（电力系统及其自动化专业论文）基于webgis的枢纽站场牵引供电scada系统研究设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，a c t u a l i t y a n dl i m i t a t i o no fh u bt r a c t i o na n dp o w e rs u p p l y s s c a d a s y s t e mi sa n a l y z e di nt h eb e g i n n i n g ，a n dt h e nh o w t o a p p l yw e b g i si n s c a d a s y s t e mi sd i s c u s s e dt h o r o u g h l y , c o m b i n e d 、j t l lt h er e q u e s to f t h es c a d a s y s t e m t og i s ad i s t r i b u t e ds c a d a s y s t e mw i 蚀w e b g i si sd e s i g n e db a s e do n t h e t e c h n i q u es u c ha sd c o m a c t i v e x ，a s p e t c d e s i g nf o rs e r v e ri sr e a l i z e d ，a n d s c h e m eo fs y s t e ms e c u r i t yi sp r o p o s e d a n d t h e n ，w e b g i s ，k e ys u b s y s t e mo f t h ew h o l es y s t e m ，i sd e s i g n e di nt h et h e s i s as e r i e so fg r o u p w a r ei sa b s t r a c t e da c c o r d i n gt ot h i s s u b s y s t e mf e a t u r e ，a n dk e y g r o u p w a r e i sd e v i s e di nd e t a i l t h em e t h o do fo o pi sa d o p t e df o rg i sd a t am o d e lo f t h i s s y s t e m c o m p a r i n gm o r ec u r r e n t l ye x i s t i n g , d a t a b a s em a n a g i n gt e c h n i q u e ，t h e t h e s i sp r o p o s e st h eo b j e c t - r e l a t ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mt om a n a g eg i sd a t a ， b u i l dg i sd a t a - m o d e la c c o r d i n gt os y s t e mc h a r a c t e r , a n dd e s i g nd i v i s i o no f s y s t e m i n f o r m a t i o n d r a w i n g l e v e l a c c o r d i n g t os p a t i a ld a t a b a s es t r u c t u r e a f t e r w a r d s ，at e s te n v i r o n m e n tf o rw e b g i si sb u i l tb a s e do ns c a d a s y s t e m t h e s y s t e ma d o p t sm a p l n f op r o f e s s i o n a lt ob u i l dat e s t m a p ，u t i l i z ee a s yl o a d e rf o r o r a c l e8 1 6t ol o a dt h em a pd a t ai n t oo r a c l e ，u s eo r a c l es p a t i a lt om a n a g ea n d s t o r es p a t i a ld a t a , a n dc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t a t i o na sf o l l o w s ：g r a p h i c sd e s i g n b a s e do nm a p x , p a g em a n i f e s t a t i o na n do p e r a t i o nb a s e do na s p , a c c e s st og i s d a t a b a s eb a s e do no c i a p i ，r e a l t i m ef a u l ti n f o r