（南京工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京211816）

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，提供良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)界面和便捷的底層設(shè)備接口。組態(tài)軟件主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面的功能：一是下位機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)底層硬件協(xié)同工作與自動(dòng)控制；二是上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、顯示和維護(hù)等操作，對(duì)上位機(jī)產(chǎn)生的報(bào)警信息進(jìn)行分析和處理研究[1]。組態(tài)軟件是典型的過(guò)程控制類(lèi)型軟件，而以面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)組態(tài)軟件進(jìn)行處理是目前的研究趨勢(shì)[2-3]。

任何對(duì)信息處理的系統(tǒng)都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集、讀取、顯示、處理和記錄這幾個(gè)過(guò)程[6-7]，以報(bào)警信息為基礎(chǔ)研究報(bào)警信息處理的分離，以及防止實(shí)時(shí)信息冗余和建立信息安全的簡(jiǎn)單機(jī)制?；谶h(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警處理系統(tǒng)RAS實(shí)現(xiàn)了從組態(tài)軟件中對(duì)報(bào)警信息的分離，防實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)冗余機(jī)制和實(shí)現(xiàn)信息安全等特點(diǎn)[5]，能夠集中處理報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了以短信[1，4]、電話(huà)語(yǔ)音、郵件等多途徑方式進(jìn)行報(bào)警遠(yuǎn)程通知，并且能通過(guò)短信的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)性和敏捷處理突發(fā)事故的能力[5]。

1 報(bào)警信息處理設(shè)計(jì)流程

組態(tài)軟件中主要有3類(lèi)信息，底層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)、上位機(jī)配置設(shè)備的數(shù)據(jù)和組態(tài)軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)。對(duì)于報(bào)警信息，其主要是底層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，要處理報(bào)警信息，首先就是要從組態(tài)軟件中把報(bào)警信息分離出來(lái)，再傳輸?shù)郊刑幚韴?bào)警的平臺(tái)里進(jìn)行一系列的處理。

如圖1所示，為了使報(bào)警信息統(tǒng)一進(jìn)行處理，首先應(yīng)當(dāng)將報(bào)警信息從組態(tài)軟件中分離出來(lái)，分離的途徑主要是通過(guò)組態(tài)軟件提供的各種接口獲取報(bào)警變量信息，集中獲取后可以進(jìn)行顯示和相關(guān)的處理。

圖1 報(bào)警信息處理設(shè)計(jì)流程Fig.1 Flow chart of alarm information processing design

使用面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)報(bào)警變量可以簡(jiǎn)化處理報(bào)警內(nèi)容的擴(kuò)展，由于組態(tài)軟件只是通過(guò)驅(qū)動(dòng)采集下位機(jī)的變量信息，這些信息在上位機(jī)只是來(lái)判斷當(dāng)前值是否超出了組態(tài)的限值從而觸發(fā)報(bào)警。對(duì)報(bào)警信息不同類(lèi)型的內(nèi)容進(jìn)行配置，如在指定時(shí)間內(nèi)是否報(bào)警，在某些時(shí)間段內(nèi)報(bào)警給哪一位值班人員等等的擴(kuò)展信息都可以避開(kāi)龐大的組態(tài)軟件進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

在對(duì)報(bào)警信息配置完以后要對(duì)信息進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。存儲(chǔ)信息時(shí)要分離報(bào)警信息中的組態(tài)軟件中原有的信息和擴(kuò)展配置的信息，由于原有的信息通過(guò)組態(tài)軟件相關(guān)的接口可以讀取到，所以只要保存報(bào)警變量的擴(kuò)展信息，防止信息冗余，可以節(jié)約存儲(chǔ)空間，在變量點(diǎn)較多時(shí)可以明顯體現(xiàn)這一點(diǎn)。

存儲(chǔ)變量擴(kuò)展信息時(shí)可以采用適當(dāng)?shù)募用軝C(jī)制，防止配置信息被人為惡意修改，加強(qiáng)信息安全。同時(shí)存儲(chǔ)的信息在下次要用到時(shí)可以恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)再現(xiàn)的功能。

2 RAS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

文獻(xiàn)[7]中指出概念上的完整性是設(shè)計(jì)最重要的屬性，當(dāng)然，設(shè)計(jì)最重要的完整性在于整體結(jié)構(gòu)。在原系統(tǒng)上進(jìn)行功能擴(kuò)展而進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從某種意義上來(lái)說(shuō)都會(huì)增加整體的復(fù)雜性，但是在更高級(jí)別對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)（擴(kuò)展），或者使用他人的成果，或是重用自己的程序，都能避免面對(duì)整個(gè)層次的復(fù)雜性[6]。RAS遠(yuǎn)程報(bào)警管理系統(tǒng)正是對(duì)原系統(tǒng)在應(yīng)用層更高層次進(jìn)行擴(kuò)展。

