對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳偉， 錢(qián)利， 朱凱琳， 劉曄

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司， 江蘇， 常州 213000)

0 引言

電力是我國(guó)現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，電力物資是保障其正常運(yùn)行的重要條件，因此盤(pán)點(diǎn)和管理電力物資十分關(guān)鍵。但目前我國(guó)電力物資的盤(pán)點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)主要依靠人工方式進(jìn)行,通過(guò)人工逐一對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)中的電力物資進(jìn)行清點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)后，再輸入計(jì)算機(jī)中，盤(pán)點(diǎn)效率較低，浪費(fèi)大量時(shí)間。因此智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)逐漸應(yīng)用廣泛。目前的智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)還停留在智能技術(shù)的初級(jí)階段，很多高科技手段沒(méi)有得到全面和成熟的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)急電力物資智能倉(cāng)儲(chǔ)與調(diào)配管理系統(tǒng)，在分析應(yīng)急電力物資需求特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)急電力物資調(diào)配方案。文獻(xiàn)[2]基于“物聯(lián)網(wǎng)+”背景下，對(duì)電力物資倉(cāng)庫(kù)智能化實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但是在電力物資盤(pán)點(diǎn)的過(guò)程中，會(huì)涉及到多個(gè)職能部門(mén)和不同辦公地點(diǎn)，因此最大用戶(hù)并發(fā)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣性等外在因素嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)響應(yīng)速度，網(wǎng)絡(luò)模式不對(duì)等，系統(tǒng)響應(yīng)變慢也影響了電力物資智能盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，對(duì)電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)的性能有重要的影響。

為改善此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)，基于這一對(duì)等度量模式，凝練可以準(zhǔn)確反映電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中的各個(gè)指標(biāo)，且在對(duì)等度量模式中，網(wǎng)絡(luò)中的客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器是相互對(duì)應(yīng)的，能夠精準(zhǔn)定位和搜索節(jié)點(diǎn)、資源，并分別從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用性能。

1 對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 智能盤(pán)點(diǎn)對(duì)等度量模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)主要是依靠于客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器模式，因此在盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中需要安裝相應(yīng)的客戶(hù)端程序。但也顯現(xiàn)出了一些缺點(diǎn)：一些盤(pán)點(diǎn)信息主要集中在一小部分的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)存在隱患時(shí)，易造成網(wǎng)絡(luò)的崩潰，并且對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)和維護(hù)有一定限制。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用智能對(duì)等度量模式下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 對(duì)等度量模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示的全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，也可叫作純對(duì)等度量模式網(wǎng)絡(luò)，采用的是隨機(jī)圖架構(gòu)，因此中央索引服務(wù)器就可以在該對(duì)等度量模式下省略[3-4]。由于這種對(duì)等度量網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間是完全隨機(jī)的，因此可以通過(guò)“泛洪”廣播完成隨機(jī)定位查詢(xún)，能夠精準(zhǔn)定位和搜索節(jié)點(diǎn)和資源。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通過(guò)連接和利用網(wǎng)絡(luò)中的暫時(shí)閑置資源來(lái)進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，能夠用來(lái)存儲(chǔ)和計(jì)算Peta級(jí)的數(shù)據(jù)，在對(duì)電力物資進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)的過(guò)程中，對(duì)等度量模式下，主要參與協(xié)同計(jì)算、文件內(nèi)容共享與下載、儲(chǔ)存資源以及資源的分布式搜索等，這些典型應(yīng)用為智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)提供了良好的工作動(dòng)力儲(chǔ)備。

1.1.2 電路設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中，主要應(yīng)用技術(shù)為RFID射頻技術(shù)，通過(guò)射頻技術(shù)將每批出入庫(kù)的貨物信息均生成包裝箱外的條形碼，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)條形碼的統(tǒng)一。RFID射頻技術(shù)能夠有效提高電力物資信息收集的自動(dòng)化程度，在射頻發(fā)射電路中，其主要作用是能夠完成載波以及調(diào)制信號(hào)的發(fā)射，其調(diào)制深度為100%，調(diào)制方式為ASK，可以使用FPGA進(jìn)行配置[5-6]。在射頻接收電路中，主要作用是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽返回信號(hào)的調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射頻接收電路