m a t i o nm o n i t o rb a s e do nd e s i g no f r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t l ls o c k e tt e c h n o l o g y , a d d i t i o n a lf a u l t - l o c a t i o nb a s e do n m a p x f a s ts e a r c hf u n c t i o n f i n a l l y t h e w r i t e rc o n c l u d e st h ew h o l e w o r k ，a n a l y z e s t h em e r i ta n d s h o r t c o m i n go f t h es y s t e m ，a n dp o i n t so u tt h en e x tw o r k k e yw o r d s ：h u b t r a c t i o n ，p o w e rs u p p l y ，w e b o i s ，s c a d a 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第l 章绪论 1 1w e b g i s 综述 1 1 1g i s 的发展历程 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称o l s ) 是一种特定的 f 分重要的空间信息系统。它是在计算机软、硬件系统的支持下，对整个或部 分地球表层( 包括大气层) 空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、 运算、分析、显示和描述的技术系统1 1o 它的发展经历了以下几个阶段，见图 1 1 。 图1 1g i s 发展历程 g i s 模块：在g i s 发展的早期阶段，由于技术限制，g i s 软件往往是 只能满足于某些功能要求的模块，没有形成完整的系统，各个模块之间不具备 协同工作的能力。 集成式g i s ：随着理论和技术的发展，各种g i s 模块走向集成，形成 大型g i s 软件包，称之为集成式g i s ( i n t e g r a t e dg i s ) 。它集成了g i s 各项功能， 形成独立完整的系统，但系统复杂、庞大，难于与其他应用或系统集成。 模块化g i s ： 集成式g i s 之后出现了模块化g i s ( m o d u l a rg i s l ，它把 g i s 按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环境之上，具有较大的工 程针对性，但仍难于与其他应用或系统集成。 核心式g i s ： 为解决系统集成问题，提出了核心式g i s ( c o r eg i s ) 的概 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 念。它是操作系统的基本扩展，开发时可以通过应用程序接n ( a p i ) 访问内核所 提供的g i s 功能，这样给用户提供了更大的灵活性。但是，由于它提供的组件 过于底层，给应用开发带来一定难度。 w e b g i s ：w e b g i s 是w e b 与g i s 相结合的产物，是利用w e b 技术对 传统地理信息系统的改造和发展，在这之前的g i s 称为传统g i s 。由于传统g i s 大多是基于十多年前甚至更早的技术体系设计和开发的，很大程度上限制了g i s 软件的进一步发展和应用，w e b g i s 与其相比有如下优点【6 】【7 ： 1 ) 平台无关性无论服务器使用何种g i s 软件，用户只需浏览器即可获取 所需的各种地理信息，这打破了传统g i s 软件对平台的限制。 2 ) 分布性这里的分布包括数据的分布和计算的分布，用户可以访问不同 服务器上的数据，方便了数据的分布式管理与合成。 3 ) 高效性w e b g i s 可以充分利用网络资源，采用适当的技术，可以使讨 算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端进行合理分配，提高了网络效率。 4 ) 节约性传统的g i s 要求每个客户端都要配置专用的g i s 软件及相应的 外围设备，使用人员需要专门的培训。而w e b g i s 是利用通用的浏览器进行信 息发布，大大节省了培训费用及维护费用。 5 ) 可扩展性i n t e m e t 技术基于的标准是开放的、非专用的，这就为w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的发挥空间，使得w e b g i s 很容易与万维网中的其他 服务进行无缝集成，建立功能丰富的g i s 应用。 6 ) 实时性w e b g i s 在网上进行信息发布，对地理信息进行实时更新，因 而人们总能得到最新信息、最新动态。 正是由于这些优点，使得w e b g i s 虽然起步较晚，但发展异常迅速，特别是 基于组件技术的w e b g i s ，将成为未来1 0 年g i s 的发展方向之。 