术规范是以m i c r o s o f t 的o l e ，c o m 技术为基础，定义了一组接口规 范。它包括o p c 自动化接口( a u t o m a nl n l e r f a c e ) 和o p c 定制接口( c u s t o mi n t e 向c e ) 。另外，0 p c 技术规范定义的是o p c 服务器程序和客户机程序 进行通讯的接口或通讯的方法。 l 嚣曲n c o m d c ( t i 。罴呈桀， 图一 m o p c 服务器对象提供了对数据源进行存取( 读，写) 或通讯的方法，而数据 源可以是现场的i ，o 设备，也可以是其它的应用程序。通过接口，o p c 客户应 用程序可以同时连到由一个或多个j 商提供的o p c 服务器上。如图1 所示。o p c 服务器封装了与l ，o 控制设备进行通讯和访问数据的类型与名字及进行设备 操作的代码。 2 o p c 数据存储( d a t aa c c e s s ) 规范 o p cs e r v e r 对象层次结构 对象名描述 o p c s e r v e r 一个0 p c s e r v e r 的实例。在引用其它对象之前必须建立一个0 p c s e n ，e r 对象。它罩面包括了一个o p c g r o u p s 的集合类和+ 个o p c b r o w s e r 的对象 o p c g r o u d s 这个集合对象包含了所有在o p cc i i e n t 端通过o p c s e r v e l c o n n e c t ( ) 连接到o p cs e n e r 对象时创建的o p c g r o u p 对象 o p c g r o u d 一个o p c g r o u p 对象的实例。这个对象创建的目的是为了维护 0 p c i t e m s 集合对象的状态信息，并提供对o p c i l e m s 对象进 行数据 o p c i t e m s 包含了所有在0 p c s e r v e r 范围内创建的o p c i t e m 对象的集合， 与o p c g r o u p 相对应 o p c i l e m 包含了j l e m 的定义，当前值，状态信息，最后更新时间等数据。 注，定制的接口并不包含一个独立的i t e m 对象 o p c b r o w s e r 可以浏览i t e m 的名称和s e r v e r 的配置的对象。在一个o p c s e r v e r 实例中只存在一个o p c b r o w s e r 实例。 如上面的层次图和列表所示，总体来说，o p c 数据存取规范包含几个对象： 服务器对象( s e n ，e ro b j e c i ) 、组对象( g r o u p0 b j e c t ) 、项对象( i i e m0 b j e c t ) 。 o p c 服务器对象维护着服务器的信息，同时也是0 p c 组对象的包容器。o p c 4 组对象维护着它自己的信息并提供包容0 p c 项的机制，同时管理0 p c 项。 o p c 组提供客户应用程序组织数据的机制，例如：一个组可以包含一个显 示面板所有数据的项，并可对数据进行读写。在一些特殊情况下，还可以在组罩 建立客户应用程序与项的连接，并可以根据需要禁止或允许这种连接。o p c 客 户应用程序还可以修改o p c 服务器向o p c 客户应用程序提交数据变化的刷新 数率。 0 p c 组有两种类型：公共组( p u b c ) 和局部组( l o c a lo rp r i v a t e ) 。公共 组呵以为多个客户程序共享，而局部组只为某一个客户程序所有。在每个组里， 客户程序可以定义多个o p c 项。 0 p c 项代表了与服务器里数据源的连接。从定制接口( c u s t o ml n l e 哟c e ) 角度来看，一个0 p c 项不能被o p c 客户程序作为个对象来进行操作，因此， 在o p c 项中没有定义外部接口。