基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控技術(shù)研究

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控領(lǐng)域存在的測(cè)試效率低、測(cè)試復(fù)雜度高、測(cè)試資源利用不足等問(wèn)題，文章提出基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控技術(shù)架構(gòu)，利用SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合實(shí)時(shí)中間件和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通互操作，提高測(cè)試效率，降低測(cè)試復(fù)雜度，在分布式架構(gòu)下，充分利用測(cè)試資源。該文對(duì)當(dāng)前從事測(cè)控領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員具有一定的參考價(jià)值，是面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想的綜合應(yīng)用體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：B/S;分布式;測(cè)控技術(shù);遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2021）05-0008-06

Research on Distributed Measurement and Control Technology Based on B/S Architecture

TAN Xiang

（Shanghai Cherub Information Technology Co.，Ltd.，Shanghai? 200240，China）

Abstract：Aiming at the problems of low test efficiency，high test complexity，and insufficient utilization of test resources in the traditional measurement and control field，this article proposes a distributed measurement and control technology architecture based on B/S architecture，using SOA（service oriented architecture）design ideas，and combining real-time middleware and distributed database to achieve interconnection and interoperability between devices，improve test efficiency，reduce test complexity，and make full use of test resources under a distributed architecture. The article has a certain reference value for designers and developers currently engaged in the field of measurement and control，and is a comprehensive application of service-oriented architecture design ideas.

Keywords：B/S;distributed;measurement and control technology;remote procedure call

0? 引? 言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常存在測(cè)控點(diǎn)分散、測(cè)控范圍大、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題，且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性具有嚴(yán)格要求[1]?，F(xiàn)今，傳統(tǒng)測(cè)控領(lǐng)域逐漸暴露出測(cè)試效率低、測(cè)試復(fù)雜度高、測(cè)試資源利用不足等問(wèn)題。因此具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性高、可靠性好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潇`活[2]等優(yōu)點(diǎn)的分布式測(cè)控系統(tǒng)成為現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1? 系統(tǒng)概況

1.1? 系統(tǒng)組成

基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控軟件平臺(tái)按照分層架構(gòu)思想設(shè)計(jì)開發(fā)，整個(gè)平臺(tái)框架包含應(yīng)用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)交互層、應(yīng)用邏輯層、組件資源層和操作支持層共五層。Web瀏覽器通過(guò)業(yè)務(wù)交互層可實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程兩種與后端應(yīng)用邏輯層的數(shù)據(jù)交互模式，并通過(guò)應(yīng)用表現(xiàn)層展現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。組件資源層按照組件化設(shè)計(jì)思想，封裝服務(wù)模塊和邏輯設(shè)備，形成服務(wù)組件和設(shè)備組件，為平臺(tái)提供各類服務(wù)和服務(wù)執(zhí)行資源。組件資源層是一個(gè)開放式的資源庫(kù)，支持分布式部署，通過(guò)中間件互相訪問(wèn)。操作支持層為平臺(tái)運(yùn)行提供基礎(chǔ)操作環(huán)境。

1.2? 工作流程

系統(tǒng)平臺(tái)由五層構(gòu)成，針對(duì)具體應(yīng)用，其工作流程如圖1所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式智能測(cè)控軟件平臺(tái)采用上海求本信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的分層、開放、跨平臺(tái)架構(gòu)，根據(jù)組件化和分布式設(shè)計(jì)思想，利用SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合實(shí)時(shí)中間件和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通互操作，通過(guò)WEB方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而保證平臺(tái)上的應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行高效、便捷、低成本，解決用戶在項(xiàng)目研制過(guò)程中碰到的開發(fā)效率低、研制成本高、資源復(fù)用率低以及系統(tǒng)部署難度大等問(wèn)題。其整體軟件架構(gòu)如圖2所示。

平臺(tái)具備通用、開放、靈活、高效以及智能等特性。

通用性主要從三個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)，其一是平臺(tái)采用分層化設(shè)計(jì)、開發(fā)，這是平臺(tái)通用性的內(nèi)在體現(xiàn)，也是平臺(tái)通用性的前提條件;其二是平臺(tái)服務(wù)組件層的服務(wù)具備通用性，因?yàn)榛诮M件的服務(wù)為應(yīng)用層提供了統(tǒng)一規(guī)范接口和通信協(xié)議，能夠適用于不用的應(yīng)用開發(fā);其三是邏輯設(shè)備層的邏輯設(shè)備通用，因?yàn)榻梃b吸收了軟件通信體系結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口封裝了底層硬件，從而為上層軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口。