1 1 2w e b g i s 国内外应用现状 在国外，w e b g i s 作为g i s 的种特殊应用领域，在各行各业已得到广泛 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 应用。如房地产、油气管理、土地和地籍管理、水资源管理、环境监测、资源 合理利用、智能交通管理、跟踪污染和疾病的传播区域、商业选址、市场调查、 移动通讯、民用工程、城市管道管理、在线政府公共信息服务等。 在我国，地理信息系统方面的工作自2 0 世纪8 0 年代初开始，经过了二十几 年的发展，取得了重大的进展。在电力系统中多用于配电网方面，有关这方面的 研究较多，如文献 1 8 、 2 2 ，主要利用g i s 强大的分析功能，进行电网的拓扑 分析。g i s 在铁路行业中的应用研究也已经展开，并取得了很大的成绩：文献 2 5 、 f 2 6 1 、 2 7 给出了g i s 在铁路工务管理中的应用设计。铁路行业有关地理信息系 统的应用主要集中在以下几个方面： 1 ) 设计勘测把不同来源的原始数据通过各种设备输入计算机建成地理信 息系统数据库后，工程技术人员就可以很疗便的借助计算机调用任意地段的三维 地面坐标，建成数字地形模型，作铁路平、纵断面优化设计。 2 ) 可行性研究利用其综合各种图形和数据信息作空间分析的强有力的功 能，作铁路建设项目可行性研究，可避免大量的人工业外调查，业内资料搜集、 整理、归纳分析，可做到定量、可视化、把铁路建设项目的可行性研究提高到 一个新的理论和技术水平。 3 ) 线路方案分析利用g i s 不仅可以将图形显示出来，分析线路如何设置， 而且可以对不同选线方案进行比较，使之更符合于某些空间评价的要求。 总之，地理信息系统在铁路行业中的应用前景是十分广阔的，可以提高运营 管理水平，提高维护质量。虽然目前铁路行业对w e b g i s 的应用仅处于试验阶段， 但随着互联网技术和地理信息技术的发展，w e b g i s 无疑在今后的铁路建设中将 会发生更大的作用。 1 2 铁路枢纽站场牵引供电s c a d a 系统概述 1 2 1 铁路枢纽站场结构、特点及发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 铁路枢纽是组成铁路网的基本单元，它的建设对路网运输、繁荣地方经济 和城市地方建设都有重要的意义。初期往往是一站枢纽，随着运量的增大，慢 慢发展成三角形或十字形枢纽，但此时仍属小型枢纽，其设备集中，便于管理； 随着城市规模的扩大，为便于为城市服务，客运站、货运站、编组站不仅在原 有的基础上扩建，其数量也在逐渐增加，此时枢纽逐渐形成混合型、环形等较 大型的铁路枢纽，自动化程度也越来越高，其网络结构如1 2 所示1 。目前全国 大型的枢纽站场有北京、广州、兰州、株洲、襄樊、郑十l , i 等，以郑州枢纽为例， 就有1 5 个大型站场、5 个区间。经过半个多世纪的建设，它们已成为具有国内外 先进技术装备的现代化铁路客货运输基地。 从图中可以看出：铁路枢纽是一个特殊形式的网络，枢纽内的各站场组成 网络的“节点”，连接车站和车站之间的铁路线组成了网络的“边”，以某些 “节点”为分界点，铁路枢纽和衔接的铁路干线相连通，并通过它们与外界产 生车流和信息的交换。它的这种分布特点，为建立基。二j = g i s 的铁路枢纽地区的综 合自动化提供了条件。 单 图1 2 铁路枢纽站场网络结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 1 。2 2 铁路枢纽站场供电系统的特点 可靠的铁路供电系统，是铁路畅通无阻、安全正点的保障，电气化铁道牵 引变电运行一般有着过负荷率较高、运行时间不规律、运行期间电压、电流畸 变大等特点 5 1 。铁路枢纽站场位置特殊，其牵引供电除了上述特点外，还有如 下特点： 1 ) 接触网设备自身比较复杂，电气连接数量多、密集，维修量大，运输生 产和设各检修的矛盾非常突出。 2 ) 供电范围广，设施分散，设备信息类型多样，管理不便。 3 ) 设备陈旧，新旧设备交替，技术资料不全。 4 ) 各站场之间衔接部分存在设备的检修问题( 如杆合架的供电线的检修问 题等) ，这些问题解决起来难度更大，安全性要求更高，一旦发生问题，影响范 围会非常大。 。 由于对铁路枢纽运输能力的要求不断提高，与之相配的各铁路站场也需要 进行扩建和改造更新，增加了大量的现代化生产和管理设备，如编组站调度楼 的信息管理系统、信号楼的电气集中连锁系统等，这些自动化设备对供电的安 全性、可靠性及供电质量有了更高的要求，相应的其远动系统也要求更高的技 术经济特性，电气化铁路枢纽站场不具备操作自动化系统已不可想象。 1 2 3 铁路枢纽站场s c a d a 系统现状及存在的问题 目前枢纽站场存在许多s c a d a 系统，如：上下行驼峰作业过程控制系统， 上下行溜方作业控制系统，行车调度监督系统，牵引供电调度管理自动化系统， 编组站调度楼的信息管理系统、信号楼的电气集中连锁系统以及驼峰空压机计 算机自动控制系统等。目前这些监控系统负责监控枢纽站场的不同设备，独立 设计、施工、调试及使用，系统之间不互联，信息不能共享，造成了资源上的 浪费及事故处理的滞后，此外还存在以下问题： 1 ) 与企业m i s 系统的结合性能差； 亘壹奎望查堂堡主堑塞竺堂垡建塞 笙! 