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國防工程綜合信息管理系統集成設計與實現

信息時間:2015-10-29 信息來源:

    國防工程綜合信息管理系統集成設計與實現

    王濤  馮國彥  蘇延召  蔡艷平

    (第二炮兵工程學院機電工程系,西安 710025)

     

    摘要:在分析國防工程自動化管理需求和存在問題的基礎上,提出了一種國防工程綜合信息管理系統集成設計方案,并綜合采用OPC、XML、中間件、監控組態等技術實現了異構子系統在接口、數據、應用層的無縫集成。

    關鍵詞:國防工程,綜合信息管理系統,系統集成

    1  引言

    國防工程是我國國防軍事工程體系中的一個重要組成部分,是一個復雜的應用型系統工程,涉及到土木工程、通風空調、供配電、環境監測、設備監控、網絡通信、信息管理等多種學科的綜合應用。國防工程管理就是正確使用、科學管理國防工程及其設施設備,保持工程使用性能,為武器裝備的貯存、監測維修提供可靠保障[1]。國防工程自動化管理作為國防工程管理的一個重要方面,與建筑自動化管理、工廠自動化管理有很多相似的地方,包括了網絡傳輸、自動監測與控制、設備與資源的優化配置等方面,可以實現信息共享、聯動控制等多種功能。國防工程自動化管理主要依靠各類智能系統(如環境監控系統、圖像監視系統等)來實現,這些系統從初期自主開發的自動化程度低、功能結構簡單的封閉系統,逐漸過渡到了現階段通過引進與自主開發形成的自動化程度越來越高的分布式系統。隨著國防工程自動化管理系統智能化程度的逐步提高,國防工程內各種智能設備和智能系統不斷增多,各子系統包含的信息量也日益增多,子系統之間的信息交換也越來越頻繁,因而產生了統一管理各子系統信息,協調各子系統運行的需要。

    但是,國防工程自動化管理中各類智能系統由于來源、安裝時間不同等原因,沒有統一的通信協議與接口方式,使得設備之間、系統之間缺乏互操作性,這使得國防工程自動化管理工作面臨較大困難。此外,前期安裝到國防工程的智能系統多為國外產品,存在失泄密隱患。為了實現國防工程信息、資源、任務的共享和管理安全,必須采用國產智能系統,并將各子系統進行集成,建立國防工程綜合信息管理系統。利用綜合信息管理系統實現國防工程自動化管理中智能系統的統一管理和調度運行,不僅能夠提高設備的運行效率,而且可以降低國防工程自動化管理過程中的人力和物力消耗,對于國防工程管理現代化具有重要意義。

    針對上述需求和問題,本文結合系統集成技術的發展,提出了一種基于集成平臺的并行集成方式實現綜合信息管理系統的集成。

    2  集成系統設計

    2.1  集成方案

    本系統設計采用C/S架構,利用基于集成平臺的并行集成模式進行集成,集成系統的結構如圖1所示。系統采用以太網作為系統管理級網絡,各子系統將各自的通信接口進行轉換后接入主干網絡,實現網絡互聯。系統配置了兩臺服務器,一臺作為系統集成數據庫服務器,為子系統提供數據接口,將子系統數據進行組織后存入集成數據庫供集成平臺調用。另一臺作為視頻服務器主要實現對現場視頻服務器的視頻、音頻信號的解碼,同時提供對音視頻監控系統的運程操作、瀏覽等服務,并配備磁盤存儲陣列來存儲國防工程視頻監控錄像。

    在工程內部和口部各設一臺工作站,可根據實際需要再進行擴展,通過核心交換機實現對服務器的訪問。系統服務器運行Windows Server 2003系統,工作站采用Windows Xp或者更高級系統,集成系統數據庫采用SQL Server 2003。

