王金璐，劉 杰，李 強(qiáng)，陳新華，韓博志

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

在船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)過程中，需要長時(shí)間地接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集軟件在長時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行中，可能出現(xiàn)一些異常情況，例如程序運(yùn)行緩慢卡頓、程序運(yùn)行崩潰或操作系統(tǒng)運(yùn)行卡頓崩潰等，需要進(jìn)行相應(yīng)的異常處理，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，并向監(jiān)控人員發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)采集軟件需要長時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理，需要使用較多的計(jì)算機(jī)資源，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊方式已經(jīng)無法滿足任務(wù)需求[1]，本文設(shè)計(jì)使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架來提高數(shù)據(jù)采集效率，從而降低計(jì)算機(jī)資源使用率。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化采集方法的硬件分析

在船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)過程中，可能會(huì)發(fā)生某一部分的硬件連接異常而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的情況。為了解決此問題，此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集方法需要保證主機(jī)和備用機(jī)都可以接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，在主機(jī)無法接收到數(shù)據(jù)信息時(shí)，備用機(jī)可以立即接替主機(jī)繼續(xù)執(zhí)行監(jiān)測數(shù)據(jù)接收任務(wù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)完整。船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的硬件連接方式主要有使用采集卡、串口和可編程邏輯控制器(PLC)3種。

1)使用采集卡接收數(shù)據(jù)。由于采集卡需要內(nèi)嵌到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，則需要多個(gè)采集卡，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)配一個(gè)采集卡。傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要同時(shí)向所有的采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)，以此來保證主機(jī)和備用機(jī)都能接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

2)使用串口接收數(shù)據(jù)?？梢允褂靡煌隙拇跀?shù)據(jù)線，輸入端為單一接口，連接傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)。輸出端為2個(gè)接口，分別連接2臺(tái)計(jì)算機(jī)，以此來保證數(shù)據(jù)完整性。

3)使用PLC接收數(shù)據(jù)。PLC可以使用網(wǎng)線連接多臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息。只需要一個(gè)PLC就可連接多臺(tái)計(jì)算機(jī)。

在3種連接方案中，采集卡和串口連接的優(yōu)化主要靠提高設(shè)備硬件本身能力，PLC由于其使用網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息，可以在軟件層面對接收程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)一種新的船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件，在接收監(jiān)測數(shù)據(jù)信息時(shí)，使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通訊，來減少計(jì)算機(jī)資源消耗率；在進(jìn)行軟件異常情況處理和報(bào)警時(shí)，采用主機(jī)和備用機(jī)相互監(jiān)視的方法，獲取異常信息并處理，可以保證接收數(shù)據(jù)信息的完整性，并降低人工監(jiān)視難度。

2 方法設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

為了解決船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集效率低、消耗高的問題，設(shè)計(jì)了一種船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化采集方法。該方法主要是使用PLC接收數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)為基礎(chǔ)，利用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架中的非阻塞輸入/輸出(NIO)編程原理，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集軟件。其中包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分和異常報(bào)警處理部分。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要是將數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)為Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架的服務(wù)端，減少每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的時(shí)間，提高計(jì)算機(jī)處理效率。異常報(bào)警處理部分需要使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架的服務(wù)端和客戶端，能夠使用極少的計(jì)算機(jī)資源，就可以把采集軟件的運(yùn)行狀態(tài)傳輸?shù)絺溆脵C(jī)上，進(jìn)而判斷采集軟件運(yùn)行狀態(tài)，有異常時(shí)會(huì)立刻使用備用機(jī)來進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集并報(bào)警，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)優(yōu)化采集的整體設(shè)計(jì)流程圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)優(yōu)化采集的整體設(shè)計(jì)流程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊TCP/IP協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信是本文進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)幕痉椒?，其利用相關(guān)接口和協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)線路傳輸數(shù)據(jù)信息到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程信息交互。本文使用最廣泛的就是TCP/IP協(xié)議，以其來完成數(shù)據(jù)交互[2]。TCP/IP協(xié)議通?？梢愿爬?層：運(yùn)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。TCP/IP協(xié)議按照層次由上到下，層層包裝。最上面的是應(yīng)用層，是直接為應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)的，包括郵件傳輸應(yīng)用使用的簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)、萬維網(wǎng)應(yīng)用使用的超文本傳輸協(xié)議(HTTP)、遠(yuǎn)程登錄服務(wù)應(yīng)用使用的遠(yuǎn)程終端協(xié)議(TELNET)。應(yīng)用層還能加密、解密、格式化數(shù)據(jù)。第二層是傳輸層，其中的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)就在這個(gè)層次，在整個(gè)協(xié)議中起到中流砥柱的作用。第三層是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)際互連協(xié)議(IP)就在這里，它負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)加上IP地址和其他的數(shù)據(jù)以確定傳輸?shù)哪繕?biāo)。第四層是網(wǎng)絡(luò)接口層，兼并了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以網(wǎng)絡(luò)接口層既是傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，也可以為網(wǎng)絡(luò)層提供一條準(zhǔn)確無誤的線路[3]。

