（计算机应用技术专业论文）通信动力与环境集中监控系统的研究与应用.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第l 页 摘要 随着移动通信网络的日益庞大，如何保证众多造价昂贵的精密设备正常运行，发挥通 信网效益至关重要。科学技术的迅速发展，使通信设备的自动化性能有了很大提高，为通 信系统的集中监控管理提供了可行性。 通信动力与环境监控系统是一个分布式计算机控制系统，它是一个集中并融合了传感 器技术、现代计算机技术、通信技术、网络技术和人机系统技术的最新成果而构成的计算 机集成系统，能够实现遥测、遥信和遥控三遥功能，对实现现代化的通信电源维护和科学 管理有着重要的意义。 本文研究了通信动力与环境监控系统中监控对象、监控内容、功能需求。分析了监控 系统的基本组成，监控系统的监控方式选择等问题，在充分考虑了层次功能划分、层次化 结构配置原则以及网络拓扑结构的基础上，提出了一个通信动力与环境监控系统完整的设 计方案。本文对监控系统内部的通信协议进行了分析和设计，对通信协议在监控系统中实 现机制进行具体的阐述，并通过实例分析协议的应用。最后，对监控系统的进一步研究进 行了展望。 关键词：集中监控；监控单元；通信协议；实时处理 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x i t ya n dh u g e n e s so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt ob e n e f i tf r o mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st oe n s u r et h e s ee x p e n s i v ec o s to f n u m e r o u ss o p h i s t i c a t e d e q u i p m e n t so p e r a t en o r m a l l y b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i cc a p a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t sh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d f u r t h e r m o r e , i ti sf e a s i b l et oc e n t r a l i z e dm o n i t o rt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ec o n c e n t r a t es u p e r v i s i o ns y s t e mo fp o w e ra n de n v i r o n m e n t ，i sak i n do fd i s t r i b u t e d c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dak i n do fc o m p u t e ri n t e g r a t e ds y s t e m ，w h i c hc e n t r a l i z e da n d i n t e g r a t e dt h el a t e s tr e s u l t so fs e n s o rt e c h n o l o g y ，m o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，n e t w o r k sa n dh u m a n m a c h i n es y s t e mt e c h n o l o g y i tc a na c h i e v et h r e e t e l ef u n c t i o n s i n c l u d e d t e l e m e t e r i n g ，t e l e c o m m u n i c a t ea n dt e l e c o n t r 0 1 t h i sk i n do fs y s t e mi so fg r e a t i m p o r t a n c et oa c h i e v em o d e mm a i n t e n a n c eo fc o m m u n i c a t i o np o w e ra n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n t t h i s p a p e r r e s e a r c h e dt h e s u p e r v i s i o no b j e c t ， s u p e r v i s i o n d e t a i l sa n df u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t si nc o n c e n t r a t es u p e r v i s i o ns y s t e mo fp o w