電力電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件的設(shè)計

楊 波，孫萬蓉，馮戰(zhàn)鵬，李京京，薛 丹

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

電力工業(yè)管理包括變電管理、調(diào)度管理、線路管理等諸多方面，其中，變電站管理是電力管理工作中的重要環(huán)節(jié)。其涉及內(nèi)容廣泛、工作量大，特別是對工作的準(zhǔn)確性要求較高。經(jīng)過長期運營實踐，變電站管理工作逐步形成了一套成熟的手工管理作業(yè)體系。然而，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市對供電量的需求逐步增大，以及城市規(guī)劃的復(fù)雜化，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，需要實時傳送地信息量也越來越大，這使得長期的手工管理模式在實施過程中出現(xiàn)了越來越多的問題:需要提供的數(shù)據(jù)量大、不能形成良好快速的數(shù)據(jù)存取方式、不能進行實時可靠地數(shù)據(jù)監(jiān)測、經(jīng)常出現(xiàn)漏記漏報的現(xiàn)象、沒有實現(xiàn)工控自動化、不能靈活的讀取想要的數(shù)據(jù)、同時保密性差，不利于變電站長期的運營與維護［1］。為彌補傳統(tǒng)管理模式的不足，本文旨在研究一套以防火、防盜為主，基于B/S模式的電力電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件。

1 系統(tǒng)管理軟件

電力電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件中，用戶可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊的配置界面對工作站上位機進行控制，及時快速地得到所需的數(shù)據(jù)。同時，以Web方式把溝道的運行狀態(tài)信息、傳感器信息以及超限報警數(shù)據(jù)發(fā)布呈現(xiàn)給授權(quán)管理人員和供電局的領(lǐng)導(dǎo)。系統(tǒng)設(shè)計的管理界面層次清晰，可將整個溝道的實時信息完整地呈現(xiàn)在瀏覽器上。以全自動化的管理模式取代了傳統(tǒng)的手工管理模式。

圖1 管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，實時通信模塊首先將從工作站上位機處得到的溝道數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，當(dāng)系統(tǒng)管理中心的工作人員通過瀏覽器請求所需頁面信息時，便會請求Web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀取所需的信息，并將信息返回至管理中心瀏覽器的頁面端。

2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要功能:通過TCP/IP協(xié)議［2］與工作站中的上位機進行通信，得到不同溝道中的不同測點和傳感器的實時數(shù)據(jù)，再將獲得的實時數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，待前端系統(tǒng)使用。

2.2 通信實現(xiàn)

通信部分采用Java的Socket網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)來實現(xiàn)。所謂Socket［3］通常也稱為“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。Socket有兩種主要的操作方式:面向連接的和無連接的。系統(tǒng)模塊采用面向連接的TCP傳輸方式。

在通信過程中，系統(tǒng)通過啟動一次線程建立一次TCP連接，由于工作站上位機在建立一次TCP連接之后會按照系統(tǒng)的采集時間要求不斷地向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)，直到一次數(shù)據(jù)傳輸完后，便會立即斷開原有的連接，之后會重新進行一次TCP通信連接，再傳輸溝道中全新的數(shù)據(jù)。一般情況下TCP通信連接方式默認(rèn)為短連接方式，即一次連接，一收一發(fā)，一次斷開的通信。所以，在實際的開發(fā)過程中，系統(tǒng)采用基于TCP的Socket長連接的方式實現(xiàn)多次連接功能。這樣，服務(wù)器永遠(yuǎn)不用主動斷開通信，僅由工作站上位機來決定是斷開還是連接。

所謂長連接，就是客戶端與服務(wù)器端先建立通信連接，服務(wù)器連接建立后不斷開，然后再進行報文的發(fā)送與接收。

2.3 界面設(shè)計

為體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計人性化的特點，數(shù)據(jù)傳輸模塊不再只是進行單純的、重復(fù)性的數(shù)據(jù)接收工作，而是根據(jù)管理人員工作需要得到的數(shù)據(jù)，更大程度上提高模塊的傳輸性能。因此，根據(jù)實際工程的需要，設(shè)計了如圖2所示的傳輸界面。

