一個輕便型綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

姚諸香，房金彥，桂小強，湯文勝

（國網(wǎng)江西省電力公司，江西 南昌 330077）

0 引言

為了對重要系統(tǒng)和設(shè)備進行實時在線監(jiān)視，電力行業(yè)建設(shè)了能量管理系統(tǒng)（EMS）、機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、水調(diào)管理系統(tǒng)（WDS）、數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)、通信網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)等[1]，軌道交通行業(yè)建設(shè)了電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（PSCADA）、機電設(shè)備監(jiān)控（EMCS）、火災自動報警（FAS）、閉路電視（CCTV）等系統(tǒng)[1]，其它行業(yè)也建設(shè)有許多類似的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多為特定目的而設(shè)計、體量大、設(shè)備復用差、信息共享不便。為了解決運行值班人員和維護專責面臨的系統(tǒng)多且相對獨立、設(shè)備多且安裝分散、專業(yè)多且跨度大等問題，作者在文獻[2]中提出了“綜合監(jiān)控”的理念，將各個系統(tǒng)（含異構(gòu)系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)和信息經(jīng)優(yōu)選后采集過來，進行集中展示和監(jiān)控，以便及時發(fā)現(xiàn)異常、準確定位故障。受限于當時的經(jīng)驗和技術(shù)條件，該系統(tǒng)的設(shè)計功能比較單一，經(jīng)過多年的實踐、研究，作者采用軟件工程的方法，對該系統(tǒng)進行了重新設(shè)計，使其功能得到了擴展，性能得到了提升，下面將介紹該系統(tǒng)的設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)及功能組成，并展示部分應(yīng)用示例。

1 系統(tǒng)設(shè)計考慮

一個綜合監(jiān)控系統(tǒng)除了運行穩(wěn)定、安全可靠外，還要考慮以下因素：

1）實用性：功能必須實用，必須能解決實際問題；

2）輕便性：避免新建一套系統(tǒng)，添加一套設(shè)備的老路，主要從軟件上著手，充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源，免去硬件購置、安裝的工作量；

3）松耦合：各功能模塊既是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分，又可分布式部署，客戶端模塊不依賴特定的環(huán)境（常規(guī)實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要實時庫的支持）；

4）擴展性：用戶能夠根據(jù)自身需要，靈活地擴展系統(tǒng)的功能，比如設(shè)定告警觸發(fā)的規(guī)則。常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常與否的規(guī)則有的固化在程序中，有的只能做簡單的設(shè)置，用戶無法對其擴展。

5）適應(yīng)性：能適應(yīng)異構(gòu)的操作系統(tǒng)（unix、windows、linux）、不同的應(yīng)用場景（有人值班、無人值守）、多樣的采集和傳輸方式（網(wǎng)絡(luò)端口、文件和串口）。

6）開放性：作為一個公共平臺，能給第三方提供二次開發(fā)接口，也能給其它用戶提供相應(yīng)的服務(wù)（比如給下級機構(gòu)提供查詢的Web服務(wù)）。

7）易用性：充分發(fā)揮C/S和B/S設(shè)計模式的優(yōu)點，使系統(tǒng)投運后絕大多數(shù)工作能在網(wǎng)頁上完成，相關(guān)程序在后臺以服務(wù)模式運行，基本做到免維護。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遵照上述設(shè)計原則，本系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖1 中的主機是指各種計算機，如工作站、服務(wù)器、PC 機等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是指路由器、交換機及連接在網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備；系統(tǒng)是指為完成某些任務(wù)的設(shè)備及軟件集合，如EMS系統(tǒng)、通信網(wǎng)管系統(tǒng)等。系統(tǒng)服務(wù)器既指物理上的服務(wù)器（構(gòu)成本系統(tǒng)的硬件），也指出服務(wù)端程序。數(shù)據(jù)采集、信息采集、數(shù)據(jù)接收、信息接收、事件觸發(fā)、短信收發(fā)、事務(wù)處理、信息發(fā)布、網(wǎng)站及服務(wù)、文本轉(zhuǎn)語音是本系統(tǒng)的主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊和信息采集模塊作為客戶端運行于相應(yīng)的主機上，文本轉(zhuǎn)語音模塊作為服務(wù)端，運行于有人值班場所的主機上，提供語音服務(wù),這幾個模塊未在圖中示出。數(shù)據(jù)采集模塊和信息采集模塊采集完相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或告警信息后經(jīng)隔離裝置、MOXA（串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口設(shè)備）或串口傳送到數(shù)據(jù)接收程序或信息接收程序。經(jīng)隔離裝置傳輸是適應(yīng)電力二次系統(tǒng)安全防護的要求，采用串口傳輸是因為有的通信網(wǎng)管系統(tǒng)不允許連接到別的網(wǎng)絡(luò)上。

