張 揚(yáng)

（天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津，300072）

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 Web 技術(shù)

Web 屬于一種分布的典型性應(yīng)用技術(shù)，在每一次進(jìn)行信息的交換的時(shí)候，都會(huì)涉及到服務(wù)端和客戶端這兩個(gè)方面，但是在相互的連接中，服務(wù)端與客戶端主要是采取的JSP 魚(yú)XML 技術(shù)。當(dāng)然，也不能忘記編程語(yǔ)言技術(shù)，比如：有HTML 和插件技術(shù)這一些方面。考慮到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文相對(duì)關(guān)注于Web 技術(shù)的應(yīng)用重要性，在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要包含了視圖層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層，詳細(xì)見(jiàn)下圖一當(dāng)中所示。

圖一 邏輯模型

數(shù)據(jù)層是整體系統(tǒng)的基礎(chǔ)所在，主要是包含了文件、業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和映射規(guī)則庫(kù)，其中，文件數(shù)據(jù)庫(kù)主要是對(duì)各種服務(wù)請(qǐng)求存儲(chǔ)的生成性文件，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)各種業(yè)務(wù)所需要的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，映射規(guī)則庫(kù)主要儲(chǔ)存的是最基本的系統(tǒng)映射規(guī)則。

應(yīng)用邏輯層是對(duì)視圖層當(dāng)中用戶的服務(wù)需求進(jìn)行處理，擁有連接作用，之后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，這樣才可以有利于用戶的數(shù)據(jù)處理、管理以及數(shù)據(jù)的查詢。用戶直接接觸的是視圖層，其主要包含了請(qǐng)求與展現(xiàn)兩個(gè)方面的業(yè)務(wù)功能。

1.2 直接控制

直接控制技術(shù)又稱之為木偶式的控制技術(shù)，也就是遠(yuǎn)端控制者全面控制設(shè)備。在這一操作過(guò)程中，在發(fā)送了控制指令函數(shù)之后，才能夠完成一項(xiàng)或者是多項(xiàng)操作。但是考慮到對(duì)于控制著本身的能力要求高，并且還需要對(duì)編程語(yǔ)言、控制設(shè)備的底層指令都有一個(gè)全面的了解。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題

在解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題和數(shù)據(jù)的壓縮之后，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要面對(duì)的是時(shí)間延遲的問(wèn)題。機(jī)械臂遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)只有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才能夠?qū)刂频男畔⒁约斑\(yùn)動(dòng)狀態(tài)所反饋的信息進(jìn)行有效的傳遞，因此，網(wǎng)絡(luò)信息傳遞本身具有的特性，也會(huì)直接對(duì)機(jī)械臂遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)加以影響。其網(wǎng)絡(luò)延遲框圖具體如下圖二。

圖二 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延遲框圖

控制器與被控制的對(duì)象由于受到存在延時(shí)的影響，也會(huì)被打亂同步，從而影響到系統(tǒng)正常運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行。如果被控制的對(duì)象受到了前往通道的延時(shí)，那么在一定的時(shí)間段之內(nèi)，就無(wú)法獲取相應(yīng)的信息；如果是出現(xiàn)了反饋通信的延時(shí)，那么在一定時(shí)間段內(nèi)，也無(wú)法獲取反饋的相應(yīng)信息。

擁有良好的控制品質(zhì)，并且控制系統(tǒng)處理穩(wěn)定狀態(tài)，才能夠在進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)后，因?yàn)檠訒r(shí)，就使得機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所反饋的信息與控制信息相對(duì)滯后，這樣也會(huì)影響到系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，如果可以減小或者是消除延時(shí)影響，對(duì)于系統(tǒng)的工作性能提高有極大的推動(dòng)作用。

2.1.1 時(shí)延的構(gòu)成

一般來(lái)說(shuō)，較為典型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是由圖三當(dāng)中的幾個(gè)部分共同的組成：