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件需要進(jìn)行長時(shí)間的運(yùn)行，會(huì)使用較多的計(jì)算機(jī)資源。在使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，有2種使用方式。

1)一直建立客戶端與服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。優(yōu)點(diǎn)是不需要頻繁地進(jìn)行資源的創(chuàng)建和銷毀，缺點(diǎn)是程序大部分時(shí)間處在阻塞狀態(tài)中，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

2)在需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。優(yōu)點(diǎn)是無信息發(fā)送時(shí)可節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，缺點(diǎn)是需要進(jìn)行頻繁的網(wǎng)絡(luò)連接創(chuàng)建和銷毀。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊中，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接都需要一個(gè)單獨(dú)的線程進(jìn)行處理，因此會(huì)消耗較多的計(jì)算資源。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊方式的流程為套接字→讀/寫→線程。

服務(wù)端監(jiān)聽時(shí)接收(Accept)函數(shù)阻塞，有新連接時(shí)Accept函數(shù)會(huì)有返回，主線程才能繼續(xù)運(yùn)行。讀寫套接字(Socket)時(shí)讀是阻塞的，只有接收到請求消息后，讀才能返回，子線程才能繼續(xù)處理；讀寫Socket時(shí)寫是阻塞的，只有客戶端接收消息后，寫才能返回，子線程才能繼續(xù)讀取下一個(gè)請求[4]。

無論使用以上哪種方式，都有一個(gè)嚴(yán)重的問題，從頭到尾都有線程處于阻塞狀態(tài)，會(huì)浪費(fèi)計(jì)算資源，原因是由其輸入/輸出(I/O)模型決定的。傳統(tǒng)通訊方式的阻塞I/O模型示意圖見圖2。

圖2 傳統(tǒng)通訊方式的阻塞I/O模型示意圖

當(dāng)用戶線程發(fā)出I/O請求后，會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核就會(huì)去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有，會(huì)等待數(shù)據(jù)就緒，從而使用戶線程處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出中央處理器(Central Processing Unit，CPU)。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒后，內(nèi)核會(huì)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除阻塞狀態(tài)。在內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程內(nèi)存地址的這2個(gè)過程中，都是阻塞的。

此種網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)會(huì)占用較多計(jì)算資源，已經(jīng)不能滿足任務(wù)需求，需要對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊方式進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)接收軟件對于快速低消耗的需求。

2.3 Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架

Netty是一款基于NIO的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架。Netty框架基于Reactor模型，根據(jù)自身的 I/O 模型和線程處理模式實(shí)現(xiàn)高性能的開發(fā)，其中 I/O 模型負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入和輸出[5]。較傳統(tǒng)的通訊方式有了很大的提升。Netty框架的NIO模型見圖3。

圖3 Netty框架的NIO模型

Netty框架的NIO 模型由 I/O 復(fù)用模型改進(jìn)而來，可并發(fā)進(jìn)行多個(gè)連接的讀寫操作，提升了I/O線程的運(yùn)行效率。使用Reactor單線程模型進(jìn)行連接處理。Reactor線程是個(gè)多面手，負(fù)責(zé)多路分離套接字，運(yùn)用“接收”函數(shù)新連接，并分配請求到處理器鏈中，Reactor線程模型圖如圖4所示。該模型適用于處理器鏈中業(yè)務(wù)處理組件能快速完成的場景。

圖4 Reactor線程模型圖

使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架中的NIO模型，對客戶端和服務(wù)端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。其優(yōu)點(diǎn)為：①使用NIO的零拷貝特性，在Netty接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)使用堆外直接內(nèi)存進(jìn)行Socket讀寫，不需要進(jìn)行字節(jié)緩沖區(qū)的二次拷貝，提高了傳輸速度；②使用內(nèi)存池，為了減少堆外直接內(nèi)存的分配和回收產(chǎn)生的資源損耗問題，可以在計(jì)算機(jī)資源較少的情況下仍能完成狀態(tài)信息傳輸?shù)娜蝿?wù)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件接收程序?qū)崿F(xiàn)流程

