水泥生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇中鮮，范太華，楊春明，王 磊

（西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽 621010）

水泥生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇中鮮，范太華，楊春明，王 磊

（西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽 621010）

為了實(shí)現(xiàn)水泥廠生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，目前使用的較多的存儲(chǔ)為時(shí)序數(shù)據(jù)庫，考慮到成本等因素，選擇關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫在存儲(chǔ)大量工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)有一些技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)這些需要解決的問題，提出了中間緩沖和相同數(shù)據(jù)放棄存儲(chǔ)等技術(shù)，中間緩存技術(shù)很好地解決了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫時(shí)的效率問題，相同數(shù)據(jù)放棄存儲(chǔ)則可以很好地壓縮數(shù)據(jù)量，使得整個(gè)系統(tǒng)更加輕便和利于后續(xù)的分析工作；首先對(duì)水泥廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行認(rèn)知和分解，指出關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)；綜上設(shè)計(jì)了總體模型，采用opc協(xié)議與采集服務(wù)器進(jìn)行通信，通過在水泥廠現(xiàn)場(chǎng)部署數(shù)據(jù)采集客戶端運(yùn)行，效果良好，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；關(guān)系數(shù)據(jù)庫；緩沖；OPC協(xié)議；水泥廠

0 引言

工業(yè)一直是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一大戰(zhàn)場(chǎng)，主要目的就是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制，使得工廠的生產(chǎn)和制造過程更加自動(dòng)化、效率化、精確化，并具有可控性及可視性。隨著工業(yè)的信息集成系統(tǒng)迅速壯大，將覆蓋從現(xiàn)場(chǎng)控制到監(jiān)控等各個(gè)層次和環(huán)節(jié)，工業(yè)控制的核心數(shù)據(jù)通信在研究中受到越來越多的重視。

在工業(yè)控制中存在兩類數(shù)據(jù)通信問題：第一類是控制系統(tǒng)如何與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行交換，第二類是工業(yè)過程管理等高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)如何與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，文獻(xiàn)［1-3］介紹了工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)通信知識(shí)。工業(yè)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一般都是大量和繁雜的，為了保存這些數(shù)據(jù)以備后用，在開發(fā)中用到的方法為采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，但這也存在著缺點(diǎn)，最重要的就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫相對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫過于昂貴，一般的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫都在幾十萬上下，這對(duì)于工業(yè)控制開發(fā)是一筆不小的開支。

本文在開發(fā)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集客戶端中運(yùn)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫代替實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，為后來開發(fā)可視端做好數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)備，通過在水泥廠生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)部署采集客戶端運(yùn)行，存儲(chǔ)延遲在允許的范圍內(nèi)，其運(yùn)行效果達(dá)到了工業(yè)控制級(jí)要求。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 OPC協(xié)議介紹

OPC協(xié)議在工控軟件開發(fā)中廣泛使用，因此，在水泥生產(chǎn)線上采用OPC技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)客戶端開發(fā)，文獻(xiàn)［4-7］詳細(xì)介紹了OPC協(xié)議。

OPC協(xié)議的主要作用是在硬件產(chǎn)品與軟件產(chǎn)品之間提供一個(gè)可以通用的接口，這樣在開發(fā)對(duì)硬件的控制軟件時(shí)就不必要考慮硬件的本身屬性，只需要知道硬件提供的OPC接口，通過這樣的一個(gè)OPC接口就可以把研究的重心放在程序本身的控制流程中，大大地降低了開發(fā)的成本也使得整個(gè)行業(yè)更加地標(biāo)準(zhǔn)化，這樣就可以用通用的開發(fā)方式對(duì)硬件開發(fā)。

