網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉耀崇+巢翌+高艷華等

摘要：為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測控和硬件測試資源共享，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到軍事裝備單元測試系統(tǒng)中，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和軟件模型，分析了信息共享模型和硬件共享策略技術(shù)難點(diǎn)，提出了基于XML的測試診斷信息統(tǒng)一模型，研究了硬件測試資源的共享策略和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度方法，對于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化單元測試測控系統(tǒng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化測控；遠(yuǎn)程測控；信息共享策略

DOIDOI：10.11907/rjdk.151220

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16727800（2015）006015703

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡介作者簡介：劉耀崇（1988-），男，北京人，中國航天二院研究生院碩士研究生，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度；巢翌（1967-），女，北京人，碩士，北京控制與電子技術(shù)研究所所長、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用；高艷華（1971-），女，北京人，碩士，北京控制與電子技術(shù)研究所軟件研發(fā)中心主任、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用、軟件工程；王曉林（1979-），女，北京人，碩士，北京控制與電子技術(shù)研究所軟件研發(fā)中心高級工程師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用。

0 引言

信息化時代戰(zhàn)場，單一武器的決勝作用逐漸弱化，體系與體系的對抗已成為高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要特點(diǎn)。武器系統(tǒng)特別是高技術(shù)武器系統(tǒng)，只有通過各種信息的引導(dǎo)，采取網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)通，才能成為密切配合、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的打擊力量，從而發(fā)揮最大效能和潛能。

近年來，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)共享得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在航空航天等國防科技領(lǐng)域。新一代控制系統(tǒng)軟件以網(wǎng)絡(luò)為中心實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的分布式應(yīng)用。隨著測控任務(wù)日趨復(fù)雜以及大范圍測控要求的日益增多，組建遠(yuǎn)程測控、網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)非常必要[1]。隨著彈載數(shù)據(jù)鏈和信息化發(fā)射平臺等技術(shù)的深入應(yīng)用，導(dǎo)彈武器中的飛行控制系統(tǒng)、測試發(fā)射控制系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)將是數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)中的一個節(jié)點(diǎn)；而隨著導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)保障系統(tǒng)的信息化，導(dǎo)彈的綜合測試與維修保障系統(tǒng)都將網(wǎng)絡(luò)化[23]。網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三級，分別為管理級（服務(wù)器端）、用戶級（客戶端）、過程級（現(xiàn)場測控系統(tǒng)）。網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于三層體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化涉及硬件資源共享，硬件資源在使用中容易產(chǎn)生需求沖突，需要研究合理的共享策略避免沖突產(chǎn)生；不同測試流程、不同設(shè)備產(chǎn)生的信息類型可能不同，使得信息之間的交互很難實(shí)現(xiàn)，需要構(gòu)建統(tǒng)一的信息模型來實(shí)現(xiàn)信息共享[4]。

1 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的工作方式有兩種，分別為B/S和C/S模式。B/S模式下，數(shù)據(jù)采集、處理等操作均在服務(wù)器端進(jìn)行，將測試數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)布，用戶可以通過瀏覽器發(fā)出任務(wù)請求和查看數(shù)據(jù)；C/S模式下，服務(wù)器直接將測試結(jié)果通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到客戶端，數(shù)據(jù)的處理操作集中在客戶端。與C/S模式相比，B/S模式簡化了客戶端的開發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)，簡化了用戶操作，適合網(wǎng)上發(fā)布；而C/S模式交互性強(qiáng)、安全性高，降低了網(wǎng)絡(luò)通信量，提高了速度[56]。本系統(tǒng)選擇客戶端、服務(wù)器端軟件均需自行設(shè)計的C/S模式。

