中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)設(shè)計

佘俊+陳黎+鐘保強+鐘建栩+朱珠

摘 要： 為了促進當前中小型企業(yè)的信息化建設(shè)，需要對信息化的整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法進行研究。目前方法采用1個主機與3個從機的總線型主從式結(jié)構(gòu)，但存在系統(tǒng)響應(yīng)時間較長，網(wǎng)絡(luò)負載均衡度較差的問題。為此提出一種基于負載均衡的中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法，首先以C8051F040單片機為核心，設(shè)計總體系統(tǒng)框架；然后將被控制對象經(jīng)過傳感器設(shè)備、電壓比例變換、A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機采集卡連接，控制系統(tǒng)軟件部分將單片機端程序和PC機端程序相連，并進行網(wǎng)絡(luò)資源分配；最后利用PID控制器實現(xiàn)整體控制。實驗結(jié)果證明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)中小型企業(yè)信息化的整體實時控制，對促進中小型企業(yè)資源的合理分配具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 中小型企業(yè)； 信息化； 網(wǎng)絡(luò)負載； 單片機； 均衡度； 整體控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN02?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0161?05

Abstract： In order to promote the informatization construction of small?and medium?sized enterprises， it is necessary to study the design method of the informatization integral control system. Since the current methods adopting principal and subordinate structure with one host computer and three slave computers have the problems of long system response time and poor network load balance degree， a design method based on load balancing is proposed for the integral control system of small?and medium?sized enterprise informatization. Taking the C8051F040 single?chip microcomputer （SCM） as the kernel， the overall system framework was designed. The controlled object is connected with SCM acquisition card through sensor device， voltage ratio conversion chip and A/D conversion chip. The control system software can link the programs from the SCM side to PC side， and perform the network resource allocation. The PID controller is used to realize the overall control. The experimental results show that the proposed method can realize the overall real?time control for the small?and medium?sized enterprise informatization， and has great significance to promote the reasonable allocation of small?and medium?sized enterprise resources.

Keywords： small?and medium?sized enterprise； informatization； network load； single?chip microcomputer； equilibrium degree； integral control system

0 引 言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、數(shù)據(jù)集成化和控制管理等技術(shù)的發(fā)展，為中小型企業(yè)實現(xiàn)信息化整體控制提供了重要基礎(chǔ)[1?2]。中小型企業(yè)信息化是指將企業(yè)的生產(chǎn)過程、物料運輸、事務(wù)處理、資金流動，以及客戶交互等各項業(yè)務(wù)過程進行數(shù)字化管理，然后通過各種信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)加工生成新的企業(yè)共享資源，從而提供給不同層次的需求者觀察不同類型動態(tài)業(yè)務(wù)中的一切信息，以作出更加有利于各個生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的企業(yè)戰(zhàn)略決策，使得中小型企業(yè)資源合理分配，以適應(yīng)當代市場經(jīng)濟的優(yōu)勝劣汰，獲得最大的經(jīng)濟利益[3?4]。為了促進當前中小型企業(yè)的信息化建設(shè)，需要對信息化的整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法進行研究[5]。目前系統(tǒng)采用1個主機與3個從機的總線型主從式結(jié)構(gòu)，中小型企業(yè)的主從機均采用STC89C52單片機作為主控制器，企業(yè)主從機之間的通信電路主要通過1對雙絞線相連接，3個從機則將溫度、濕度、電壓信號等通過RS 485總線傳輸給企業(yè)主機，然后由主機對信息進行處理；最后企業(yè)主機通過尋址方式查詢從機設(shè)備并發(fā)出相應(yīng)指令，實現(xiàn)對中小型企業(yè)信息化的整體控制。但這種方式存在信息采集通道較少、采集效率較低的問題[6]。當前如何利用日新月異的信息技術(shù)固化中小型企業(yè)內(nèi)部控制、減少中小型企業(yè)信息化控制成本、提高控制效率，受到了業(yè)界的重點關(guān)注，為此做出了許多相關(guān)的分析和探索[7]。

