孫栓柱，孫 彬，周春蕾，王其祥

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

傳統(tǒng)的生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)一般采用C/S(Client/Server，客戶端/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)過于依賴客戶機(jī)的軟件配置，系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本較高，同其他信息系統(tǒng)交互性差。同時由于客戶端直接訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫安全級別降低，存在一定的安全風(fēng)險。C/S結(jié)構(gòu)通常只限于小型和相對封閉的企業(yè)局域網(wǎng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WEB技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，許多用于監(jiān)控軟件開發(fā)的組態(tài)軟件也開始提供WEB功能。目前大部分組態(tài)軟件均采用ActiveX＋JSP技術(shù)實現(xiàn)WEB發(fā)布，為了運(yùn)行ActiveX需要降低瀏覽器安全級別，會對客戶端造成安全威脅。同時，由于采用了JSP技術(shù)，在實時監(jiān)控過程中瀏覽器和服務(wù)器之間頻繁傳輸整個監(jiān)控頁面，形成了大量網(wǎng)絡(luò)流量，嚴(yán)重影響實時數(shù)據(jù)的發(fā)布。

針對以上問題，本文提出了一種基于B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案以開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL為數(shù)據(jù)庫管理平臺，同時結(jié)合Flex、EXT、Ajax等富客戶端技術(shù)，在瀏覽器中以實時交互方式對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和WEB數(shù)據(jù)發(fā)布。目前在WEB應(yīng)用中廣為流行的富客戶端技術(shù)，支持頁面中各圖表組件以并行請求、異步響應(yīng)、動態(tài)更新的方式，無須重新加載整個頁面即可實現(xiàn)按需請求數(shù)據(jù)和局部頁面更新，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量、提高頁面數(shù)據(jù)處理效率的目的，為實現(xiàn)頁面實時數(shù)據(jù)刷新提供了解決方案。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，以基于J2EE規(guī)范的WebLogic為WEB應(yīng)用服務(wù)框架，用于開發(fā)、集成、部署和管理分布式WEB應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。

1 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

在生產(chǎn)過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)量不大、工業(yè)控制計算機(jī)配置較高的情況下，可以將現(xiàn)場的工業(yè)控制計算機(jī)與WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通訊服務(wù)器合為一體，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和控制指令的下達(dá)頻率為1次/秒。典型的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型應(yīng)用架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集和控制裝置包括DCS、PLC或者板卡等設(shè)備，通過電纜與現(xiàn)場設(shè)備連接，實時采集生產(chǎn)過程溫度、壓力、流量和濃度等數(shù)據(jù)，再通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、RS485和RS232等通訊鏈路上傳至工業(yè)控制計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)接收傳輸上來的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行存儲和計算，并利用實時監(jiān)控圖、曲線和報表等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。運(yùn)行人員通過瀏覽器可以直接訪問生產(chǎn)過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

如果運(yùn)行人員需要對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作，可以在工藝監(jiān)控頁面中直接發(fā)出控制命令，通過監(jiān)控服務(wù)器將指令下達(dá)給數(shù)據(jù)采集和控制裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集和控制層完成數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和現(xiàn)場設(shè)備操作；數(shù)據(jù)存儲層實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的存儲管理，WEB應(yīng)用層則實現(xiàn)WEB數(shù)據(jù)發(fā)布。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集和控制層

數(shù)據(jù)采集和控制層從現(xiàn)場設(shè)備采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及格式化后，將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲層。同時，接收來自數(shù)據(jù)存儲層的遠(yuǎn)程控制指令，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作。

2.2 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層通過采集數(shù)據(jù)接收、控制指令下達(dá)程序與數(shù)據(jù)采集和控制層交互：一方面，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行實時緩存；另一方面，接收來自客戶端瀏覽器的控制指令，將其下達(dá)給數(shù)據(jù)采集和控制層。這種方式避免了數(shù)據(jù)采集和控制層直接訪問數(shù)據(jù)庫，提高了數(shù)據(jù)庫的安全性和穩(wěn)定性。