e ra n de n v i r o n m e n t a n da n a l y z e ds o m e p r o b l e m s ，s u c ha st h eb a s i cc o m p o n e n t so ft h es u p e r v i s i o ns y s t e ma n dt h es e l e c t i o no f s u p e r v i s i o nm o d e ，a n ds oo n o nt h eb a s eo ff u l l yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea r r a n g e m e n tf u n c t i o n p a r t i t i o n ，t h ea l l o c a t i o np r i n c i p l eo fh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，a sw e l la sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h e p a p e rp u tf o r w a r dac o m p l e t ed e s i g np r o j e c tf o rs u p e r v i s i o ns y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s i sa n d d e s i g nt h ei n t e r n a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fs u p e r v i s i o ns y s t e m ，a n dc o n c r e t e l ye x p a t i a t et h e i m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nc o n c e n t r a t es u p e r v i s i o ns y s t e m ，a tl a s t ， a n a l y s i st h ea p p l i c a t i o no fp r o t o c o la c c o r d i n gt oi n s t a n c e s i nt h ee n d ，t h ep a p e rd e s c r i b e dt h e p r o s p e c t so ft h ef u r t h e rr e s e a r c ha b o u ts u p e r v i s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c o n c e n t r a t es u p e r v i s i o n ；s u p e r v i s i o nc e l l s ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；r e a lt i m e p r o c e s s i n g 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 1 1 动力与环境集中监控的必要性 第一章绪论 随着通信技术的发展，大容量、高质量的数字通信设备逐步增加，组成了庞大的移动 通信网络，为广大用户提供各类通信服务。通信电源是通信网络的动力基础，随着通信网 络规模的不断扩大，通信电源的稳定性和可靠性越来越重要。 然而，由于通信设备繁多、位置分散、维护人员短缺，人工监控通信网络电源的方式 不易及时发现、处理各种故障，难于快速调整各种设备的运行参数，处理故障时间长、效 率低、费用高，很难全面对整个通信网络的动力情况进行有效地维护。 为了全面有效地监控通信网络电源的运行情况，国内通信公司提出了动力及环境集中 监控系统的开发需求，即通过分布式的计算机控制系统对监控范围内的各电源设备、空调 设备和机房环境进行遥测、遥信，实时监控通信网络电源的运行状态，记录和处理相关数 据，及时侦测故障并实时通知维护人员进行必要的遥控操作来改变或调整设备的运行状 态，并提供相应的数据和报表，从而实现通信局( 站) 的少人值守或无人值守，提高供电系 统的可靠性和通信设备的安全性，节约人力资源和能源损耗，降低网络运行维护费用，保 证系统长期处于良好的运行工作状态，从而大幅度地提高通信网络的整体运行效率。 国内某公司在原有动力与环境监控系统的基础上，根据技术发展趋势和系统需求变 化，组织开发了基于网络的动力与环境集中监控系统。在开发过程中结合新技术的应用， 做出具体的应用研究。 1 2 国内外动力环境监控系统现状和趋势 1 2 1 国内外监控系统现状 在国内，研究人员从上世纪8 0 年代开始研究动力电源监控系统。 起初这些系统主要是由电源设备生产厂家开发的，每个系统只能监控同一个厂家、同 一类型的电源设备，这就造成了一个监控中心要运行多套开关电源、油机和空调等监控系 统，各系统的功能、机制、协议、接口也存在较大差异，很难进行互联，难以进行统一管 理和集中监控【。 随后，研究人员展开了集中监控系统的研究工作。