OPC Server透過一組一組的接口提供服務(wù)，然而在實(shí)際的框架上，OPC Server共分為了三層：它們分別是OPCServ-er、OPCGroup和OPCItem，在框架中每一個(gè)OPCItem對(duì)應(yīng)到一個(gè)實(shí)際的硬件裝置上的某一個(gè)channel或port，每一個(gè)OPCGroup則包含了許多的OPCItem，同時(shí)并定義這些OPCItem更新的時(shí)間、方式，以及提供讀取OPCItem值的接口，而每一個(gè)OPCServer則包含若干個(gè)OPCGroup，同時(shí)提供操作這些OPCGroup的接口。如圖1為三者的關(guān)系。

圖1 OPCServer／OPCGroup／OPCItem關(guān)系圖

1.2 仿真服務(wù)器選擇

在實(shí)際的水泥生產(chǎn)線上，所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都由監(jiān)測(cè)設(shè)備直接發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，但是這些遠(yuǎn)程服務(wù)器只是記錄當(dāng)時(shí)的值而不會(huì)存儲(chǔ)下來，為了能夠存儲(chǔ)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以備后用，必須通過接口自己開發(fā)采集客戶端，在開發(fā)中由于無法使用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程服務(wù)器，只能在本地安裝模擬服務(wù)器，在該客戶端開發(fā)中使用MatrikonOPC Server，該服務(wù)器由水泥廠直接提供，在本地安裝即可使用，文獻(xiàn)［8-9］介紹了仿真服務(wù)器。

MatrikonOPC Server廣為使用，主要有如下優(yōu)勢(shì)：1）安裝組態(tài)簡(jiǎn)單、方便、迅速，統(tǒng)一管理，所有opc server安裝及組態(tài)界面統(tǒng)一，簡(jiǎn)單易懂，掌握一種opc server后，基本其它的opc server也就懂了。另外matrikonopc server基本都可以保證現(xiàn)場(chǎng)裝置系統(tǒng)不停車的情況下進(jìn)行在線實(shí)施，這樣可以縮短項(xiàng)目施工周期；2）特有opc通信安全軟件產(chǎn)品，opc數(shù)據(jù)通信本身沒有安全設(shè)置，對(duì)生產(chǎn)及信息安全是隱患，matrikonopc security gateway可以在現(xiàn)有的任何opc體系中間填補(bǔ)安全漏洞，它提供了opc通信系統(tǒng)對(duì)訪問權(quán)利的可操作性。同時(shí)matrikonopc tunneller這一產(chǎn)品成功地消除了dcom設(shè)置帶來的麻煩，在建立安全opc通信虛擬隧道的同時(shí)，大大縮短項(xiàng)目集成調(diào)試時(shí)間；3）產(chǎn)品可靠性高，所有的matrikonopc產(chǎn)品都是經(jīng)過了opc基金會(huì)測(cè)試和認(rèn)證的軟件，確保軟件符合opc基金會(huì)發(fā)布的opc訪問規(guī)范，在此基礎(chǔ)上保證了多個(gè)供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互通和友好共存性；4）強(qiáng)大opc技術(shù)支持，公司為國(guó)內(nèi)用戶提供全方位的技術(shù)支持。MatrikonOPC Server界面如圖2。

1.3 編程接口與通信方式應(yīng)用

本文中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集客戶端運(yùn)用在水泥廠中，水泥生產(chǎn)線也屬于工業(yè)控制系統(tǒng)，也存在上面的兩個(gè)數(shù)據(jù)通信問題，通過對(duì)這兩個(gè)問題的不斷研究，目前使用最為廣泛的解決方案是采用傳統(tǒng)客戶機(jī)／服務(wù)器模型。如圖3所示為OPC （OLE for Process Control，過程控制的對(duì)象鏈接與嵌入）模型在水泥廠的應(yīng)用。