所有对o p c 项的操作都是利用o p c 项的包容 器( o p c 组) 或o p c 项的定义来进行的。 每个o p c 项包含值( v a l u e ) 、品质( q u a t y ) 和时间标签( 1 1 m es i a m p ) 。 值( v a l u e ) 的类型是、，a r l a n t ，品质的类型是s h o r t 。 应当注意的是项不是数据源，而只是与数据源的连接。例如：在d c s 系统 中定义的可以让o p c 客户程序访问的标签。o p c 项应该被看成是数据地址的标 示，而不是数据的物理源。 3 o p c 报警与事件( a l a h i la j l de v e n t ) 规范 o p c 报警与事件规范接口提供了一种机制。通过这种机制，当i ，o 设备中有 指定的事件或报警条件产生时，0 p c 客户应用程序能得到通知。通过o p c 报警 与事件规范接 j ，0 p c 客户应用程序可以设置0 p c 服务器支持的事件和条件， 并获的其当前状态。 这罩使用了过程控制中常用的报警和事件的概念，在不严格的场合，报警和 事件在意义上差别不是非常明显，二者可以互换。 在o p c 中，一个报警就是一个非f 常情况( c o n d i t i o n ) ，因此是一种特殊 情况。个情况是o p c 事件服务器( e v e n ts e r v e r ) 或其所包容的对象中命名 了的个状态，而这个状态对o p c 客户应用程序来说是有用。例如：标签f c l 0 1 可以有以下几种相关情况：上限报警、，t 上限报警、正常、f 限报警、f 下 限报警。 ls 另一方面，一个事件是某种可以检测到的变化，而这种变化对0 p c 服务器 及其所表示的l ，0 设备或o p c 客户来说是非常重要的。一个事件可能是和某种 情况相关的，也可能和任何情况都无关。例如：系统从正常情况变化到上限报警 或从上限报警变化到币常情况，这是和某种情况相关的事件。但是，操作人员的 动作、系统配置的更改、系统故障就是与情况无关的事件。o p c 客户程序可以 得到这类特殊事件发生的通知。 o p c 事件服务器接口类i o p c e v e n t s e n ，e r 提供的方法可以使o p c 客户程 序完成如下功能： a ) 决定o p c 服务器支持的事件类型。 b ) 对某些特定事件进行登记，以便o p c 客户能在这些事件发生时得到通知， 也可以采用过滤器定义这些事件的一个子集。 c ) 对o p c 服务器实现的情况进行存取或处理。 除了i o p c e v e n t s e n ，e r 接口外，o p c 事件服务器还支持其它接口，町以对 服务器实现的情况进行浏览和对公共组进行管理 4 0 p c 的效率 从o p c 标准的制定到现在已历经了5 年的时间。在这过去的5 年中，众多 业界领先的制造商已开发了多种0 p c 服务器和客户机应用。在实际工程中也历 经了多方面的测试和考验。以瑞士的t e t r a p a k 为例，其基于o p c 服务器技术的 数据采集系统，保证了对超过5 0 0 个数据点的更新时间为2 0 0 毫秒。 在s o f b n g 公司的o p c 服务器性能测试中，分别对基于本地的o p c 应用和 基于d c o m 的分布式应用进行了测试。 为了保证测试的可信程度，特别选用了两台低档配置的计算机。其配置如卜- ： 硬件： c p u ：奔腾9 0 m h z 处理器 r a m ：4 8 或6 4 m 软件： w i n d d 鹏n t4 0 在本地测试中，o p c 客户机测试应用程序和o p c 服务器安装在同台p c 上。在基于d c o m 的分布式o p c 应用测试中，o p c 客户机测试应用程序在第 二台远程p c 上运行。 