為了降低系統(tǒng)間的耦合性，RAS系統(tǒng)只要獲取原系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息以及相關(guān)的配置信息，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行功能擴(kuò)展應(yīng)用。根據(jù)以上提出的設(shè)計(jì)思路，在擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的組態(tài)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了可以統(tǒng)一管理報(bào)警變量，面向?qū)ο蠡幚恚瑘?bào)警信息可擴(kuò)展的系統(tǒng)，此系統(tǒng)的特點(diǎn)是統(tǒng)一管理報(bào)警信息，在報(bào)警產(chǎn)生后可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)或者遠(yuǎn)程操控的方式解除報(bào)警，可檢查實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)和歷史報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)值班制度可將報(bào)警信息在不同時(shí)段發(fā)送給指定的操作員。

如圖2所示，為開(kāi)發(fā)RAS系統(tǒng)的整體架構(gòu)，其分為歷史報(bào)警查詢(xún)、實(shí)時(shí)報(bào)警、操作日志與值班日志、本機(jī)狀態(tài)查詢(xún)、值班表等參數(shù)配置5個(gè)部分。

歷史報(bào)警查詢(xún)主要是查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史報(bào)警記錄查詢(xún)的功能；操作日志與值班日志主要是記錄對(duì)RAS系統(tǒng)的操作和對(duì)報(bào)警信息以及報(bào)警變量的操作記錄；本機(jī)狀態(tài)查詢(xún)主要是針對(duì)軟件所在計(jì)算機(jī)的整體信息，如CPU負(fù)荷、內(nèi)存存儲(chǔ)等信息以及計(jì)算機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)連接等有關(guān)的信息；值班表，操作員等信息的配置是為實(shí)時(shí)報(bào)警功能服務(wù)的，RAS系統(tǒng)對(duì)原有的報(bào)警信息進(jìn)行了擴(kuò)展，可以配置有關(guān)報(bào)警方式選擇，彈出組態(tài)軟件的畫(huà)面等信息，而值班表與操作員等信息是為了讓報(bào)警變量出現(xiàn)報(bào)警時(shí)將報(bào)警信息以一定的方式通知指定和當(dāng)前值班的操作員。

圖2 RAS系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 RAS whole system architecture

根據(jù)通知的方式不同，RAS系統(tǒng)加載了多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，分別能實(shí)現(xiàn)短信（GSM）報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音報(bào)警和電話(huà)報(bào)警，以及網(wǎng)絡(luò)報(bào)警和郵件報(bào)警（網(wǎng)絡(luò)情況允許）多種報(bào)警方式。操作員能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)報(bào)警信息，還能遠(yuǎn)程的響應(yīng)報(bào)警信息。以短信報(bào)警為例，出現(xiàn)報(bào)警后發(fā)送短信至指定操作員手機(jī)，操作員發(fā)送特定的命令回復(fù)短信，RAS系統(tǒng)接收到短信進(jìn)行處理后通過(guò)接口來(lái)對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行操作，從而消除報(bào)警。

2.1 提高遠(yuǎn)程報(bào)警方式的可靠性

市面上電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備和短信設(shè)備價(jià)格比較便宜，對(duì)于廉價(jià)設(shè)備來(lái)說(shuō)，最實(shí)用和通用的方法就是采取設(shè)備冗余。采取冗余的目的就是讓設(shè)備即使在有故障的情況下也能夠不間斷地提供服務(wù)。冗余可以提高系統(tǒng)的可靠性，但是會(huì)提高系統(tǒng)的成本。但是對(duì)于廉價(jià)設(shè)備來(lái)說(shuō)，冗余所提高的系統(tǒng)可靠性遠(yuǎn)比其所提高的成本更加劃算。

由于短信設(shè)備和電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備是在成熟產(chǎn)品上二次開(kāi)發(fā)的，對(duì)于短信設(shè)備和電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備使用動(dòng)態(tài)硬件冗余[5]，即冗余設(shè)備處于激勵(lì)狀態(tài)，但是并不工作處于待命狀態(tài)，當(dāng)主部件出現(xiàn)故障不能繼續(xù)提供服務(wù)的時(shí)候，冗余部件與主部件轉(zhuǎn)換角色變成主部件提供服務(wù)。原來(lái)產(chǎn)生故障的部件在驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行斷開(kāi)重連和設(shè)備重啟，再進(jìn)行檢測(cè)是否還有故障。

