時間:2014-11-07 15:48:59來源:曾明昌
摘要:通過對現(xiàn)有普遍監(jiān)控系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)的架構(gòu)的分析,指出其在圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w數(shù)據(jù)的連接關(guān)系上簡單映射關(guān)系中的不足之處,提出以元圖形和基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w為前提的圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w的新型映射模式,力圖以此模式建立通用監(jiān)控圖形系統(tǒng)架構(gòu),滿足開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)無處不在的監(jiān)視與控制系統(tǒng)的需要。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng),通用監(jiān)控圖形系統(tǒng)架構(gòu),元圖形,基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w
一、引言
通用的圖形系統(tǒng)有很多,但它們不適于監(jiān)控系統(tǒng)的原因是因為監(jiān)控系統(tǒng)雖然顯示為圖形,它卻代表的是數(shù)據(jù),即圖形化的數(shù)據(jù)。然而,我們看到的圖形,也是有數(shù)據(jù)的,比如矩形就有長和寬,但是這種數(shù)據(jù)是圖形的參數(shù),其集合和圖形是等效的,在特定的展現(xiàn)平臺上,我們可以認為:圖形=參數(shù)集合,這些參數(shù)還不是我們所謂的數(shù)據(jù)。在監(jiān)控系統(tǒng)中,我們所謂的數(shù)據(jù)是展現(xiàn)監(jiān)控對象(比如電力設(shè)備)的運行狀態(tài)的特征值,一般電力系統(tǒng)設(shè)備的四遙就是這種數(shù)據(jù)。圖形化的監(jiān)控系統(tǒng)的任務就是使用圖形方式展現(xiàn)監(jiān)控對象的運行狀態(tài)并控制其行為。因此圖形處理成了監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。圖形處理的任務主要有兩個任務:以圖形方式反映監(jiān)控對象特征值;在監(jiān)視之前,用圖形方式進行圖形的定義(一般稱圖形組態(tài))。特征值由別的子系統(tǒng)處理,交由圖形子系統(tǒng)使用。
由于監(jiān)控圖形系統(tǒng)的特殊性,形成了很多風格不同的監(jiān)控系統(tǒng)。從比較簡單的Excel表格顯示煤礦瓦斯?jié)舛龋紾E的DCS組態(tài)系統(tǒng),不同的系統(tǒng)雖然目的相同,但監(jiān)控規(guī)模,圖形化程度都不相同。近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,監(jiān)控圖形系統(tǒng)的運用將會越來越多,因為物聯(lián)網(wǎng)終端用戶對圖形界面的體驗肯定會超過數(shù)據(jù)表格界面,這可以從Windows替代DOS操作系統(tǒng)時就得到了驗證。
比較典型的整個監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如下:
通訊層:負責對監(jiān)控對象進行數(shù)據(jù)采集,使用RS233、RS485、RJ45等介質(zhì)通過MODEBUS、TCP/IP等通訊協(xié)議將反映監(jiān)控對象運行特征值的測量和控制數(shù)據(jù)進行獲取,交給數(shù)據(jù)層做進一步處理。
數(shù)據(jù)層:負責接收通訊層的數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)的意義,做規(guī)定的處理。數(shù)據(jù)越限、虛遙信等一些新的次生數(shù)據(jù)將會產(chǎn)生。它還會提供共享通道(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、服務接口發(fā)布等)。
展現(xiàn)層:就是本文要討論的圖形處理子系統(tǒng)。它負責將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)已圖形方式展現(xiàn)出來。從數(shù)據(jù)流的角度來看,它是將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成圖形對象的一系列屬性參數(shù)集。
但是,一個展現(xiàn)層可以使用不同的數(shù)據(jù)層,不同的展現(xiàn)層可以使用同一個數(shù)據(jù)層。這種情況也存在于通訊層,它會形成如下的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu):
由于所有展現(xiàn)層、數(shù)據(jù)層、通訊層之間都是同構(gòu)的,為了分析的方便,一般采用簡化如下形式表示:
如果數(shù)據(jù)層不進行數(shù)據(jù)處理,展現(xiàn)層不使用圖形對象而使用Excel表格,就變成了最簡單的監(jiān)控系統(tǒng),如下:
二、當前圖形系統(tǒng)的普遍架構(gòu)
由于物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)層也朝著分布式、云計算發(fā)展,數(shù)據(jù)即服務(Daas)研究在正確的時間將正確的數(shù)據(jù)傳送到正確的位置。對應圖形系統(tǒng)的架構(gòu)如下:
數(shù)據(jù)獲?。―ataObjectAccess):通過WCF、OPC等不同數(shù)據(jù)存取方式實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對象存取。數(shù)據(jù)對象與應用領(lǐng)域一致,比如電力領(lǐng)域的IEC61970。
數(shù)據(jù)映射(RuleofDataTranslate):抓取領(lǐng)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到圖形對象參數(shù)集的轉(zhuǎn)換規(guī)則,決定了圖形系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的使用方式。
圖形展示(ShapePresentation):使用圖形對象呈現(xiàn)領(lǐng)域?qū)ο?。呈現(xiàn)的方式有SVG、WPF、Silverlight(SVL)、HTML等多種方式,有的適合網(wǎng)絡應用,有的適合桌面應用。這里領(lǐng)域?qū)ο笫抢?,呈現(xiàn)出的圖形對象是表。
可以看到不論數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)映射、圖形展示均是在領(lǐng)域?qū)嶓w的支撐下才有意義。那么領(lǐng)域?qū)嶓w為什么如此重要呢?