3 系統(tǒng)各模塊功能

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)（監(jiān)視對象的值）是判斷設(shè)備運行正常與否的基礎(chǔ)。當有的設(shè)備未接入任何監(jiān)控系統(tǒng)或雖接入了某個監(jiān)控系統(tǒng)，但該監(jiān)控系統(tǒng)提供的監(jiān)控手段不完整（無短信告警，滿足不了無人值守要求；語音告警功能不實用；設(shè)備運行工況在值班場所不可見；告警判據(jù)滿足不了用戶要求等）時，需要將用戶關(guān)注的數(shù)據(jù)采集過來，施以用戶設(shè)定的告警規(guī)則，實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)控。監(jiān)視數(shù)據(jù)的來源可以是獨立的設(shè)備（主機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能設(shè)備），也可以是監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫或商用數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)采集模塊采用輕便化設(shè)計，C/C++編程，跨操作系統(tǒng)，支持多實例運行，每個實例至少帶兩個必須的參數(shù)：一個是配置文件名，一個是資源文件名。配置文件用于指定被采數(shù)據(jù)源的名稱、采集對象的名稱（定位數(shù)據(jù)）、類型、頻率；資源文件用于設(shè)置采集數(shù)據(jù)的采集方法、傳送目的地（服務(wù)端地址及監(jiān)聽端口號或目錄名）、以及傳輸方式（TCP 報文、文件、串口等）。

可采集的數(shù)據(jù)類型有：

計算機的CPU負載率、內(nèi)存使用率、虛擬內(nèi)存使用率、磁盤分區(qū)使用率或剩余容量、進程狀態(tài)（是否在運行）、文件狀態(tài)（是否存在）、文件大?。ㄈ鏾racle 的日志文件增長到一定程度時會影響性能）、文件數(shù)目（指定目錄下的文件數(shù)目不能無限增大）；監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的遙測量、遙信量、脈沖量、站點通信工況、主備機狀態(tài)等；鏈路狀態(tài)（數(shù)據(jù)采集模塊到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的鏈路是否連通）、數(shù)據(jù)庫連接（數(shù)據(jù)采集模塊是否能打開到指定數(shù)據(jù)庫的連接）；通過存儲過程采集的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)（如調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)安全III 區(qū)歷史庫中的準實時數(shù)據(jù)）；通過snmp 協(xié)議獲取的數(shù)據(jù)；同一數(shù)據(jù)報文（斷面）的數(shù)據(jù)組合出來的新數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)報文（文件格式）見文獻[3]。

3.2 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收模塊將數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)報文或文件進行解析，存儲到數(shù)據(jù)庫，另外，還要根據(jù)用戶設(shè)定的規(guī)則，對各監(jiān)視數(shù)據(jù)進行合理性檢查，滿足條件是按指定模板生成告警信息，保存到數(shù)據(jù)庫或進行語音告警（文本轉(zhuǎn)語音）。

3.3 信息采集

信息采集的功能是采集和傳輸?shù)谌皆O(shè)備和系統(tǒng)中的現(xiàn)成告警信息用以集中展示和處理。有的設(shè)備和系統(tǒng)安裝在機房中，運行值班人員需通過“巡視”的方式來確認其運行狀態(tài)；有的系統(tǒng)規(guī)模龐大，產(chǎn)生的告警信息太多，以致不能引起運行值班人員和維護專責的注意；有的系統(tǒng)因為管轄范圍等原因，告警信息不能及時傳送給需要的人員（比如通信專業(yè)的綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，雖然接入了省、地、縣公司的網(wǎng)管信息，但下級機構(gòu)無法知曉上級機構(gòu)管轄的與本機機構(gòu)關(guān)聯(lián)的設(shè)備告警信息），因此，有必要將運行值班人員和維護專責關(guān)注的告警信息采集過來，集中展示，統(tǒng)一處理。