OPC規(guī)范設(shè)計(jì)為硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用在許多的應(yīng)用程序中。在水泥廠生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)中基于OPC接口標(biāo)準(zhǔn)訪問的服務(wù)器為大型企業(yè)的專業(yè)服務(wù)器，在實(shí)驗(yàn)中使用模擬的OPC服務(wù)器設(shè)計(jì)為一個(gè)本地仿真服務(wù)器，采用的仿真服務(wù)器為實(shí)驗(yàn)中流行的MatrikonOPC Server，可執(zhí)行的配置文件為水泥廠直接取得的一條生產(chǎn)線上的關(guān)鍵點(diǎn)信息。一般的OPC服務(wù)器配置為直接在服務(wù)器中一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地生成，但是這樣的效率比較低，第二種方式就是直接把配置信息寫成xml文件然后直接導(dǎo)入到服務(wù)器中，這種方式的有點(diǎn)是具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和格式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜事務(wù)的描述，在應(yīng)用中方便維護(hù)［10］。

圖2 仿真服務(wù)器Matrikon OPC Server界面

圖3 水泥廠OPC模型

把生產(chǎn)線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息全部寫入“監(jiān)測(cè)點(diǎn).xml”文件中，其中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的寫法為：＜PSTAlias itemPath＝＂Random.Real4＂（數(shù)據(jù)類型）name＝＂I_3500L01＂（監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱）／＞；在MatrikonOPC Server中通過打開“監(jiān)測(cè)點(diǎn).xml”來實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器端的配置。以上的步驟完成之后就可以采用OPC標(biāo)準(zhǔn)支持的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

服務(wù)器端已經(jīng)配置好，開始對(duì)客戶端的設(shè)計(jì)做工作，在這里采用C＃的語言來進(jìn)行客戶端的開發(fā)，OPC規(guī)范中用于訪問服務(wù)器對(duì)象的外部接口有兩種：定制接口和自動(dòng)化接口，在這里使用定制接口，因?yàn)槎ㄖ平涌诘男室哂谧詣?dòng)化接口而且OPC服務(wù)器也支持定制接口類型，綜上設(shè)計(jì)好的客戶端與服務(wù)器訪問關(guān)系如圖4。

圖4 OPC客戶端／服務(wù)器關(guān)系圖

客戶端的設(shè)計(jì)在測(cè)試系統(tǒng)中把需要的數(shù)據(jù)從服務(wù)器端采集過來存入本地或者遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中。編程時(shí)客戶端程序通過接口訪問訪問OPC服務(wù)器對(duì)象，利用服務(wù)器組件提供的服務(wù)器對(duì)象接口和組對(duì)象接口獲取要讀取的OPC對(duì)象的相關(guān)信息，包括值、品質(zhì)和時(shí)間戳，利用這些對(duì)象屬性、方法和調(diào)用時(shí)間過程編寫應(yīng)用程序。

在測(cè)試系統(tǒng)中采集的信號(hào)數(shù)量一般都比較少，比如幾百個(gè)點(diǎn)，上述設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)采集客戶端就可以滿足，而且穩(wěn)定性能也不錯(cuò)，然而當(dāng)把該客戶端放入實(shí)際的水泥廠監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)，就出現(xiàn)了一些問題，如為獲得毫秒級(jí)的被測(cè)信號(hào)數(shù)值和獲得較高的通信效率，一次采集5 000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)讓客戶端在瞬間崩潰，所以在這里我們必須要加入一些中間緩沖技術(shù)。

1.4 中間緩沖技術(shù)

中間緩沖技術(shù)在軟件開發(fā)中非常重要，也時(shí)常使用，是為了協(xié)調(diào)吞吐速度相差很大的設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送而采用的技術(shù)，為了緩和采集客戶端和數(shù)據(jù)庫之間讀取數(shù)據(jù)速度的不匹配矛盾，提高兩者之間的并行性［11］。