1 9 9 2 年，邮电部设计院和广州市电 信局合作，成功地开发了广州长途枢纽楼通信集中监控系统，这是我国第一个通信电源集 中监控系统。 2 0 0 5 年，信息产业部发布了通信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统 y d t l 3 6 3 2 0 0 5 ，总结了国内多年来集中监控系统的建设和应用经验，内容丰富、要求 明确，为动力环境集中监测系统的建设和发展指明了方向。 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 在国外，计算机网络与通信、自动控制、信号转换与处理等与监控相关的技术飞速发 展，为集中监控系统的进一步完善提供了技术条件l 引。特别是网络技术的运用，国外研究 成功了基于计算机网络平台进行数据交换的集中监控系统，通过计算机网络系统完成监控 数据交换、监控管理等功能1 3 5 j 。 与国际上在这一领域的研究开发相比，国内在动力设备及环境集中监控系统的开发和 应用方面还不成熟，对与监控相关的新技术应用不够，监控系统的系统设计方案和实施存 在一些不合理的因素【6 1 。可喜的是信息产业部对智能设备的通信提出了规范性的要求，制 定了统一通信协议标准，为协议的转换提供了条件，统一的通信协议成为集中监控研究的 热点和难点。统一通信协议的出台能够为智能设备接入提供了更好的解决方案，易于实现 对动力与环境的集中网络监控1 7 8 j 。 1 2 2 监控系统发展趋势 一个完善的动力及环境监控系统，应该具有较强的实用性和较高的可靠性。监控系统 目前主要的发展方向如下： ( 1 ) 形成至少涵盖本地网规模的三级监控网络，系统具备较大的容量 监控系统的建设在规模上和需求内容上不可能一步到位，这样就要求系统在监控容量 的设计上考虑一定的冗余度，即s c ( s u p e r v i s i o nc e n t e r ，监控中心) 所辖s s ( s u p e r v i s i o n s t a t i o n ，区域监控中心) 的数量、s s 管理s u ( s u p e r v i s i o nu n i t ，监控单元) 的数量以及s u 监 控对象的数量在系统选型和设计上考虑充分，否则可能造成监控系统在后面几期的建设过 程中，由于系统容量过小而不得不重新设计监控系统、或是对原有系统进行升级改造，造 成重复投资等不必要的浪费。 ( 2 ) 采用模块化结构，便于系统的扩容和升级 监控系统软件在总体设计上采用合理的模块化结构，软件分成通信程序、服务程序、 浏览器程序、系统配置程序4 大模块，每个模块的内部也进行合理的规划、分层。软件系 统采用合理的模块化结构和层次所带来的益处是大大减少了升级的工作量和难度。另外， 采用插件、动态库等技术，解决用户不同的定制需求，减少了软件系统的藕合性，保证修 改系统软件的安全性和方便性，从而保证系统的平滑升级；另一方面，硬件结构( 前端采 集模块) 设计合理，能更好地满足监控单元的现场需求。在前端采集方面，通用数据采集 模块、环境采集模块、协议转换模块、蓄电池组监控模块等模块之间可通过r s 4 8 5 进行通 信，这种设计结构可极为经济地为各种监控场所提供解决方案，达到“量体裁衣 的效果， 在日后增加监控对象时，只需简单地增加相应监控模块即可。另外，要考虑系统的兼容性， 保证系统升级的平滑性1 9 j 。 ( 3 ) 实时响应快捷，良好的人机界面和管理功能 系统提供详细的在线帮助，监控中心和监控站接收到的故障告警信息应给予图形用户 界面提示，并给出可闻声响，系统应提供简体中文界面。监控系统具有“四遥”、交互、 告警、数据配置、安全保密、维护操作、档案、图象、打印、帮助等管理功能。系统响应 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 快捷。 ( 4 ) 具有良好的接口开放性和安全性，实现无人或少人值守的能力 由于监控系统规模较大，不同地区的s s 由不同的厂家进行承建，最后统一在一个集 中监控中心s c 。这就要求各监控厂家必须提供统一的通信接口。目前，要求采用其定义b 接口通信协议，国内大多数厂家也是根据b 接口进行开发的。另外，由于目前各运营商要 求建立统一的综合网管平台，要求将监控系统纳入本地的网管平台，要求监控系统提供c 接口，提高系统的安全系数和稳定性。 监控系统的安全性要从系统硬件和软件两个方面进行论证。在系统硬件方面，首先在 保证系统的可靠性和精度的前提下，要考虑系统的电磁兼容、防雷措施、防止系统死机。 另外，在数据的安全性方面，也有所考虑，硬件模块具有本地存储的功能，在通信链路故 障恢复后，可将断站期间的数据信息发往监控中心。同时，硬件模块可采用远程下载，大 大方便了硬件模块的程序更新。 在系统软件方面，也有完善的安全防范措施。例如，在监控系统的实际建设中，会出 现监控单元的数据经过传输至监控中心时，数据出现了分包、丢包的现象，在系统软件的 通信层设计有系统通信协议控制层，充分地考虑了系统在数据传输上的各种不安全因素， 很好地解决了实际系统中的丢包、分包等问题。 ( 5 ) 协议的多样性 由于通信电源设备种类较多，对于智能设备，即使同一种类设备其不同厂家的协议也 各不相同，加上电源设备供货的厂家繁多，协议种类就更多。