開放性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是服務(wù)組件層即服務(wù)組件庫(kù)，是基于開放式設(shè)計(jì)的，可自由擴(kuò)充或裁剪;其二是邏輯設(shè)備層即邏輯設(shè)備庫(kù)，也是基于開放式設(shè)計(jì)的，可自由擴(kuò)充或裁剪。

靈活性體現(xiàn)在設(shè)備操作方式、分布特性以及系統(tǒng)部署上共三個(gè)方面。設(shè)備操作方式靈活指的是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的中間件技術(shù)以及上層軟件框架的WEB技術(shù)能實(shí)現(xiàn)底層硬件的本地操作或遠(yuǎn)端操作;分布特性靈活指的是通過(guò)分層設(shè)計(jì)和中間件技術(shù)，使平臺(tái)支持設(shè)備分布、網(wǎng)絡(luò)分布、服務(wù)分布和應(yīng)用分布;系統(tǒng)部署靈活指的是由于平臺(tái)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，因此，客戶端只需要標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，服務(wù)端可根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)配置WEB服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，具備良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。

高效性主要體現(xiàn)在應(yīng)用開發(fā)、用例執(zhí)行和碼流傳輸效率三個(gè)方面。對(duì)于應(yīng)用開發(fā)來(lái)說(shuō)，由于上層軟件框架采用Django框架[5]來(lái)開發(fā)，Django框架內(nèi)置的很多第三方插件能夠顯著加快應(yīng)用的開發(fā);用例執(zhí)行方面，由于采用了并行以及自主調(diào)度執(zhí)行處理流程，所以為用例執(zhí)行提供了最高效率的執(zhí)行方式;在碼流傳輸效率方面，平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)有兩種中間件，一種是基于控制流的中間件，另一種是基于數(shù)據(jù)流的中間件，基于控制流的中間件在控制數(shù)據(jù)、事件型數(shù)據(jù)傳輸方面效率要比基于數(shù)據(jù)流的中間件高，而基于數(shù)據(jù)流的中間件在傳輸實(shí)時(shí)、高帶寬數(shù)據(jù)方面效率很高。

智能化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是接口自動(dòng)適配，基于規(guī)范標(biāo)示符的接口在應(yīng)用執(zhí)行過(guò)程中能夠自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)連接和關(guān)閉;二是通道智能綁定，基于ICD的通道重構(gòu)策略能夠?qū)崿F(xiàn)通道的自動(dòng)綁定，當(dāng)前通道遇到故障時(shí)，根據(jù)重構(gòu)策略能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換通道，重新綁定;三是故障監(jiān)測(cè)，平臺(tái)能夠自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)故障，并輸出告警信息。

2.1? 功能設(shè)計(jì)

2.1.1? 平臺(tái)框架軟件設(shè)計(jì)

分布式智能測(cè)控軟件平臺(tái)的框架軟件基于B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，后端服務(wù)器軟件采用組件—框架設(shè)計(jì)思想，以達(dá)到通用性、靈活性、可移植、可復(fù)用以及分布式應(yīng)用等能力要求。后端服務(wù)器軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

平臺(tái)框架軟件定義了組件及應(yīng)用的接口規(guī)范和通信方式，是平臺(tái)內(nèi)各類軟硬件組件資源以及應(yīng)用資源的通用管理框架，負(fù)責(zé)組件及應(yīng)用的資源分配、加載、啟動(dòng)、裝配、配置等操作，是整個(gè)功能模塊的組織核心。組件是實(shí)現(xiàn)特定功能的獨(dú)立模塊，每個(gè)組件都可以單獨(dú)運(yùn)行，即能夠基于給定的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，不依賴其他功能模塊，具備高內(nèi)聚低耦合的特點(diǎn);應(yīng)用用于滿足系統(tǒng)的功能要求，通過(guò)對(duì)已經(jīng)抽象成獨(dú)立功能的組件進(jìn)行裝配，形成不同的應(yīng)用功能。按照平臺(tái)框架所規(guī)定的接口規(guī)范和通信方式進(jìn)行組件及應(yīng)用開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)組件及應(yīng)用的可移植性和可復(fù)用性，達(dá)到即插即用的效果。平臺(tái)框架即是組件資源的管理者和應(yīng)用裝配的執(zhí)行者。通過(guò)對(duì)外提供應(yīng)用創(chuàng)建接口，用戶可以利用配置文件描述的方式，根據(jù)具體需求或資源分配策略進(jìn)行組件的靈活配置，無(wú)需對(duì)功能進(jìn)行重復(fù)開發(fā)，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。