圖1描述了網(wǎng)絡(luò)化單元測試系統(tǒng)進(jìn)行的單元測試工作。其中，客戶端為控制器、慣性測量組合（簡稱慣組）及配電器單元測試。測試過程中，客戶端發(fā)送測試指令給服務(wù)器端，服務(wù)器端接收不同客戶端的測試指令并將測試指令分配給不同的測控設(shè)備，測試完成后，測控設(shè)備將測試數(shù)據(jù)返回給服務(wù)器端，服務(wù)器端將測試數(shù)據(jù)分析處理后將結(jié)果返回給不同的客戶端，并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式保存各個單機(jī)設(shè)備的測試數(shù)據(jù)。不同的客戶端均能隨時通過服務(wù)器讀取不同單機(jī)不同時段的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。圖1運(yùn)行場景中實(shí)線箭頭表示網(wǎng)絡(luò)化單元測試系統(tǒng)的測試指令流，虛線箭頭表示測試結(jié)果數(shù)據(jù)流[7]。

軟件模型較為固定，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)同樣分為三部分，分別為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、客戶端和現(xiàn)場測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的軟件模型如圖2所示。

2 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

測控軟件是為了有效運(yùn)用硬件資源、實(shí)現(xiàn)各種測控功能而提供的程序系統(tǒng)及有關(guān)資料的集合。網(wǎng)絡(luò)化測控軟件與傳統(tǒng)測控軟件的不同之處在于增加了網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測控。不同于傳統(tǒng)的測控軟件，在遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)中：①服務(wù)器、客戶端和現(xiàn)場測控設(shè)備需要用網(wǎng)絡(luò)連接起來；②共享的硬件設(shè)備需要合理調(diào)度使用，避免請求使用上的沖突；③不同測試設(shè)備間信息共享，需要構(gòu)建統(tǒng)一的信息模型。

2.1 測試診斷信息統(tǒng)一模型

信息模型是一種標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)方式，是一系列用于描述系統(tǒng)測試診斷知識和功能特性的抽象定義，提供一個用于測試診斷的信息框架，在測試的不同階段、不同維修級別、不同測試手段、不同診斷方式和不同診斷要素中共享。

在網(wǎng)絡(luò)化單元測試中，數(shù)據(jù)采集是一個重要環(huán)節(jié)，且要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如果沒有一致的信息模型定義，數(shù)據(jù)的交互和重用難度會很大，這就需要構(gòu)建合理的測試診斷信息模型。測試診斷信息模型要求創(chuàng)建一致的信息模型和信息接口，把與測試診斷相關(guān)的數(shù)據(jù)模型化，消除不同領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)和信息的表達(dá)差異，實(shí)現(xiàn)測試診斷數(shù)據(jù)共享和信息的有效融合。圖3 為數(shù)據(jù)采集過程。

測試診斷信息的統(tǒng)一模型設(shè)計如圖4所示。測試診斷信息包括5種模型，具體信息包含在5種模型中，如在輔助信息模型中包括測試時間、測試陣地、測試地點(diǎn)、測試濕度、測試人員等具體信息，見圖5。

信息模型結(jié)構(gòu)設(shè)計采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹形結(jié)構(gòu)。測試診斷信息為樹的根節(jié)點(diǎn)，項(xiàng)目名稱、被測對象模型、測試設(shè)備模型等項(xiàng)為孩子節(jié)點(diǎn)，具體到每一個孩子節(jié)點(diǎn)又有具體的測試信息為其子節(jié)點(diǎn)。采用這種模型主要考慮以下兩點(diǎn)：①信息內(nèi)容、格式種類較多，比較復(fù)雜。如采用一對多的單一模型，信息在數(shù)據(jù)庫中的存儲會非常冗雜，讀取數(shù)據(jù)庫中某一具體信息的時間復(fù)雜度較大；②測試人員在對測試結(jié)果進(jìn)行處理時，可以快速在數(shù)據(jù)列表中找到需要的信息。

信息模型采用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)。XML語言格式簡單，具有很好的擴(kuò)展性[8]。XML純文本格式可以在不同操作系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)通信，解決數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的問題[9]。

