防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的設(shè)計(jì)

李 冬 ，殷 紅 ，王 丹 ，2，林 濤 ，3

（1.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300131；2.河北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300130；3.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

防爆電氣設(shè)備[1-2]作為廣泛應(yīng)用于海上石油平臺(tái)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備，其正確的設(shè)計(jì)、選型和安裝是保障設(shè)備性能發(fā)揮的基礎(chǔ)，是確保海洋石油開(kāi)發(fā)安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。由于防爆設(shè)備的分類(lèi)多，產(chǎn)生問(wèn)題的種類(lèi)多，問(wèn)題的復(fù)雜程度不一，傳統(tǒng)的設(shè)備檢查在處理問(wèn)題的速度以及高效性上已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們的需要。

本文針對(duì)現(xiàn)有防爆設(shè)備紙質(zhì)巡檢方式繁瑣、復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種用于Android平臺(tái)的方便、快捷的防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由用于現(xiàn)場(chǎng)信息采集、檢查和維護(hù)的防爆移動(dòng)終端和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理的監(jiān)控中心組成。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息采集、狀態(tài)檢測(cè)，完成故障診斷與維護(hù)記錄。而要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)的同步是該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)據(jù)同步功能分析

防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)移動(dòng)端是運(yùn)行在Android平臺(tái)上的系統(tǒng)[3]。移動(dòng)設(shè)備硬件資源有限，這就要求在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮到系統(tǒng)的性能問(wèn)題，還要考慮系統(tǒng)的內(nèi)存容量問(wèn)題。以一個(gè)大型的石油開(kāi)采的國(guó)家企業(yè)為例，一個(gè)企業(yè)下邊會(huì)有多個(gè)集團(tuán)公司，每個(gè)集團(tuán)公司下邊有多個(gè)子公司，每個(gè)子公司下邊會(huì)有多個(gè)生產(chǎn)設(shè)施，每個(gè)生產(chǎn)設(shè)施中有上百臺(tái)防爆設(shè)備需要管理。針對(duì)系統(tǒng)巨大的數(shù)據(jù)量必須給出相應(yīng)的解決方案，否則系統(tǒng)很有可能因?yàn)閮?nèi)存不足而癱瘓。根據(jù)實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)，不同防爆區(qū)域的防爆設(shè)備的種類(lèi)有很大差異，那么防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就可以以單個(gè)防爆區(qū)域?yàn)榻?，保證系統(tǒng)只應(yīng)用于當(dāng)前防爆區(qū)域，系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的知識(shí)庫(kù)中包含1個(gè)公司信息，這樣就大大減少了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量級(jí)，保證了系統(tǒng)的內(nèi)存使用率。

雖然Android平臺(tái)的防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)級(jí)是以防爆區(qū)域?yàn)閱挝坏模怯忠龅綄?duì)多個(gè)防爆區(qū)域的整體把控，可以將移動(dòng)終端數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Socket通信同步到區(qū)域的服務(wù)端，再對(duì)區(qū)域的服務(wù)端進(jìn)行整合，從而達(dá)到對(duì)多個(gè)防爆區(qū)域把控的目的?？紤]到防爆設(shè)備的無(wú)網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步模塊進(jìn)行移動(dòng)終端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)通信。將所采集到的設(shè)備的基本信息和狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備維護(hù)記錄的數(shù)據(jù)同步到區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)中，區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)再與公司總數(shù)據(jù)庫(kù)通信，保證公司對(duì)所有區(qū)域防爆設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行整體把控。

上述設(shè)計(jì)1個(gè)防爆移動(dòng)終端只應(yīng)用于1個(gè)防爆區(qū)域，只存儲(chǔ)1個(gè)公司的知識(shí)庫(kù)。這樣移動(dòng)終端上的規(guī)則庫(kù)相較于PC機(jī)端的規(guī)則庫(kù)不甚全面。因此在對(duì)特定故障設(shè)備進(jìn)行診斷時(shí)如果沒(méi)有得到相應(yīng)的診斷結(jié)果，則可以通過(guò)在線幫助模塊，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行更為詳細(xì)的故障診斷。當(dāng)操作員在為故障設(shè)備進(jìn)行整修時(shí)，盡管系統(tǒng)給出了專(zhuān)家意見(jiàn)，但是在操作中可能存在各種各樣的執(zhí)行問(wèn)題，這時(shí)操作員就可以通過(guò)在線幫助模塊的在線客服向?qū)＜仪笾鶕?jù)專(zhuān)家指導(dǎo)解決當(dāng)前故障。

2 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

2.1 JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

JSON（Java script object notation）是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，具有良好的可讀性、可擴(kuò)展性、簡(jiǎn)單規(guī)范性、編碼解碼比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)分為2種，組合2種結(jié)構(gòu)就可以形成復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[4]。其結(jié)構(gòu)如下：

