【正文】 集模塊壓力信號溫度信號流量信號本管線的另外站本站的Doc下位機通 信 網(wǎng) 絡(luò) 圖 系統(tǒng)的 框架圖 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 32 監(jiān)控站上位機軟件系統(tǒng)系統(tǒng)維護(hù) 查詢系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)定 打印系統(tǒng) 檢測運行 幫助系統(tǒng) 退出運行用戶管理數(shù)據(jù)導(dǎo)出流量查詢報警查詢顯示屬性運行參數(shù)曲線打印報表打印數(shù)據(jù)通訊 流量分析 壓力分析 方差分析 模擬運行數(shù)值濾波數(shù)據(jù)接收實時顯示綜合評判報警定位動態(tài)顯示 圖 軟件 系統(tǒng) 的功能 主 框架圖 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)框架的分析與設(shè)計 系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)的非功能性特征，如可擴(kuò)展性、可靠性、強壯性、靈活性、性能等。根據(jù) 項目 關(guān)注的角度不同， 下文主要從 邏輯架構(gòu)、 物理架構(gòu)兩個方面對系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計 。 從上一節(jié)的軟件需求分析可知，系統(tǒng)的采用兩層 C/S 架構(gòu)。監(jiān)控站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對整條管線進(jìn)行管理，為各個監(jiān)控站提供必要的服務(wù)和支持。其邏輯架構(gòu)分為三個層次：表示層、業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)持久層。 實時數(shù)據(jù)從下位機傳輸?shù)矫總€站點的監(jiān)控系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)被顯示在記錄數(shù)據(jù)變化趨勢 的控件上。如果產(chǎn)生泄漏，泄漏信息將通過組播傳輸?shù)脚R近的計算機上。遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 33 而這些都是在表示層就應(yīng)該完成的，并將處理的結(jié)果傳送到下面的業(yè)務(wù)邏輯層。由于監(jiān)控系統(tǒng)相對獨立的實時運行，其安全性也至關(guān)重要。因此在業(yè)務(wù)邏輯之前的表示層就增加安全服務(wù)子功能。這樣可以保證業(yè)務(wù)邏輯層所處理的數(shù)據(jù)是相對安全可靠的。 表 示 層 業(yè) 務(wù) 邏 輯 數(shù) 據(jù) 持 久 層S E R V E RU D P 服 務(wù)組 播 服 務(wù)安 全 服 務(wù)系 統(tǒng) 管 理 服 務(wù)遠(yuǎn) 程 登 陸 服 務(wù)A P P L I C A T I O N S E R V E RG P S 校 時 服 務(wù) 結(jié) 束 1* 結(jié) 束 2*T r a n s p o r t 服 務(wù) ( 泄 露 信息 互 傳 )數(shù) 據(jù) 流 管 理權(quán) 限 服 務(wù)報 表 服 務(wù)任 務(wù) 管 理D A T A A C C E S S主 機 系 統(tǒng)關(guān) 系 數(shù) 據(jù) 庫消 息 隊 列奇 異 點 檢 測 圖 SCADA 的 邏輯架構(gòu) 系統(tǒng)的物理架構(gòu)：系統(tǒng)屬于分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分布在若干個不同的區(qū)域。監(jiān)控站之間通過無線微波或其他方式進(jìn)行信息交互。每個下位機 采集 到的實時數(shù)據(jù)都通過局域網(wǎng)及時傳送到上位機即監(jiān)控站上程序中。 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 34 圖 SCADA 的 物理架構(gòu) 抽象算法工廠的設(shè)計 由于考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)可維護(hù)型，系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)該盡量采用面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案；將系統(tǒng)變化的風(fēng)險有可伸縮的體系結(jié)構(gòu)來化解。本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)有兩套不同原理的算法并行工作。