在监控系统的实施过程中， 为了更好地利用智能设备的资源，将智能设备通过对通信接口和通信协议的转换后直接接 入其监控系统，通信接口基本上属于r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 间的硬件转换，比较容易实现， 而通信协议的转换在过去一直是困扰监控系统实施的棘手的问题，目前这个问题得到初步 的解决，一方面大部分电源设备厂家能积极提供其设备的通信协议，另一方面信息产业部 对智能设备提供了统一的协议，为协议的转换提供了条件。另外，统一的通信协议出台为 智能设备接入提供了吏好的解决方案。 1 3 本文研究的内容 本文研究的内容包括： ( 1 ) 动力及环境监控系统的三级组网方案。 ( 2 ) 集中监控系统的软件体系。 ( 3 ) 主要研究智能设备通信协议，设计系统s s 与s u 之间的通信协议。 ( 4 ) 研究通信协议的实现方法，并应用于具体实践。 1 4 本文的内容安排 本论文共分为五章。 第一章：绪论。介绍本课题的背景和来源，作者所研究的内容以及论文的内容安排。 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 第二章：移动通信局站动力与环境监控系统的组成。简要介绍移动通信局站动力 与环境监控系统的基本概念监控对象、监控内容、功能需求和性能分析。分析设计监 控系统重点要解决的问题，研究系统的网络结构、组网方式、软件体系。 第三章：通信协议设计。通过对智能设备协议的解析，为了统一对不同设备的管 理，在智能设备协议的基础上提出系统间互联通信的通信协议，并给出实现机制。 第四章：通信协议实例分析。通过具体实例应用来分析通信协议应用的过程。 第五章：总结与展望。简述动力与环境集中监控的应用情况，总结本文所做工作， 并给出移动通信局站动力与环境监控系统改进方向。 武汉科技大学 硕士学位论文第5 页 2 1 监控系统设计概要 2 1 1 监控系统的基本需求 第二章监控系统总体设计 动力与环境监控系统p e s s ( p o w e r e n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ns y s t e m ) 一是指从数据 采集设备到s c ( s u p e r v i s i o nc e n t e r ) 的整套系统。通过对机房内设备以及机房环境进行遥 测遥、信、遥控和遥调，实时监控系统和设备的运行状态，记录和处理相关数据，及时侦 测故障，从而实现通信局( 站) 的少人值守或无人值守和集中维护【1 0 】。 根据该定义，电源监控系统需要实现：一是对电源及设备的监测与控制；二是对监测 数据的记录、处理、管理和分析。因此系统的需求可以从以上两方面来进行分析考虑。 2 1 2 系统监控对象及监控内容 要构建一个监控系统，首先要确定监控对象和内容，也就是明确监控的目的。 监控对象即被监控的设备、机房和环境等，通信动力与环境中需要监控的设备种类繁 多，但大体上可以归结为通信电源设备以及机房环境【1 1 j 。通信电源设备：高频开关电源， 蓄电池组，汽柴油发电机组，交、直流配电设备，u p s ，逆变器；机房环境：温度、湿度、 空调、照明、烟雾( 火警) 、积水、门禁、窗户等。 监控对象和监控内容按照不同特性可以分为： ( 1 ) 监控对象按性能分 按性能被采集设备可分为智能设备和非智能设备【1 1 】，。智能设备指设备本身带有一定数 量的传感器、变送器，具备数据采集和处理能力，并带有智能接口，可直接与监控后台进 行通信。非智能设备本身不具备数据采集和处理能力，无智能接口。对于智能设备，可通 过其智能设备协议( 包括智能设备通信协议、数据包的结构，包的内容及接口方式) 直接进 行通信，纳入监控系统。对于非智能设备则需通过通用采集器采集数据再接入监控系统。 监控对象按性能分类如表2 1 所示。 表2 1 监控对象性能分类 设备性质 设备名称 智能设备高低压配电设备，机房专用空调，柴油发电机组， 开关电源系统，u p s 系统等 非智能设 柜式空调，本分开关电源系统的交、直流屏，蓄电池 备 组，空调配电屏，机房环境等 ( 2 ) 监控对象按用途分 监控对象按用途分为通信动力系统和支持动力设备f 常运行的坏境系统两大类【1 3 】。通 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 信动力系统是动力环境监控系统的主要监控对象，保障它的正常运行是监控系统的根本目 的。通信动力系统包括高压配电、低压配电、交流稳压器、u p s 、柴油发电机组、整流器 和蓄电池组等动力设备，环境系统包括机房用空调、门禁、温湿度、红外、烟雾，水浸等 环境量。动力与环境监控系统通过对动力设备和环境合理布置监测点，就能准确地将设备 运行状态和运行数据集中反映到监控中心。 ( 3 ) 监控对象按电特性分 监控对象可分为非电量和电量，对于非电量对象( 例如：温度、湿度等) ，应通过传感 器把非电量变成电量后接入数据采集设备，对于电量( 例如电压，电流) 则通过变送器把其 变换成适合采集器要求的输入信号后接入数据采集设备。 监控对象按信号的性质可分为模拟量和数字量。模拟量是指那些随时间连续变化的量 ( 例如交流电压、交流电流等) ，对这些量的测量，需采用模数转换器把模拟量变成数字量 后才能适宜单片机采集，而数字量是指那些仅有“0 和“1 两种状态的量，这样的量单 片机可直接测量。 