    圖1  國防工程綜合信息管理系統集成結構圖

    2.2  集成開發平臺選擇

    在整個集成系統中,集成平臺需要實現智能儀表、PLC等設備與集成系統之間的通信與信息交互、遠程控制界面開發、實時監控等功能,因而系統集成實現的關鍵就是集成平臺的選擇[2]。隨著計算機通信、網絡技術等相關技術的發展,出現了各種各樣的集成平臺,如Honeywell公司的EBI(Enterprise Building Integrator)、西安協同數碼股份有限公司的SynchroBMS、清華同方推出的ezIBS智能建筑信息管理平臺等產品。這些集成平臺具有各自的優勢,但由于各個產品的技術手段和實現方式不一,導致這些平臺的通用性和靈活性較差。如EBI系統集成平臺的接口協議需要定制購買,對于一些不支持標準協議的子系統和平臺的集成就相對困難。雖然集成平臺最好是根據自己的需求來開發,但是系統集成平臺的開發難度較高,且在通用性上有較大的差距。工業組態軟件自20世紀80年代初期誕生到至今,已經有20多年的發展歷史,具有通用性好、監控畫面豐富、易于使用、支持多種通信協議等特點。針對具體工程,利用組態軟件,用戶可以根據需要靈活地調用相關驅動程序、設計個性化畫面、建立實用的描述變量,開發人員不用編寫復雜的代碼,只需根據不同的要求和對象,對相關的功能模塊進行設置,就可以實現高效的自動控制和管理監控。

    目前國內外有各種各樣的組態軟件,比較著名的有Wonderware的InTouch、Siemens的WinCC、北京三維力控公司的ForceControl、北京亞控公司的組態王KingView等。由于國外的組態軟件成本相對較高,且在一些技術上有使用限制,因此本文選擇國產的組態王軟件作為國防工程綜合信息管理系統的集成開發平臺。該軟件在畫面功能,變量的定義與使用,報警與事件功能,報表和趨勢曲線功能等方面進行了較大的改進和豐富,完全滿足國防工程綜合信息管理系統集成的需要。

    2.3  系統集成層次劃分

    根據系統集成的內容劃分,國防工程綜合信息管理系統的集成實現包括網絡集成、數據集成、應用集成三個方面,是將智能化系統從網絡到信息再到綜合應用的一系列開發及整合,從而實現全面的、完善的國防工程綜合信息管理[3]。

    (1)網絡集成

    網絡集成是進行系統集成的基礎,它是指根據各子系統的特點,利用計算機網絡技術和綜合布線技術,將系統所包含的通信、計算、信息采集、控制和處理等資源實際連接起來,形成相互交換信息的通路。

    (2)數據集成

    數據集成是對由網絡集成獲得的數據的初步處理,依據國防工程綜合信息管理系統所管理的信息資源范圍、內容,結合數據的基本特點,按照多種方式對數據進行組織;定義統一和標準的格式,采用適用的交換技術實現數據的交換和共享。交換主要包括各應用子系統間的交換,以及子系統與一體化指揮平臺間的數據交換。

    (3)應用集成

    應用集成是系統集成的最高階段也是最終目標,主要包括功能集成、界面集成、流程集成三方面內容。功能集成是指把多個系統功能進行融合,在一個系統內實現其它系統的某些功能。這些功能不僅包括原有子系統已有的功能,也包含原有系統所不具備的綜合功能。界面集成是指通過按鈕鏈接等方式將多個系統界面集成到一起,可以實現各個系統界面的相互調用,使得對各子系統的管理操作可以在一個統一的界面上完成。流程集成是指是將多個系統的業務流程進行集成,以實現不同子系統間的功能聯動與協調運行。

    3  集成系統實現

    本系統綜合采用OPC、XML、中間件、監控組態等技術,實現了國防工程綜合信息管理系統在接口、數據、應用層的無縫集成。

    3.1  基于OPC服務器的通信接口集成

    為了實現各子系統間通訊接口、通信協議的標準化,本系統采用串口轉換和OPC(OLE for Process Control, 面向過程控制的對象鏈接與嵌入)技術,解決各異構子系統之間的硬件接口轉換和通信接口集成難題。首先通過串口服務器將各子系統核心控制器的通信接口統一轉換為TCP/IP接口,然后經網絡交換機接入綜合管理平臺。在此基礎上,采用OPC技術對各子系統的通信接口協議進行標準化。本系統開發了面向環境PLC控制器、火災報警控制器、門禁及周界控制器共3個OPC服務器,如圖2所示,實現了環境監控、電力監控、給排水監控、火災報警、門禁控制、周邊警戒等子系統在通信接口層面的集成。

