（计算机科学与技术专业论文）基于bs架构的城市隧道远程监控系统的研究与设计.pdf

独创性声明 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的地方外， 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 武汉理工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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：灏蝗日期：迦丛主苎旦! 圣鱼 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：逊监导师( 签名) ：雄日期：迦丛生塑哆日 j 摘要 随着网络技术的不断发展，远程监控系统在隧道监控方面的应用也越来越显 现出它的优势，远程监测与控制、故障诊断、决策支持等功能为隧道交通的安 全运营提供了有力手段和切实保障，管理人员可远程实时地了解到控制现场的 设备状态和交通情况，从而大大地提高工作效率。 本文首先回顾了远程监控系统的相关理论、技术发展现状，并对远程监控系 统的层次、功能、以及实现方案进行了较深入的研究和探讨。其次，针对b s 架构远程监控系统的特点，本文着重研究了远程监控系统中数据通信、实时数 据存储等关键技术。最后提出了一套基于b s 架构的远程监控系统实现方案， 结合城市公路隧道的特点设计实现了基于b s 架构的隧道远程监控系统，并测 试了系统的实时性与安全性。本文的研究成果主要包括以下几个方面： ( 1 ) 本文研究的基于b s 架构的远程监控系统采用了现场监控与远程监控 相结合的实现方案。在现场监控基础上提出了历史数据库通信与o p c 数据通信 两种数据交换技术，改变了传统以数据库为中心的实时监控方案，客户端采用 a c t i v e x 控件与o p c 服务器直接通信，极大提高了数据的实时性，保证了远程 监控系统的可靠性。 ( 2 ) 系统采用a c t i v e x o p c p l c 网络通信结构实现异构网络环境下的远程 设备与仪器控制，远程用户通过a c t i v c x 控件修改o p c 服务器中实时参数实现 远程控制，改变了传统远程监控系统只能监视而缺乏控制手段的不足，同时系 统将实时与历史数据以图表方式直观显示，以帮助管理层更好地进行决策分析。 ( 3 ) 本文的数据采集模块采用内存数据库与历史数据库相结合的方法，使 系统更能应对大数据量、高实时性的数据采集监控，为远程监控系统提供数据 保障，提高了系统的稳定性。 本文在最后阶段结合实际项目设计实现了基于b s 架构的城市公路隧道远程 监控系统，通过实际应用可以看出，该系统可以满足隧道监控实时性高、数据 量大的需求，有一定的借鉴意义和实用价值。 关键词：远程监控系统，b $ 架构，o p c ，a c t i v e x 组件 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no f r e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m i n t h et u n n e l m o n i t o r i n gi n c r e a s i n g l ya p p e a r s i t s s u p e r i o r i t y i t sf u n c t i o n sl i k el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，f a i l u r ed i a g n o s i s ， d e c i s i o ns u p p o r t , p r o v i d e se f f e c t i v ea p p r o a c h e sa n dg u a r a n t e ef o rs e c u r i t yo p e r a t i o n o ft h et u n n e lt r a n s p o r t a t i o n , t h ea d m i n i s t r a t i v es t a f f sc a ni n s t a n t a n e o u s l yg e tt ok n o w t h ed e v i c es t a t u sa n dt h et r a n s p o r t a t i o ns i t u a t i o no ft h ec o n t r o lf i e l da n y w h e r e ，t h u s r a i s i n gw o r ke f f i c i e n c yg r e a t l y t l l i sa r t i c l ef