监控内容是指监控对象中具体被监控的物理量，也称为监控项目。每类监控对象的监 控内容是不相同的，同时由于不同厂商的设计不相同，同类监控对象的监控内容也不同。 然而从整个系统来说监控对象的监控内容是特定的，在信息产业部发布的动力与环境集中 监控标准中对监控对象的监控内容有明确的定义。设备内容按其监控内容可以分为遥测、 遥信、遥控三类。其大概的监测内容如下t 遥测：三相电压，三相电流，水温，放电电流，温度，湿度等。 遥信：开关状态，烟感，温感，湿度，水浸，红外，玻璃破碎，门窗告警等。 遥控：开关机，设定温度等。 监控内容，也称为监控项目，是指对上述监控对象所设置的具体的监测和控制信号量。 从数据类型上看，这些信号量包括模拟量、数字量、状态量、开关量等；从信号的流向来 看，又包括输入量、输出量两种。由此可以将这些监控项目分为遥测、遥信、遥控以及遥 调等几种类型，通常将遥调并到遥控中，并称为“三遥。 。 遥测是指通过对设备或环境的连续变化的模拟量进行采集，来远程获取这些数据的过 程。遥测的对象都是模拟量，包括电压、电流、功率等各种电量和温度、压力、液位等各 种非电量。通过传感器、变送器以及监控模块的一系列变换处理后，转换为非常接近于真 实值的数字量，交由计算机进行进一步处理。 遥信是指通过对现场设备或环境的运行状态进行监视，来远程获取相应的状态量的过 程。遥信的内容一般包括设备运行状态和状态告警信息两种。这些状态量的取值通常是几 个离散的值，每个值有一个固定的意义，用以代表设备或其局部的一种运行状态。有些状 态量只有两种取值，表示某些特定状态的有或无、告警或不告警，这种“非真即假”的状 态量又常常被称为开关量。 遥控是指监控系统对远端设备发出特定的指令，来使设备执行相应的动作的过程。遥 控量的值的类型通常是开关量，用以表示“开”、“关”或“运行”、“停机”等信息，也有 实时监控 一* + 一“ 罐蓬运萱苤蕴 的噩整丝 翔 溪 3n； 穰黔鞠、翼，i ”镧 獭霜怒凑 溺 缫隰企= 夕缀 堤直王焦教 室照低缝坦 点墓查 塞燕坐叁或 孟叁筮望 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 告警提示功能 告警必须能够根据其重要性和紧急性划分等级，通常以不同颜色的字体、指示灯、图 标等在显示器或大屏幕上显示，同时配以不同的语音信息或报警声，声响告警，实时弹出 告警窗口，自动识别告警等级，监控系统还应提供告警确认的功能。 告警屏蔽功能 对于有些可能对维护人员来说没有什么实际意义，或是因为某种原因不需要让其告警 的告警信息，可以进行屏蔽，使它们不再作为告警反映给维护人员。当需要时再对这些告 警项目进行恢复，取消屏蔽。 告警过滤功能 当由于某个相同的原因，可能一下子会在监控界面上产生几十条告警信息( 比如停电 时，交流配电、直流配电、整流器等都会发出相应的告警) 。这时需要系统根据事先设定 的逻辑关系，判断出最关键、最根本的告警，而将其余关联的告警等过滤掉，做到真正的 告警定位。这也是监控系统智能化的一个最基本的要求。 告警统计功能 综合数据处理平台软件提供智能分析功能，自动对告警数据进行告警类别、告警等级 等统计。可根据区域、网络、设备类型不同索引方法查询当前告警数据和历史告警数据。 ( 4 ) 数据管理和分析 设备管理 可以对监控站点和设备进行配置管理，通过软件界面配置基站信息，以及配置其在网 络传输中的位置信息，配置基站设备信息，添加基站设备，并配置设备监控参量。 参数配置 系统参数是保证监控系统正常运行、如实反映设备情况的重要配置信息。这些参数包 括数据处理参数，如数据采样周期、数据存储周期、数据存储阀值等；告警设备参数，如 告警上限、告警下限、告警屏蔽事件段、是否启动声音告警等；通信与端口参数， 如通 信速率、串行数据位数、端口与模块数量、地址等；采取器补偿参数，如采集点斜率补偿、 相位补偿、函数补偿等。这些参数有的常常需要根据实际情况进行一些必要的调整，监控 系统能够为用户提供方便实用的参数配置功能。 数据查询 提供不同索引方式对近期数据和历史数据进行整理查询。 数据分析 综合数据处理平台软件提供对各类数据智能分析功能：全面统计和协助分析数据库的 监控数据，绘制统计报表，根据工作的规定设计和制作报表，绘制相关的曲线图形；根据 维护工作的经验分析监控对象的相关数据，及早发现和诊断设备的问题。 ( 5 ) 系统配置和自动化功能 系统自身安全管理 用户级别的设置至少应有三个层次：a ) 系统管理员b ) 系统操作员c ) 一般用户。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 可靠的安全管理功能：对操作人员进行分级别管理。系统用户的权限分配采用两种方 案：能力方案和访问控制列表方案。所谓能力方案，是指从网管用户角度规定用户可以进 行的操作( 可读、可写) ；所谓访问控制列表方案，是指从资源的角度规定对特定监控对 象进行操作( 浏览、可控、配置参数) 的用户，通常在监控系统中监控对象的基本单位是 监控模块( 代表相应的监控对象) 级。监控系统应该综合使用这两种方式，赋予不同用户 不同的操作权限( 可写可读可控制、可读可控制、只读等) ，并有完善的密码( p a s s w o r d ) 管理功能，以保证系统及数据的安全。 系统日志管理 监控系统应具有系统日志管理功能。系统日志管理包括系统访问日志管理和系统操作 日志管理。 