圖三 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)延組成圖

通過(guò)上圖，可以看出其時(shí)延主要是tl+t2+t3+t4。其中：

t1：在發(fā)送指令時(shí)，客戶端出現(xiàn)的延時(shí)；

t2：在進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)控制的是偶，服務(wù)器也會(huì)出現(xiàn)操作上的延時(shí)；

t1，t2由反饋、處理時(shí)間共同的組成。反饋時(shí)間指的是通過(guò)攝像機(jī)與傳感器拍攝到的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和壓縮之后，從而形成有利于傳輸與處理，并且很容易辨識(shí)的數(shù)據(jù)格式所耗費(fèi)的時(shí)間。系統(tǒng)處理時(shí)間指的是客戶端指令在服務(wù)器端接收到后，進(jìn)而分析、處理指令，使得其轉(zhuǎn)變成為機(jī)械臂能夠辨識(shí)的命令，并且對(duì)機(jī)械臂需要完成客戶指令的時(shí)間進(jìn)行控制。

t3：主要是控制好命令傳輸?shù)难訒r(shí)，也就是在指令發(fā)送中，客戶端傳送到服務(wù)器端出現(xiàn)的延時(shí)；

t4：在傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)延時(shí)，當(dāng)信息傳輸?shù)娇蛻舳诉@一個(gè)階段出現(xiàn)的延時(shí)。

t3和t4的長(zhǎng)短主要是取決于傳輸?shù)姆绞揭约皞鬏數(shù)慕橘|(zhì)。基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的決定因素是傳輸時(shí)間，所以，應(yīng)該進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并且選擇一定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，確保所耗費(fèi)的時(shí)間最短的目的，這樣也有利于實(shí)時(shí)性的改善。

2.1.2 時(shí)延的構(gòu)成，在TCP/IP 協(xié)議下

當(dāng)前，基于TCP/IP 協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)目前的國(guó)際因特網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，由于數(shù)據(jù)流量在這一個(gè)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中是隨時(shí)變化的，所以，主要是根據(jù)數(shù)據(jù)的流量進(jìn)行路徑的選擇，時(shí)刻不同，其數(shù)據(jù)通過(guò)的路徑也會(huì)有差異，并且，數(shù)據(jù)流量不同，在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)的路過(guò)處理中也會(huì)有差異，這就使得一個(gè)不確定的變量出現(xiàn)在了通信延時(shí)之中。

通過(guò)選路，在這樣的系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)包就會(huì)從主機(jī)傳遞到遠(yuǎn)程主機(jī)上，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選擇上，也是根據(jù)上述的路由器原理進(jìn)行的，也可以將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)T 通過(guò)公式來(lái)表達(dá)：

主要是通過(guò)以下幾個(gè)方面組成：

第一，Ts指本地的主機(jī)在數(shù)據(jù)的處理上存在的延時(shí)。在數(shù)據(jù)信元被應(yīng)用程序傳遞到協(xié)議軟件的時(shí)候，協(xié)議軟件與數(shù)據(jù)都會(huì)從應(yīng)用層到網(wǎng)絡(luò)層逐層次地處理，等待處理完畢后，再進(jìn)行發(fā)送處理。

第二，Tp指的是信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候，物理線路上出現(xiàn)的延時(shí)。在物理線路之上，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)基本上都是光速，相比整體的延時(shí)，這一類型延時(shí)完全不是一個(gè)級(jí)別，所以，在通過(guò)決定延時(shí)大小的主要依據(jù)并非是通信節(jié)點(diǎn)之間的地理距離。

第三，Tr 指的是數(shù)據(jù)處理中，中間路由器出現(xiàn)的延時(shí)，在數(shù)據(jù)流收到之后，其解釋也需要由路由器將其傳送到網(wǎng)絡(luò)層之上，提供下一次跳目的地址的選擇，在選路的過(guò)程中，Tri 和多個(gè)路由器處理的延時(shí)就是其主要的部分之一。

第四，Td 指的是數(shù)據(jù)處理時(shí)，遠(yuǎn)程主機(jī)出現(xiàn)的延時(shí)。在數(shù)據(jù)報(bào)收到之后，遠(yuǎn)程主機(jī)需要做出解釋，并且重新的校驗(yàn)與排序，之后再在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)定

在測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的時(shí)候，根據(jù)承載的協(xié)議，主要是分為：