實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)在線實時存儲和歷史數(shù)據(jù)存儲管理；操作記錄數(shù)據(jù)庫存儲用戶遠(yuǎn)程操作日志；統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫存實現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲管理。

系統(tǒng)以MySQL為數(shù)據(jù)庫管理器。MySQL具有大容量（可以在一張數(shù)據(jù)表中保存超過5千萬條記錄）、運(yùn)行速度快和操作簡單的特點(diǎn)[1]，可以很好得滿足秒級數(shù)據(jù)存儲的性能要求。

系統(tǒng)采用Ibatis和JDBC相結(jié)合的方式，提供對數(shù)據(jù)的持久化支持。Ibatis支持系統(tǒng)大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作功能，而對系統(tǒng)中諸如實時數(shù)據(jù)寫入和查詢等對數(shù)據(jù)讀取效率要求較高的功能，則通過具有很高執(zhí)行效率的JDBC完成。

2.3 WEB應(yīng)用層

WEB應(yīng)用層采用Struts2技術(shù)框架，利用Flex、EXT和Ajax等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)列表、工藝圖、趨勢圖和統(tǒng)計報表等富客戶端表現(xiàn)方式，為用戶提供豐富的WEB數(shù)據(jù)發(fā)布功能。

1）工藝監(jiān)控。對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況、及生產(chǎn)過程的溫度、壓力和流量等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時反映監(jiān)控對象的總體運(yùn)行性能；同時通過輸入指定值或執(zhí)行操作命令的方式對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2）實時和歷史趨勢。以實時滾動的方式動態(tài)展示測點(diǎn)最近1小時的數(shù)據(jù)變換趨勢，并提供任意時段的歷史趨勢分析。

3）統(tǒng)計分析。提供日、月、年等時間粒度的監(jiān)測臺帳和生產(chǎn)報表等固定格式報表的查詢功能和統(tǒng)計數(shù)據(jù)趨勢圖等分析功能。

4）系統(tǒng)管理。測點(diǎn)維護(hù)功能，設(shè)置測點(diǎn)的標(biāo)簽、單位、量程及報警上下限等屬性；權(quán)限設(shè)置功能，設(shè)置用戶操作權(quán)限和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢范圍。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 實時數(shù)據(jù)存儲

實時數(shù)據(jù)常用的存儲方式有兩種：數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫。文件訪問的并發(fā)性較差，不能很好地支持秒級數(shù)據(jù)寫入，且因其缺乏完善的數(shù)據(jù)索引機(jī)制，無法實現(xiàn)對實時和歷史數(shù)據(jù)的快速批量查詢。因此，系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫作為實時數(shù)據(jù)存儲方式。

在實時監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)通常采用以測點(diǎn)為列、時間戳為記錄標(biāo)識(索引)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。一個監(jiān)控系統(tǒng)采集測點(diǎn)數(shù)一般不超過1000個，實時數(shù)據(jù)表的存儲構(gòu)如圖3所示。圖中列t表示時間戳，P1、P2、…、P1000表示第1到1000個測點(diǎn)的實時數(shù)據(jù)列。

圖3 實時數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

按照上述存儲結(jié)構(gòu)，1年的數(shù)據(jù)記錄將高達(dá)3200萬條，這將嚴(yán)重影響實時數(shù)據(jù)存儲和查詢的效率。因此，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)表按月拆分，月數(shù)據(jù)表命名規(guī)則為RT_yyyy_m，其中yyyy表示年份，m表示月份，如：RT_2013_1為2013年1月的數(shù)據(jù)表，RT_2013_12為2013年12月的數(shù)據(jù)表，其他情況以此類推。

對于跨月的歷史數(shù)據(jù)查詢，如：歷史趨勢圖，數(shù)據(jù)來自多個月數(shù)據(jù)表，系統(tǒng)以存儲過程方式提供統(tǒng)一的歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，將單月數(shù)據(jù)查詢看作多月查詢的特例，封裝了數(shù)據(jù)表的尋址過程。