對(duì)象對(duì)象在JSON中表示為“{}”括起來(lái)的內(nèi)容，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為{key：value，key：value，...}的鍵值對(duì)的結(jié)構(gòu)，在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中，key為對(duì)象的屬性，value為對(duì)應(yīng)的屬性值，易于理解，取值方法為“對(duì)象.key”獲取屬性值，這個(gè)屬性值的類(lèi)型可以是數(shù)字、字符串、數(shù)組、對(duì)象幾種。

數(shù)組數(shù)組在JSON中是中括號(hào)“[]”括起來(lái)的內(nèi)容， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為["device"，"problem"，"photo"，...]，取值使用索引獲取，字段值的類(lèi)型可以是數(shù)字、字符串、數(shù)組、對(duì)象幾種。

JSON有豐富的編碼和解碼工具，比較常用的有Gson和JSONObject。Android SDK中提供的org.json包中的JSONObject類(lèi)庫(kù)作為解析工具時(shí)是通過(guò)對(duì)key索引的查找來(lái)找到JSON key對(duì)應(yīng)的value值，然后創(chuàng)建一個(gè)變量用于保存解析結(jié)果即可。JSONObject提供2種方法來(lái)讀取，在開(kāi)發(fā)者確定key必定存在的時(shí)候使用 JSONObject.getString（String name）方法來(lái)讀取即可，在key不確定情況下需要使用 jsonObject.optString（String name）來(lái)取值，追蹤optString（String name）方法源碼可看出，在其未找到這個(gè)key時(shí)，會(huì)默認(rèn)給予一個(gè)空字符串作為返回值。

但是，防爆設(shè)備智能管理系統(tǒng)在與服務(wù)端進(jìn)行通信時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是整個(gè)防爆區(qū)域的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，這時(shí)候JSONObject的劣勢(shì)就被明顯擴(kuò)大化，在開(kāi)發(fā)時(shí)間、容錯(cuò)、擴(kuò)展及版本迭代等方面都存在問(wèn)題，因此使用谷歌提供的Gson工具類(lèi)來(lái)解析對(duì)象，Gson采用反射原理，反射找出所有變量，然后對(duì)應(yīng)上JSON所需要的key，尋找key的過(guò)程是不需要開(kāi)發(fā)人員參與的，這樣不僅精簡(jiǎn)了代碼，也提高了系統(tǒng)的性能。

JSON封裝的實(shí)現(xiàn)方案是一個(gè)逆向的過(guò)程，通過(guò)JSONObject方式所調(diào)用的方法為jsonObject.put（String name，boolean value） 來(lái)添加一個(gè) key&value，而Gson則直接轉(zhuǎn)換實(shí)體對(duì)象，所調(diào)用方法為gson.toJson（Object src）。兩者都可達(dá)到封裝 JSON 數(shù)據(jù)的目的。org.json包中提供toJSONString（）方法，可以查看JSON的字符串結(jié)構(gòu)。

本文的設(shè)備信息數(shù)據(jù)的JSON結(jié)構(gòu)如下：

2.2 異步線程

移動(dòng)終端與服務(wù)端通信時(shí)，任務(wù)的執(zhí)行速度受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及數(shù)據(jù)量大小等多種因素影響。Android應(yīng)用中如果一個(gè)界面超過(guò)5 s沒(méi)有響應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)ANR錯(cuò)誤。為了避免ANR錯(cuò)誤，本文的數(shù)據(jù)通信采用異步請(qǐng)求方式處理，移動(dòng)終端發(fā)送上傳或下載數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，由異步線程在后臺(tái)進(jìn)行執(zhí)行，不會(huì)影響系統(tǒng)本身的使用，當(dāng)服務(wù)端有數(shù)據(jù)返回時(shí)，采用回調(diào)方式進(jìn)行處理。移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求異步線程流程如圖1所示。

圖1 移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求異步線程流程Fig.1 Flow chart of mobile terminal upload data network request asynchronous thread

2.3 移動(dòng)終端數(shù)據(jù)傳輸

移動(dòng)終端與服務(wù)端進(jìn)行通信，上傳的數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備基本信息、設(shè)備問(wèn)題信息、設(shè)備維護(hù)記錄信息、照片信息等。移動(dòng)終端向服務(wù)端上傳數(shù)據(jù)時(shí)，連接成功建立后，首先向服務(wù)端發(fā)送上傳數(shù)據(jù)標(biāo)志，表明此次連接的目的。之后對(duì)將要上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON封裝，將封裝完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)端。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，移動(dòng)終端向服務(wù)端發(fā)送上傳完成的信號(hào)，等待服務(wù)端響應(yīng)。若移動(dòng)終端收到服務(wù)端接收完成的信號(hào)，提示上傳成功，關(guān)閉Socket連接，此次數(shù)據(jù)上傳服務(wù)結(jié)束。若6 s后仍未收到服務(wù)端接收成功的信號(hào)，則提示上傳失敗，關(guān)閉Socket連接，服務(wù)結(jié)束[5]。移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。