圖2 系統(tǒng)傳輸界面

在通信過程中，模塊作為服務(wù)器，需要制定服務(wù)器端程序的端口號以及填寫本端的IP地址，以保證網(wǎng)絡(luò)通信的正常進行。采集間隔用以控制工作站上位機每隔多長時間按要求向服務(wù)器發(fā)送一次溝道數(shù)據(jù)，單位s。ID號對應(yīng)著監(jiān)測的所有溝道的編號，測點選擇則對應(yīng)著可以選擇每個溝道中的不同測點。通道選擇分為雙通道傳輸、模擬通道傳輸以及數(shù)字通道傳輸。雙通道傳輸表示可以同時傳送模擬通道數(shù)據(jù)和數(shù)字通道數(shù)據(jù)。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，要傳輸?shù)臏囟戎?、液位值、煙霧濃度值、可燃?xì)怏w濃度值、有毒氣體濃度值、二氧化碳濃度值，這些都屬于通過模擬通道上傳的數(shù)據(jù)，而入侵監(jiān)測則屬于通過數(shù)字通道上傳的數(shù)據(jù)。

圖2是運行時的傳輸界面。每點擊一次服務(wù)器按鈕，建立一次TCP連接。設(shè)置本服務(wù)器端程序的端口號為5555，本機IP地址為192.186.0.1，連接IP地址為291.245.77.243的工作站上位機，得到2號溝道的3號測點、雙向傳輸通道的數(shù)據(jù)，并且每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔為3 s。最后將接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以便上層管理軟件的使用。當(dāng)工作站上位機完成一次傳輸任務(wù)后便會斷開與主機的連接，直到再有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，便會自動與服務(wù)器進行連接，重新進行數(shù)據(jù)的傳輸工作。

3 上層管理軟件設(shè)計

3.1 開發(fā)模型設(shè)計

設(shè)計一套Web前端軟件，不僅需要其提供靜態(tài)網(wǎng)頁訪問功能，還應(yīng)具有良好的交互能力、后臺數(shù)據(jù)庫訪問能力、提供實時更新數(shù)據(jù)的能力，以及強大的管理能力、動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)功能。

系統(tǒng)的上層管理軟件部分采用JSP Model2的設(shè)計架構(gòu)［4］，即 JSP+JavaBean+DataBase。如圖 3 所示。JavaBean負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫的讀寫操作，Servlet則用于控制各種事務(wù)的分派，JSP負(fù)責(zé)最終頁面的顯示。

圖3 JSP Model2結(jié)構(gòu)圖

使用JSP Model2架構(gòu)的交互過程為:用戶首先通過瀏覽器向Web應(yīng)用中的Servlet發(fā)送請求，Servlet收到請求后調(diào)用JavaBean對象的方法，JavaBean對象返回對數(shù)據(jù)庫的操作結(jié)果，Servlet調(diào)用合適的JSP，并將從數(shù)據(jù)庫中取得的數(shù)據(jù)寫入JSP頁面中，最后通過響應(yīng)消息回送至瀏覽器端，最終將Web頁面呈現(xiàn)在用戶面前。其中，Servlet和JSP組成了整個Web應(yīng)用。

這樣，整個管理軟件被分為3層，即展示層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)庫訪問層。展示層，即JSP層，主要是與用戶進行智能交互，將整個管理軟件系統(tǒng)頁面展示在用戶面前。業(yè)務(wù)邏輯層，即JavaBean層，主要用于對部分業(yè)務(wù)邏輯進行封裝，以及對數(shù)據(jù)庫讀取操作的封裝。數(shù)據(jù)庫訪問層，即DataBase層，主要用于直接對數(shù)據(jù)庫進行操作，輔助JavaBean層完成對數(shù)據(jù)庫的讀取操作。

JSP Model2架構(gòu)在Web開發(fā)中的使用，提高了系統(tǒng)的模塊化程度，適用于大型系統(tǒng)的開發(fā)，使開發(fā)的軟件系統(tǒng)更容易管理與維護。但是，隨著模塊化程度的提高，對開發(fā)人員技術(shù)的挑戰(zhàn)也變得越來越大。

3.2 系統(tǒng)總體規(guī)劃

整個電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)由3部分組成:信息采集編碼層、數(shù)據(jù)打包通信層和傳輸管理層。信息采集層由溝道中監(jiān)測信息的傳感器組成，主要負(fù)責(zé)采集溝道中各節(jié)點傳感器的原始數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的編碼并通過ModBus協(xié)議［5］傳送至數(shù)據(jù)打包通信層，采集的數(shù)據(jù)包括:溫度值、液位值、是否有入侵、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度、有毒氣體濃度和二氧化碳濃度。數(shù)據(jù)打包傳輸層在接收到采集層的編碼數(shù)據(jù)后，會按既定的規(guī)則對編碼數(shù)據(jù)進行打包，并按照TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳送至系統(tǒng)管理層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，以供上層管理軟件統(tǒng)一管理與展示。整個電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