至 同m i s 等系统互连后，这些系统的用户也同样需要安装和配置客户端软件， 这使得安装、升级、维护的任务大大提高。尤其是当用户采用多种操作系统时， 必须为每种操作系统开发不同的应用软件，工作量十分庞大，不能使用一套应 用跨平台操作。 2 ) 不具备g i s 功能； 传统的s c a d a 系统，背景比较单一，“只见树木，不见森林”，当发生故 障时，故障设备与其他设备之间的位置关系，以及故障范围操作人员就不太明 确。 3 ) 网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域或专线网的网状层次结 构监控管理系统； 4 ) 数据采集速度有待进一步提高； 5 ) 系统事故追忆能力差； 6 ) 多任务调度能力差； 7 ) 缺乏高效性的控制任务调度算法的支持； 针对这些问题，在枢纽站场建立大规模的综合监控系统越来越引起广泛重 视，如何使s c a d a 系统满足信息多样化、一体化的集成应用要求是目前普遍 关注的问题。 1 2 4 r g i s 建设及铁路枢纽站场综合自动化 随着社会主义的不断发展，铁路行业的进程也加快了脚步，嚏字化铁路” 逐渐提上日程。它的实现形式是通过铁路系统设备的运行状态和规律，把铁路 系统各种数据和信息组织起来，对铁路各种复杂的设备进行调控，实现系统优 化，建设一个能满足全国铁路抢险救灾、规划设计、设备维护、实时监控、决 策分析应用的综合型地理信息系统。为了实现这一战略目标，由铁科院电子计 算技术研究所、铁路计算机应用编辑部和北京铁道学会于2 0 0 1 年1 1 月2 1 目2 3 目在京举办了首届铁路地理信息系统( r g i s ) 技术研讨暨展示会。这次 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 会议提出了如下的建设目标： 1 地理信息与运输对象相结合； 即r g i s 与t m i s 、客票系统、d m i s 这三大系统的信息共享，将运输对象 的定位、分布和统计等信息在电子地图上显示出来，从而实现运输对象与地理 信息相结合。 2 地理信息与运输设备相结合； 目前铁路各部门都有自己的设备管理系统，有着丰富的基础数据库，但各 部门的设备管理系统基本上还处于一种离散的状态，不能形成综合数据，r g i s 必须将各专业的基础数据转化为空间数据库中的数据，地理信息与运输设备信 息有机的结合起来，充分运用g i s 技术和计算机网络技术，实现“千里铁路尽 收眼底，图定列车一览无余”的目标。 3 地理信息与其他信息相结合； ， 总体构架如下图1 3 所示： 图l o r g i s 的构架图 为了实现铁路的跨越式发展，铁道部提出：铁路枢纽站场今后要加快现代 化速度，提商现代化水平，编组站要逐步实现综合自动化，包括车辆改编、列 车到发、调度指挥、通讯信号、信息处理等项目的综合自动化和现代化。在2 0 0 4 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 年科技发展规划中铁道部也专门列出了“枢纽站场综合监控及信息管理系统” 这一课题，要求站场各自动化系统互相联网形成大规模的综合监控系统，彼此 协作工作，更好的完成枢纽站场各设备的监控，从周期修向状态修发展，快速 切断及恢复事故显得非常迫切。 正是在这种背景下，本文完成了“基于w e b g i s 的枢纽站场牵引供电 s c a d a 系统研究设计”，对如何把w e b g i s 引入s c a d a 系统做了深入的研究， 这是“枢纽站场综合监控及信息管理系统”中的子课题。 1 3w e b g i s 与s c a d a 系统集成的意义与可行性 1 3 1w e b g i s 与s c a d a 系统集成的意义订“8 “m 1 理论意义 ( 1 ) 对s c a d a 系统信息访问方式做了有益的补充。 ( 2 ) i n t e m e t 技术基于的标准是开放的、非专用的，这就为w e b g i s 的进一 步扩展提供了极大的发挥空间，使得w e b g i s 很容易与其他系统无缝集成，建 立功能丰富的具体g i s 应用。 ( 3 ) 可以大规模降低系统成本，用户需要的只是一些基本的功能，使用通用 的浏览器进行浏览、查询，额外的插件( p l u g - i n ) 、a c t i v e x 控件和j a v aa p p l e t 通常都是免费的，其软件成本与全套专业g i s 相比明显节省的多。 ( 4 ) 将实时g i s 系统建立在i n t e r n e t 环境上，各种来源的数据可以通过网络 传输，而不需要专门的电缆等，有利于实现供电段一铁路分局一铁路局一铁道部 的联网。 ( 5 ) 平衡高效的计算负载，w e b g i s 能充分利用网络资源，将基础性、全局 性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完成。 