平臺(tái)框架分為初始化、設(shè)備管理器、服務(wù)管理器、應(yīng)用管理器、配置文件管理器和對(duì)象管理六個(gè)功能模塊。始化功能模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)初始化功能，包括上電自檢，內(nèi)部變量初始化賦值等;設(shè)備管理器功能模塊主要實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備的注冊(cè)管理，分配設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)，設(shè)備組件的調(diào)用;服務(wù)管理器功能模塊主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)的注冊(cè)管理，分配服務(wù)唯一標(biāo)識(shí)，服務(wù)組件的調(diào)用;應(yīng)用管理器功能模塊主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的注冊(cè)管理，分配應(yīng)用唯一標(biāo)識(shí)，應(yīng)用組件的調(diào)用;配置文件管理器功能模塊主要實(shí)現(xiàn)配置文件的注冊(cè)管理，加載配置文件和解析配置文件;對(duì)象管理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)中間件對(duì)象的管理，中間件數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)整體接口方面主要有基本應(yīng)用接口、框架控制接口、服務(wù)組件接口、設(shè)備組件接口、應(yīng)用組件接口，如圖4所示。

2.1.2? 邏輯設(shè)備組件設(shè)計(jì)

邏輯設(shè)備組件主要在邏輯設(shè)備層，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，該系統(tǒng)中的邏輯設(shè)備組件主要包括AFDX邏輯設(shè)備、RS422邏輯設(shè)備、FC邏輯設(shè)備、1553B邏輯設(shè)備、A429邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備組件由邏輯設(shè)備管理器進(jìn)行管理。

邏輯設(shè)備組件主要完成設(shè)備組件的對(duì)象實(shí)例化，通過(guò)對(duì)象與命名上下文進(jìn)行綁定，將對(duì)象進(jìn)行發(fā)布，供平臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行引用，并能完成設(shè)備的啟動(dòng)與停止，讀寫數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)配置信息的保存與查詢。

2.1.3? 服務(wù)組件設(shè)計(jì)

服務(wù)組件主要完成各組件的初始化功能，獲取ICD數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和封裝，返回給數(shù)據(jù)處理服務(wù)組件使用，并能對(duì)輸入的信息依據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)給出判定結(jié)果。

服務(wù)組件主要在服務(wù)層，主要包括ICD處理服務(wù)組件、數(shù)據(jù)處理服務(wù)組件及符合性判定服務(wù)組件。其中ICD處理服務(wù)組件對(duì)ICD數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與封裝，交由數(shù)據(jù)處理服務(wù)組件，數(shù)據(jù)處理服務(wù)組件將ICD數(shù)據(jù)打包成幀結(jié)構(gòu)，交由相關(guān)的邏輯設(shè)備組件，同樣邏輯設(shè)備組件接收的數(shù)據(jù)也交由數(shù)據(jù)處理服務(wù)組件處理，按照ICD信息結(jié)構(gòu)解析，交由符合性判定服務(wù)組件，符合性判定服務(wù)組件依據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)給出判定結(jié)果。

2.2? 界面設(shè)計(jì)

基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控軟件平臺(tái)界面是基于WEB技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的，借助WEB的移動(dòng)互聯(lián)特性，使得用戶可以在任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上或移動(dòng)終端上，通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的形式登錄系統(tǒng)，完成測(cè)試工作。