在發(fā)展過程中，隨著檢測技術(shù)的不斷更新，算法的不斷改進(jìn)，勢必有更多的新算法加入到系統(tǒng)中來。如何設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)將直接影響到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和維護(hù)成本。 本人在實踐的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性 地提出了 基于 算法工廠的全新體系架構(gòu)，實踐中這兩種架構(gòu)可以較安全地化解由于算法變化帶來的風(fēng)險。 對于可擴(kuò)展性，我們得到的第一種解決方案就是在系統(tǒng)中使用分支結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)簡單，但是不一定能夠符合系統(tǒng)變化的需要，甚至 會 阻礙系統(tǒng)的演化。 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 35 算 法 控 制 類基 于 新 息 理 論 的 奇 異點 檢 測 算 法基 于 小 波 的 奇 異 點 檢測 算 法新 增 奇 異 點 檢 測 算 法 圖 算法控制類結(jié)構(gòu) 對于這樣的結(jié)構(gòu)，在未來需要增加新的 奇異 點檢測算法，那么增加的算法需要重新編寫數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)濾波等重復(fù)性工作。另外新增拐點檢測算法需要的數(shù)據(jù)也許和以前的算法不相同，而這些算法并行工作的情況下將 造成 龐大組合的危險 。對于復(fù)雜的工況，算法的組合和未來可能使用的每個新組合，都必須創(chuàng)建一個新的具體類（即算法控制類的新版本）。例如 ： 需要配置新息 奇異 點算法和小波算法到系統(tǒng)中，就需要增加一個新類處理這以情況。如果需要一個 判斷 處理算法優(yōu)劣的應(yīng)用程序，那么又需要另一個類。這樣，算法控制類將又許多派生類出現(xiàn)。 顯然 這樣的方案也違反了“優(yōu)先使用對象聚集而不是類繼承”的基本原則。因為沒有遵循這一原則說明在發(fā)生其他變化時，這些類會在類層次中進(jìn)一步降級。新息檢測算法 和 小波檢測 都是算法程序 類 ，所以抽象概念應(yīng)該就是濾波算法和拐點 檢測算法 。 之所以是“概念性地”，是因為濾波算法和拐點檢測算法并不是從同一個抽象類派生出來的。所以在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，增加一個適配器，對這些濾波和拐點檢測算法進(jìn)行適配，使它們看起來屬于一個抽象類。 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 36 檢 測 算 法 產(chǎn) 品 i具 體 的 檢 測 算 法 產(chǎn) 品算 法 創(chuàng) 建 器具 體 算 法 創(chuàng) 建 器i n A n O p e r a t i o n ( ) 。h a v e t h e f o l l o w i n g 。. . .p r o d u c t = F a c t o r y M e t h o d ( )r u n a n e w C o n c r e t e P r o d u c t新 息 檢 測 算 法 產(chǎn) 品小 波 檢 測 算 法 產(chǎn) 品 圖 算法工廠的類結(jié)構(gòu)模型 通過以上的軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在新增加檢測算法的情況下，可以很從容地面對變化。對與算法工廠，仍有改進(jìn)的余地，因為要設(shè)計一個可擴(kuò)展 架構(gòu)的的泄漏檢測系統(tǒng)，那么勢必需要強調(diào)一系列相關(guān)的算法產(chǎn)品對象 設(shè)計，以便進(jìn)行聯(lián)合使用。因此需要對算 法創(chuàng)建類進(jìn)行進(jìn)一步的抽象，從而得到抽象算法工廠模式。 抽象算法工廠的模式結(jié)構(gòu)圖如下所示： + 創(chuàng) 建 新 息 算 法 ( )+ 創(chuàng) 建 小 波 算 法 ( )抽 象 算 法 工 廠新 息 算 法 工 廠新 增 算 法 工 廠 小 波 算 法 工 廠客 戶 端1*抽 象 的 新 息 算 法 產(chǎn) 品新 息 算 法 對 象抽 象 的 小 波 算 法 產(chǎn) 品改 進(jìn) 新 息 算 法 對 象小 波 算 法 對 象 改 進(jìn) 小 波 算 法 對 象** 圖 抽象算法工廠類結(jié)構(gòu)模型 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 37 這樣設(shè)計的有點在于： 它分離了具體的類抽象的算法工廠 (Abstract Factory)可以幫助系統(tǒng)設(shè)計師控制一個應(yīng)用創(chuàng)建的對象類。