3.2 實時數(shù)據(jù)緩存

考慮到數(shù)據(jù)更新頻率達(dá)到秒級，為了確保實時數(shù)據(jù)能成功寫庫，不出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)緩存表，保存來自現(xiàn)場設(shè)備的最新數(shù)據(jù)。每當(dāng)有新的監(jiān)測數(shù)據(jù)到達(dá)時，即自動將上一批實時數(shù)據(jù)復(fù)制到當(dāng)月數(shù)據(jù)表中，然后用最新到達(dá)的監(jiān)測數(shù)據(jù)覆蓋原來的數(shù)據(jù)，完成實時數(shù)據(jù)的動態(tài)更新和遷移。

實時數(shù)據(jù)緩存表中通常只有1條記錄，因此系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)都直接取自實時數(shù)據(jù)緩存表，而無需從存有近270萬條記錄的月數(shù)據(jù)表中檢索1條實時數(shù)據(jù)，有效地縮短了工藝監(jiān)控圖、實時趨勢圖等WEB組件的實時數(shù)據(jù)檢索時間。

3.3 秒級數(shù)據(jù)刷新

為實時展現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場設(shè)備，工藝監(jiān)控圖采用秒級別數(shù)據(jù)刷新設(shè)計。為實現(xiàn)此目標(biāo)，系統(tǒng)采用Flex圖表組件進(jìn)行圖形和數(shù)據(jù)展示，工藝設(shè)備使用圖像標(biāo)簽img，監(jiān)測數(shù)據(jù)使用文本標(biāo)簽Label；采用Remote Object方式，使用AMF(Action Message Format)協(xié)議與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這種方式直接訪問后臺對象，將數(shù)據(jù)序列化為二進(jìn)制格式，從而提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速度，縮短客戶端數(shù)據(jù)處理時間，相比較傳統(tǒng)的XML-over-HTTP方式，這是最高效的通信方式[2]。

在工藝圖組件初始化過程中， RemoteObject對象調(diào)用send方法讀取XML格式監(jiān)控圖，然后由Flex繪制工藝圖。在其后的實時監(jiān)控過程中，僅刷新實時數(shù)據(jù)，不再重新繪制工藝圖。完成工藝圖繪制后，啟動定時器定期進(jìn)行Flex刷新，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)自動更新。實時數(shù)據(jù)刷新過程如下所述。

1）RemoteObject對象以工藝圖測點(diǎn)編碼集合為參數(shù)發(fā)出實時數(shù)據(jù)查詢請求；

2）服務(wù)端收到請求后，將測點(diǎn)編碼轉(zhuǎn)換成測點(diǎn)標(biāo)識，從實時數(shù)據(jù)緩存表中讀取實時數(shù)據(jù)，然后以實時數(shù)據(jù) (測點(diǎn)編碼、實時數(shù)據(jù))集合的形式返回客戶端；

3）工藝圖組件收到返回結(jié)果后，調(diào)用updatePointsData方法更新頁面測點(diǎn)數(shù)據(jù)：遍歷實時數(shù)據(jù)集合，以測點(diǎn)編碼為元素標(biāo)識id定位數(shù)據(jù)標(biāo)簽，用實時數(shù)據(jù)設(shè)置標(biāo)簽的value屬性，依次為每個測點(diǎn)更新實時數(shù)據(jù)。

3.4 實時趨勢分析

系統(tǒng)使用實時趨勢圖組件動態(tài)顯示測點(diǎn)最近1小時的數(shù)據(jù)變化曲線。為了實現(xiàn)趨勢圖組件，系統(tǒng)引入了具有豐富表現(xiàn)力的Flex圖表組件，利用客戶端完成各種顯示效果的渲染，使數(shù)據(jù)的交互更為直觀。此外，圖表中的顏色、圖標(biāo)、符號、圖例、標(biāo)題和提示等也都可以進(jìn)行個性化定制[3]。

系統(tǒng)在Flex自帶的線型圖組件的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，開發(fā)了實時趨勢圖組件。該組件僅在初始化過程中進(jìn)行1小時歷史數(shù)據(jù)查詢，其后的數(shù)據(jù)刷新過程僅請求實時數(shù)據(jù)，從而使組件能快速更新趨勢曲線。實時趨勢圖組件曲線實時刷新過程如圖4所示。