在圖2的電路結(jié)構(gòu)中，為降低后端DSP的處理難度,采用IQ兩路直接下變頻解調(diào)。但在此過(guò)程中，閱讀器會(huì)在工作過(guò)程中出現(xiàn)載波泄露干擾，因此本文在系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，采用1 dB截止點(diǎn)比較高的無(wú)源混頻器實(shí)現(xiàn)混頻[7-8]。在接收的信號(hào)中，除了標(biāo)簽返回的信號(hào)，其中還夾帶發(fā)射電路中泄露的載波信號(hào)，移相反饋回路能夠有效地抵消這種載波噪音。其具體做法為引用載波對(duì)消的理論，在接收電路當(dāng)中添加一個(gè)射頻移相反饋電路，如圖3所示。

圖3 載波對(duì)消電路

從圖3可以看出，接入了射頻移相反饋同路，通過(guò)定向耦合器進(jìn)行耦合，得到部分發(fā)射載波信號(hào)，并將此信號(hào)進(jìn)行移相，接入一個(gè)射頻移相反饋電路，并利用其中包含的定向耦合器進(jìn)行載波信號(hào)的發(fā)射。至此完成系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中的上位機(jī)的模塊劃分原則為“高內(nèi)聚，低耦合”。在依托于系統(tǒng)硬件組成的基礎(chǔ)上，軟件中可以劃分出各個(gè)功能模塊，上位機(jī)軟件中各個(gè)模塊之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如4圖所示。

針對(duì)以上軟件中各個(gè)模塊之間的總體結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 QR編碼設(shè)計(jì)

QR編碼即快速響應(yīng)矩陣碼，相對(duì)于傳統(tǒng)的條形碼來(lái)說(shuō)，其具有信息密度大、加密能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且能夠高效、全方位進(jìn)行識(shí)讀。QR編碼結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)關(guān)系

圖5 QR編碼結(jié)構(gòu)

圖5包含尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形等幾種功能圖形。對(duì)于QR碼的編碼字符來(lái)說(shuō)，數(shù)字型數(shù)據(jù)的具體表達(dá)為數(shù)字0～9，與此同時(shí)，還能夠有效地表示漢字，其特定的數(shù)據(jù)壓縮格式中，一般13～16字節(jié)就可以表示一個(gè)漢字[9-10]。QR編碼結(jié)構(gòu)的左下角和右上角是探測(cè)圖形，這3個(gè)圖形是相同的，都是由同心正方形進(jìn)行疊加而得到的，共同組成了尋像圖形。QR碼具有2個(gè)定位圖形，一個(gè)為水平，一個(gè)為豎直，主要作用為確定符號(hào)的密度與版本。校正圖形的數(shù)量是根據(jù)QR碼的版本不同而發(fā)生變化的，更新的版本越新，校正圖形的數(shù)量就越多。

對(duì)于電力物資編碼來(lái)說(shuō)，需要將其按照分類(lèi)的內(nèi)容對(duì)QR碼進(jìn)行有序的編排，需要用簡(jiǎn)單的文字、數(shù)字或是其他符號(hào)來(lái)提示電力物資的“名稱(chēng)”“類(lèi)別”等。對(duì)QR碼賦予信息時(shí)，電力物資中特殊材料的信息的編碼是由總類(lèi)別、大類(lèi)別、小類(lèi)別、品名、材質(zhì)、規(guī)格等幾部分組成；電力物資機(jī)電產(chǎn)品的編碼主要由機(jī)電品類(lèi)、類(lèi)屬代碼、大類(lèi)代碼以及明細(xì)代碼等幾部分組成，明細(xì)代碼會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的不同而有不同的組成。將上述設(shè)計(jì)進(jìn)行畫(huà)圖表述如圖6所示。

圖6 電力物資編碼格式

本文盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中使用QR碼最主要的作用就是可以糾正拒讀錯(cuò)誤和替代錯(cuò)誤。本文使用R-S糾錯(cuò)算法，R-S碼是非二進(jìn)制循環(huán)碼，由m個(gè)比特構(gòu)成碼元[15]。校驗(yàn)碼生成的多項(xiàng)式的一般形式可以表示為

G(x)=(x-αm0)(x-αm0+1)(x-αm0+2)…(x-αm0+?-2)

(1)