因為一個工廠封裝創(chuàng)建算法產(chǎn)品對象的過程，它將客戶與類的實現(xiàn)分離?？蛻敉ㄟ^它們的抽象接口操縱實例。這樣算法產(chǎn)品的類名也在具體的工廠實現(xiàn)中被分離開。它們不出現(xiàn)在客戶代碼中。 它使得易于交換產(chǎn)品系列 一個抽象的算法工廠在一個應(yīng)用中僅出現(xiàn)以此。即在它初始化的時候。這使得改變一個應(yīng)用的具體工廠變得很容易。它只需要改變具體的工廠即可使不同的產(chǎn)品配置，這是因為一個抽象工廠創(chuàng)建了一個完整的產(chǎn)品系列，所以整個產(chǎn)品系列會立刻改變。 設(shè)計時需要注意的是，一個應(yīng)用中一般每個算法系列只需要一個創(chuàng)建算法工廠的實例。因此工廠需要做成一個單件，只能被實例化一次。 生數(shù)據(jù)的軟件適配器設(shè)計 泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計的一個目標(biāo)就是要提高可擴(kuò)展性，考慮到檢測技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，檢測所用的信號也勢必不斷變化。如何使得信號的變化與系統(tǒng) 檢測算法做到無縫連接，成為實現(xiàn)系統(tǒng)可擴(kuò)展性的一大難題。 在系統(tǒng)的設(shè)計中，我通過在原始信號與信號處理算法之間增加一個數(shù)據(jù)適配器，使得原始信號可以在實際應(yīng)用中不斷地擴(kuò)展或者減少。 系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)為統(tǒng)一在這里都被稱為生數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中定義 Sample Data 類是由下位機采集到的數(shù)據(jù)形成的數(shù)據(jù)包。就目前的應(yīng)用而言 Sample Data 類中包含的數(shù)據(jù)有：壓力信號、流量信號、溫度。在不久的未來檢測信號中還要增加聲音信號等其他信號。在 Sample Data 增加聲音信號后，如果不對系統(tǒng)作任何處遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 38 理，那么系統(tǒng)是無法正確工作 的。利用軟件設(shè)計中的適配器模式，對現(xiàn)有的設(shè)計進(jìn)行改造，使得類的接口轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)希望的另一個接口。使得新的 Sample Data 類由于接口不兼容而不能一起工作的類可以在一起工作。下圖描述了采用適配設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)圖。 C l i e n t+ r e q u e s t ( )T a r g e t**+ r e q u e s t ( )A d a p t e rA d a p t e e s p e c i f i c R e a u e s t ( )+ s p e c i f i c R e q u e s t ( )A d a p t e e a d a p t e e** 圖 生數(shù)據(jù)適配器模型 類 Adapter 模式的工作原理是創(chuàng)建一個新類，該類同時從兩個類繼承，一方面從定義其接口的抽象類公開繼承，另一方面從訪問其現(xiàn)有的原有繼承。因為繼承可以使子類具備父類所有的屬性，而且可以使子類擁有自己特有的屬性。因 此系統(tǒng)演進(jìn)過程中，新增加的信號可以被隱藏在子類中，而類之間都通過父類進(jìn)行信息傳遞。這樣充分利用面向?qū)ο蟮倪t綁定技術(shù)，達(dá)到規(guī)避因數(shù)據(jù)變化引起風(fēng)險的目的。 數(shù)據(jù)庫的選擇與設(shè)計 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)串行化的工具，其對系統(tǒng)整體的實時性能有著直接的影響。從存儲的介質(zhì)區(qū)分，目前可選用的數(shù)據(jù)庫分為磁盤數(shù)據(jù)庫（ DRDB Diskresident 遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 39 database）例如 SQ1 server，以及內(nèi)存數(shù)據(jù)庫（ MMDB） 。但無論選擇何種數(shù)據(jù)庫都必須做到實時性、準(zhǔn)確性。 對于本系統(tǒng)由于多種算法并行工作，因此對系統(tǒng)資源的消耗 大。為了支撐系統(tǒng)的可靠運行，提高系統(tǒng)的實時性能；需要把耗時的工作盡量降到最低限度。寫數(shù)據(jù)庫作為耗時的機械操作，其在系統(tǒng)運行中的比重應(yīng)該盡可能的小。