圖4 整個電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

3.3 上層管理軟件主要功能

上層管理軟件主要任務(wù)是:從數(shù)據(jù)庫讀取通過數(shù)據(jù)傳輸模塊存入的數(shù)據(jù)，并進行實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、按時間查詢以及數(shù)據(jù)報表的導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)曲線的繪制、系統(tǒng)登錄權(quán)限的管理、系統(tǒng)設(shè)備的統(tǒng)一管理。

(1)實時數(shù)據(jù)顯示模塊。對溝道內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，包括:溫度、液位、入侵、煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體、二氧化碳等，根據(jù)不同時間間隔的要求刷新Web頁面，讀取最新最準(zhǔn)確的及時數(shù)據(jù)。同時對超限數(shù)據(jù)進行特殊標(biāo)定，提醒管理人員何時、何地出現(xiàn)了異常，便于及時排查處理。

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。顯示溝道傳感器上傳的所有歷史數(shù)據(jù)，并且提供按日期查詢的功能，以便管理人員對特定日期內(nèi)溝道數(shù)據(jù)的查詢。

(3)歷史數(shù)據(jù)曲線繪制模塊。將特定日期內(nèi)某個時間段的采集數(shù)據(jù)進行曲線繪制，方便管理人員了解特定時間段內(nèi)溝道內(nèi)部某項指標(biāo)的走勢情況。

(4)系統(tǒng)權(quán)限管理模塊。為維護系統(tǒng)的安全性，只有授權(quán)注冊的用戶才能登錄此系統(tǒng)，否則，其他人員一律視為非法用戶，無權(quán)登錄系統(tǒng)。

(5)系統(tǒng)設(shè)備管理模塊。對溝道內(nèi)部的各種不同型號的、不同功能的傳感器進行管理。方便管理人員對設(shè)備的統(tǒng)一管理與維護。

4 上層管理軟件的具體實現(xiàn)

上層管理軟件采用B/S的開發(fā)模式，客戶端操作系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng)，瀏覽器推薦使用IE8.0。Web服務(wù)器采用Apache Tomcat5.5。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL5.0數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)登錄頁面

該模塊是為了提高系統(tǒng)的安全性能而設(shè)計的。提供了系統(tǒng)管理人員的登錄功能。只有授權(quán)登錄系統(tǒng)的用戶才能進入該管理系統(tǒng)，查看系統(tǒng)信息。系統(tǒng)在設(shè)計、使用之初，會首先設(shè)定一個管理員，自動默認(rèn)擁有該管理系統(tǒng)的登錄權(quán)限，即自動設(shè)定用戶名和密碼，此時只有管理員才有權(quán)限登錄系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)登錄頁面

本登錄模塊采用了連接池技術(shù)［6］，使用數(shù)據(jù)庫連接類 DbUtil.java完成數(shù)據(jù)庫的連接，用 UserManager.java封裝了關(guān)于數(shù)據(jù)庫用戶管理表的操作。若非法用戶登錄，便會顯示錯誤信息重新定向至登錄頁面，若管理人員登錄，則將用戶登錄信息存放至Session對象中，用于多頁面會話狀態(tài)的維持。

4.2 測點歷史數(shù)據(jù)顯示頁面

測點歷史數(shù)據(jù)顯示頁面顯示了某一溝道中某個測點的所有傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，所有超過設(shè)定閾值的數(shù)據(jù)都將被視為非法數(shù)據(jù)，使用紅色進行報警標(biāo)記。如圖6所示。此外，該頁面還提供了按時間查詢數(shù)據(jù)的功能，管理人員可以根據(jù)需要選擇查看不同時間段的數(shù)據(jù)信息。同時考慮到數(shù)據(jù)信息的可移動性，系統(tǒng)還提供了關(guān)于數(shù)據(jù)的Excel表格導(dǎo)出的功能，這樣，便可將數(shù)據(jù)拷貝至任何需要的地方。

圖6 歷史數(shù)據(jù)顯示頁面

此頁面主要完成對數(shù)據(jù)庫中測點數(shù)據(jù)表的讀取操作，將對數(shù)據(jù)庫的操作代碼封裝在Data_infoManager.java中，將歷史數(shù)據(jù)全部顯示并產(chǎn)生分頁效果的sql語句為:

其中，data為數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表的名稱;pageNo為當(dāng)前顯示的頁碼號;pageSize為每一頁顯示的數(shù)據(jù)個數(shù)。

4.3 測點歷史數(shù)據(jù)曲線圖模塊

此模塊主要是將某一個時間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照不同的類型繪制出相應(yīng)的曲線圖。首先選擇溝道編號，再在具體的溝道編號下選擇具體的測點，在確定好具體的溝道與測點之后，便可進入如圖7所示的頁面。由于監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息當(dāng)中，除了入侵?jǐn)?shù)據(jù)是由數(shù)字通道傳入的以外，其他監(jiān)測數(shù)據(jù)都是由模擬通道輸入的，所以，本管理軟件只繪制模擬曲線，頁面中曲線類型的選擇不包括入侵?jǐn)?shù)據(jù)的選項。

圖7 曲線圖顯示頁面

此模塊主要使用jfreechart組件進行曲線圖的繪制［7］，完全使用JSP頁面中的Java語言編寫。在JSP頁面通過Java語言直接訪問JavaBean組件讀取數(shù)據(jù)庫，得到歷史數(shù)據(jù)，最后繪制數(shù)據(jù)曲線。同時，需要將繪制曲線的相關(guān)jar包引入平臺。本系統(tǒng)開發(fā)使用的包為:jfreechart－1.0.11.jar，jcommon －1.0.14.jar。

測點實時數(shù)據(jù)顯示模塊主要體現(xiàn)了此管理系統(tǒng)的實時性。此模塊將溝道中測點的實時數(shù)據(jù)信息進行顯示，系統(tǒng)設(shè)定每隔5 s進行一次頁面的刷新，即訪問一次數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，得到最新的數(shù)據(jù)信息，顯示在管理頁面上，使溝道管理人員能夠隨時得到準(zhǔn)確的溝道信息，把溝道的安全隱患消滅在萌芽期。如圖8所示。此頁面中，若測得數(shù)據(jù)在安全閾值范圍之內(nèi)，則數(shù)據(jù)顯示綠色表示指標(biāo)正常，若顯示紅色則表示出現(xiàn)異常，需要進一步的排查處理。

圖8 實時數(shù)據(jù)顯示頁面

為了符合系統(tǒng)監(jiān)測實時性能的要求，需要對數(shù)據(jù)庫中新增的測點數(shù)據(jù)進行同步的顯示，即展示W(wǎng)eb頁面的動態(tài)功能。為此，本模塊采用jQuery框架來完成［8］。JSP頁面通過jQuery框架輔助的js文件按照特定的時間間隔訪問讀取數(shù)據(jù)庫的servlet，進行JSP頁面顯示數(shù)據(jù)的更新，形成動態(tài)的頁面效果。

同時，為體現(xiàn)系統(tǒng)實時性這一特點，需要協(xié)調(diào)好數(shù)據(jù)傳輸層接收數(shù)據(jù)的時間間隔與js文件訪問servlet的時間間隔，以便使最新更新的數(shù)據(jù)及時顯示在頁面中。

4.4 系統(tǒng)權(quán)限管理模塊

此模塊主要是用于統(tǒng)一管理擁有此系統(tǒng)登錄權(quán)限的人員。所有需要登錄進入此系統(tǒng)的人員都需要在此注冊信息，才能擁有登錄權(quán)限。如圖9所示。此頁面為已經(jīng)注冊的用戶顯示頁面?？梢酝ㄟ^頁面中的添加、刪除以及修改按鈕對注冊人員的信息進行必要的修改，保證整個管理系統(tǒng)的安全性。

圖9 用戶管理頁面

4.5 設(shè)備管理模塊

此模塊主要是對溝道中所有測點的傳感器進行統(tǒng)一的管理。包括傳感器的設(shè)備編號、設(shè)備型號、所屬的測點編碼、功能名稱、傳感器所在位置的IP編號、傳感器的輸出端口、備注說明以及采集間隔。如圖10所示。

圖10 設(shè)備管理頁面

5 結(jié)束語

本軟件系統(tǒng)采用Java技術(shù)及JSP技術(shù)實現(xiàn)了基于Web的電力電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)的管理模塊。該系統(tǒng)模塊不僅實現(xiàn)了溝道管理的工控自動化，而且能更快、更及時得到溝道內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)，改進了傳統(tǒng)的管理模式，提高了管理效率。

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