文獻[8]提出中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法首先利用二次平方根映射函數(shù)，根據(jù)中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制回路信息傳輸誤差對各個控制回路賦予不同的動態(tài)權(quán)重；然后根據(jù)當前中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)運行情況，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)利用率，同時采用最小二乘支持向量機算法預(yù)測中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各個回路的數(shù)據(jù)包傳輸時間；最后將計算獲得的回路動態(tài)權(quán)重、中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)利用率預(yù)測值與控制回路數(shù)據(jù)包的傳輸時間相結(jié)合，實現(xiàn)中小型企業(yè)信息化的整體控制，建立控制系統(tǒng)模型。該方法存在響應(yīng)時間較長、拓展性較差的問題。文獻[9]主要對中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進行采集和預(yù)處理；然后對處理后的信息進行集成、分類；最后利用蟻群和粒子群優(yōu)化融合算法對中小型企業(yè)的數(shù)據(jù)信息進行資源調(diào)度，依據(jù)調(diào)度結(jié)果和模糊軟矩陣建立中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)框架。該方法存在網(wǎng)絡(luò)負載均衡度較差的問題。文獻[10]研究了一種基于用戶體驗的中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法，以中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用新型高斯數(shù)據(jù)加工技術(shù)對數(shù)據(jù)進行集約、有序處理，通過中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交易平臺、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理、數(shù)據(jù)計算服務(wù)和中小型企業(yè)信息化公眾平臺，實現(xiàn)對中小型企業(yè)的信息化管理，進而建立信息化整體控制的系統(tǒng)模型。但該方法存在成本較高、實用性較差的問題。endprint

現(xiàn)代計算機軟件和硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，使得對中小型企業(yè)信息化的整體控制要求逐漸趨于低成本和高效率，為此提出一種基于負載均衡的中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法，并通過實驗分析證明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)中小型企業(yè)信息化的整體實時控制，具有較強的拓展性和靈活性。

1 中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)以C8051F040單片機為核心，總體系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。總體設(shè)計框架主要由中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊、中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和中小型企業(yè)信息化整體控制模塊三部分構(gòu)成。

該系統(tǒng)設(shè)計框架可以實時采集被控制信息對象的多種相關(guān)參數(shù)并發(fā)送給PC機進行相應(yīng)處理，可以選擇由單片機信息采集卡或者PC機遠程控制中小型企業(yè)的信息化對象。其中A/D轉(zhuǎn)換芯片可以實現(xiàn)中小型企業(yè)大容量、高精度模擬信息采集。單片機采集卡和PC機通信可以將中小型企業(yè)的海量信息處理和復(fù)雜的整體控制任務(wù)交由計算機來完成。

單片機信息采集電路如圖2所示。中小型企業(yè)信息化被控對象現(xiàn)場運行的相關(guān)參數(shù)信息可能是流量、壓力、溫度或濕度等非電量信號，經(jīng)過傳感器設(shè)備等轉(zhuǎn)換為電量信號。若中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)信息本身即為電量信號，則不需要進行轉(zhuǎn)換；若經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電量信號過大或過小，則需要經(jīng)過電壓比例變換轉(zhuǎn)換到A/D轉(zhuǎn)換芯片所能處理的范圍之內(nèi)。即中小型企業(yè)信息化的非電量信號A/D轉(zhuǎn)換由11通道12位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其與單片機采集卡之間的數(shù)據(jù)通信采用串行通信，將中小型企業(yè)信息化的片選信號CS、中小型企業(yè)信息化的時鐘信號CLK、中小型企業(yè)信息化的數(shù)據(jù)信息移出Dout、中小型企業(yè)信息化的數(shù)據(jù)信息移入Din。

2 中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)軟件主要由兩部分構(gòu)成，分別是單片機端程序和PC機端程序，且兩部分程序分別運行在單片機和PC機的兩個不同實體上，其中單片機端程序采用C51編寫，而PC機端程序采用VB進行編寫。

中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)的單片機端程序主要包括系統(tǒng)的初始化處理、A/D芯片轉(zhuǎn)換、采集信息顯示、PC機端通信程序、系統(tǒng)控制等內(nèi)容；中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)的PC機通信程序主要包括信息發(fā)送程序和信息接收程序兩部分。

2.1 中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源信息負載

依據(jù)上述中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計框架，首先計算中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負載和平均節(jié)點負載率；然后計算中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路負載和平均鏈路負載率，以及中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)每條物理路徑的可用帶寬。

中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)負載表示企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)資源被虛擬網(wǎng)絡(luò)占用的情況，主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負載和網(wǎng)絡(luò)鏈路負載。

2.1.1 中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點負載

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點表示為，中小型企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的集合表示為，且，映射到中小型企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點虛擬網(wǎng)絡(luò)所占用的網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點資源的總和，即為中小型企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點負載，其表達式如下：

式中：代表中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；代表虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包含的計算能力屬性；代表中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點映射到網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點。中小型企業(yè)每個網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點的負載率是指網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點負載與網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點總資源信息的比值，表示網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點的資源信息利用情況，其表達式為：

式中表示中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點包含的計算能力屬性。

在時刻，中小型企業(yè)的整個網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點平均負載率的表達式為：