圖2 移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)的流程Fig.2 Flow chart of mobile terminal of upload data

移動(dòng)終端與服務(wù)端進(jìn)行通信，下載的數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備基本信息、設(shè)備問(wèn)題信息、國(guó)標(biāo)信息、設(shè)備維護(hù)記錄信息等。移動(dòng)終端下載數(shù)據(jù)時(shí)，連接建立成功后移動(dòng)終端向服務(wù)端發(fā)送下載數(shù)據(jù)標(biāo)志，之后等待服務(wù)端的數(shù)據(jù)。若接收到服務(wù)端數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON解析，之后存入本地SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中[6]。當(dāng)收到服務(wù)端發(fā)出的傳輸完成的信號(hào)，向服務(wù)端發(fā)送接收完成的信號(hào)，提示下載成功，關(guān)閉Socket連接，此次下載數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)束。若超過(guò)規(guī)定時(shí)間6 s后仍未收到服務(wù)端的響應(yīng)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，或者服務(wù)端出現(xiàn)故障，則提示下載失敗，關(guān)閉Socket連接，服務(wù)結(jié)束。移動(dòng)終端下載數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

2.4 清除數(shù)據(jù)

移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)完成之后系統(tǒng)要自動(dòng)清除已經(jīng)上傳完畢的設(shè)備信息、診斷記錄以及相應(yīng)的照片。下次設(shè)備檢查之前，再使用下載功能，從區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)同步防爆區(qū)域的設(shè)備基本信息，以及歷史的問(wèn)題記錄。

圖3 移動(dòng)終端下載數(shù)據(jù)的流程Fig.3 Flow chart of mobile terminal of download data

接口IDbBase負(fù)責(zé)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，DbBase類(lèi)具體實(shí)現(xiàn)了IDbBase接口。移動(dòng)終端在上傳成功后，在回調(diào)函數(shù)中調(diào)用DbBase中的刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的方法，deleteDevice（）清空設(shè)備信息表，deleteProblem（）清空設(shè)備問(wèn)題表，deleteRecord（）清空設(shè)備記錄表，deletePhoto（）清空照片信息表等。在清空照片信息表之前，調(diào)用deletefile（）方法，根據(jù)表中記錄的照片地址，刪除已經(jīng)成功上傳的SD卡中的照片。

3 服務(wù)端設(shè)計(jì)

3.1 文件傳輸

系統(tǒng)采用基于TCP協(xié)議的Socket通信進(jìn)行移動(dòng)終端與服務(wù)端通信。在進(jìn)行文件傳輸時(shí)，為了保證服務(wù)器能提供高效、穩(wěn)定的服務(wù)，服務(wù)端必須建立Buffer池處理傳輸時(shí)的流文件，防止內(nèi)存碎片。

由于系統(tǒng)需要對(duì)維護(hù)整修后的設(shè)備進(jìn)行拍照記錄維護(hù)結(jié)果。那么在平均每個(gè)區(qū)域百臺(tái)設(shè)備的情況下，如果對(duì)30%的設(shè)備進(jìn)行了拍照結(jié)果記錄，那這個(gè)內(nèi)存占用量也是相當(dāng)巨大。因此不僅要對(duì)拍照后的照片進(jìn)行壓縮，保存為bitmap格式，也要定期將照片上傳到服務(wù)端存儲(chǔ)，然后清除已上傳的照片，降低系統(tǒng)內(nèi)存溢出的風(fēng)險(xiǎn)。

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查的過(guò)程中，采用的是防爆設(shè)備檢查的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為了保證設(shè)備檢查的正確性、規(guī)范性，必須不定時(shí)更新相關(guān)的設(shè)備檢查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此數(shù)據(jù)同步模塊還要實(shí)現(xiàn)對(duì)防爆設(shè)備檢查的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)更新。

移動(dòng)終端向服務(wù)端傳輸設(shè)備維護(hù)記錄的照片時(shí)，是以文件的形式進(jìn)行傳輸?shù)?。從服?wù)端同步最新的國(guó)標(biāo)時(shí)，也是以文件的形式傳輸?shù)?。文件的讀取方式大致分為2種，流和BASE64。本文采用流方式讀取。因?yàn)橐苿?dòng)終端的內(nèi)存有限，文件采用寫(xiě)入的方式存放在存儲(chǔ)空間，為避免發(fā)生內(nèi)存溢出，流文件每次讀取的大小都固定為10 kb，每次讀取之后就寫(xiě)入存儲(chǔ)空間，當(dāng)數(shù)據(jù)總長(zhǎng)和讀取總長(zhǎng)一致就代表文件下載成功。因此進(jìn)行文件傳輸時(shí)，要先傳輸文件的大小，接收之后方可進(jìn)行大小比對(duì)，判斷文件是否成功接收。相比于讀取，上傳則較為復(fù)雜，文件上傳一般是使用流文件。而單文件和多文件實(shí)際步驟上差別不大，正如文件讀取一樣，文件上傳通過(guò)寫(xiě)入流到網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求中再提交到服務(wù)端即可。