2.2.1 通過(guò)ICMP 的利用來(lái)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于延時(shí)測(cè)量而言，ICMP 是最典型的方式之一，也就是Ping 命令，主要是則針對(duì)請(qǐng)求與應(yīng)答，在基礎(chǔ)ICMP 之下開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件。在Ping 從發(fā)送端朝著接收端進(jìn)行發(fā)送時(shí)，等待接收端收到報(bào)文之后，就會(huì)立刻反應(yīng)，返回一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，在發(fā)送受到之后，就可以利用時(shí)接收到的時(shí)鐘以及發(fā)送的時(shí)鐘，就可以計(jì)算出往返之中出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。

2.2.2 通過(guò)UDP 的利用來(lái)實(shí)現(xiàn)

如果因?yàn)榘踩确矫娴脑驅(qū)е?，在制定目?biāo)地址或者是中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，ICMP 報(bào)文被濾掉，那么，就可以利用UDP 報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量中加以實(shí)現(xiàn)。UDP 的實(shí)現(xiàn)與ICMP 是一樣的，都是無(wú)連接的方式，但是不同的是UDP 協(xié)議還需要指定的端口來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。

TCP 屬于面向連接的可靠性傳輸協(xié)議，但是TCP 需要數(shù)據(jù)包頭的復(fù)制，所以，在實(shí)現(xiàn)方面會(huì)很復(fù)雜，一般都不會(huì)用于測(cè)試。但是，如果防火墻將前面的兩種報(bào)文過(guò)濾掉，這樣的情況下就可以考慮到此協(xié)議的使用。

表1 三種方式比較

在這一個(gè)過(guò)程中，我們可以假設(shè)在應(yīng)用程序當(dāng)中有一個(gè)程序包的撒送被設(shè)定出來(lái)，N 個(gè)字節(jié)是其大小，在達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)層的時(shí)候，數(shù)據(jù)包就會(huì)被封裝成為IP 數(shù)據(jù)報(bào)，具體如圖四

圖四 數(shù)據(jù)包封裝過(guò)程

因此，在發(fā)送端的應(yīng)用程序進(jìn)行N 字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送的過(guò)程中，就能夠得到IP 數(shù)據(jù)報(bào)，并且對(duì)于IP 數(shù)據(jù)報(bào)也可以根據(jù)套接字做出分析處理，同時(shí)也能夠獲取一部分的相應(yīng)信息，這樣不僅可以計(jì)算出丟包率，同時(shí)，還可以得出網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。

在測(cè)試程序的編寫(xiě)中，具體框架如圖五的編程。

Q u e r y P e r f o r m a n c e C o u n t e r ( ) 和QueryPerfortnanceFrequency( )屬于在時(shí)間上對(duì)精度有著更高要求的函數(shù)，其精度達(dá)到了微秒級(jí)別。另外，在硬件方面也要求了高精度計(jì)時(shí)器相互配合。如果是不相同的系統(tǒng)，那么也可能出現(xiàn)不一樣的情形，這與操作系統(tǒng)以及硬件設(shè)備有著一定的聯(lián)系。而兩個(gè)函數(shù)的實(shí)際原型在于：

LARGE_INTEGER 不僅僅是8 字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)整體類型，同時(shí)也可以劃分成為兩個(gè)4 字節(jié)，具體的方式，還是要考慮到對(duì)于64 位是否能夠加以支持。具體的定義。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，控制技術(shù)、通信技術(shù)等都取得了一定的發(fā)展。另外，最近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)之間的相互連接也進(jìn)行了相應(yīng)的研究與分析，在一定程度上也創(chuàng)造了有力的條件來(lái)促進(jìn)控制領(lǐng)域和信息領(lǐng)域之間的相互融合，由于多個(gè)方面的影響因素，因此，在今后的控制領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必定會(huì)成為主攻的方向之一。

圖五 基本流程圖

[1] 徐淑萍,蘇小會(huì).基于Internet 的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī).2011(07)：77-79

[2] 溫陽(yáng)東,李彧.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延估算及補(bǔ)償[J].微型機(jī)與應(yīng)用.2011(13):45-46

[3] 李肖,何芳.模糊控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的改善[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2010(04)：89-91

[4] 張曉暉,劉丁,李攀.基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2007(06):77-78