式中，m0表示偏移量，在一般情況下的取值為1，α表示有限閾中的本源元素，?表示R-S碼的設(shè)計(jì)距離，由此可以得到編碼的信息多項(xiàng)式M(x)，并添加監(jiān)督多項(xiàng)式P(x)。用信息多項(xiàng)式除以生成多項(xiàng)式：

(2)

式中，Q(x)表示商多項(xiàng)式，G(x)表示生成多項(xiàng)式，P(x)以余數(shù)多項(xiàng)式的結(jié)構(gòu)來(lái)充當(dāng)監(jiān)督多項(xiàng)式，也就是糾錯(cuò)的碼字多項(xiàng)式，實(shí)現(xiàn)R-S糾錯(cuò)。至此完成對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 軟件流程

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

在上文中詳細(xì)研究了對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)中軟件和硬件的構(gòu)成，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否具有良好的性能，需要對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，將系統(tǒng)部署在J2ME中能夠提供跨越平臺(tái)的安全網(wǎng)絡(luò)傳輸，在終端PC設(shè)備機(jī)上使用微軟移動(dòng)設(shè)備模擬器，搭建出一個(gè)適合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的Windows Mobile 6.0的仿真環(huán)境，并在其中安裝虛擬機(jī)Java CrEme，將虛擬機(jī)啟動(dòng)后，設(shè)置相關(guān)的檢測(cè)內(nèi)存上限數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 模擬設(shè)備內(nèi)存數(shù)據(jù)表

在表1內(nèi)存使用上限的限制下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試。首先使用B/S架構(gòu)創(chuàng)建Web類(lèi)型的單協(xié)議腳本，并對(duì)腳本進(jìn)行編輯，設(shè)置重復(fù)次數(shù)，考慮到真實(shí)的用戶(hù)登錄之后，會(huì)進(jìn)行多次操作，因此需要設(shè)置迭代次數(shù)為2。由于多用戶(hù)在進(jìn)行操作的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)間的延遲，控制迭代的時(shí)間間隔為60～90 s。不同的用戶(hù)在測(cè)試過(guò)程中發(fā)送不同的內(nèi)容，將錄制的短信內(nèi)容使用參數(shù)進(jìn)行代替,因此在運(yùn)行腳本的過(guò)程中，需要從參數(shù)文件中取值從而模擬出用戶(hù)的操作。在上述操作下，得到的資產(chǎn)盤(pán)點(diǎn)界面如圖8所示。

圖8 盤(pán)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

在系統(tǒng)功能測(cè)試正常的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，在測(cè)試中模擬50個(gè)用戶(hù)同時(shí)加壓，如圖9所示。

圖9 模擬50個(gè)用戶(hù)同時(shí)加壓的操作界面

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的有效性，在相同的測(cè)試環(huán)境下對(duì)傳統(tǒng)的電力物資智能判斷系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和比較。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，分別得到2個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜加壓運(yùn)行結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 原有系統(tǒng)模擬50個(gè)用戶(hù)同時(shí)加壓運(yùn)行結(jié)果

圖11 本研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬50個(gè)用戶(hù)同時(shí)加壓運(yùn)行結(jié)果

分析圖10、圖11中的相關(guān)參數(shù)，對(duì)2個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到結(jié)果如表2所示。

表2 兩系統(tǒng)壓力測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

從表2中的數(shù)據(jù)可看出，在相同數(shù)量的用戶(hù)加壓情況下，本文系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)明顯好于原有系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，本文方法的物資盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)可容忍的最大用戶(hù)并發(fā)數(shù)為50，與原有系統(tǒng)相比提升了2倍，通過(guò)最大運(yùn)行Vuser、吞吐量以及點(diǎn)擊次數(shù)等參數(shù)來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，因此在電力物資智能盤(pán)點(diǎn)的過(guò)程中，能夠加快響應(yīng)速度，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。

3 總結(jié)

本文通過(guò)分析電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)在使用中存在的問(wèn)題，找到了相關(guān)原因，設(shè)計(jì)了一種對(duì)等度量模式下電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行研究和優(yōu)化，目的是為了使電力物資智能盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)在復(fù)雜的使用情況下仍能保持良好得工作響應(yīng)速度。通過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效提高工作參數(shù)。但是本文也存在一些缺陷和不足，只實(shí)現(xiàn)了基本的盤(pán)點(diǎn)功能，但是對(duì)于更高級(jí)的定位和報(bào)警功能還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，可以作為未來(lái)的研究方向。