1 测试结果：无论是在本地测试还是远程测试，5 0 0 0 个过程变量的变化值能 在1 秒内在o p c 服务器和客户机之间传送。对于只有5 0 0 个过程变量的情况， 只需1 0 0 毫秒时间。因而，o p c 被认为是非常适合十在很短的更新速率内采集 大量的动念过程变量的应用场合。 四、实时数据库 ( 一) 什么是实时数据库 对在数据库系统使用大内存，人们经历过两种主要途径。一是将磁盘数据库 的数据进行内存映射，事务所需的数据大部分甚至全部保存在内存中。进行数据 库操作的基础算法仍然和磁盘数据库一致，改进的地方主要在如何减少磁盘操作 方面。所以说这仍然是传统的数据库，只是在l o 算法上有所改进。另一种方法 就是实时数据库。它使用内存作为数据库的主要存储，而外部存储介质只做为后 备用。这样所有数据库中关于查询、并发控制和事务恢复等算法和数据结构都必 须完全重新设计。实时数据库算法的目标是c p u 和内存的高效使用，而不是磁 盘存储。 关于什么是实时数据库，典型的有下面几种不同的观点： 1 整个数据库全部常驻内存，存耿数据时没有必要i ，o 操作，这就要求内 存足够大，以容纳数据库的所有数据。 2 内存不必足够大到容纳整个数据库，但数据被存取时，先进入内存，数 据库的存取在内存进行。 3 数据库常驻磁盘，在事务执行前将所需要的数据集调入内存，提交时所 有对数据库的修改必须写同磁盘。 4 数据库常驻磁盘，但内存有很大的缓冲区或高速缓存，因而使数据库的 大部分乃至全部可在内存，通过适当的缓冲区的管理以减少内外存i ，o 操作。 上述第一种看法要求过于苛刻，即使是实时数据库也有一些数据需要进行永 久保存，也就是说实时数据库也要有磁盘操作的部分。而第三种和第四种看法只 是传统磁盘数据库的强化版本，并算不上实时数据库。第二种看法较接近实时数 据库的本质，即对数据进行的常规事务操作在内存中进行，但也有部分数据需要 存储到外部存储介质上。由于进彳亍事务操作时没有i o 操作的存在，因此相比于 17 传统磁盘数据库，实时数据库最大的优点就是实时高效。 ( 二) 历史背景 最开始的数据库对数据进行检索和操作的媒介都是外部存储器，包括硬盘、 磁带机等。这些外部存储器的容量大，价格便宜，是传动数据库系统的唯一选择。 这类传统的数据库都有着存储容量巨大，适应于普通事务处理的数据存取速度。 而实时数据库的 h 现，有着一下两方面的原因： a ) 是某些现代应用要求数据库有非常高的相应速度。 传统的数据库基本用于商务和事务型应用，而现代应用主要是：1 集成的办公 系统，包括信息检索与过滤、超文本、超媒体等应用。2 工程型应用，包括过程 控制、c a d ，c a m 、c l m s 、指挥控制、实时数据处理、网络( 如电话、电力、数 据网等) 管理。3 人工智能，如自然语言处理、专家系统、知识处理、演绎与推 理或规则系统、机器人与机器视觉等。这类现代( 或非传统) 应用要求新型的现代 数据库系统的支持，尤其是像复杂对象、时间( 包括时序变化和定时) 管理、规则 或主动机制及功能更强的数据语言等，而且同时还要求系统有高的性能，尤其是 像保证“硬实时”这样的性能要求，传统的磁盘数据库系统对这些是无能为力的。 b ) 另一因素内存容量的不断增加和内存价格的不断降低。 日前的主流内存容量已经达到了g 级别。在过去的十多年中，单个d r a m 芯片的容量几乎以每三年翻两番的速率在增长。当前对这种增长率似乎还没有一 个可见的尽头。而内存的价格在过去的2 0 年巾几乎降到了原来的百分之一。在 这种情况下实时数据库的实现成为了可能。 ( 三) 实时数据库的应用 实时数据库的应用非常广泛，常用的应用有下面几种。一种是大型应用，这 种应用要求能够尽可能快的处理海量数据，有的甚至有实时性要求，例如电子商 务、数据仓库、网络管理、事件跟踪和决策系统、图像匹配、电信领域和仓储控 制等领域的应用。这些应用需要把数据库全部或者至少足最关键的那些数据放到 内存中由实时数据库管理；另种则是嵌入式系统和移动计算。