     

    圖2  OPC服務器運行界面

    目前開發OPC服務器的方法有三種[4]:一是使用MFC的實現策略。使用這種方式開發OPC服務器時可以將許多復雜的細節交給MFC來處理,同時MFC對實現圖形界面提供了良好的支持。但這種方式會造成代碼的冗余,降低程序的性能和速度;二是使用ATL的實現策略。這種方式的優點是開發過程簡單、快速,不需要開發者編寫大量的代碼,但ATL對實現圖形界面的支持很少,不便于開發對圖形界面要求較高的OPC服務器;三是通過快速開發工具開發OPC服務器。這種開發方式最簡單,直接使用動態鏈接庫DLL提供的API接口即可完成OPC服務器開發。但它在功能上有許多限制,缺少靈活性,一般只適合公司快速商業開發需要。由于本項目所需的OPC服務器需要界面支持,同時為實現系統靈活性,便于擴展維護,因此采用基于MFC提供的COM支持開發OPC服務器。

    3.2  基于XML和中間件的異構數據共享集成

    針對國防工程綜合信息管理系統中各子系統數據共享和集成難的問題,本系統建立了基于XML(eXtensible Markup Language,可擴展標記語言)[5]的異構信息描述模型,該模型由應用層、中間件層和數據源層構成,如圖3所示。

     

    圖3  異構數據集成三層架構

    (1)數據源層:處于最低層,由參與集成的多個子異構數據庫組成,如SQL Server、Access和XML文檔等。它提供實際的數據存儲和管理功能,能夠接受上層的調用。由于子數據庫的數據信息類型不同,所以系統必須提供公共模型來表示來自于不同異構數據庫的數據。由于XML Schema完全使用XML作為描述手段,具有強大的描述能力,因此本系統用XML Schema作為公共數據模型。數據源層的設計核心是數據包裝器,通過它可將原始數據包裝成XML數據模式,使其符合全局模式的需要。

    (2)中間件層:是整個模型的核心。該層從更高層次上屏蔽了數據源的分布性和異構性。它接受用戶的查詢請求,并對查詢請求數據庫做相應處理,最后將查詢結果返回給用戶。它向下協調各異構數據庫,向上為訪問集成數據的應用者提供統一的全局數據模式和數據訪問的通用接口。中間件負責異構數據庫的數據訪問、查詢和協調數據庫之間的信息,為用戶提供一個高層次的數據查詢、檢索服務,目的是集成各個異構數據庫,為數據共享、數據傳輸和數據的訪問提供支持。為了更好地解決數據的語義異構問題,本系統在中間件層的實現上引入了一個本體庫。

    (3)應用層:主要是用戶應用程序,實現用戶應用程序對數據訪問的透明性。用戶應用程序可通過集成中間層的中間件來訪問各個子系統數據庫可共享的數據資源。對用戶來說并不知道數據的存儲位置、存儲方式以及存儲結構等。

    3.3  基于開放式監控組態軟件的應用集成

    為了實現國防工程環境監控、電力監控、給排水監控、火災報警、周界報警、門禁安檢、音視頻監控等子系統備的綜合集成,本系統以組態王軟件為應用集成平臺,將各子系統的業務流程、系統功能、值班界面進行融合,通過綜合管理軟件完成各子系統的監控與聯動、各類信息的管理與分析。圖4、圖5分別為環境監控、火災報警子系統交互界面。

         

    圖4  環境監控系統運行監控界面              

    圖5  電力網在線監測界面

    4  結束語

    針對國防工程自動化管理步入綜合信息管理過程中,國防工程內異構自動化系統越來越多,系統間信息交換量越來越大,系統集成實現難,集成系統功能與需求脫節,集成技術手段單一等問題,本文提出了一種國防工程綜合信息管理系統集成方案并在組態王軟件平臺上進行了實現。實際運行效果表明,該系統性能穩定,人機界面友好,運行狀態良好,達到了系統集成的目標和要求。

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