这种计算模式能灵活高效的寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端 的合理分配，是一种较理想的优化模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 实际意义 由于枢纽站场牵引供电s c a d a 系统数据量大，对地理信息的依赖性强， 当把w e b g i s 提供的空间信息与s c a d a 系统提供的实时状态信息有机结合起 来以后，将更加有利于管理站场供电系统，具体来说有如下几个意义： ( 1 ) 系统画面上显示的某一设备的图符不仅取决于其设备类型，而且还与 其属性信息有关( 如设备当前状态) ，设备状态的表达简洁直观。 ( 2 ) g i s 向s c a d a 系统提供地理位置背景信息、离线图形数据和设备参 数；s c a d a 系统向g i s 系统提供电设备运行的实时数据、事故等信息，在地图 上通过视听手段，实时动态的显示出来，这样做有机的结合了设备的地理位置 信息、静态属性信息和动态实时信息，增强了系统对数据的表现能力，用户界 面友好。 ( 3 ) 提供了调度员操作所需的全面信息，尤其是设备的地理位置信息。无 论是遥控操作、还是现场操作，其调度决策的正确性、可靠性都大大提高，减 轻了调度员工作的劳动强度，提高了工作效率。 ( 4 ) 为实现基于w e b g i s 的s c a d a 系统快速判断故障和恢复故障奠定了 有益的基础。 1 3 2 实现w e b g i s 的可行性分析 w e b g i s 的实现方式有多种，无论采用哪一种，都会有大量的地理信息在网 上传输，而且动态图形的传输一直没有很好的解决方案，但随着组件技术、a s p 技术、空间数据库技术等的出现，为实现w e b g i s 与牵引供电s c a d a 系统的 结合提供了技术支持。在网络建设方面，铁路已有4 万多公里的光缆和包括分 组交换、帧中断、a t m 在内的数据通信网，包括数字滤波、时分多址卫星通信 和v a s t 卫星数据网的无线移动通信网1 9 1 ；由于铁路部门的要求，目前大多数 枢纽站场内都建设了企业信息网络，通过i n t r a n e t 局域网的高速光纤互连，避 免了g i s 数据传输速率过慢的问题，其速率的提高，完全可以满足w e b g i s 系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 统的数据传输需求。另外，通过n r a n e t 可以方便地与i n t e m e t 互联，使跨区域 数据交换成为可能。这些均为实现基于w e b s 的枢纽站场牵引供电s c a d a 系统奠定了良好的软硬件基础。 1 4 本文所做工作及章节安排 本文研究了国内外w e b g i s 技术方面一些最新的学术和应用成果，根据现 阶段s c a d a 系统存在的问题和实际需要，对w e b g i s 如何引入进行了研究， 同时对s c a d a 系统中g i s 数据的组织管理进行深入的探讨；利用组件技术， 建立了一个基于w e b g i s 的s c a d a 系统模型；设计了w e b g l s 子系统的关键组 件，构建了一个试验环境，实现了设备故障辅助定位功能。具体章节安排如下： 第一章介绍了w e b g i s 这一新兴技术及本课题的研究背景，分析了目前枢 纽站场牵引供电s c a d a 系统存在的缺陷，阐述了w e b g i s g i 入s c a d a 系统的意 义与可行性，最后给出了本文的主要内容及章节安排。 第二章基于组件技术设计了一个分布式的s c a d a 系统。根据功能相关性 把s c a d a 系统划分为几个子系统，w e b g i s 作为其中个子系统而存在，完成 与地理信息密切相关的功能；结合s c a d a 系统对g i s 功能的需求，选择a c t i v e x 技术作为本系统开发w e b g i s 的方式；同时给出了整个系统服务器端设计、安 全性设计。 第三章给出了s c a d a 系统中w e b g i s 子系统设计。首先对g i s 控件的选 型进彳亍分析；然后对w e b g i s 在s c a d a 系统中应实现的功能进行设计，对关 键组件进行详细设计；由于在w e b g i s 系统中存在着g i s 数据，对这种特殊数 据的访问使系统的体系结构、数据流程与普通的三层网络结构不同，针对这种 特殊性，本文对系统的体系结构与数据流程进行了描述；在分析系统g i s 数据 特点的基础上，建立了适合本系统的g i s 数据模型；通过对目前存在的空间数 据库管理技术进行分析，采用了对象一关系型数据库技术完成了本系统g i s 数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 据管理；本章最后还给出了系统信息图层的设计。 第四章构建了一个w e b g i s 试验环境。利用m a 口i n f op r o f e s s i o n a l 分层 制作了一个简单的地图，再使用e a s y l o a d e rf o ro r a c l e8 1 6 将编辑好的 m a p i n f o 地图上载到o r a c l es p a t i a l 空间数据库中，完成g i s 数据库的设计； 详细阐述了如何在客户端得到地图数据以实现简单地图操作；设计了如何在服 务器端定时查询故障信息，并通过w i n s o c k 控件实时传递故障数据，并利用g i s 快速检索功能验证w e b g i s 系统故障辅助定位功能。 