中間緩沖技術(shù)要達(dá)到的目的是減少客戶端的壓力，使采集客戶端的大量精力放在采集數(shù)據(jù)上，而不是放在把大量的數(shù)據(jù)直接存入數(shù)據(jù)庫中，在這里選擇使用在采集客戶端所在硬盤上開辟一個(gè)空間，在大量的采集數(shù)據(jù)到來時(shí)，把數(shù)據(jù)存入開辟的空間中，采用把一個(gè)時(shí)間的所有采集點(diǎn)名和對(duì)應(yīng)的值寫成一行，形式為——時(shí)間采集點(diǎn)名：采集點(diǎn)值，采集點(diǎn)名：采集點(diǎn)值，…，這樣的形式利于后期讀取存入數(shù)據(jù)庫，然后創(chuàng)建一個(gè)txt文檔直接依次一行一行地把得到的數(shù)據(jù)寫入txt文檔中，根據(jù)采集5 000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，要使得數(shù)據(jù)緩存時(shí)間和存入數(shù)據(jù)庫時(shí)間間隔盡量小，通過實(shí)驗(yàn)得到取txt文檔最大容量為100kb時(shí)上述間隔達(dá)到要求，故就使用該種方式把采集來的數(shù)據(jù)存入中間緩沖區(qū)，圖5為該中間緩存的結(jié)構(gòu)圖。

通過以上方式把大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入了開辟空間，當(dāng)一個(gè)100kb的文件存入開辟空間之后要立即讀取存入到數(shù)據(jù)庫中，這樣就能保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)延遲在可控的范圍內(nèi)。當(dāng)一個(gè)txt文件被讀取完之后就立即進(jìn)行銷毀，并回收被用掉的開辟空間，當(dāng)然銷毀的方式有很多種，在開發(fā)中采用直接進(jìn)行刪除是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，還可以直接存入到其他地方，這樣就算在與數(shù)據(jù)庫通信時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤也可以等待通信正常之后存入數(shù)據(jù)庫，而不會(huì)讓重要的歷史數(shù)據(jù)憑空消失。

1.5 壓縮技術(shù)

水泥生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是由許多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來表示，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有特定的含義，如表示溫度、壓力及轉(zhuǎn)速等，雖然含義有多種多樣，但所有數(shù)據(jù)都可以分為布爾值和模擬量，布爾值是表示設(shè)備的開關(guān)，如用“1”表示設(shè)備的正常運(yùn)行，用“0”表示設(shè)備的停機(jī)，模擬量則用double類的數(shù)據(jù)類型。這些采集得到的數(shù)據(jù)反應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)的采集服務(wù)器上，由于采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量過于龐大于是可以采用相關(guān)壓縮技術(shù)來減少實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

在服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)中模擬量是最多的，5 000個(gè)點(diǎn)中大概有98%的點(diǎn)都是模擬量，而這些模擬量在服務(wù)器上都是以小數(shù)位數(shù)許多的double類型返回，所以在采集時(shí)可以把得到的double類型數(shù)據(jù)的小數(shù)位數(shù)設(shè)置為不影響結(jié)果的4位，即多于4位的全部刪除，這樣在大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫時(shí)可以減少大量的存儲(chǔ)量節(jié)約存儲(chǔ)空間。

通過上面的方法已經(jīng)對(duì)模擬量做出了壓縮，接下來對(duì)開關(guān)量即布爾值進(jìn)行壓縮減少存入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量。在一般情況下設(shè)備都在正常運(yùn)行，所以很長(zhǎng)一段時(shí)間開關(guān)量都不會(huì)變化，在這樣的背景下，如果把所有的相同值都存入數(shù)據(jù)庫顯然不合理，所以當(dāng)取得第一時(shí)間的值為“1”時(shí)，接下來設(shè)備運(yùn)行正常的時(shí)間內(nèi)都不用存儲(chǔ)該開關(guān)量，這樣時(shí)間越長(zhǎng)節(jié)約的存儲(chǔ)空間就越明顯。

2 應(yīng)用程序開發(fā)

當(dāng)基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集客戶端開發(fā)所用到的接口、數(shù)據(jù)通信方式以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫接口選定后，依據(jù)客戶端定制流程進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。在C＃環(huán)境中，首先需要加載OPC自動(dòng)化包裝DLL，在開發(fā)該數(shù)據(jù)采集客戶端時(shí)采用廣泛使用的opcdaauto.dll，把該DLL導(dǎo)入到C＃開發(fā)環(huán)境中，就能夠使用OPC協(xié)議開發(fā)客戶端［12］。