在遠(yuǎn)程報(bào)警中，遠(yuǎn)程報(bào)警設(shè)備起到了至關(guān)重要的作用，電話(huà)設(shè)備和短信設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)了RAS系統(tǒng)中電話(huà)語(yǔ)音與短信報(bào)警通知的功能，是連接人與系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊的紐帶，是完成RAS系統(tǒng)遠(yuǎn)程報(bào)警功能的關(guān)鍵紐帶。

電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備與短信設(shè)備處理信息都有延時(shí)，具有單個(gè)請(qǐng)求處理時(shí)間比較長(zhǎng)的特點(diǎn)，如電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備會(huì)經(jīng)歷電話(huà)撥打、接通和掛斷幾個(gè)過(guò)程，會(huì)持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間；由于這樣的特點(diǎn)，在一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生大量報(bào)警的時(shí)候，電話(huà)語(yǔ)音設(shè)備與短信設(shè)備會(huì)承載很大的負(fù)載，會(huì)出現(xiàn)短信發(fā)送失敗，電話(huà)漏撥等問(wèn)題，比如在系統(tǒng)斷電切換至UPS供電的情況會(huì)產(chǎn)生大量的報(bào)警，這樣的情況會(huì)造成大量的報(bào)警通知信息積存在電話(huà)設(shè)備與短信設(shè)備端，會(huì)產(chǎn)生漏發(fā)和漏撥的問(wèn)題。

RAS系統(tǒng)使用緩沖技術(shù)來(lái)解決這樣的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高負(fù)荷的問(wèn)題。緩沖技術(shù)就是在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量負(fù)載的時(shí)候使用隊(duì)列緩沖實(shí)現(xiàn)信息有次序的處理，防止出現(xiàn)漏發(fā)與漏撥的情況，提高整體系統(tǒng)的QOS服務(wù)質(zhì)量。

如圖3是使用隊(duì)列緩沖技術(shù)對(duì)短信信息的處理，由于使用了隊(duì)列，在出現(xiàn)大量報(bào)警的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)很多信息阻塞在硬件設(shè)備端，而是堆積在信息隊(duì)列中，避免了硬件設(shè)備出現(xiàn)漏發(fā)信息等問(wèn)題。

然而在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量報(bào)警時(shí)，這種方法并不具有很好的報(bào)警實(shí)時(shí)性處理。由于未來(lái)產(chǎn)生的報(bào)警數(shù)量未知，可直接監(jiān)控隊(duì)列長(zhǎng)度。如圖4所示，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度大于某個(gè)閾值的時(shí)候，采用相應(yīng)的手段去縮短隊(duì)列的長(zhǎng)度。當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度大于指定的閾值時(shí)，通過(guò)短信發(fā)送信息的操作員號(hào)碼為依據(jù)，將短信信息進(jìn)行合并，從而達(dá)到縮短隊(duì)列長(zhǎng)度，縮短處理時(shí)間的目的。

圖4 通過(guò)人員號(hào)碼來(lái)縮短隊(duì)列長(zhǎng)度Fig.4 Shorten queue length by personnel number

圖4中采用的合并參數(shù)Cn=5，即將5條發(fā)向同一號(hào)碼的短信合并成一條短信發(fā)送，應(yīng)注意合并參數(shù)并不是越大越好，Cn太大會(huì)造成操作員收到的短信可閱讀性下降，Cn最好不要大于10；同時(shí)選取短信合并的閾值應(yīng)當(dāng)在200～300之間比較好。

對(duì)于電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警，是通過(guò)事先錄好的每個(gè)報(bào)警點(diǎn)的語(yǔ)音信息，在出現(xiàn)報(bào)警的時(shí)候撥打電話(huà)進(jìn)行播報(bào)。電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警相對(duì)于短信報(bào)警來(lái)說(shuō)，延時(shí)性更高，單個(gè)請(qǐng)求持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，還有被叫無(wú)法接通，被叫提前掛機(jī)等情況，使得電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警更加復(fù)雜。

如圖5所示，處理電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警過(guò)程中以操作員建立散列表，散列表中存放產(chǎn)生報(bào)警需要播放的語(yǔ)音信息，定時(shí)對(duì)散列表進(jìn)行檢查，若某個(gè)操作員列表中存在語(yǔ)音信息，則進(jìn)行撥號(hào)，如果接通的話(huà)，將其列表中的語(yǔ)音信息全部播放給被叫操作員，同時(shí)記錄后消除列表中的語(yǔ)音信息；若是沒(méi)有接通的話(huà)，列表中的語(yǔ)音信息不操作，等下一次輪詢(xún)時(shí)進(jìn)行電話(huà)撥打。