i r s t l yr e v i e w e dr e l a t e dt h e o r i e sa n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o na b o u t r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m , a n dt h o r o u g h l yr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e di t s l e v e l ， f u n 砸o na n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m e s e c o n d l y , i nv i e wo fc h a r a c t e r i s t i co ft h eb s s t r u c t u r e sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m , t h i sa r t i c l es t u d i e daf e wk e yt e c h n o l o g i 伪s u c h a sd a t a c o m m u n i c a t i o n ，r e a l - t i m ed a t as t o r a g ea n d s oo n f i n a l l yas o to f i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ea b o u tt h eb ss t r u c t u r e sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw a s p r o p o s e d , m o r e o v e r , c o m b i n e dw i l t h eu r b a nr o a dt u n n e l sc h a r a c t e r i s t i c s , w e d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h eb ss t r u c t u r e sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi nu r b a nm a d t u n n e l ，a n dt e s t e dr e a lt i m ea n ds e c u r i t yp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m r e s e a r c hr e s u l t s o ft h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) i nt h i sp a p e r , t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r eu s e a s o l u t i o n 、历mac o m b i n a t i o no f f i d dm o n i t o r i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n g w ep r o p o s e d ad a t ae x c h a n g em e t h o du s i n gb o t hh i s t o r i c a ld a t a b a s ea n do p cd a t ac o m m u n i c a t i o n i tc h a n g e dt h et r a d i t i o n a ld a t a b a s e - c e n t r i cr e a l t i m em o n i t o r i n gs o l u t i o n , t h ed i e n t u s e sa c t i v e xc o n t r o l st oc o m m u n i c a t ed i r e c t l yw i t ho p cs c i v e r , w h i c hg r e a t l y i m p r o v er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e , a n da l s oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m ( 2 ) w eu s ea c t i v e x o p c - p