上面的內(nèi)容完成之后，接下來在開發(fā)環(huán)境中編寫OPC客戶端程序，完成各個(gè)部分的功能。調(diào)用相應(yīng)的接口，創(chuàng)建對(duì)象，添加對(duì)象，最為重要的部分為中間緩存技術(shù)，最后存入數(shù)據(jù)庫成功后斷開連接，清除之前創(chuàng)建的對(duì)象。應(yīng)用程序開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 客戶端開發(fā)流程圖

3 OPC客戶端實(shí)現(xiàn)

配置MatrikonOPC Server，打開該服務(wù)器把之前做好的“監(jiān)測(cè)點(diǎn).xml”導(dǎo)入服務(wù)器上，打開數(shù)據(jù)采集客戶端，連接服務(wù)器把服務(wù)器上的采集點(diǎn)導(dǎo)入采集客戶端中，然后設(shè)置采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，由于數(shù)據(jù)量巨大，考慮后期數(shù)據(jù)分析工作把時(shí)間間隔設(shè)置為1 000 ms，點(diǎn)擊采集使數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

運(yùn)行起來的客戶端界面如圖7，把設(shè)計(jì)好的客戶端部署在水泥廠現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行得到了良好的效果，滿足了企業(yè)采集數(shù)據(jù)的要求以及為后來的監(jiān)控系統(tǒng)做好了鋪墊，最為重要的實(shí)時(shí)性得到了保障。

4 結(jié)束語

完成了水泥廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的基于OPC接口技術(shù)數(shù)據(jù)采集客戶端實(shí)現(xiàn)。針對(duì)實(shí)時(shí)與大量數(shù)據(jù)的要求，采用了中間緩存技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)得到了良好的效果，之后通過部署到水泥廠中實(shí)際的運(yùn)行驗(yàn)證，采集一條生產(chǎn)線的10 000個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集頻率設(shè)置為1 000 ms，由于采用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)使得存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量得到了減少，通過觀察在設(shè)備運(yùn)行良好情況下一天得到的數(shù)據(jù)量為3 G左右。運(yùn)行表明該OPC數(shù)據(jù)采集客戶端開發(fā)的有效性和實(shí)用性，為之后的數(shù)據(jù)分析和運(yùn)用提供基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究方向：

1）針對(duì)實(shí)際要求對(duì)一個(gè)客戶端采集多條生產(chǎn)線進(jìn)行客戶端開發(fā)。

2）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到相對(duì)應(yīng)的結(jié)論和應(yīng)用。

圖7 客戶端運(yùn)行界面圖

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Design and Implementation of Cement Production Line Data Acquisition and Storage System

Su Zhongxian，F(xiàn)an Taihua，Yang Chunming，Wang Lei

（College of Computer Science and Technology，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

To storage and analyse a large number of real－time data that represent cement production line equipment running status，cu rrently used more stored as a temporal database，considering the factors such as cost，choose a relational database for real－time data storage，a relational database in the storage a large number of industrial real－time data there are some technical difficulties，to solve these problems，put forward the intermediate buffer and give up the same data storage technology，such as the middle cache technology to solve a large number of real－time data in the efficiency problem when deposited in the relational database，the same data not store is a good way to compress the data，make the system more portable and conducive to the analysis of the follow－up work.First on the project of the cement plant real －time data acquisition and decomposition process of cognition，points out that the relational database to store a large number of real－time data is difficult in the process of design.In the design of the overall model，using OPC protocol and acquisition server for communication，through the deployment of data acquisition at the scene of the cement plant client operation，good effect，verify the effectiveness of the proposed design.

real－time data；relational database；buffer；OPC protocol；cement plant

1671-4598（2016）08-0174-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.047

：TP311

：A

2015-12-05；

：2016-01-11。

四川省科技廳項(xiàng)目（2012GZ0112）。

蘇中鮮（1990-），男，四川廣安人，碩士研究生，主要從事數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)工程、分布式系統(tǒng)與web開發(fā)等方向的研究。