分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉艾俠

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寶雞721013）

分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉艾俠

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寶雞721013）

針對(duì)傳統(tǒng)制造行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分散、儀器儀表智能化程度低、遠(yuǎn)程通信能力差、操作復(fù)雜、造價(jià)及維護(hù)成本高等問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前最前沿的分布式云計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備與云端服務(wù)程序無(wú)縫集成而建立一套網(wǎng)絡(luò)化的管控集成系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集控制設(shè)備和云服務(wù)中心的組成結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述，深入論述了系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和嵌入式遠(yuǎn)程終端服務(wù)器的開發(fā)、流量補(bǔ)償與積算算法的實(shí)現(xiàn)、云端數(shù)據(jù)歸檔程序和顯控平臺(tái)的搭建，以及基于TCP Socket連接的XML數(shù)據(jù)通信的建立等。

流量積算；分布式系統(tǒng)；云服務(wù)；嵌入式系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；數(shù)據(jù)通信

1　引　言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，分布式云計(jì)算技術(shù)已開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。將分布式云計(jì)算模型引入工業(yè)測(cè)控，對(duì)于提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和信息化水平具有重要意義［1］。針對(duì)傳統(tǒng)流量積算儀造價(jià)高、遠(yuǎn)程通信能力差、操作和維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)，采用多總線現(xiàn)場(chǎng)采集控制設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳至云端，同時(shí)在云端建立包含有流量補(bǔ)償與積算模塊、云數(shù)據(jù)中心和云顯控平臺(tái)的云服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的分布式采集、云端集中積算、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、Web交互展示和控制等功能。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)是針對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)中儀器儀表智能化程度低、數(shù)據(jù)點(diǎn)分散、能耗管理較為粗放的行業(yè)特點(diǎn)，提供一種低成本、易部署、易維護(hù)、管控一體化的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控管理方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠能源、運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源的高效利用和生產(chǎn)管理水平的持續(xù)提升［2－3］。該系統(tǒng)基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分布式架構(gòu)，將現(xiàn)場(chǎng)的每一個(gè)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)聯(lián)網(wǎng)，并在云端進(jìn)行集中管理和控制，使監(jiān)控技術(shù)發(fā)揮最高效用，為系統(tǒng)管理提供方便。分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)以生產(chǎn)過(guò)程流量測(cè)量特性及管理體系作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以云端統(tǒng)一積算和管理為支撐，并結(jié)合船舶企業(yè)實(shí)際計(jì)量網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)設(shè)備狀況、硬件環(huán)境等實(shí)際情況設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為兩部分，包括分布式采集監(jiān)控設(shè)備和云服務(wù)中心。

（1）分布式采集監(jiān)控設(shè)備：采用分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和嵌入式遠(yuǎn)程終端服務(wù)器作為數(shù)據(jù)采集監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備、計(jì)量?jī)x表（流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器等）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、匯總、推送、統(tǒng)一流量積算功能，并通過(guò)Web方式對(duì)外提供數(shù)據(jù)監(jiān)視、服務(wù)器配置功能［4］。

（2）云服務(wù)中心：云服務(wù)中心建立在互聯(lián)網(wǎng)云端的高性能服務(wù)器上，由流量補(bǔ)償與積算模塊、云數(shù)據(jù)中心和云顯控平臺(tái)組成。其中流量補(bǔ)償與積算模塊負(fù)責(zé)流量積算與補(bǔ)償?shù)挠?jì)算；云數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)和歷史流量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和歸檔；云顯控平臺(tái)負(fù)責(zé)向接入云中的各種終端設(shè)備用戶提供Web顯示界面，用于監(jiān)控當(dāng)前的運(yùn)行狀況和實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)［5］。

3　分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器將網(wǎng)關(guān)、RTU、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、OPC通訊接口、數(shù)據(jù)接口、防火墻、控制算法、計(jì)算模型等軟硬件集成在一起，部署在車間等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，直接和間接地采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器提供了符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的各種接口，用于采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制命令。其接口包括A／D模擬量采集、D／A模擬控制信號(hào)輸出、I／O開關(guān)量監(jiān)測(cè)與控制和RS－485、RS－422等串行總線接口［6］。