3.2 服務(wù)端數(shù)據(jù)傳輸

服務(wù)端接收數(shù)據(jù)時(shí)，連接建立成功并收到移動(dòng)終端的上傳數(shù)據(jù)請(qǐng)求標(biāo)志后，服務(wù)端等待接收移動(dòng)終端數(shù)據(jù)。服務(wù)端收到移動(dòng)終端數(shù)據(jù)后，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON解析，并將解析后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。若服務(wù)端收到移動(dòng)終端的上傳完成的信號(hào)，則向移動(dòng)終端發(fā)送接收完成的信號(hào)，關(guān)閉Socket連接服務(wù)結(jié)束。若超過(guò)規(guī)定時(shí)間6 s后仍未收到移動(dòng)終端的響應(yīng)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，或者移動(dòng)終端出現(xiàn)故障，則接收失敗，關(guān)閉 Socket連接，服務(wù)結(jié)束。服務(wù)端接收數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。

服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，連接建立成功并收到移動(dòng)終端下載數(shù)據(jù)請(qǐng)求標(biāo)志后，服務(wù)端從區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)中查找數(shù)據(jù)，并封裝成JSON格式，發(fā)送給移動(dòng)終端。服務(wù)端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，向移動(dòng)終端發(fā)出傳輸完成的信號(hào)，等待移動(dòng)終端響應(yīng)。若收到移動(dòng)終端接收完成的信號(hào)后，發(fā)送成功，關(guān)閉Socket連接，服務(wù)結(jié)束。若超過(guò)規(guī)定時(shí)間6 s后仍未收到移動(dòng)終端的響應(yīng)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，或者移動(dòng)終端出現(xiàn)故障，則發(fā)送失敗，關(guān)閉Socket連接，服務(wù)結(jié)束。服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。

圖5 服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的流程Fig.5 Flow chart of server sending data

3.3 數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)同步模塊主要負(fù)責(zé)移動(dòng)終端和服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)通信。移動(dòng)終端向服務(wù)端上傳新的設(shè)備基本信息、設(shè)備問(wèn)題記錄、設(shè)備維護(hù)記錄等數(shù)據(jù)，上傳成功后自動(dòng)清空已經(jīng)上傳完畢的診斷記錄以及相應(yīng)的照片。移動(dòng)終端從服務(wù)器下載防爆區(qū)域的設(shè)備基本信息，某一時(shí)間段的設(shè)備歷史問(wèn)題記錄，以及最新的防爆設(shè)備檢查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

移動(dòng)終端通過(guò)SocketActivity與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。首先SocketActivity提供IP地址和端口號(hào)調(diào)用異步請(qǐng)求類(lèi)HttpSocketTask，發(fā)起Socket連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，之后SocketActivity中doSocket-Task（）回調(diào)異步請(qǐng)求結(jié)果。進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，需要與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，IDbBase是負(fù)責(zé)程序與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)交互的接口，DbBase是接口的實(shí)現(xiàn)類(lèi)。主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、刪除和修改。移動(dòng)終端與服務(wù)端通信的類(lèi)圖如圖6所示。

圖6 移動(dòng)終端與服務(wù)端通信類(lèi)圖Fig.6 Mobile terminal and server communication class diagram

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了移動(dòng)終端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)同步功能，分別確定了移動(dòng)終端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸流程，包括數(shù)據(jù)上傳和下載。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，保證了智能管理系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中海石油海南液化天然氣有限公司，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常。整個(gè)系統(tǒng)可推廣到爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所防爆電氣設(shè)備管理中。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣防爆安全規(guī)范：AQ3009-2007[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[2]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第15部分：危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣安裝（煤礦除外）：GB3836.15-2000[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]何玉輝，原建偉，王坤.基于Android平臺(tái)手工電弧焊工藝專(zhuān)家系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].熱加工工藝，2014，43（23）：215-218.

[4]范會(huì)敏，陳棚，張萌.基于Android的故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石油管材與儀器，2015，1（4）：21-24.

[5]戴建國(guó)，賴(lài)軍臣.基于圖像規(guī)則與Android手機(jī)的棉花病蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（1）：35-44．

[6]高洪巖.Android學(xué)習(xí)精要[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.