3.5 統(tǒng)計報表查詢

系統(tǒng)的統(tǒng)計分析邏輯采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲過程實現(xiàn)。存儲過程是一組具有特定處理功能的SQL語句集，在創(chuàng)建時進(jìn)行了預(yù)編譯，具有較高的執(zhí)行效率。而且，SQL語句以事務(wù)的形式批量執(zhí)行，可以有效地保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)返回客戶端后，一般以WEB報表的形式進(jìn)行發(fā)布。WEB 報表使用HTML的table標(biāo)簽展示數(shù)據(jù)集；以Struts2的iterator標(biāo)簽展示數(shù)據(jù)行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄到tr標(biāo)簽的循環(huán)轉(zhuǎn)換，通過設(shè)置iterator標(biāo)簽的value屬性實現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定；以Struts2的property標(biāo)簽及其value屬性將記錄行的列綁定到td標(biāo)簽，在單元格內(nèi)展示數(shù)據(jù)。

圖4 實時趨勢圖組件曲線實時刷新過程

3.6 數(shù)據(jù)安全控制

1）登錄密碼加密

用戶登錄密碼采用MD5算法加密，以密文形式存儲。MD5 是Message-Digest Algorithm 5的縮寫，通過對文本應(yīng)用不可逆的字符串變換算法進(jìn)行加密[4]。

這種密碼加密和存儲方式，不但可以避免用戶密碼被系統(tǒng)管理人員知道，而且由于MD5算法的不可逆性還在一定程度上增加了密碼的安全性。此外，由于密碼以密文形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，有效地避免了傳輸過程中的泄密問題。

2）應(yīng)用層安全控制

用戶在登錄系統(tǒng)時采用驗證碼機(jī)制，防止程序自動登錄造成的性能安全問題，并使用Session會話實現(xiàn)用戶身份驗證保存。

系統(tǒng)通過Servlet的過濾器機(jī)制，防止用戶通過直接輸入Url的方式訪問未經(jīng)授權(quán)的功能和數(shù)據(jù)。采用Spring的攔截器技術(shù)進(jìn)行權(quán)限控制，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

以江蘇某電廠的煙氣排放實時監(jiān)控系統(tǒng)為例：系統(tǒng)部署在就地監(jiān)控系統(tǒng)工控機(jī)上，電廠操作人員利用瀏覽器通過廠內(nèi)局域網(wǎng)監(jiān)測現(xiàn)場煙氣分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)和對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

圖5是該廠#4機(jī)脫硫后煙氣排放監(jiān)控系統(tǒng)工藝監(jiān)控頁面。監(jiān)測參數(shù)包括：煙囪進(jìn)口SO2、NOX、煙塵濃度、O2、流速等參數(shù)；需遠(yuǎn)程控制的包括標(biāo)定相關(guān)閥門等設(shè)備。頁面右側(cè)是實時趨勢圖，通過單擊工藝圖中的測點(diǎn)標(biāo)簽實現(xiàn)測點(diǎn)選擇。

圖5 凈煙氣工藝監(jiān)控頁面

5 結(jié)束語

采用J2EE、WebLogic、MySQL集成配置方案、結(jié)合Struts2框架和Ajax、Flex等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)的基于WEB的生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、秒級數(shù)據(jù)在線存儲和統(tǒng)計分析，目前已經(jīng)在多個工業(yè)控制現(xiàn)場得到了應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。利用瀏覽器模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式方便了運(yùn)行人員的操作，促進(jìn)了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程信息的共享，同時也大大減輕了系統(tǒng)維護(hù)人員的工作量。

[1] 吳津津,田睿,李云,劉昊.PHP與MySQL權(quán)威指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 胡毓勵.基于Flex的企業(yè)協(xié)作平臺及其用戶使用挖掘的設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2010.

[3] Adobe Help Resource Center.Flex 3 Developer's Guide[OL].http://livedocs.adobe.com/flex/3/html/help.html?content=Part2_DevApps_1.html.

[4] 張裔智,趙毅,湯小斌.MD5算法研究[J].計算機(jī)科學(xué),2008,35(7):295-297.