l cc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r et oa c h i e v er e m o t e c o n t r o lo fd e v i c e sa n di n s t r u m e n t si nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t r e m o t e u s e 娼c o u l dc o n t r o lr e m o t ed e v i c e sb ym o d i f y i n gt h eo p cs e r v e rp a r a m e t e r st h r o u g h t h ea c t i v e xc o n t r o l ；i tc h a n g e st h es i t u a t i o no ft r a d i t i o n a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m t h a tc a n o n l ym o n i t o r b u tn o tc o n t r 0 1 m e a n w h i l e , t h es y s t e ms h o w st h er e a l - t i m ea n d h h i s t o r i c a ld a t ag r a p h i c a l l y , t oh e l pm a n a g e m e n tw i t hb e t t e rd e c i s i o na n a l y s i s ( 3 ) t h i sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eu s et h em e t h o do fc o m b i n i n gt h em e m o r y d a t a b a s ea n dt h eh i s t o r i c a ld a t a b a s e , t h e nt h es y s t e mc a nc o p e 、 ，i ml a r g ea m o u n t so f d a t a , r e a l t i m er e s p o n s e sd a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n g i tg u a r a n t e e sd a t as e c u r i t y f o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m , a n di m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h ef i n a ls t a g eo ft h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t ha c ；t q 1 a lp r o j e c tw ed e s i g na nu r b a n r o a dt u n n e lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r e t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fl a r g ea m o u n t sa n dh i g h r e a l - t i m er e s p o n s e , a n da r eo fc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m , b ss t r u c t u r e , o p c ，a c t i v e xc o m p o n e n t i i i 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景与意义1 1 2 基于w 曲的远程监控系统国内外研究现状1 1 3 本文主要研究工作3 第2 章远程监控系统研究k 5 2 1 远程监控系统概论5 2 1 1 远程监控系统的产生与发展5 2 1 - 3 远程监控系统的技术发展与工程应用7 2 2 远程监控系统方案研究9 2 2 1 系统分层结构9 2 2 2 系统功能要求。1 0 2 3 远程监控系统的网络模式1 0 2 3 1 远程监控系统的网络模式。l o 2 3 2c s 和b s 模式比较1 2 2 4 本章小结。