要求监控系统能全面、及时地掌握各本地网上通信局( 站) ，局机房电源、空调设备的 运行状况及环境信息；快速、自动反映网上事件，协助使用人员对故障进行分析，找出故 障原因，并提出合理的解决方案；提供各种历史记录和数据统计功能，实现对电源、空调 及环境事件的分析，并提出优化运行的合理化建议；根据设备的故障情况及设备检修周期 等信息，合理安排检修工作。在设备可能发生故障之前，提示维护人员进行预检、预修和 预先保养工作，使设备总处于良好的运行状态，降低故障发生率：通过控制功能，自动调 节空调的运行状态，节约能源；自动进行蓄电池的定期放电和容量测试等工作，大大节省 人力、物力；实现对维护人员和系统设备方面的管理；提供二次开发工具，方便用户对系 统功能的扩展。 2 2 监控系统结构设计 2 2 1 监控系统基本组成 监控系统首先要解决的问题是如何获得设备的实时运行数据。采用各种各样的传感器 和变送器，利用电磁感应、热电转换、光电效应、红外、微波等现代传感器技术，解决了 数据的采集和转换的问题；电子技术、单片机技术和嵌入式开发技术的发展，使得系统对 设备的远程控制( 自动控制技术中称为遥控) 成为可能；总线技术、现代通信技术和计算机 网络技术，为数据的传输和系统的组网提供了满意的解决方案；先进的计算机技术，高速 率的c p u 、大容量的存储器、性能优越的操作系统、功能强大的数据库系统，以及“量身 定做 的监控软件，很好地解决了数据的处理、管理和维护问题【1 2 d 4 1 。 通过各种技术的运用，监控系统才能够解决数据采集、数据转换、数据传输、数据的 显示等问题，从而把监控对象、监控采集设备、传输网络、中心服务器设备和维护人员组 织成完整的监控系统，其具体的组成结构如图2 2 所示。 第1 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 设 叫数据采集转换r +数据 数据处 备 li 与 传输理，数据人机监控 环 与系 管理，数 交互 维护 境 叫执行控制命令| 卜 统组据维护界面人员 网 2 2 2 监控系统的监控方式 图2 2 监控系统基本组成 监控系统的监控方式就是以何种方式把监控系统中所包括的资源组织起来，形成一个 整体。监控系统主要有两种模式：集中式控制系统和分布式控制系统【1 5 1 7 1 。先看看集中式 监控系统。其结构如图2 3 所示。 图2 3 集中监控方式 在集中监控方式下，整个监控系统中对所监控的所有设备的信息采集、显示、控制都 是由一台计算机完成。这种集中式控制系统比传统的模拟仪表控制优越，其控制功能齐 全，而且可以实现模拟仪表难以实现的功能。但是存在两个突出的问题，第一是可靠性问 题，由于所有被控设备的过程监测、数据采集、告警记录和过程控制等功能都由一台计算 机完成，故障的危险就都集中到这一台计算机上了，这一台计算机一旦出现故障，将导致 整个系统瘫痪。第二是处理速度问题，计算机的处理速度越快，在一定时间内管理的设备 就越多。然而任何计算机的处理速度都是有一定限度的，当控制系统过大，被控设备和测 点太多时，一台计算机往往不能满足要求。 因此，集中式监控系统存在着一定的缺陷，不能适应日益扩大的需求变化，必须寻求 一种更为可靠有效的控制系统，于是出现了分布式控制系统。其结构如2 4 所示。 武汉科技大学 硕士学位论文第1 1 页 图2 4 分布式监控方式 分布式控制系统的最大特点就是管理的集中和控制的分散，因而又被称为集散控制系 统。具体地讲，它把对全局的管理和协调工作集中在主控计算机上，而把具体的对设备的 监测和控制、局部的管理、阶段性的数据处理等工作交给分散在不同地点的前端监控机来 实现。这样做的结果使得监控过程条理清楚，层次分明，既分散了系统故障的危险，提高 了系统的可靠性，又减轻了系统负担，使多项工作协调并行处理，提高了系统的实时性。 同时这种结构具有一定的灵活性，有利于系统的扩展。 通过以上比较可知，分布式监控方式对于当前日益扩大的监控规模和更加复杂的监控 网络来说，是一种很好的解决方案，采用分布式控制方式的系统基本结构可以用如图2 5 所示。 图2 5 分布式监控系统结构 数据采集和控制命令执行都在前端实现，并称为前端采集控制部分；数据管理和人机 界面主要在监控主机实现，并称为中央处理和管理部分。这是一个分支树型结构，即多个 前端采控部分通过数据传输网络与中央数据处理和控制部分进行双向通信。实际运行的监 控系统比这个结构要复杂得多，但都可以看成是由这个基本结构叠加组合而成的。 2 2 3 监控系统的网络结构设计 随着通信技术的发展，监控系统的规模越来越大，而且其分布的范围也是越来越复杂， 监控系统实行集中管理也变得越来越困难。通过分析比较两种监控模式，采用分布式监控 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 模式，可以将集中管理和监控分开，并且可以对管理作进一步的细分，根据地域来划分为 若干个区域监控中心分散集中监控的压力，提高可靠性。 根据用户及监控系统工程规范的要求，动力及环境监控系统组网方案为三级结构 【1 8 】【1 伽，其具体布局如图2 6 所示。 