2.2 測試資源共享策略

測試資源網(wǎng)絡(luò)共享模式主要有兩類：①遠(yuǎn)程計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)直接同共享儀器設(shè)備相連。這種模式需要儀器設(shè)備上有自己的擴(kuò)展網(wǎng)卡和IP地址。這種共享方式實(shí)時性較好，但只適用于一些控制器上有擴(kuò)展網(wǎng)卡的設(shè)備；②遠(yuǎn)程計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接異地計算機(jī)來控制儀器設(shè)備，這是目前設(shè)備共享普遍采用的一種方式，實(shí)時性不如第一種，但有較好的擴(kuò)展性。

本系統(tǒng)中的測試資源網(wǎng)絡(luò)共享采用第二種共享模式，接入網(wǎng)絡(luò)的下位機(jī)可以通過現(xiàn)場總線與多臺設(shè)備相連進(jìn)行控制。

作業(yè)調(diào)度問題涉及用戶、測試資源和管理員。管理員雖然具有最高權(quán)限，但其側(cè)重共享系統(tǒng)的宏觀調(diào)控和共享環(huán)境的建設(shè)，一般不干涉作業(yè)調(diào)度，所以作業(yè)調(diào)度的對象主要是用戶和測試資源。用戶的目標(biāo)是在合適的時間、地點(diǎn)使用合適的設(shè)備，測試資源的管理目標(biāo)是在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，使測試資源的利用率達(dá)到最大化，兩者相互依賴，測試資源必須被用戶使用才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備共享。用戶請求使用資源流程如圖6所示。

任務(wù)請求有4種狀態(tài)，分別為阻塞、就緒、執(zhí)行和掛起，如圖7所示，類似操作系統(tǒng)中進(jìn)程的狀態(tài)。在進(jìn)程調(diào)度中，有一種高優(yōu)先級搶占式輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，本任務(wù)調(diào)度策略與該算法類似，但本策略是一種宏觀調(diào)度，并非以時間片為單位，所以不同任務(wù)資源不沖突時可以看作同時執(zhí)行[1011]。阻塞隊(duì)列中任務(wù)有兩種，分別為新加入任務(wù)和資源被占用任務(wù)，新到的任務(wù)請求要優(yōu)先級處理，就緒隊(duì)列中的任務(wù)會轉(zhuǎn)換到阻塞狀態(tài)。處于就緒、阻塞和掛起狀態(tài)的任務(wù)請求均采用隊(duì)列（FIFO）結(jié)構(gòu)存儲。本策略中任務(wù)的調(diào)度過程符合隊(duì)列的先進(jìn)先出原則。任務(wù)級別分為低、中、高3個等級。普通請求均為低級；高優(yōu)先級特指急需測試結(jié)果的任務(wù)請求；由掛起態(tài)進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先級為中。就緒態(tài)的任務(wù)隊(duì)列按照優(yōu)先級從高到低排序，依次進(jìn)入執(zhí)行態(tài)[12]。如A、B、C三個任務(wù)，A、B為低優(yōu)先級，C為高優(yōu)先級。假如A和B 為先到的任務(wù)并且資源不沖突，A、B已經(jīng)在并行執(zhí)行狀態(tài)，當(dāng)C發(fā)出任務(wù)請求時，因?yàn)閮?yōu)先級高于A 、B，且占用了B的資源，所以B 轉(zhuǎn)換到掛起態(tài)然后進(jìn)入阻塞隊(duì)列，優(yōu)先級由低變?yōu)橹?，?dāng)C完成時，B進(jìn)入就緒態(tài)，并且排在低優(yōu)先級任務(wù)前等待。具體任務(wù)調(diào)度示例如圖8所示。

3 結(jié)語

本文利用單元測試測控資源組建了一種由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（包括數(shù)據(jù)庫）、客戶端和現(xiàn)場測控系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化單元測試測控試驗(yàn)系統(tǒng)，針對實(shí)際中硬件測試資源緊缺現(xiàn)狀，研究了測試診斷信息的統(tǒng)一模型和測試資源共享策略等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制以及對被測對象的分布式測試與診斷，并完成了測量信息、測試數(shù)據(jù)的資源共享，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)的優(yōu)越性。

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