服務(wù)器內(nèi)部建立了工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存放實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集單元將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，使數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一直保持更新。服務(wù)器向上通過(guò)以太網(wǎng)連接至云端，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送至云端。同時(shí)內(nèi)建的Web Server能夠使用戶通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和服務(wù)器的配置信息。

4　云服務(wù)中心設(shè)計(jì)

4．1功能模塊設(shè)計(jì)

云服務(wù)中心由流量補(bǔ)償與積算模塊、云數(shù)據(jù)中心和云顯控平臺(tái)三部分組成，如圖3所示。流量補(bǔ)償與積算模塊：流量補(bǔ)償與積算模塊完成流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一積算功能。流量補(bǔ)償與積算模塊通過(guò)訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)來(lái)自不同采集設(shè)備的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償積算，形成的結(jié)果寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的字段中［7］。

圖3　云服務(wù)中心組成結(jié)構(gòu)

云數(shù)據(jù)中心：云端數(shù)據(jù)中心主要包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歸檔服務(wù)器。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)接收分布式采集監(jiān)控設(shè)備推送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及周期性批量數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存，并隨時(shí)間變化不斷更新，以反映現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程的變化。歸檔服務(wù)器接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并依據(jù)用戶實(shí)際要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，同時(shí)根據(jù)一定的要求壓縮歸檔存儲(chǔ)于磁盤，以便于了解數(shù)據(jù)的變化歷史［8］。

云顯控平臺(tái)：該平臺(tái)既是流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、平衡調(diào)度指揮的操作性平臺(tái)，又是基于海量流量數(shù)據(jù)的綜合管理平臺(tái)，功能包括：用戶界面Web服務(wù)器、流量采集監(jiān)控、能源報(bào)表、綜合分析、能源預(yù)警、平衡調(diào)度等功能。

4．2與云端通信接口

分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)云端接口服務(wù)程序與客戶端（即云服務(wù)中心）進(jìn)行通信。云端接口服務(wù)程序連接分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過(guò)TCP／IP方式監(jiān)聽客戶端的連接請(qǐng)求，并對(duì)客戶端發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)回復(fù)。云端接口服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)外統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)布和交互，并包含接口管理功能，其工作流程如圖4所示。

圖4　云端接口服務(wù)程序工作流程圖

由圖4可知，云端接口服務(wù)程序具有連接確認(rèn)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布、接收控制指令、其它記錄功能等4項(xiàng)功能，其具體實(shí)現(xiàn)流程為：①連接確認(rèn)：確認(rèn)客戶端（云服務(wù)中心）是否是授權(quán)客戶，確認(rèn)后建立連接；②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布：由客戶端提出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求列表，接口服務(wù)程序根據(jù)請(qǐng)求的參數(shù)讀取數(shù)據(jù)；③接收控制指令：接口服務(wù)程序接收客戶端發(fā)送的控制指令后，對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制；④其它：包括記錄接口配置和接口服務(wù)日志。