1 3 第3 章远程监控系统关键技术研究1 4 3 1 数据通信技术1 4 3 1 1d d e 技术1 4 3 1 2c o m 巾c o m a c t i v c x 技术15 3 1 3o p c 技术1 7 3 2 实时数据库的构建1 8 3 2 1 实时数据库的体系结构1 8 3 2 2 核心结构设计l9 3 3 网络安全技术2 l 3 3 1c s 结构远程监控系统的安全性设计2 2 3 3 2b s 结构远程监控系统的安全性设计2 2 3 3 3c s 和b s 结构网络化测控系统的安全性比较2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章基于b s 架构的远程监控系统方案研究2 5 4 1 远程监控系统的网络结构2 5 4 2 异构网络的集成2 5 4 3 远程监控系统的设计方案2 7 4 3 1 传统的监控方案2 7 4 3 2 优化的监控方案2 7 4 3 3o p c 客户端编程简介。2 8 4 4 数据的动态w e b 发布技术2 9 4 4 1w e b 服务器与w 曲客户端的数据交互：。2 9 4 4 2w e b 页面的实时刷新技术。3 0 4 5 本章小结3 2 第5 章基于w 曲的隧道远程监控系统的设计与实现3 3 5 1 城市公路隧道远程监控系统介绍3 3 5 1 1 系统结构框架图3 3 5 1 2 软硬件配置3 5 5 2 监控系统数据库设计3 5 5 3 隧道远程监控系统功能设计3 9 5 3 1 隧道远程监控系统功能要求3 9 5 3 2 隧道远程监控系统结构4 0 5 4 隧道远程监控系统的实现4 1 5 4 1w 曲服务器的实现4 l 5 4 2 系统子模块的实现4 2 5 5 系统的实时性和安全性4 9 5 5 1 系统的实时性分析4 9 5 5 2 系统的安全性分析5 0 5 6 本章小结5 0 第6 章总结与展望5l 参考文献5 3 1 改谢! ；6 硕士期间发表的论文5 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着i n t o m e t 技术的快速发展和远程监控理念的不断深入，基于b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 架构的w e b 技术逐渐成为控制领域中新的研究和应用热点。 构建基于w e b 的远程监控系统，进一步实现控制网络和信息网络的集成，能够 有效地提高企业管理人员的工作效率，实现在普通办公地点就能方便管理和控 制工业生产现场的实时状况，为生产过程作出决策和反馈，从而大大地提高企 业生产管理的成本和效率【u 4 1 随着当今社会的高速发展，交通运输的范围和地域广度在不断地扩大，导致 交通拥堵的现象不可避免，因此如何合理地引导和协助车辆安全、平稳、快速 地通行就是首当其冲的任务，保证公路交通的顺畅安全是当前交通管理部门的 重大职责，也是我们所有人共同努力的目标。而鉴于城市公路隧道的特殊环境， 建立可靠、安全的隧道监控系统来保证车辆通行的顺畅和安全显得尤为重要。 目前国内的隧道远程监控系统主要是基于现场的控制系统，内部各相关控制 系统各成体系，没有充分利用现有的网络资源【2 】。随着我国城市交通运输管理范 围的不断延伸，由于管理层无法实时地、不受空间限制的了解到城市公路隧道 的现场设备状态和交通情况，促使了对远程监控系统发展的迫切需求。如何将 现有的控制策略与网络技术结合起来实现远程监控，使控制系统具有更好的分 布性及可操作性，将是能否很好实现管理与控制一体化的关键。 本课题是在武汉中山路和阅马场隧道监控系统的远程管理需求下产生的，为 了使得交通管理人员有更好、更方便的工作环境，我们将目前远程监控技术同 现场监控系统的实现技术相结合，充分利用网络资源及各种软件技术来设计和 实现基于b s 架构的隧道远程监控系统，从而达到远程实时监测的目的。 1 2 基于w e b 的远程监控系统国内外研究现状 随着我国信息技术的不断发展，特别是上个世纪8 0 年代末期以来计算机产 业的迅猛发展，以及国家8 6 3 高科技发展计划的推动，许多设备制造商进行了 武汉理工大学硕士学位论文 以信息技术为基础的改造，己经具备了实现远程监控技术的硬件基础。同时现 代企业的生产逐渐趋向国际化，分布式的生产方式、用户的需求促使生产管理 技术必须不断进步，而i n t e m o t i n t r a n o t 的引进使得分布式生产取得了质的突破。 近年来，基于w e b 的工业信息远程监控方式成为研究的热点，并在应用领域得 到了快速的发展，比如实时数据传输，远程控制，故障诊断、决策支持等这些 技术都已经广泛应用在控制系统软件中。 ，近些年来，在自动化控制领域中，远程监控技术一直是备受关注的重要研究 课题，国际国内的许多权威专家都做了大量的研究。