信息采集的內(nèi)容一般是歷史數(shù)據(jù)庫（關(guān)系數(shù)據(jù)庫）的準實時信息，為了便于功能擴展和增加適應(yīng)性，采集程序采用輪詢的方式實現(xiàn)-逐時段調(diào)用用戶指定的存儲過程以獲取該時段滿足條件的告警信息。存儲過程的名字可由用戶自行指定，輸入?yún)?shù)有開始時間、結(jié)束時間、查詢條件，輸出參數(shù)為這段時間內(nèi)滿足條件的信息。由于查詢條件作為參數(shù)輸入，存儲過程的實現(xiàn)就很靈活，有經(jīng)驗的用戶可自己編寫，亦可委托第三方廠商編寫。

信息采集支持調(diào)用第三方提供的Web Service來采集告警信息，還支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過SNMP Trap協(xié)議發(fā)送過來告警信息的采集。

采集信息的傳輸格式和傳輸方式同數(shù)據(jù)采集。

3.4 信息接收

信息接收模塊將信息采集模塊發(fā)送過來的信息報文或文件進行解析，逐條存儲到數(shù)據(jù)庫，需要時也可進行文本轉(zhuǎn)語音告警。對于過長的告警條文要按指定長度分段，一條分成多條寫入數(shù)據(jù)庫。對于相同的告警信息可按照上、下班時間設(shè)置一定的時間間隔，進行“防抖”處理，減少數(shù)據(jù)庫的寫入次數(shù)。

信息接收支持的接口方式與數(shù)據(jù)接收類似，有TCP端口、文件和串口等方式。

3.5 短信收發(fā)

當設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要將故障信息、故障時間等信息在第一時間通知運行值班人員,甚至維護專責。傳統(tǒng)的告警警示方式有推畫面、語音、文字反相、脫機打印等，隨著手機的普及，短信息也在監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。短信告警雖然有其優(yōu)勢，一般的監(jiān)控系統(tǒng)也只是把它作為一個附屬功能，并沒有作為一個系統(tǒng)來整體設(shè)計。

短信收發(fā)功能就是將數(shù)據(jù)庫中的待發(fā)信息（下行）發(fā)給用戶，將接收到的信息（上行）寫入數(shù)據(jù)庫（供其它模塊處理）。

通過采用設(shè)備冗余、流量均衡、事件驅(qū)動、主備切換、失敗重發(fā)、端口重啟等技術(shù)提高了短信收發(fā)的可靠性和效率，有效解決了設(shè)備掉電、故障、死機、SIM卡欠費、SIM被運營商鎖定等問題。

3.6 文本轉(zhuǎn)語音

文本轉(zhuǎn)語音（Text to Speech）功能適用于有人值班場所，通過將收到的告警信息由計算機“讀出來”，達到警示運行值班人員的目的。本模塊雖是服務(wù)端，但部署在需要的工作站上，以TCP 端口方式接收、解析、朗讀信息采集模塊發(fā)送的報文。

3.7 事件觸發(fā)

遵循數(shù)據(jù)訪問層和業(yè)務(wù)層分離的原則，信息接收模塊只是將收到的告警信息寫入數(shù)據(jù)庫，信息和用戶關(guān)聯(lián)的問題由事件觸發(fā)模塊來解決。告警信息按“系統(tǒng).數(shù)據(jù)源.標識符”格式組織，這也是每條告警信息的定位路徑。有別于一般監(jiān)控系統(tǒng)的告警信息該給誰的思路，本系統(tǒng)采用了信息提供者（provider）和訂閱者（subscriber）的機制（我要哪些）-通過將用戶訂閱字符串和告警信息的定位路徑匹配，以確定該用戶要收的信息。訂閱字符串可以是告警信息定位路徑的全部，也可以是其中的一部分（模糊匹配），例如某類告警信息的路徑為“EMS.SCADA.*”,用戶訂閱字符串為“EMS.*”，則EMS系統(tǒng)的所有相關(guān)告警信息將發(fā)送給該用戶；如果訂閱字符串為“EMS.SCADA.*”，則EMS 系統(tǒng)中SCADA子系統(tǒng)相關(guān)的告警信息將發(fā)送給該用戶。

3.8 信息發(fā)布

信息發(fā)布模塊的主要功能是在指定的時間、按指定的模板、以指定的頻率生成、發(fā)送信息給指定的用戶。信息模板可以是簡單的文本（如通知專責人員巡視設(shè)備和系統(tǒng)的信息），也可以是靜態(tài)文本和“宏”的組合（如電網(wǎng)運行情況匯報），宏數(shù)據(jù)來自用戶指定的數(shù)據(jù)庫，由SQL語句獲取。