心 监控单元 图2 6 监控系统结构图 动力与环境集中监控系统三级结构分为集中监控中心、区域监控中心、现场监控单元： ( 1 ) 集中监控中心c s c ( c o n c e n t r a t i o ns u p e r v i s i o nc e n t e r ) 集中监控中心设在省级监控中心机房内，负责处理、存储、显示、管理省市内各个分 公司的监控站点，实时监视各通信局( 站) 动力设备和环境的工作状态和运行参数，接收故 障告警信息。具有监视设备、系统故障状态设定等功能。向监控站定时下发时钟校准命令。 根据需要，查询l s c 和s u 采集的各种监测数据和告警信息，并在屏幕显示或打印输出。 透过区域监控中心对现场监控单元下达监测和控制命令。具有统计功能，能生成日、月、 年各种统计报表和曲线图。具有文件存档功能，信息打印功能。 ( 2 ) 区域监控中心l s c ( l o c a ls u p e r v i s i o nc e n t e r ) 区域监控中心设在各地市公司监控中心机房内，负责查询、处理、存储、管理所辖地 市监控站点。实时监视辖区内s u 的工作状态并与c s c 保持通信，可透过s u 对监控模块s m 下达监测和控制命令。设定告警等级、密码等级。设定各个监测量的告警门限值。具有告 警过滤功能。接收c s c 定时下发的时钟校准命令。实时监视各通信局( 站) 动力设备和环境 的工作状态和运行参数，接收故障告警信息根据需要，查询s u 采集的各种监测数据和告 警信息，并在屏幕显示或打印输出。具有统计功能，能生成日、月各种统计报表和曲线图。 具有文件存档功能，信息打印功能。 ( 3 ) 监控单元s u ( s u p e r v i s i o nu n i t ) 监控单元设在各地市公司所辖单个通信站等监控点，负责采集现场监控单元各个被 监控设备的参数。周期性地采集各监控模块( s u p e r v i s i o nm o d u l e ，s m ) 传来的各类信息，进行 数据处理，储存、显示打印，实时、主动地向l s c 发送状态改变或告警信息及相关数据。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 随时接收并快速响应来自l s c 的监控命令。可通过s m 对各工作点下达监测和控制命令。 具有统计辖区内各个监测数据每小时的最大值、最小值和平均值，并将这些统计数据定时 ( 主动) 或按要求( 被动) 上传到l s c ，具有保存至少1 天的告警信息及监测数据的统计值能 力。 2 3 监控系统组网结构和传输 2 3 1 组网结构 监控系统是由各不同层次、不同功能的计算机和通信设备组成的一个计算机网络，确 定一个合理的网络结构对系统的性能和功能非常重要。前面已经介绍了监控系统的层次化 结构，下面将按照每一个层次的具体要求，分别对它们进行网络拓扑结构设计，最后再将 它们进行组合，得出监控系统总的网络拓扑结构。 简单地说，网络拓扑结构就是采用拓扑学的研究方法，将计算机网络定义成一组由节 点和链路组成的几何图形，以便于研究和分析复杂的计算机网络系统。常见的网络拓扑结 构有星型、树型、总线型和环型等【冽。 通信电源集中监控系统是分级结构的计算机控制系统，每个层次的情况不同。例如， s u 层次的设备可能分布在一个建筑物内或在一个院内，覆盖地域较小。而c s c 和l s c 的计 算机则是分布在很大的地理范围内。因此不同层次的监控系统，其组网方式也有所不同。 通信电源集中监控系统中的三个层次，按照计算机之间的距离可分为两类，s u 层次网络属 于局域网，其它两个层次的系统网络都属于广域网，这些在组网时必须分别考虑。从最底 层起，监控系统的组网必须经过接口连线( s m 互联) 、s u 系统组网、l s c 系统组网、c s c 系统组网等几大步骤。下面分别进行介绍。 ( 1 ) 接口连线 监控系统最底层s m 的互联，其主要工作就是接口连线。因为本系统的s m 种类繁多，如 智能设备、专用和通用采集器等，由于它们都来自不同的生产厂家，因此接口通常很难统 一。接口连线的目的就是要把这些s m 通过特定的通信线缆，按照规定的连接方法组织在 一起，形成一个现场通信网络，以便于上级主机进行通信。s m 的互联一般使用的都是串行 通信，在本系统中采用的通信接口有r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 和r s - 4 8 5 ，通过它们可以很方便地 组成各种实用的现场通信网络。r s 一2 3 2 用于点对点的异步通信中，r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 既支 持异步通信，也支持同步通信，既可以实现点对点通信，也可以用于一点对多点的通信。 当用于多点网络时既可以连接成总线型，也可以连接成星型。在监控系统中一般多采用异 步通信的模式，且都是多点网络【2 。 ( 2 ) s u 系统组网方案 s u 系统是监控系统中最底层的监控子系统，它是由基站监控主机与各种监控模块构成 的一个分布式的网络系统，直接参与对通信电源设备的监测控制和管理。基站监控主机又 称为前置机。s u 系统的功能是通过监控现场的通信网络，将各监控模块( s m ) 与s u 工作 ：l i 一矗一嘉彳公j 叠? 一0 ” ： i b s u 一一 r 2 j ! 冶| 嚣电矗托净t ：f j 一位川一t ；i 一 【n j 。 一 一。 。- 。7 。”。话剧7 鲁专壹奢鲁， 蔫f | 一? 