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和 麻省理工学院联合主办了第一届基于i n t e r n o t 的远程监控诊断工作会议，有5 0 多 位来f 1 3 0 个公司和研究机构的专家参加研讨，主要议题包括远程监控系统的开 放式体系结构、数据传输协议、诊断信息规程、以及对用户的合法限制等方面， 并对未来的技术发展趋势作了展望。会后，斯坦福大学和麻省理工学院合作开 发出了基于i n t e m o t 的下一代远程监控与诊断示范系统，这项工作得到了计算机 及相关行业的数十家大公司的鼎力支持。之后，这些公司又共同研发了一个实 验性的系统t e s t b o d 。t e s t b e d 使用嵌入式w e b 组网、实时j a v a 以及b a y e s i a nn o t 等技术，初步搭建了在整个互联网范围内的信息监控和故障诊断【5 6 1 。 美国麻省n o r t ha n d o v e r 公司于1 9 9 6 年率先将p l c 与i n t e r a c t 相连，并成功实 施，使得客户只要借助浏览器，就可以方便地与p l c 等控制器通信。之后很多知 名的大公司不断深入地将w e ；b 技术应用到工业远程控制、设备的故障诊断、网络 实验研究等领域，使得基于w e ；b 的工业控制相关技术有了长足的发展。在之后出 现的工控组态软件中，比如美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 、西门子的 w i n c c 等，它们均具备了w 曲发布功能，更方便了控制系统软件的集成化开发。 用【7 8 9 】。 在国内也有很多致力于基于w e b 的监控方面的研究与应用，世博筹办期间， 上海汽车集团股份有限公司技术中心与同济大学、上海燃料电池汽车动力系统 有限公司合作，整合了企业、高校以及研究中心的资源，通过对总线技术、数 据采集、无线数据网络、数据库技术、故障诊断技术等多种技术的综合研究， 形成了一套完整实用、具备自主知识产权的新能源汽车远程监控系统。在世博 新能源车示范运行期间，上汽新能源汽车远程监控系统将实现对所有新能源车 辆1 0 0 的实时监控，从而保障示范车辆的运行安型埘 为提高铁路计量效率，烟台港采用远程控制技术，在国内港口率先建立轨道 衡无人值守系统。烟台港轨道衡无人值守系统，是利用远程控制技术，将远程 2 武汉理工大学硕士学位论文 操作、视频监控、数据库管理，同计算机网络技术相结合，建立集图像、数据、 现场设备控制于一体的远程称重管理系统。利用该系统，工作人员可以在控制 室通过计算机操作十几甚至几十公里外的多台轨道衡，通过计算机网络传递来 的计量数据和监控画面进行计量操作。这有效的降低了人力成本，极大提高了 现有4 台轨道衡的利用率j 。 国内有许多高校也做了远程监控技术相关的研究工作，并取得较好的研究成 果。比如华中科技大学的“汽轮机工况监测和诊断系统k d t g m d ”、哈尔滨工业 大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”，还有南京理 工大学c i m s 研究所承担了国防科工委长春f m s 实验中心检测监控系统的研发任 务，并对柔性制造系统中各子系统的监控技术做了初步集成的工作 1 5 1 。 与此同时，国内许多组态软件开发商也在其监控软件中加入w e b 组件，例如 北京亚控公司的组态：f k i n g v i e w 的f o ri n t e r n e t 版本，它可以方便地充当w e b 服务 器的功能，将现场监控计算机上的所有组态画面实时远程发布，这样管理人员 就可借助浏览器随时随地的进行监测与控制【1 6 1 总之，基于i n t e m e t 的远程监控系统已投入到实际的应用领域，并取得了良好 的经济和社会效益，其应用前景是十分广阔的。今后的发展方向应该是尽量满 足数据传送的实时性要求、数据的事件驱动及数据源主动传送等。主控端采用 何种方法将网络实时监控系统的数据及时、安全地反映到浏览器上，给远程终 端提供一个统一的界面将是以后远程监控追求的一个具体目标。在广泛的工业 应用领域中，可实现信息网络和控制网络融合，即现场总线( 包括工业以太网) 和i n t e r n e t 容为一体，实现真正的虚拟工厂( v i r t u a lp l a n t ) 和虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r e ) 。远程监控技术的不断成熟也促进其在核电站监控、石油的输送 管道监测、电网运行监控、机器人的远程控制、隧道远程监控、深海探测、井 下作业和空间探测等领域得到深入应用和完善。 1 3 本文主要研究工作 本文结合城市公路隧道的自身特点，对基于b s 架构的城市公路隧道监控系 统的几个关键技术进行了研究，并进行系统设计。本文分7 章阐述，具体编排结 构如下： 本文分7 章阐述，具体组织结构如下： 第1 章是绪论部分，概述了课题的背景和研究的意义，介绍了国内外远程监 3 武汉理工大学硕士学位论文 控系统的发展现状及其趋势，以及论文的主要研究工作。 