舉個簡單的例子，有一名為“當日信息”的模板：$RDATE$XX 電網(wǎng)最大負荷$MAX_LOAD$萬千瓦（$MAX_TIME$）。取最大負荷和出現(xiàn)時間的語句為：select round（cur_002/10,2）As MAX_LOAD,to_char（occur_time,'hh24:mi'）as MAX_TIME from yc_hs_500001 Where to_char（occur_time,'yyyy-mm-dd'）=to_char（sysdate,'yyyy-mm-dd'）Order By cur_002 Desc。

通過“宏”替代，變化的數(shù)據(jù)自動地反映到待發(fā)布信息中，這樣系統(tǒng)的靈活性和可擴展性就大大地提高了。

3.9 事務(wù)處理

事務(wù)處理模塊的主要功能處理用戶發(fā)來的短信（上行信息），完成諸如用戶信息查詢、待發(fā)布信息查詢、故障申告、日志歸檔、信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)接收，還可執(zhí)行用戶發(fā)過來的命令如軟件許可設(shè)置、短信收發(fā)主備通道切換等。

3.10 網(wǎng)站及服務(wù)

網(wǎng)站及服務(wù)模塊分兩部分：網(wǎng)站是用戶主要的操作界面，包括用戶信息管理和權(quán)限設(shè)置、監(jiān)視對象配置和數(shù)據(jù)采集參數(shù)文件生成、告警規(guī)則設(shè)置和告警信息訂閱、信息發(fā)布配置和發(fā)布信息訂閱、公告牌、短信發(fā)送、各種查詢等功能；服務(wù)指的是以Web Service方式提供與第三方的接口，為第三方提供短信收發(fā)、告警信息查詢和存儲等服務(wù)，以便和其它系統(tǒng)集成，形成一體化的系統(tǒng)。

4 應(yīng)用示例

圖2 是監(jiān)視對象舉例，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)視對象定義，生成每個數(shù)據(jù)采集模塊實例所需的配置文件。監(jiān)視對象的名稱被數(shù)據(jù)采集模塊用來定位數(shù)據(jù)，刷新時間告訴數(shù)據(jù)采集模塊以何種頻率采集數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)視對象示例

圖3是告警規(guī)則定義舉例，告警規(guī)則表達式中的$value$是指監(jiān)視對象的值，采樣周期、報警次數(shù)和短信模板用于判斷數(shù)據(jù)是否異常、是否要產(chǎn)生告警、生成怎樣的告警信息。由于采用了比較最近一個時間段的數(shù)據(jù)，可以達到類似五取三的效果，從而消除“抖動”。設(shè)備故障后往往不能立即恢復，為了避免頻繁產(chǎn)生相同的告警信息，利用失效時間這個參數(shù)使規(guī)則在隔一段時間后再起作用。規(guī)則范圍指定哪些監(jiān)視對象要用本規(guī)則。

圖3 告警規(guī)則定義示例

圖4是告警信息訂閱頁面，圖中的責任串用于和告警信息的定位路徑匹配，從而確定用戶希望接收的告警信息。

圖4 告警信息訂閱示例

圖5是信息發(fā)布訂閱頁面，系統(tǒng)中有哪些發(fā)布信息，用戶需要哪些信息，只需勾選就可以了。

圖5 信息發(fā)布訂閱頁面

5 結(jié)束語

文章介紹了一個輕便型綜合監(jiān)控系統(tǒng)，給出了其設(shè)計目的、理念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各功能模塊的主要功能，展示了部分應(yīng)用示例。系統(tǒng)具有實用性、易用性和輕便性、松耦合、擴展性、適應(yīng)性、開放性等特點，較好地解決了運行值班人員和維護專責面臨的系統(tǒng)多且相對獨立、設(shè)備多且安裝分散、專業(yè)多且跨度大的問題。

[1]羅利平.城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方案[J].城市軌道交通研究.2008年11期

[2]姚諸香，何群，郭玉金.利用電信手機短信實現(xiàn)自動化系統(tǒng)綜合監(jiān)控[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（6）：71-72.

[3]姚諸香，金學成，房金彥.一種變電站告警信息直傳的實現(xiàn)方法.江西電力，2014，38（5）：60-63.