三、分析
首先,數(shù)據(jù)是領(lǐng)域?qū)嶓w的屬性的反映。電力斷路器的通過電流,水管中的水壓和流速,火災預警器中的煙霧濃度和測量點的溫度,都是反映相關(guān)監(jiān)控對象的屬性,雖然它可以由多個測量設(shè)備測量到。離開了領(lǐng)域?qū)嶓w,這些數(shù)據(jù)便沒有了實際物理意義。從邏輯上看,這些數(shù)據(jù)按照領(lǐng)域?qū)嶓w進行組織。D=m(E),D——數(shù)據(jù)集合,E——領(lǐng)域?qū)嶓w集合,m——組織關(guān)系。
另一方面,圖形也是領(lǐng)域?qū)嶓w的反映。電力母線、水管減壓閥,處于火災預警級別中的房間等圖形同樣是反映相關(guān)監(jiān)控對象的屬性。同樣的電力母線,有細有粗,有不同的顏色表示不同的電壓等級。離開了領(lǐng)域?qū)嶓w,這些圖形同樣沒有了實際的物理意義。所以,從邏輯上看,這些圖形按照領(lǐng)域?qū)嶓w進行組織。G=g(E),G——圖形對象集合,E——領(lǐng)域?qū)嶓w集合,g——圖形數(shù)據(jù)運算。
由此,可以認為,數(shù)據(jù)和圖形是領(lǐng)域?qū)嶓w的兩個方面,猶如硬幣的正反兩面。當然,數(shù)據(jù)的領(lǐng)域?qū)嶓w化工作在圖形處理子系統(tǒng)之外已經(jīng)完成,圖形處理子系統(tǒng)需要關(guān)注的是圖形的領(lǐng)域?qū)嶓w化工作。其實質(zhì)便是圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w的對應關(guān)系,比如,電力變壓器圖形怎樣與電力系統(tǒng)中的電力變壓器設(shè)備相對應。反映成數(shù)學關(guān)系就是:G=g(m-1(E)),由于領(lǐng)域?qū)嶓w在某個發(fā)展階段是有限的,所以m和g關(guān)系是有限的,自然g.m-1就是有限的,G集合就是有限集合。這里的領(lǐng)域?qū)嶓w是一種理論抽象,根據(jù)領(lǐng)域關(guān)注度的不同,其抽象的模型也不相同(IEC為了適應更多的電力應用,抽象了一個龐大的電力領(lǐng)域?qū)嶓w模型)。重點是在領(lǐng)域模型確定的情況下,圖形對象怎樣對應領(lǐng)域?qū)嶓w。
領(lǐng)域?qū)嶓w有個特點,它會體現(xiàn)領(lǐng)域的一個或者多個特征,比如,一個電力三繞組變壓器會體現(xiàn)初級、次級1、次級2的電流、電壓等特征。三繞組變壓器包含三個電力繞組,每個繞組有時一個電力實體,包括電力電壓等特征。每個繞組接到一個電壓等級之中,每個電壓等級現(xiàn)可能還接有斷路器、接地快關(guān)等設(shè)備。這些設(shè)備共同組成了實際的電力系統(tǒng)。雖然,這個系統(tǒng)反映到圖形系統(tǒng)中任然是抽象的系統(tǒng),但這樣圖形展示的實體集合小于或者等于數(shù)據(jù)表示的實體集合,圖形展示就是完備的。因此,領(lǐng)域模型將與圖形展示集合一一對應,這樣,圖形的表現(xiàn)力才能完全覆蓋領(lǐng)域模型。
正式在這種思路下,才出現(xiàn)了領(lǐng)域圖形符號的標準(比如,電力圖形符號的標準),而且,在這種標準中,領(lǐng)域?qū)嶓w的圖形符號可能由多個子符號表示。很顯然,相比較用點線面表示一切的通用圖形系統(tǒng),領(lǐng)域元圖形的概念更接近于實際情況。其與領(lǐng)域?qū)嶓w的對應關(guān)系也更簡單。由此出現(xiàn)了一種新的圖形系統(tǒng)的架構(gòu)如下:
元圖形體現(xiàn)了領(lǐng)域?qū)嶓w的某一方面圖形特征,可以認為領(lǐng)域圖形有多個領(lǐng)域元圖形構(gòu)成。由于領(lǐng)域業(yè)務的發(fā)展受到整個科技發(fā)展的限制,元圖形的增加意味著領(lǐng)域業(yè)務的重要發(fā)展,其增加更加緩慢,當然,主要的還是元圖形的類別是基本有矩(標準)可循的,最重要的是元圖形的數(shù)量少,組合出的領(lǐng)域?qū)嶓w數(shù)量龐大,表現(xiàn)力豐富。
四、新架構(gòu)的優(yōu)勢
相比以前的架構(gòu),由于采用了元圖形,實體屬性到元圖形的映射更容易做到完備。而圖形展示由于是元圖形的組合可以再與圖形的基礎(chǔ)上擴展圖形類別而對其他模塊沒有任何影響,特別地,將圖形的定義放到配置文件中,便可以實現(xiàn)靈活的圖形擴展。這意味著,圖形符號是可換的,同時意味著,圖形的展示是對組合元圖形的展示,只要元圖形的描述是標準的,展現(xiàn)就是標準的。當然對不同的展現(xiàn)技術(shù)平臺,實現(xiàn)方式是有差異的。這是需要注意的。如下:
可以看到矩形和園的定義是邏輯上的,因為在Silverlight中沒有園,但在用Silverlight界面展現(xiàn)圖形時作對應的翻譯就行了,這種關(guān)系是固定的。這樣,元圖形的定義在不受圖形展現(xiàn)所采用技術(shù)的約束了。
這還不是最主要的優(yōu)勢,元圖形對應基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w,如果要更換領(lǐng)域,需要更換的是元圖形、數(shù)據(jù)映射、數(shù)據(jù)獲取,這樣圖形系統(tǒng)就成了通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)了!
更換元圖形是簡單的,對于使用配置文件的系統(tǒng)來說就是換文件,對于固化的程序來說就是換模塊。更換數(shù)據(jù)獲取的工作也不復雜,對不同的數(shù)據(jù)層而言,換一套不同的接口就行了。只要替換得當,與圖形與數(shù)據(jù)獲取相匹配是容易實現(xiàn)的??墒菗Q數(shù)據(jù)映射的話就不是簡單的事了。在以前的系統(tǒng)架構(gòu)中,實體屬性數(shù)據(jù)與圖形對象屬性對應轉(zhuǎn)換,而在新的架構(gòu)中,實體屬性數(shù)據(jù)并不與圖形對象數(shù)據(jù)直接對應轉(zhuǎn)換,而是要通過基礎(chǔ)實體領(lǐng)域?qū)嶓w和與圖形類別的對應轉(zhuǎn)換規(guī)則的約束進行規(guī)范,這就比以前的架構(gòu)復雜得多。
好在這一領(lǐng)域已經(jīng)有好多研究成果和工具可以使用了。專家系統(tǒng)、推理機等人工智能(ArtificialIntelligence)的工具就是其中較好選擇。
五、結(jié)論
由此,可以看到,由于人工智能的應用,監(jiān)控圖形系統(tǒng)可以更換圖形系統(tǒng)、元圖形、數(shù)據(jù)映射,數(shù)據(jù)獲取,實現(xiàn)通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)。目前,在系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)映射、元圖形、圖形展示上,都有現(xiàn)成的技術(shù)和工具可以使用,最大的問題是,沒有一個整合的系統(tǒng)或者工具出現(xiàn),而現(xiàn)實有呼喚這種通用的見監(jiān)控圖形系統(tǒng)的出現(xiàn)。實現(xiàn)的辦法就是整合現(xiàn)有的SVG、元圖形、轉(zhuǎn)換規(guī)則描述、數(shù)據(jù)實體描述等多種技術(shù),形成領(lǐng)域可以自由更換的圖形系統(tǒng)。這樣的圖形系統(tǒng)必將在以云服務為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)上得到極大的應用,甚至,可能會進入到千家萬戶。
六、展望
整合各種技術(shù)產(chǎn)生的通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)可以提供一個實用的終端用戶系統(tǒng),但它還不足以提供一個簡單,易用的系統(tǒng)。如果以目標來導向的話,終端用戶使用類自然語言描述監(jiān)控圖形系統(tǒng)的目標更能為大眾所接受。比如,把“1#煙霧報警器”按照“自然光”格式顯示到“監(jiān)控頁面5”的“100,100”位置,以最快的速度更新數(shù)據(jù),報警采用“工廠預設(shè)方式”。這樣的系統(tǒng)更加智能,也更易于大眾的使用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,該系統(tǒng)一定能大行其道。
如果在加入數(shù)據(jù)服務端推送[6],則可以代理服務器空閑的情況下,進行數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)收集,能夠最大限度地改進監(jiān)控圖形的更新速度。
作者信息:曾明昌,目前主要研究方向:SOAP系統(tǒng)架構(gòu),電力監(jiān)控系統(tǒng)圖形處理。
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