第2 章介绍了远程监控系统的产生、技术发展、应用领域，研究了远程监控 系统的分层结构、系统功能要求，分析了远程监控系统不同监控模式的优缺点。 第3 章主要分析了远程监控系统关键技术，详细介绍了数据通信技术、实时 数据库的创建方法，并研究了不同结构远程监控系统的安全性设计方法。 第4 章以异构网络下远程监控系统的实现方案研究为主线，总结了一种比较 合理的系统体系结构，并对远程监控系统中的各个层间的通信机制作了分析， 最后对w e b 数据的动态发布和实时刷新技术作了阐述。 第5 章结合隧道实际情况，首先归纳并提出了隧道远程监控系统的完整实现 结构框图，接着对系统中的核心，即实时数据库和历史数据库的设计作了介绍， 然后针对系统的各个功能模块阐述了其具体实现，并进行系统的运行测试，最 后对系统的实时性和安全性作出了分析。 第6 章是全文工作的总结，并对隧道远程监控系统进一步的改善和发展方向 做了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程监控系统研究 2 1 远程监控系统概论 随着控制技术、计算机技术和网络通信技术的相结合发展，工业控制领域也 经历了不断的变革：从原始的单回路控制系统，先后发展到了集散控制系统 ( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 和网络化控制系统( n c s ) 。网络控制系统 的出现，使远距离监测与控制成为了可能，分布在不同地域的控制节点通过网 络联系起来，企业的办公自动化系统与生产车间的控制系统可以通过以太网连 接，从而摆脱了原有的信息孤岛的形势，为实现企业的管理控制一体化、实现 远程监视与控制提供了基础条件，同时促进了控制系统的分布式多层次结构的 演变，提高了系统可靠性和控制质量，是未来综合自动化技术发展的必然形式 【1 3 1 。 2 1 1 远程监控系统的产生与发展 在早期的计算机控制系统中，传感器和执行器与计算机均为点对点的连接， 且传递信号采用电压和电流等模拟信号，抗干扰性差。由于当时计算机的价格 昂贵，控制系统一般采用集中式结构，整个检测和控制功能由一台计算机完成， 一个单一的故障就会使整个系统及其所有回路无法运转。这种结构模式使得控 制系统的布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、灵活性和扩 展性，在布线分散的情况下尤为突出。随着网络应用不断扩展以及计算机成本 的下降，计算机网络首次被引入到工业控制领域，于是产生了集散控制系统 d c s 。在d c s 中，控制任务被分散到若干个现场控制器中，每个现场控制器均 采用d d c 控制结构处理其控制回路，控制器与控制器、控制器与上位机之间通 过计算机控制网络相连，在这种控制结构中，工作人员可以在上位机中对各个 控制子系统的实时运行状态进行监控，并设计各个控制回路的控制策略，然后 通过工业控制网络下载到对应的控制器中实时运行。d c s 实现了集中管理和分 散控制，很大程度上提高了控制系统的可靠性。 随着计算机硬件技术的不断发展，处理器体积不断地减小，价格也在下降， 致使传感器和执行器中融进了微处理器，控制网络更加深入到控制系统中，于 5 武汉理工大学硕士学位论文 是在2 0 世纪8 0 年代，现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e l r l ，f c s ) 应运 而生。f c s 把控制网络延伸到了工业现场的控制设备，模拟信号替换为数字信 号，提高了信号传输的精度和可靠性，同时由于f c s 的智能仪表( 变送器、执 行器) 带有微处理器，因而能够直接在工业现场构成控制回路，在各个子控制 区域就可以实现独立的控制功能，实现了完全的分散控制。 如今f c s 技术已经在很多领域取得了广泛的应用，但仍然有一些问题的存 在制约着它的应用扩展。首先，各厂家的现场总线自成体系，没有统一的标准， 目前达到国际总线标准总线仍有1 0 余种，不同总线控制系统之间难以实现互操 作。其次，现场总线仍是一种分层的专用网络，不能与计算机网络直接相连， 信息网络要与现场总线控制网络相连必须经过转换，这样给信息网络与控制网 络的集成带来了不便，难以实现整个企业的办公自动化及生产现场远程控制。 近十年来，以太网的开放性、价格低廉、软硬件资源丰富、通信效率高等特点 使得其得到了广泛应用和发展，工业以太网也逐渐成为工业控制网络的首选标 准。基于以太网技术的工业控制系统解决方案极大地简化了企业整个生产控制 与管理决策系统的网络结构设计，为企业形成开放统一的生产管理系统创造了 条件。 随着互联网技术的应用和不断发展，互联网技术与控制网络技术的结合导致 了网络化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 的出现，控制网络的协议 标准越来越向互联网传输协议靠拢。