2.1.2 中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路負載

假設(shè)中小型企業(yè)的每條物理網(wǎng)絡(luò)鏈路表示為表示中小型企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的集合，且滿足中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路負載是指映射到物理網(wǎng)絡(luò)鏈路的虛擬網(wǎng)絡(luò)占用物理網(wǎng)絡(luò)帶寬資源信息的總和。映射到物理網(wǎng)絡(luò)鏈路是指虛擬網(wǎng)絡(luò)鏈路映射的物理網(wǎng)絡(luò)路徑中包含該物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路，其表達式為：

式中：代表中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)鏈路映射到物理網(wǎng)絡(luò)鏈路。則中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)鏈路負載率是指網(wǎng)絡(luò)鏈路負載和網(wǎng)絡(luò)鏈路總帶寬的比值，其表達式為：

在時刻，中小型企業(yè)整個網(wǎng)絡(luò)的物理平均鏈路負載率代表所有網(wǎng)絡(luò)鏈路的負載總和與所有網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬總和的比值，其計算公式如下：

則中小型企業(yè)每條物理網(wǎng)絡(luò)路徑可用帶寬即該物理網(wǎng)絡(luò)路徑中所有鏈路帶寬最小值，其計算公式如下：

式中表示中小型企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間的路徑。

在時刻，中小型企業(yè)的整個物理網(wǎng)絡(luò)負載表達式為：

式中和表示中小型企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)的兩個權(quán)值因子。

2.2 中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)資源分配

根據(jù)上述計算，通過中小型企業(yè)虛擬請求的特有屬性來限制整個網(wǎng)絡(luò)負載情況，以達到平衡中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)負載的同時最大化資源信息利用率。為后續(xù)實現(xiàn)中小型企業(yè)信息化以及整體控制提供基礎(chǔ)。

引入中小型企業(yè)的能力因子來表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路之間的關(guān)聯(lián)度。則中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源能力表達式為：

中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源能力率計算公式如下：

式中：表示中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點中資源能力的最大值。

假設(shè)代表中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的物理鏈路和網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點直接相連，則中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信能力和節(jié)點通信率的表達式分別如下：

中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的路徑能力是指中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中某條物理路徑的能力大小，由中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路徑的通信能力和跳數(shù)構(gòu)成，其表達式為：

式（19）等號右邊第一項代表中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路徑中每條鏈路的可用帶寬之和與所有鏈路總帶寬之和的比，能夠反映中小型企業(yè)在該網(wǎng)絡(luò)路徑的通信能力；等號右邊第二項代表中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)鏈路跳數(shù)的倒數(shù)，能夠反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路徑距離的大小。將這兩項結(jié)合，能夠改善中小型企業(yè)物理網(wǎng)絡(luò)資源信息利用率較差的問題。endprint

依據(jù)上述計算結(jié)果，利用式（20）～式（22）實現(xiàn)中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源信息的分配，從而實現(xiàn)中小型企業(yè)的信息化管理。

2.3 基于PID控制器的中小型企業(yè)信息化整體控制

依據(jù)上述中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源的分配結(jié)果，利用離散化形式的PID控制器實現(xiàn)中小型企業(yè)信息化的整體控制，其操作過程如下：

假設(shè)中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)資源采樣間隔表示為，將和運算替代積分運算，將差分運算替代微分運算，則中小型企業(yè)信息化離散形式的PID控制器計算表達式為：