最后总结了本文的工作，对系统的优缺点进行分析，指出了下一步应该完 成的 = ：作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 第2 章基于w e b g i s 的s c a d a 系统的结构设计 2 1 构建基于w e b g i s 的s c a d a 系统的关键技术分析 2 1 1c o m d c o m 技术 c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e ) 规范定义并实现了一个组件 ( c o m p o n e n t ) 间连接和通信的机制，它是一个系统服务a p i ，通过所提供的标准 接口，需要某种服务的窖户就可以以一种多态的方式与该服务的多个提供者相 连并直接通信。 d c o m 是分布式c o m ，由于其基于开放式网络协议，提供了网络透明及 通信自动化标准，使得一个对象无需了解另一个对象的位置就能进行对象之间 的通信，这些对象可以来自一个机器上的不同进程或者来自不同机器上的独立 进程。通过基于标准的远程过程调用( p , p c ) ，可以使在不同机器上运行的支持 a c t i v e x 的应用程序进行无缝互操作。使用d c o m ，应用程序就可以在位置上达 到分布性，从而满足客户和应用的需求。下图2 1 显示了d c o m 的整体结构：c o m 运行库向客户和组件提供了面向对象的服务，并且使用r p c 和安全机制产生符 合d c o m 线路协议标准的标准网络包 1 0 1 。 图2 - 1d c o m 的整体结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 由上图可见，将应用程序划分为部件模块。每个实现种或多种服务的部 件模块可以在不同的计算机上透明地运行。由于d c o m 提供了网络透明，这些 部件对用户和编程人员而言就好像在一台机器上，d c o m 对象技术使得全局的网 络和信息资源看上去像是本地的，这就使用户更容易、也更快地访问重要的业 务信息。通过d c o m 和远程自动化，用户可以在整个网络内放置或执行部件， 而无需知道该信息来自何方。现存的组件( a c t i v e x 控件) 能够被结合到客户 端，来扩展h t m l 页面，使其以一种友好、安全和有效的方式实现真正的分布式 任务。可以在客户端应用一些简单的事务规则来为用户提供迅速的反馈更加 复杂的事务规则能够透明地激活服务器端的组件。因为d c o m 的语言独立性，这 些组件可以用任何一种编程语言来完成，如c + 十、j a v a 、v i s u a lb a s i c 等。其 实现原理如下图2 2 所示“”： 图 2 集成h t m l 和分布式计算 - 一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 2 1 2 a s p 技术 在s c a d a 系统中，要进行大量的数据库检索工作，并且要根据数据库查询 结果的实际情况，来完成页面的布局，具有很高的动态性。对w e b 数据库进行 访问，动态生成h t m l 页面的方式很多，与a s p 、c g i 、i s a p i 、i d c 和j a v a - a p p l e t 等技术相比，a s p 更适于本系统，在开发和应用方面有自己的优点： a s p 编写容易，可以用任何无格式的文本编辑器编写，程序开发时间短： a s p 混合性好，它的主体是与平台无关的h t m l 和脚本程序，无需编译； a s p 程序独立于浏览器，在服务器上执行，相对客户源代码隐藏，保密 性强： ( a ) a s p 是面向对象的，并可扩展使用各种语言编写的a c t i v e x 服务组件。 a s p 应用程序主要分为两类，一类是服务器端脚本，它运行在服务器上， 对用户而言是不可见的，它响应用户的请求并将结果以网页的形式返回，同时 也包含对用户的认证与管理，此外，它还对系统进行维护。另一类是浏览器端 脚本，它和普通的应用程序一样直接影响用户的操作，完成处理工作。在编写 a s p 页面时，两类脚本程序混合置于其中，只是服务器端脚本使用 定 界符，服务器读到此定界符时会执行定界符内的脚本程序，客户端脚本置于 h t m l 标记 和 之间，服务器会将这些脚本完整地返回到客户端 浏览器，在客户端执行。 2 1 3m t s 微软事务服务器) d c o m 功能组件需要一个环境，使其能够处理并发请求，避免网络堵塞。 可以采用m t s 来管理各个组件，提供组件的并发控制、安全及事务功能。还能 将各个不同的d c o m 功能组件分布在不同的机器上，有利于支持并发请求，平 衡网络负载，提高系统性能和可扩展性。i i s 担负页面的服务和管理工作，m t s 负责页面所嵌入组件的服务和管理工作。两者结合起来组成中间层的应用服务 器，原理如图2 3 所示1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 客户端浏览器 中间件服务层 数据库服务器 图2 - 3 中间件服务器的事务逻辑对象服务 2 2d c o m 实现分布式基于w e b g i s 的s c a d a 系统设计 2 2 1 基于w e b g i s 的s c a d a 系统功能设计 运用d c o m 来实现分布式的s c a d a 系统有得天独厚的优势，可以解决 s c a d a 大规模软件开发及与其他系统结合的难题，决定了基于d c o m 的分布 式s c a d a 系统具有良好的开放性、可扩展性。