随着信息产业竞 争的f i 趋激烈，移动通信技术发展迅速，智能化终端产品将不断涌现；移动计算 硬件平台的技术改进和价格的不断下降，移动电子商务应用解决方案的不断完 善，这一切都使得企业对移动计算需求稳步增长。随着无线数字化将随着移动计 算的发展一步一步向我们走近。随着移动数据库的发展，我们才真正进入了一个 1 r 信息无所不在的信息时代。通过具有移动计算功能的移动急速机、汽车、手机甚 至手表等新一代的智能化设备，随时随地的移动数据库连接所需要的信息系统， 获取所需的信息，这将大大地改变人们的生活方式和工作方式。 这里举几个应用的实例，可以感性的了解实时数据库的强大性能、功能和实 施的可行性和必要性。 图像数据库系统。这种系统的目的在于搜索出和用户所提供的一个图像尽可 能匹配的所有图像。例如，一个正在设计时装的设计师也许想找到所有花纹是黑 白斑纹的图片。在这样的一个数据库中直接搜索图像是非常耗时的，因为图像很 大，每个图片可能有1 0 0 k 甚至更大。所以多媒体数据库系统为每个图像产生 个特征矢量，这个矢量用来衡量图像表现出来的某种特征。例如颜色、文字、花 纹、特征矢量，这个矢量比起整个图片来说小得多了，一般浣来只有卣分之一大 小( 这个技术广泛应用于公安部| 、j 的刑事侦察中) 。假如整个数据库中有1 0 0 ，0 0 0 幅图片，每个图片大小大约1 0 k ，那么整个图像数据库将占有1 0 g 的空间， 但是使用特征矢量则只需要1 0 0 m 。这样存储整个数据库在内存巾就不经济了， 相反存储特征矢量将变得可行的，而且也是必要的。这样做可以大大降低搜索时 间，因为唯一的磁盘访问只是用例读取匹配用o 需求的图像矢量。没有这样的改 进，图像搜索对于许多应用如c a d 和安全系统的人脸识别系统等都是不切实际 和不可能的。 雷达跟踪系统。常规的数据库系统把数据存储在磁盘中，这是因为常舰数据 库应用要求数据的持久性，也就是说再关闭计算机后再重新启动它，数据也不会 丢失。但是对于雷达跟踪系统而言，如果不能在几分钟内跟踪到有用的数据，那 么那些跟踪历史数据就再没有什么用了，这样的系统中，常规数据库系统完全没 有必要，相反实时数据库却不仪合适，而且必要，因为如果不能再限定时间内锁 定目标，那么也许将是致命的。 工业控制领域。在工业控制领域，一个集成系统中往往数千个传感器，每个 传感器每秒钟产生数次数据，如此多的数据需要实时处理。如果使用常规数据库 系统进行数据检索与存储，那么无法达到工业控制中要求的实时洼，而且从另一 个方面来看，大部分的数据是没有必要进行存储的，所需要的只是每隔固定间隔 对数据进行采样存储，平时的运行中就需要通过实时数据库系统进行大量数据的 检索和存储。 ( 四) b m s 系统中的实时数据库 由前面对于b m s 系统的介绍我们可以看到，b m s 系统也属于工业控制领域 中的一类应用，但与真正的工业领域不同的是b m s 系统中面对底层设备的类型 相对较少，实时性的要求较为降低，但是仍然对于数据处理的实时性有较高的要 求。b m s 系统的底层有非常多的传感器，每秒中需要处理大量的由底层得到的 数据，其中大部分数据的有效时间很短。呵以看到，这是个非常适合使用实时 数据库的领域，大量有效时间非常短的实时数据的处理，如果使用传统的数据库， 那么对于空间和时间都足浪费。 实时数据库位于b m s 系统中的集成监控层。o p cc i i e n t 将所有从o p cs e n ，e r 聚集到的数据统一格式存储到实时数据库中，最终用，、界面从实时数据库 中获得当前设备状态。用户下发的控制指令也通过实时数据库进行传递。可以说 实时数据库的性能决定了b m s 系统的性能，为b m s 系统选择或丌发一个合适 的实时数据库是b m s 系统开发中关键的一环。 ( 一) 功能描述 1 总体功能描述 五、需求设计 0 b m s 系统 0 ii il 系统问埘 命夸反馈统计