接口服務(wù)程序與客戶端之間的交互信息采用XML格式，具體結(jié)構(gòu)如下：

（1）登錄請(qǐng)求（客戶端－＞云接口服務(wù)程序）

＜Request＞

＜＞客戶端編碼＜＞

＜＞登陸密碼＜＞

＜／Request＞

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求（客戶端－＞云接口服務(wù)程序）

＜Request＞

＜＞客戶端編碼＜＞

＜＞刷新頻率＜＞

＜PointList＞（注：請(qǐng)求點(diǎn)位的清單，可以是嵌套的Xml節(jié)點(diǎn)）

＜Point＞1＜／Point＞

＜Point＞2＜／Point＞

＜Point＞3＜／Point＞

＜Point＞……＜／Point＞

＜／PointList＞

＜／Request＞

（3）控制請(qǐng)求（客戶端－＞云接口服務(wù)程序）

＜Request＞

＜＞客戶端編碼＜＞

＜＞控制點(diǎn)位編碼＜＞

＜＞控制點(diǎn)位參數(shù)＜＞

＜／Request＞

4．3流量補(bǔ)償與積算模塊

補(bǔ)償與積算模塊的主要功能是根據(jù)流量補(bǔ)償與積算的數(shù)學(xué)模型，利用流體溫度、壓力補(bǔ)償工況流量，計(jì)算得到標(biāo)況流量；同時(shí)利用標(biāo)況流量進(jìn)行流量值高精度累加，最終得到流量積算值。流量補(bǔ)償與積算模塊利用用戶設(shè)置的補(bǔ)償參數(shù)和測(cè)量得到的流體溫度、壓力、工況流量進(jìn)行計(jì)算，并將返回值賦予第一、二補(bǔ)償流量，第一、二積算流量和主積算流量點(diǎn)位，完成流量的補(bǔ)償與積算。一般氣體補(bǔ)償與積算模塊的偽代碼如下所示：

GasCompute（ref List＜FCITag＞taglist，F(xiàn)CIDevice device）

｛

／／尋找工況流量、溫度和壓力點(diǎn)位FindFTPTag（taglist）；

／／根據(jù)傳感器類型進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償

switch（device．devParams．signal）

｛

／／差壓式

case SignalTypes．DiffPres：

OnGasDifCal（Originalflow）；

break；

／／線性式

case SignalTypes．Linear：

OnGasLinCal（Originalflow）；

break；

／／頻率式

case SignalTypes．Frequence：

OnGasFreCal（Originalflow）；

break；

｝

／／將積算值賦予對(duì)應(yīng)點(diǎn)位

GetIntgTags（taglist）；

return taglist；

｝

蒸汽的溫壓補(bǔ)償與積算算法是在一般氣體的算法基礎(chǔ)上增加了計(jì)算熵值和焓值的部分，偽代碼如下：

StreamCompute（ref List＜FCITag＞taglist，F(xiàn)CIDevice device）

｛

／／尋找工況流量、溫度和壓力點(diǎn)位

FindFTPTag（taglist）；

／／計(jì)算出熵、焓值

Stream．PT2V（press，temperature，ref V，ref range）；

Stream．PT2H（press，temperature，ref H，ref range）；

／／根據(jù)傳感器類型進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償

switch（device．devParams．signal）

｛

／／差壓式

case SignalTypes．DiffPres：

OnStreamDifCal（Originalflow）；

break；

／／線性式

case SignalTypes．Linear：

OnStreamLinCal（Originalflow）；

break；

／／頻率式

case SignalTypes．Frequence：

OnStreamFreCal（Originalflow）；

break；

｝

／／將積算值賦予對(duì)應(yīng)點(diǎn)位

GetIntgTags（taglist）；

return taglist；

｝

5　云顯控平臺(tái)

云顯控平臺(tái)是一個(gè)圖形化的人機(jī)交互界面，功能類似于工業(yè)組態(tài)軟件，不同之處在于云顯控平臺(tái)基于B／S架構(gòu)，實(shí)際上是一個(gè)Web服務(wù)器，不依賴于特定的設(shè)備和環(huán)境，任意互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器都能夠登陸到云顯控平臺(tái)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行監(jiān)控和管理，且不受時(shí)間和地理位置的限制。

云顯控平臺(tái)的功能如圖5所示，一方面云顯控平臺(tái)通過(guò)訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)，從云數(shù)據(jù)中心讀取實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在用戶頁(yè)面上；另一方面云顯控平臺(tái)將用戶在頁(yè)面上下達(dá)的控制命令通過(guò)Socket連接傳遞給對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)用戶在云端對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的精確控制。