而e t h e r n e t + t c p i p + w e b 控制模式使得企 业能够实现远程监控、管理和维护，综合自动化水平由d c s 、f c s 提高到一个 新的层次，即远程监控系统。在远程监控系统中，只要安装一个客户端软件， 一个拥有访问权限的管理人员可以在任意位置通过连接到i n t e r n e t 的计算机对某 个现场控制系统的实时状况进行监控，大大地提高了办公效率。此外，通过采 用无线传感器等技术还可以实现一些具有特殊用途的无线网络控制系统，因而 成为有线网络远程监控系统的一个重要补充。特别是在控制现场的环境恶劣， 不适合铺设有线网络的情况下，无线网络有着不可替代的作用f 4 l 】。 2 1 2 远程监控系统的特点 远程监控系统是控制技术、计算机技术和网络通信技术等共同发展的结果。 随着这些相关技术的不断发展与革新。远程监控系统也在不断地向前迈进。虽 然远程监控系统具有多种结构形式，没有统一的模型标准，但可以从它的多种 结构形式中总结出一些相似之处，从而体现远程监控系统的基本概貌。 ( 1 ) 控制系统的全网络化 6 武汉理工大学硕士学位论文 将分散在不同区域的现场设备连接成控制网络，将控制控制与企业信息管理 系统相连通，打破了办公自动化系统信息孤岛的僵局，为工业数据的集中管理 与远程决策创造了条件。 ( 2 ) 控制结构的层次化 在远程监控系统中，各个分系统各司其职，现场控制层主要完成设备的驱动、 数据采集与实时显示的功能，操作人员在现场控制室对设备进行直接手动控制， 远程访问层主要提供远程信息访问的接口，企业信息管理层完成生产管理与调 度功能，决策人员可以在企业信息管理系统上进行决策支持工作。 ( 3 ) 硬件和软件模块化 目前众多远程监控系统的软硬件都采用了模块化结构，硬件的模块化使得系 统具有更好的灵活性和可扩展性，例如由p l c 等具有控制功能的相关设备组成 区域控制器模块，减小了系统的体积，提高了集成度。软件的模块化使得系统 的组态方便、控制灵活、操作简单。 ( 4 ) 控制系统的智能化 这里所说的智能化包括现场设备的智能化和控制算法的智能化两方面。一方 面，引入了微处理器的底层设备不仅可以完成基本的传感测量、回路控制功能， 还可以进行补偿计算、故障诊断等；另一方面，一些先进的控制算法软件包( 如 模型预测控制、模糊控制等) 已经广泛地用在控制领域，人工智能、专家系统 也已开始用于操作指导、优化计算、计划调度、科学管理等各个方面。而远程 监控的分布式处理为这些提供了基础条件。 ( 5 ) 通信协议的逐渐标准化 协议的标准化意味着系统具有更好的开放性和互操作性。在互联网中， t c p i p 是其标准协议；而在控制网络中，现场总线的标准有数十种，各不统一 工业以太网协议也有多种不同的国际标准，工业控制网络与信息网络的有效集 成有待于通信协议标准的统一，这必将是一个漫长的发展过程。 2 1 3 远程监控系统的技术发展与工程应用 远程监控系统的出现使得传统的控制系统发生了巨大的变革，比如可实现资 源共享、远程管理与远程诊断，人机交互性好、增加了系统的柔性和可靠性、 布线简单、安装维护方便等。同时，远程监控系统的引入对于传统的控制理论、 技术与工程应用也带来了新的问题和挑战。随着网络规模的日益扩大，网络本 7 武汉理工大学硕士学位论文 身的传输延迟、数据包丢失等问题也就突显出来，给控制网络的数据传输提出 了严峻的挑战。 控制技术、计算机技术和网络通信技术的结合为网络化远程监测与控制技术 的发展提供了广阔的发展空间，促进了网络化远程监控系统的硬件、软件和网 络组成越来越先进、可靠。正是不断吸取这些技术的最新成果，工业监控系统 得以从d c s 控制系统、f c s 控制系统、工业以太网控制系统、发展到了基于 i n t e r n e t 的远程控制系统的发展。正是i n t e r n e t 技术的广泛应用，使得企业网 现场总线控制网络的两级结构越来越收到w e b 技术的冲击，出现了基于i n t e m e t 及w e b 的远程实时监控系统。随着嵌入式技术和硬件技术的进步，运用嵌入式 i n t e r n e t 技术，使现场监测设备将传感、信号处理、以太网接口、t c p i p 协议、 实时操作系统以及小型w e b 服务器等全部融合在一起，这样现场监测设备与互 联网可以直接相连并通信，极大地简化了工业控制系统的设计。 c o m i x 2 0 m a c t i v e x 技术、动态数据通信技术( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ， d d e ) 、( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，o p c ) 技术、实时数据库技术、动态图形显示 技术、i n t e m e t i n t r a n e t 技术等直接推动着远程控制系统相关软件技术的不断扩 展，形成了包括通信与驱动模块、实时数据库、监控组态系统、现场设备管理 模块、m e s 的功能模块、b a t c h 过程控制、能源调度、生产计划等的e r p 应用 模块的综合应用软件系统。