數(shù)據(jù)庫選擇中考慮的因素有： 選擇的數(shù)據(jù)庫是否能夠滿足實時性的要求； 選擇的數(shù)據(jù)庫是否能夠滿足大數(shù)據(jù)量的要求，由于一條管線通常有 10 余 個站點，而數(shù)據(jù)每秒都需要存儲，所以長時間運行勢必產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)庫是否易于維護(hù) 。 因此實時性高的數(shù)據(jù)庫成為系統(tǒng)的必要選擇。 實時數(shù)據(jù)庫的主要特點是： 1） 時間約束 。 實時數(shù)據(jù)庫是其數(shù)據(jù)和事務(wù)都有明確的時間限制的數(shù)據(jù)庫。在實時系統(tǒng)中，具有時間 約束的數(shù)據(jù)主要是來自于外部的動態(tài)數(shù)據(jù)，以及由這些數(shù)據(jù)求導(dǎo)出的新的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)必須如實反映現(xiàn)場設(shè)備的運行情況。 2） 事務(wù)調(diào)度 。 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正確性不僅依賴于事務(wù)的邏輯結(jié)果，而且依賴于該邏輯結(jié)果所產(chǎn)生的時間。事務(wù)調(diào)度既要考慮事務(wù)的執(zhí)行時間，也要考慮事務(wù)的截止期、緊迫程度等因素。 在一般的實時系統(tǒng)設(shè)計中， 實時數(shù)據(jù)庫主要承擔(dān)系統(tǒng)所有實時數(shù)據(jù)的存儲和管理，為相關(guān)的功能提供快速、正確的實時信息。為了達(dá)到實時性，實時數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)常駐內(nèi)存，以保證讀取速度。對于實時性要求不高的數(shù)據(jù)可存放在外存儲空間。因 此，在實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，妥善處理時間與存儲空間的矛盾， 才能 保證系統(tǒng)的實時性。 在泄漏檢測系統(tǒng)中利用 數(shù)據(jù)在線壓縮 技術(shù)。 在實際的數(shù)據(jù)存儲中， 由于采集精度的要求，每秒鐘下位機向上位機傳輸 50 組數(shù)據(jù)。遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 40 對于需要長時間運行的泄漏檢測系統(tǒng)而言， 實時數(shù)據(jù)庫 需要 高效處理海量數(shù)據(jù) 。如果 采集的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)被原封不動地存儲勢必需要大量內(nèi)存和磁盤空間以及耗費大量的時間，因此實時數(shù)據(jù)進(jìn)行在線壓縮存儲 技術(shù)，即解決數(shù)據(jù)存儲又保證了數(shù)據(jù)的實時性 。 在本設(shè)計方案中，我采用了實時數(shù)據(jù)庫與磁盤數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式。原因主要有一下幾點： 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫將整個數(shù) 據(jù)庫或者大部分熱點數(shù)據(jù)存放在主存中，消除了 I/O 瓶頸。數(shù)據(jù)駐留內(nèi)存可以使數(shù)據(jù)存取主要集中在內(nèi)存中，縮短系統(tǒng)的相應(yīng)時間。而傳統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫主備份位于磁盤上，實時性不高，速度相對較慢，但存儲的數(shù)據(jù)量大。 SQL SERVER 是典型的磁盤數(shù)據(jù)庫，雖然它可以將數(shù)據(jù)緩沖到內(nèi)存中，但是 SQL SERVER 的數(shù)據(jù)存儲訪問、索引等機制都是針對磁盤進(jìn)行優(yōu)化的，應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫時，要進(jìn)行磁盤地址到內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換，性能遠(yuǎn)不如內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。 SQL SERVER 采用的是 ?B 樹索引，而 ?B 樹索引的最大特點是動態(tài)平衡，但是由于 ?B 樹索引的空間利用率和時間性能都不如 T 樹和 HASH 索引，因此從這一點上磁盤數(shù)據(jù)庫也適合與本系統(tǒng)這樣實時性要求較高的應(yīng)用。 由于系統(tǒng)中兩種算法可能同時運行，算法的大量 數(shù)學(xué) 運算其時間復(fù)雜度較高，在這種情況下，利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的獨特優(yōu)勢，可以有效地減輕系統(tǒng)的