在具體的界面設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，主要用到了HTML5、CSS3和JS等技術(shù)。其中，HTML5用于設(shè)計(jì)頁(yè)面的布局，通過(guò)標(biāo)簽、屬性的設(shè)計(jì)開發(fā)，構(gòu)建頁(yè)面的結(jié)構(gòu)，使得界面元素滿足用戶需求;CSS3（層疊樣式表）是為了解決界面內(nèi)容與表現(xiàn)形式的分離問(wèn)題，將頁(yè)面元素的展現(xiàn)形式放在CSS文件里設(shè)計(jì)開發(fā)，使得整個(gè)界面的開發(fā)效率提高，并且具備良好的移植性;JS（JavaScript）是一種腳本語(yǔ)言，負(fù)責(zé)界面的行為動(dòng)作，通過(guò)編寫JS文件，使得前端可以與后臺(tái)服務(wù)器產(chǎn)生交互，能夠?qū)⒂脩粼谇岸私缑嫔系妮斎朕D(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)或命令，并傳遞給服務(wù)器去執(zhí)行，同時(shí)也能接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息，并展現(xiàn)在前端界面上。測(cè)控平臺(tái)界面如圖5所示。

2.3? 系統(tǒng)構(gòu)型

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求和使用場(chǎng)景，應(yīng)用系統(tǒng)將有兩種構(gòu)型。針對(duì)每種構(gòu)型，其軟硬件配置是不同的。

在圖6所示的構(gòu)型1中，服務(wù)器與目標(biāo)機(jī)部署在同一套硬件上，此時(shí)硬件組成包括一套主機(jī)和若干設(shè)備。主機(jī)內(nèi)運(yùn)行前端、應(yīng)用程序、服務(wù)組件、邏輯設(shè)備和硬件驅(qū)動(dòng)。因?yàn)樗蟹?wù)和設(shè)備都在本地化操作，無(wú)須中間件。

如圖7所示的構(gòu)型2是針對(duì)分布式應(yīng)用場(chǎng)景的。在分布式應(yīng)用場(chǎng)景中，服務(wù)器與客戶目標(biāo)機(jī)是分離的，同時(shí)瀏覽器也可與服務(wù)器進(jìn)行分離，所以，構(gòu)型2在實(shí)際應(yīng)用中有三種變型：一是瀏覽器與服務(wù)器分離，服務(wù)器與客戶目標(biāo)機(jī)部署在同一套設(shè)備上，這是B/S結(jié)構(gòu)形式;二是瀏覽器與服務(wù)器在同一套硬件上，客戶目標(biāo)機(jī)與服務(wù)器分離，這是C/S結(jié)構(gòu)形式;三是瀏覽器、服務(wù)器、客戶目標(biāo)機(jī)三者分離，實(shí)現(xiàn)最靈活的分布式部署，這是B/S和C/S混合結(jié)構(gòu)形式。

2.4? 系統(tǒng)驗(yàn)證

基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控軟件平臺(tái)在航電系統(tǒng)集成測(cè)試中已經(jīng)運(yùn)用，如圖8所示，平臺(tái)在航電系統(tǒng)集成測(cè)試中可以正常執(zhí)行相關(guān)測(cè)試用例，并給出結(jié)果顯示。

3? 結(jié)? 論

將SOA設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到分布式測(cè)控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控軟件平臺(tái)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，且便于對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。該文設(shè)計(jì)的基于B/S架構(gòu)的分布式測(cè)控技術(shù)可適用于工業(yè)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。目前本文所提出的軟件平臺(tái)應(yīng)用廣度不足，很多實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不全，需要大量應(yīng)用于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，以便提高軟件的可靠性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 茅勝榮.基于EtherCAT的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [D].蘇州：蘇州大學(xué)，2018.

[2] EtherCAT Technology Group. EtherCAT-the Ethernet fieldbus [EB/OL].[2020-12-20].https：//www.ethercat.org/en/technology.html#1.9.5.

[3] 徐冰霖，李戰(zhàn)懷.面向服務(wù)的航天測(cè)控軟件架構(gòu)設(shè)計(jì) [J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2012，31（6）：47-51.

[4] 衛(wèi)翔，范學(xué)滿，于德新.面向服務(wù)的仿真實(shí)時(shí)中間件系統(tǒng)研究 [J].計(jì)算機(jī)仿真，2019，36（7）：257-260+307.

[5] 汪洋，姜新通.MVC框架在Python與Django下的設(shè)計(jì)研究 [J].電腦與信息技術(shù)，2021，29（1）：55-57+63.

[6] 孟另偉，鄭永軍.基于EtherCAT的分布式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].儀表技術(shù)與傳感器，2020（6）：73-78.

作者簡(jiǎn)介：檀翔（1988—），男，漢族，安徽東至人，工程師，碩士研究生，研究方向：航電系統(tǒng)集成測(cè)試、信息化系統(tǒng)。