圖5 使用散列表處理電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警Fig.5 Use hash to handle telephone voice alarm

通過(guò)這種方式不僅可以避免在短時(shí)間內(nèi)多次撥打同一操作員號(hào)碼，而且對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的報(bào)警信息這種方式可快捷地進(jìn)行處理，提高了電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警的實(shí)時(shí)性。

2.2 SMS短信遠(yuǎn)程控制

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制是必要的功能。在RAS系統(tǒng)中使用SMS（short messages service）短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，其遠(yuǎn)程控制過(guò)程主要是RAS系統(tǒng)與操作員遠(yuǎn)程手機(jī)終端完成的。如圖6所示，其控制過(guò)程為（1）在遠(yuǎn)程報(bào)警控制系統(tǒng)中配置相應(yīng)的操作員具有遠(yuǎn)程控制的權(quán)限，并進(jìn)行相應(yīng)的配置；（2）產(chǎn)生報(bào)警以后，RAS系統(tǒng)智能地將報(bào)警信息以短信的形式發(fā)送給配置的操作員手機(jī)終端；（3）操作員收到短信以后，發(fā)送相應(yīng)的功能碼與內(nèi)容碼，RAS系統(tǒng)收到短信以后進(jìn)行短信處理與識(shí)別，并按照短信功能碼與內(nèi)容碼進(jìn)行操作；（4）將操作結(jié)果回復(fù)給相應(yīng)操作員告知處理結(jié)果。

圖6 SMS遠(yuǎn)程控制流程圖Fig.6 SMS remote control flow chart

在RAS系統(tǒng)中使用短信控制主要是能夠?qū)崿F(xiàn)變量報(bào)警確認(rèn)，變量報(bào)警值修改以及操作畫(huà)面的跳出等功能，方便在只有手機(jī)的情況下遠(yuǎn)程控制。使用SMS遠(yuǎn)程控制不僅可以讓操作員在本地處理報(bào)警，也可以在無(wú)人值守的時(shí)候遠(yuǎn)程操控處理報(bào)警，這樣極大地增加了系統(tǒng)緊急事件處理的靈活度，提高了系統(tǒng)的處理能力。

3 實(shí)際應(yīng)用案例研究

自主開(kāi)發(fā)的RAS系統(tǒng)目前廣泛用于實(shí)際中，以某省商業(yè)銀行機(jī)房環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用為例（如圖7所示）。該監(jiān)控系統(tǒng)主要完成商業(yè)銀行機(jī)房環(huán)境的監(jiān)控，其中多串口卡連接在監(jiān)控主機(jī)上用于連接D86、電量?jī)x、UPS以及智能空調(diào)等設(shè)備，并通過(guò)天工組態(tài)軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與控制。系統(tǒng)同時(shí)利用Modbus-TCP驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑷懈鞯谹TM取款機(jī)的通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地展示出來(lái)。RAS遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)會(huì)將所有的報(bào)警信息集中起來(lái)供工作人員配置查看，同時(shí)將產(chǎn)生的報(bào)警及時(shí)地通過(guò)短信、電話(huà)等方式告知工作人員，方便工作人員及時(shí)處理，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

圖7 應(yīng)用案例結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Use case structure graph

實(shí)際使用中RAS系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)集中報(bào)警處理和遠(yuǎn)程報(bào)警的功能，出現(xiàn)報(bào)警時(shí)能夠及時(shí)地使用短信和電話(huà)語(yǔ)音等方式通知值班操作員，方便用戶(hù)及時(shí)做出處理決策。通過(guò)對(duì)報(bào)警信息的集中處理，RAS系統(tǒng)能夠很好地運(yùn)用遠(yuǎn)程報(bào)警方式及時(shí)通知操作員報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

RAS系統(tǒng)在擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的組態(tài)軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)報(bào)警的集中處理和遠(yuǎn)程報(bào)警監(jiān)控的功能，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)報(bào)警信息的監(jiān)控，對(duì)遠(yuǎn)程IP主機(jī)的監(jiān)控和對(duì)本機(jī)參數(shù)的監(jiān)控與記錄，同時(shí)完成了對(duì)報(bào)警信息的處理與反饋。在實(shí)際應(yīng)用中，RAS系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多處銀行監(jiān)測(cè)、電視臺(tái)監(jiān)測(cè)以及工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中，具有良好的應(yīng)用前景。

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