可以根据以下4 项原则将基于 w e b g i s 的s c a d a 系统划分为六大功能模块： 模块间接口清晰，功能明确； 安全性，实用性，可操作性； 开放性，可扩充性，在设计时考虑对外提供接口； 设计过程中充分采用先进、成熟的技术。 各功能模块各自又划分为几个功能子模块，如图2 4 所示。这些子系统之间 是相互独立的，通过定义好的接口进行通信，具体的实现在子系统之间是透明 的，这些子系统可以单独开发。 管 理 模 块熊! 胃胃胃j 榔刮 燕j 一。堡l j 数据管理子系统 w e b g i s 子系统 引 远动子系统 电铁枢纽站场牵引供电s c a d a w e b g i s 系统组件层 埘外接口子系统 图2 - 4 系统功能模块划分 数据管理子系统与数据库联系紧密，负责对系统实时数据、历史数据以及 空间数据的管理，如对某地图元素的增加、删除、修改等。 远动子系统负责通信规约转换，收到信息的筛选、数据的运算及转换、下 一 其他接口模块 一 与|坌接口模块 一空问数据管理模块 一懦慷 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 行命令及上行信息处理、查询r t u 等。 图形显示子系统负责各种动静图表在客户端的生成、显示及输出，包括实 时曲线、统计报表、分析记录等。对于数据传递频繁的实时曲线显示，为了减 少数据流量，它的显示可以编制组件在客户端运行，数据传递到客户端之后， 由该组件负责实时曲线的显示，增强了系统实时性。 系统管理子系统负责对监控系统的监视、用户的权限管理、定时服务、进 程监督等。 对外接口子系统负责与其它系统的结合，在综合系统下往往存在多种不同 类型的数据库，一般都通过数据库中间件访问的，所以对外接口子系统的功能 有数据库中间件来完成。 w e b g i s 子系统主要负责与地理信息关系紧密的功能，在地理背景上组织 数据，实时监测供电系统等，其功能详见下章w , e b g i s 子系统设计。 2 2 2s c a d a 系统中实现w e b g i s 子系统关键技术分析 可以有多种方法来实现w e b g i s ，目前比较流行的有通用网关接口法 ( c g i ) 、插件( p l u g - i n ) 、j a v a a p p l e t 和a c t i v e x 技术等。c g i 方式构建简单， 但系统反应慢，只适用于构建一个对实时性要求不高的信息发布中心：插件 ( p l u g i n ) 方式需要在每一个浏览器端安装插件，应用受到限制；j a v aa p p l e t 跨平台性好，但类库不完备，使得开发一个健壮的w e b g i s 系统代价过高；采 用a c t i v e x 技术虽然交互性强，可以平衡客户端与服务器的负载，但在客户端 需要下载g i s 控件，较费时。 权衡上述方法的各种利弊，考虑到对整个s c a d a 系统的设计是基于 c o m d c o m 技术，因此本文采用了a c t i v e x 技术来实现w e b g i s ，其实现原理 如下图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 图2 5 基于a e t i v e x 的w e b g i s 实现原理 这种方式的优点是显而易见的：以矢量图形的形式传输地图数据，客户端 得到的是真正的矢量数据，而不是一幅静态图像；每个用户在地图上移动鼠标 时，在客户端即可实时地判断出所指的是哪一个点、线或多边形，因此在客户 端可以非常快地响应用户，能够执行比较复杂的操作，且没有任何时间延迟。 由于铁路部门的要求，目前大多数枢纽站场内部建设了企业信息网络，这 些网络及微机配备的软件都以微软公司的系列软件为主。a c t i v e x 技术本身就是 微软提出的，因此基于a c t i v e x 的组件化程序同铁路部门的信息网络有良好的 兼容性。同时，铁路企业的信息网络又为软件的运行提供了良好的环境。通过 i n t r a n e t 局域网的高速光纤互连，避免了g i s 数据传输速率过慢的问题，其速 率的提高，完全可以满足w e b g i s 的数据传输需求。 用户在第一次打开页面时自动下载g i s 控件，以后由于控件已经存储并注 册在客户机上，以后就可以直接使用该控件来实现浏览器端矢量图形的显示， 处理用户控制较多的任务，如漫游、缩放等，在一定程度上减轻了服务器端的 负载和网络上的数据传输量。 2 2 3 基于w e b g i s 的分布式s c a d a 系统体系结构设计 。 系统结构如下图2 - 6 所示，浏览器将用户提交的操作信息向w e b 服务器发 出h t t p 请求，w e b 服务器通过a s p 和一些中间组件访问后台数据库，并将操 簖一 求一 一件r 请一 一控携 象一 一般鼢 对一 一蚓 据 m 鳞 数一 一弘吼 硌一 一鹾釉詈 一 畛一 墓墨 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 作结果以h t m l 页面的形式返回给前端浏览器。