圖5　云顯控平臺(tái)工作方式

云顯控平臺(tái)與用戶的交互通過(guò)多種多樣的Web顯示界面來(lái)完成，包括數(shù)據(jù)表格、二維平面流程圖、3D動(dòng)態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，通過(guò)先進(jìn)的Web前端技術(shù)可以制作出。在顯示的流量監(jiān)控頁(yè)面中，用戶可以看到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)閥門的開度信息，以及該閥門所在管道的溫度、壓力、瞬時(shí)流量和累積流量。

6　結(jié)束語(yǔ)

分布式流量積算云服務(wù)系統(tǒng)基于分布式云服務(wù)模型，應(yīng)用于流量測(cè)量與積算，實(shí)現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的分布式采集、集中積算、統(tǒng)一存儲(chǔ)和展示，解決了普通流量積算儀造價(jià)高、操作和維護(hù)不方便、遠(yuǎn)程通信能力差、不能夠統(tǒng)一管理和展示的缺點(diǎn)，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的需求，同時(shí)為擴(kuò)展其他應(yīng)用模式提供了成熟可用的架構(gòu)模型和基礎(chǔ)。

［1］郭銀章，徐玉斌，曾建潮．分布異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)訪問(wèn)設(shè)計(jì)［J］．太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24（1）：73－77．Silver Guo，Xu Yubin，Zeng Jian－chao distributed heterogeneous network environment，data access design［J］．Taiyuan Heavy Machinery Institute of Technology，2003，24（1）：73－77．

［2］周國(guó)平．智能流量計(jì)用于節(jié)流裝置的全參數(shù)補(bǔ)償［J］．浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（3）：1－6．Zhou Guoping．smart meter compensation for full－throttle device parameters［J］．Zhejiang Institute of Science and Technology，2002（3）：1－6．

［3］程賀．流量測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995．Cheng He．flow measurement and compensation technology［M］．Beijing：Chemical Industry Press，1995．

［4］胡敏，李成貴，田宏杰．氣體壓縮因子Z的在線修正與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)［J］．傳感器世界，2002（10）：10－13．Hu Min，Li Chenggui，Tian Hongjie．gas compressibility factor Z online correction and MCU［J］．sensor in the world，2002（10）：10－13．

［5］梁國(guó)偉，蔡武昌．流量測(cè)量技術(shù)及儀表［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．Liang Guowei，Cai Wuchang．flow measurement technology and instrumentation［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2002．

［6］白繼宇．基于B／S模式的嵌入式遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］．華東師范大學(xué)，2009：26－35．Baiji Yu．Research and Implementation of B／S mode embedded remote management systems［D］．East China Normal University，2009：26－35．

［7］李斌．基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度算法的分析與研究［D］．天津大學(xué)，2003：31－39．Li Bin．Analysis and Research of CAN bus network control system scheduling algorithm［D］．Tianjin University，2003：31－39．

［8］謝彥民．淺析網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法及其安全性［J］．硅谷，2009（19）：23－26．Xieyan Min．Method of Network Time Synchronization and security［J］．Silicon Valley，2009（19）：23－26．

Design and Implementation of a Distributed Cloud Service System Flow Totalizer

Liu Aixia
（Baoji Vocational Technology College，Baoji 721013，China）

In view of the problems of the scattered production field data points of the traditional manufacturing industry，the low degree of intelligent instruments and meters，the poor remote communication ability，complex operation，high construction and maintenance costs，etc．，in combination with the current cutting－edge distributed cloud computing technology and Internet of things technology，through the seamless integration of field hardware devices and the cloud service programs，a set of networked management and control integrated system is established．The field acquisition control equipment and the composition structure and function characteristics of the cloud service center are described in detail．The realization process of each part of the system is deeply discussed，including the development of distributed real－time data servers and embedded remote terminal servers，the realization of flow compensation and integrating algorithm，the construction of the cloud data archiving procedures and the display control platform，and the establishment of the XML data communication based on TCP Socket connection，etc．

Flow integrating；Distributed systems；Cloud services；Embedded systems；Production field；Data communication

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．009

TP271

A

1002－2279（2016）05－0033－05

劉艾俠（1982－），女，陜西省西安市周至縣人，講師，主研方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。

2016－03－04