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件主要是使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架，提高對網(wǎng)絡(luò)連接的響應(yīng)速度[7]。使用Netty的服務(wù)端作為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集接收端，與PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。主機(jī)和備用機(jī)的設(shè)計(jì)方法一樣。區(qū)別在于主機(jī)在任務(wù)開始時(shí)就進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，而備用機(jī)會(huì)在主機(jī)發(fā)生異常時(shí)，自動(dòng)開始代替主機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作。主機(jī)和備用機(jī)的接收程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 主機(jī)和備用機(jī)的接收程序?qū)崿F(xiàn)流程

使用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成主機(jī)和備用機(jī)的切換，所以主機(jī)和備用機(jī)的采集程序不需要同時(shí)運(yùn)行，防止產(chǎn)生重復(fù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，且可以節(jié)省內(nèi)存資源，降低計(jì)算機(jī)負(fù)荷。

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件異常處理程序?qū)崿F(xiàn)流程

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件異常處理程序的設(shè)計(jì)方法主要分3步來實(shí)現(xiàn)。

1)數(shù)據(jù)采集軟件的運(yùn)行狀態(tài)獲取。設(shè)置一定的時(shí)間間隔，獲取到軟件的運(yùn)行狀態(tài)信息。時(shí)間間隔可以以配置信息存在，方便操作人員修改。運(yùn)行狀態(tài)信息設(shè)計(jì)為2種，運(yùn)行正常和運(yùn)行異常。正常情況下，運(yùn)行狀態(tài)信息為正常，表示接收軟件運(yùn)行正常。當(dāng)出現(xiàn)接收軟件運(yùn)行緩慢或者軟件異常退出或崩潰時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)信息則為異常。此外，還有一種特殊情況，就是操作系統(tǒng)因某些未知原因運(yùn)行崩潰時(shí)，所有程序都會(huì)崩潰，也不會(huì)有運(yùn)行狀態(tài)信息通過下一步的網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)送到備用機(jī)中。運(yùn)行狀態(tài)信息獲取流程圖如圖6所示。獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)送到備用機(jī)中進(jìn)行判斷。

圖6 運(yùn)行狀態(tài)信息獲取流程圖

2)運(yùn)行狀態(tài)信息的發(fā)送和獲取。使用2臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，備用機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊來監(jiān)視主機(jī)采集軟件的運(yùn)行狀態(tài)，以便備用機(jī)可以隨時(shí)接替主機(jī)繼續(xù)執(zhí)行采集任務(wù)。主機(jī)端設(shè)計(jì)為客戶端，備用機(jī)端設(shè)計(jì)為服務(wù)端，并采用Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架，提高客戶端和服務(wù)的信息發(fā)送和接收能力，降低計(jì)算機(jī)資源使用率[8]。

3)狀態(tài)信息判斷及報(bào)警模塊。解析傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，判斷出程序的運(yùn)行狀態(tài)信息。運(yùn)行狀態(tài)信息有2種，運(yùn)行正常和運(yùn)行異常。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)信息為運(yùn)行異常時(shí)，程序會(huì)立即啟動(dòng)備用機(jī)并發(fā)出報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行人工操作。還有在設(shè)置一定的時(shí)間間隔內(nèi)，沒有接收到客戶端發(fā)送過來的運(yùn)行狀態(tài)信息時(shí)，則判斷為操作系統(tǒng)異常，也需要發(fā)出報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行人工操作。運(yùn)行狀態(tài)信息判斷流程圖如圖7所示。接收到軟件的運(yùn)行狀態(tài)信息，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)判斷，正常則繼續(xù)接收，異常就立刻啟用備用機(jī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件接收程序，并進(jìn)行報(bào)警，提醒操作人員。

圖7 運(yùn)行狀態(tài)信息判斷流程圖

3 結(jié)束語

為了在船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)過程中，保證長時(shí)間采集傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并且降低對計(jì)算資源的使用率，設(shè)計(jì)了以網(wǎng)絡(luò)通訊TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，基于Netty網(wǎng)絡(luò)編程框架的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件優(yōu)化方法，并在實(shí)際的項(xiàng)目中成功運(yùn)用。該方法只需要啟動(dòng)軟件就可以自動(dòng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。出現(xiàn)異常情況后，可以快速自動(dòng)地完成主機(jī)和備用機(jī)的切換，極大地提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)接收的完整性，降低了人工操作的難度。經(jīng)過實(shí)際工程試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)中的應(yīng)用驗(yàn)證，完全符合實(shí)際要求，可以推廣應(yīng)用到類似的應(yīng)用場景，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。