在a s p 下，v b s c r i p t 代码被 a s p 引擎在w e b 服务器端解释执行，执行结果被重新嵌入到h t m l 代码中，然 后一起发送给浏览器。这里，v b s e r i p t 代码可以通过o d b c 访问指定数据库。 _ j ，矗蛾蛰拳m ； 冰鼻矗蕾 o c o ，i 舯骨辄汽寰c a n n r 嘣；媾系蔬 可以看出，整个系统从结构上分为三层，用户服务、业务服务和数据服务。 用户服务通常称为前端，提供s c a d a 系统数据的表示和g i s 功能选择的 用户接口界面。使用g i s 控件显示地理数据，使用其事件服务功能实现用户和 地图之间的动态互操作。 业务服务是用户服务与数据服务之间的桥梁，响应用户服务提出的查询、 分析等请求，并实现其功能，是整个系统的核心，负责整个系统应用逻辑的控 制与处理，在系统中由w e b 服务器和s c a d a 应用服务器组成。w e b 服务器负责 处理客户机的h t t p 请求、传送用户输入的信息蛩j a s p 页面脚本指定的a s p 文件， a s p 脚本文件根据输入的信息，直接通过数据库访问组件访问数据库，并生成 a s p 页面，由w e b 服务器传送给浏览器。s c a d a 应用服务器通过数据库访问接 口与数据层通信，完成系统大部分的应用逻辑处理功能。 数据服务称为后端，位于系统最低层，由数据访问组件和底层数据库服务 堕壹銮望盔兰堡主翌塞兰兰垡笙奎 篁圣! 夏 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ ，十 _ - _ - _ _ _ _ _ _ - 。- _ _ 。- 。_ 。_ 。一 一 器两部分组成。负责访问、更新和维护数据库，并在业务服务驱动下操作数据。 这种结构的特点是用户逻辑和应用逻辑位于不同的平台上，同时系统被划 分为不同的模块，层次清晰，客户方操作简单，开发和管理工作向服务器端移 动，使得分布式的数据处理成为可能。 2 2 4 基于w e b g i s 的分布式s c a d a 系统服务器端设计 系统服务器端的设计是整个s c a d a 系统设计的核心。服务器端由一系列服 务器按照t c p i p 协议进行网络互联而构成，并通过防火墙与外界相连。在服务 器端网络结构如图2 - 7 所示： 蝴删刚 。甏臀j 证备饿话 通信服务_ 嚣 服务器 ! l 作站 服务器 ：防火墙 i 图二7 系统服务器端网络结构 系统各 功能组件可以根据需要分布在不同的服务器上，扩充、改进、升级容易；负载 随功能服务器分散，负载较易预测。计算机通信由专门的服务器处理，减少了 通信故障或维护时可能对系统带来的干扰。重要的服务器可采用多机冗余配置。 此外，服务器的规模可根据需要方便地进行更新升级或相互调换。 各人机会话工作站都是瘦客户端，无须安装任何软件，只需要陋浏览器即 可，利用m i c r o s o f t 的i n t e m e t 信息服务( i i s ) ，将数据提供给瘦客户。用户可 目 一 堕堕奎望查堂堡主要塞生堂焦丝塞 篁! ! 夏 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - 。_ 。_ 。_ _ 。_ 。_ 。_ _ 。_ 。_ 。一一一 以在任何工作站上( 站场局域网或远程) 以i e 的方式来分析和监视s c a d a 数 据，对数据库进行管理维护，完成s c a d a 系统的各种功能。 2 2 5 系统安全性设计 基于w e b g i s 的s c a d a 系统特征之一是开放式和海量分布式数据，用户 的位置和数量原则上不受限制，这种结构使系统面临严峻的考验。为保证应用 程序和数据不被破坏和丢失，最常用的方法是身份验证、用户权限管理以及增 加防火墙。 由于系统数据常常有重要价值或涉及机密信息，申请使用或修改这些数据 的用户必须具有相应的权限。建立一个登录人员身份验证及权限数据库“人员登 记表”，便可在w e b 应用程序中引入安全校验功能，其相关的a s p 程序的思路 为： 将登录者输入的用户名及密码与后台“人员盛记表”数据库内的数据相比 较，以确定登录者的身份及权限，这是w e b 应用程序中基本的安全效验手段。 但这种安全防护功能并不完整，首先，它不能防止有经验的匿名访问者设法绕 过登陆页面以逃避身份检查；其次，它并未对不同权限者实现相应的分类页面 显示。在本系统中，可以将访问系统的人员权限由高到低分成3 个等级，调度 员级( 权限值为“l ”) 、站场职工级( 权限值为2 ) 、其他人员( 权限值为“3 ”) 。 因此，对上述基本安全效验程序作一改进，改进后的总体a s p 流程如图2 - 8 所 刁x 。 经过改进后，相应的w e b 页瓦便能拥有不同权限者实现分类显示，同时任 何企图逃避身份验证者都将因得不到权限而被禁止访问该页面。在实际编程中， 可以对每个页面都做如上处理，以保证整个系统的统一性和完整性。由于在w e b 应用程序中采用了a s p 多页面编程机制，客户端在浏览器上查看不到真实源代 码，这也从另一个侧面保护了w e b 站点的安全。 最后，在路由器上设置防火墙可以实现用户鉴定、h