式中：表示中小型企業(yè)信息化的丟包概率；表示中小型企業(yè)信息化在時刻的偏差，即第時刻中小型企業(yè)信息化的瞬時隊列長度與期望值的差；表示中小型企業(yè)信息化的比例系數(shù)；表示中小型企業(yè)信息化的積分系數(shù)；表示中小型企業(yè)的微分系數(shù)；和表示中小型企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗在Matlab 8.0環(huán)境下進行。實驗使用的電腦配置為CPUIntel i5 7500，3.0 GHz，內(nèi)存容量為8 GB，硬盤容量為128 GB。假設(shè)中小型企業(yè)信息化的底層光傳輸網(wǎng)包含200個交換節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接概率為0.2。相連的交換節(jié)點之間配置36根光纖，其中每根光纖包括18個波長，每個波長包含6 Gb/s傳輸帶寬。中小型企業(yè)信息化的上層分組交換網(wǎng)絡(luò)包括200個交換節(jié)點，與中小型企業(yè)信息化的底層光傳輸網(wǎng)的交換節(jié)點相對應(yīng)。配置120個和carrier?SDN連接的服務(wù)器，且與中小型企業(yè)分組交換網(wǎng)的交換節(jié)點一一相連，每個服務(wù)器的計算資源信息總量設(shè)定為3 000。中小型企業(yè)的虛擬網(wǎng)絡(luò)請求的虛擬節(jié)點數(shù)目和虛擬鏈接跳數(shù)服從（1，10）的均勻分布，中小型企業(yè)信息化的節(jié)點和鏈路分布請求的計算和帶寬均服從均值為450、方差為0.6的正態(tài)分布，中小型企業(yè)信息化的帶寬資源單位是Mbit/s。假設(shè)中小型企業(yè)信息化虛擬網(wǎng)絡(luò)請求間隔時間服從參數(shù)為1的泊松分布，通過修改成功映射的中小型企業(yè)信息化虛擬網(wǎng)絡(luò)請求持續(xù)時間服從的參數(shù)，模擬中小型企業(yè)信息化的網(wǎng)絡(luò)負載，從而實現(xiàn)整體控制。針對每個確定的網(wǎng)絡(luò)負載，模擬產(chǎn)生6 000個中小型企業(yè)信息化虛擬網(wǎng)絡(luò)請求。分析本文所提方法的網(wǎng)絡(luò)負載均衡度（%）、網(wǎng)絡(luò)吞吐量（Mbps）和控制系統(tǒng)響應(yīng)時間（s）。

網(wǎng)絡(luò)負載均衡度是衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負載任務(wù)量是否均衡的標準。利用網(wǎng)絡(luò)負載均衡度衡量中小型企業(yè)的信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法的有效性。采用文獻[8?9]方法與本文方法進行對比分析，實驗分析結(jié)果如圖3所示。

對圖3進行分析可知，文獻[9]方法的平均網(wǎng)絡(luò)負載均衡度為20%左右，存在許多空閑節(jié)點和超負荷節(jié)點，中小型企業(yè)信息化的網(wǎng)絡(luò)負載均衡度最差；文獻[8]方法的平均網(wǎng)絡(luò)負載均衡度在50%左右，網(wǎng)絡(luò)負載均衡度稍優(yōu)于文獻[9]方法，但仍然存在較多輕載或超載的節(jié)點，不利于實現(xiàn)后續(xù)中小型企業(yè)信息化的整體控制；本文所提方法隨著中小型企業(yè)信息化虛擬網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)目的不斷增加，平均網(wǎng)絡(luò)負載均衡度始終保持在80%左右，明顯優(yōu)于另外兩種對比方法。

對于中小型企業(yè)來說，網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試是進行網(wǎng)絡(luò)維護和故障排查的重要手段。采用本文方法與文獻[9?10]方法對中小型企業(yè)信息化的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進行對比分析，實驗分析結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，文獻[10]方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最差；而文獻[9]方法相對于文獻[10]方法具有一定的優(yōu)越性，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較高；本文方法網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，明顯優(yōu)于另外兩種方法，這為實現(xiàn)中小型企業(yè)的信息化整體控制和網(wǎng)絡(luò)維護等提供了良好的基礎(chǔ)。

控制系統(tǒng)響應(yīng)時間能夠反映中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)的控制速度，間接反映了控制效率。利用本文方法和文獻[8，10]方法對系統(tǒng)響應(yīng)時間進行對比分析，實驗結(jié)果如圖5所示。

隨著中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)請求的急劇增加，均以成千上萬的任務(wù)請求數(shù)據(jù)量出現(xiàn)，當中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)目為1 000時，即為大規(guī)模請求任務(wù)數(shù)據(jù)量。根據(jù)圖5可知，隨著中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)目的不斷增加，中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)請求之間對服務(wù)器資源的競爭十分激烈，網(wǎng)絡(luò)沖突概率也逐漸變大，則所有對比方法的系統(tǒng)控制響應(yīng)時間也會隨之變長；當中小型企業(yè)虛擬網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)量急劇增加到3 000時，文獻[8，10]方法的系統(tǒng)響應(yīng)時間已經(jīng)相當長了；而本文方法的控制系統(tǒng)響應(yīng)時間變化不大，且隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)量的不斷增加逐漸趨于穩(wěn)定，明顯優(yōu)于另外兩種方法。

4 結(jié) 論

本文針對當前中小型企業(yè)信息化的整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法存在網(wǎng)絡(luò)負載均衡度較差和系統(tǒng)控制響應(yīng)時間較長的問題，提出一種基于負載均衡的中小型企業(yè)信息化整體控制系統(tǒng)設(shè)計方法，并通過實驗對比分析，證明所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)中小型企業(yè)信息化的整體實時控制，對促進中小型企業(yè)的信息化建設(shè)具有重要意義。

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