此外随着控制网络和信息网络的集成技术发展，网 络化控制系统的软件进一步层次化，出现了直接控制层软件、监督控制层软件 和高层管理软件的分布式层次结构。处于不同层次的软件与硬件共同完成对工 业生产过程的监测、控制、管理、决策和调度等功能。工业以太网、c d m a ( 码 分多址) 、g p r s ( 通用分组无线业务) 、无线局域网、无线广域网等技术逐渐在 控制网络被采用，使得远程监控系统不断得到丰富和发展。 总而言之，远程监控系统在各种相关技术的推动下不断革新，逐渐形成了一 个硬、软件技术及网络技术支撑下的管理与控制一体化的企业综合自动化系统。 目前远程监控技术在控制领域得到广泛的应用，其在冶金、化工、电力、自 动化机床、工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系统等工业控制 方面已取得了令人瞩目的应用成果，将在国民经济中发挥着越来越大的作用。 远程监控技术在交通领域的应用主要体现在重要基础设施( 如管道、桥梁、 隧道和铁道、机场、高速公路等) 监控和交通工具监控( 如汽车、火车、飞机、 船等) 本文研究的基于网络控制技术的隧道远程监控系统，可以通过对隧道现 场运营情况的动态监测、预报，及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅速做出 8 武汉理工大学硕士学位论文 反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为隧道现场的交通运输提供安全保 障，同时为管理部门提供多层次全方位的信息管理和决策支持手段。 2 2 远程监控系统方案研究 2 2 1 系统分层结构 本文所说的远程监控都是指在远程终端借助计算机网络对现场设备的检测 数据及其自身状态的监视与控制，从而达到远程管理、控制及故障诊断的目的， 它是一个广义的概念，通俗的远程视频监控系统只是远程监控系统的一部分。 远程监控技术结合了远程监视与控制技术，实现远程监控的传输网络、计算机、 控制器、检测仪器以及配套的软件解决方案等组合在一起，构成了远程监控系 统，并且它由三个部分组成：远程监控终端系统、远距离数据传输系统和现场 设备监控系统。如图2 1 ，各个子系统协同工作，共同实现对设备的远程控制目 的【1 4 1 。 远稚魅控 终端系统 远距离数据 传输系统 现场设备 监控系统 图2 1 远程监控系统的抽象概念模型 1 ) 远程监控终端系统 作为管理人员进行远程监控的手段，远程监控终端系统主要完成与现场控制 网络的数据通信，在远程终端的用户界面上实时显示并处理用户的参数设置等。 这里的远程终端可以是p c 机、手机、便携遥控设备等。 2 ) 远距离数据传输系统 远距离数据传输系统是远程监控系统的核心组件，它作为中间件，负责连接 底层控制系统和上层信息管理系统。传输系统一方面将采集到的设备状态数据 经过转换接口传送到上位机，并通过以太网向远程终端传输。另一方面，它接 收远程终端的控制信息下达给上位机，经过相应的处理后向现场设备发出操作 指令。 3 ) 现场设备监测与控制系统 9 武汉理工大学硕士学位论文 现场监控系统是工业控制领域里发展历史悠久和应用成熟的一项综合性技 术，它通过现场控制网络将分散的设备和各种控制器连接起来，组成可实现完 整反馈控制功能的系统，并借助工业交换机和串口等同计算机相连通，以完成 实时数据的上传。 2 2 2 系统功能要求 远程监控系统应实现两大主要功能： 1 ) 采集与显示功能：对现场设备的状态数据以图表、曲线等方式输出到远 程客户端上，其中包括实时数据和历史数据，为管理人员做监测、数据分析、 决策提供依据。 2 ) 控制功能：将远程终端作出的参数设定和控制指令进行分析处理，并通 过网络传送到现场控制系统，由控制系统作出相应的反馈。 2 3 远程监控系统的网络模式 2 3 1 远程监控系统的网络模式 远程控制系统的网络模式是其数据传输的基本媒介，纵观远程监控技术的 发展历史，主要有三种模式，分别为：主机集中模式、客户服务器模式、浏览 器服务器模式。 ( 1 ) 主机集中模式 大型主机一般操作性能都比较强，而终端用户则没有任何操作能力，所有的 数据处理都必须要借助大型主机的c p u 资源和数据库存储功能来完成。这种数 据与控制的高度集中，保证了监控系统的信息安全，但也带来一定风险。一旦 远程用户数量增多，将会导致主机处理量变大，数据库负载也会加重，系统的 性能必然会下降，甚至会出现死机的危险。要想改善系统的整体运行性能，可 以采用提升硬件的手段，扩充内存或者升级主机，但这样就增加了设备费用。 同时主机集中模式的系统可靠性不强，一旦主机设备