期 t - 5 口 油机 电酾 空调 蓄电m高低压 程隧度烟黪 水浸 i 磁1 智能爱备 j ! 拍e 峻各 图2 7s u 结构图 图2 7 是s u 系统的组网方案。该图中列举了本系统中常见的一些设备，包括智能设 备、非智能设备，以及烟雾水浸、门禁等环境量。在这个组网方案中，前置机采用多串口 卡对所监控的内容进行处理。对于距离比较近的智能设备，尽可能通过多串口卡上的 r s 一2 3 2 接口直接接入。对于距离比较远，超出了r s 一2 3 2 通信范围的设备，可以通过r s 一4 2 2 或r s - 4 8 5 总线汇集后再通过接口转换器转换成r s 一2 3 2 信号接入多串口卡。由于 r s 一4 2 2 4 8 5 总线采用主从轮询方式访问，应尽量避免在总线上挂接自身轮询时间较长的智 能设备，以免影响总线上其它设备的实时性，进而影响整个系统的实时性。 对于智能设备，仅仅接口的连通还不能进行正常通信，必须要有统一的通信协议j j 。行。 当智能设备的通信协议为标准协议( 与监控主机的协议一致) 时，可以直接接入，当智能设 备的通信协议为非标准协议( 与监控主机的协议不一致) 时，则需通过协议转换器来进行 协议转换。协议转换器具有接口转换的功能，以适应那些接口和协议都不一致的设备。对 于非智能设备的接入，可以通过对其进行智能化改造，增加监控接口板，作为智能设备接 入。蓄电池组由于监控量多，类型单一，要求特殊，因此通常采用专门设计的蓄电池监测 仪来进行监控。非智能的配电柜屏可以通过智能变送器来获取所需要的各种监测电量，也 可以与其它的非智能设备一起通过各种通用采集器上送。环境量通常被视为非智能设备， 通过通用采集器来接入各种环境量传感器，也有的环境量传感器是智能的，则可以直接挂 接在r s - 4 2 2 4 8 5 总线上。 ( 3 ) s c 组网 s c 系统组网就是计算机系统之问的互联，运用的主要是计算机网络技术。通常所说组 网，是指l s c - s u 系统的互联组网，主要借助的是网络的技术，从实际应用角度来看，就 是将分布在各个监控点的现场监控单元和监控中心通过网络连接起来，实现对各个监控单 元的控制和数据交互，组成监控网络1 2 3 】。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 2 3 2 传输方式的选择 通信基站、地区监控中心、集中监控中心通过各种接入方式接入不同的传输网，构成 监控系统。监控传输网的接入方式是由网络运营商决定的，例如：d d n 、帧中继、x 2 5 ， 拨号等。目前国内所有的通信传输网都可以接入。 区域监控中心与现场监控单元接入方式：i p 数据网；通信站用传输2 m 抽取一个6 4 k 时隙方式；s d h ( p d h ) 设备总线式的数字公务通道方式；电话轮询方式和专线方式；e l 勤务通道综合组网方式。 在监控系统组网时通常会采用e 1 链状或总线环的网络结构。该技术方案是基于节省 传输资源、降低成本、提高系统网络的稳定性而创造性地提出来的，组网架构主要是由一 个中心端传输设备和若干个节点传输设备通过e l 电路互相连接而成，从而在若干个站点 间构成链状的或自愈环状监控系统传输网络。 具体实现方式为，每个站点的现场安装一套节点传输设备，通过2 3 2 串口方式，直接 与被监控设备连接并进行数据交互，每台节点传输设备配置有2 路e 1 接口用于连接环路 上下游相邻基站的e 1 传输通道，形成监控数据传输链路。节点传输设备上行时将被监控 设备的异步数据( r s 3 2 接口数据) 加上路由信息，插入复用到e 1 通道的时隙中，通过相邻 基站的e 1 传输通道传输到监控中心端设备；下行时接收来自中心端的监控数据，解析并 提取出控制信息。 中心端传输设备置于集中监控中心或区域分中心，与多台节点传输设备配套使用，构 成链状或自愈环状组网。中心端传输设备可以对环路中的每个节点传输设备进行远程配置 及监测，自动为每个节点传输设备配置e 1 通道时隙，并将每个节点传输设备插入到e 1 通 道时隙的r s 2 3 2 数据，统一转化成通信协议数据包，传输到监控中心处理，同时能从监控 中心发出的通信协议数据包信息，解析并提取出控制信息，插入到e i 通道时隙中，传输 到被监控设备，实现监控中心对每个基站现场的每个串口的透明通信。 时隙插入设备的基本功能是从2 m 中抽取一个或者6 4 k 时隙进行传输，同时不影响其 它时隙的数据传输。主要用于在e 1 传输线路上提取时隙形成数据传输通道，实现网络信 息( 数据、图像、语音灯) 的远程传输。 2 4 软件总体结构框架 2 4 1 监控系统工作模式 在软件系统体系结构中，有以下两种常见系统工作模式【2 4 】： ( 1 ) c s 模式 所谓c s ( c li e n ts e r v e r ) 模式，即客户端和服务器端模式【2 5 1 ，是由服务器( s e r v e r ) 和客户端( c 1 l e n t ) 应用程序组成，在这种模式下，数据存放在服务器上，应用程序放在 客户端计算机上，因此也称为“胖客户”模式。 第1 6 页武汉科技大学 硕士学位论文 ( 2 ) b s 模式 所谓b s ( b r o w s e rs e r v e r ) 模式，即浏览器和服务器模式【2 引。监控系统由浏览器、应 用服务器和数据库服务器组成，数据信息和应用程序都放在服务器上，客户端只需要安装 通用的浏览器，因此也