（计算机应用技术专业论文）城市供水智能监测网络系统的研究.pdf

摘要 城市供水是城市发展的命脉产业，是保障人民生活、发展生产建设必不可少的物 质基础。随着网络技术的普及和计算机技术的深入发展，人们已经意识到利用计算机 和地理信息系统管理城市供水管网的重要性，相应提出了建立面向企业的供水管网系 统的迫切需求，以实现供水行业的规范化，自动化和现代化的管理。 本文设计的城市供水智能监测网络系统，是为了加强供水管理的信息化，提高城 市二次供水的科学性和合理性，更好的为市民服务，而建立的一套供水管理信息系统。 实现对信息监测点的压力、流量、电机运行状态等参数进行远程监测和控制，保证供 水系统良好运行，提高公司生产、调度及管理的自动化水平，从而大大提高了城市供 水系统的经济效益和社会效益。 该系统建立在某地区已有局域网网络基础上。从硬件结构的角度看，可分为上位 机和下位机两个部分。其中，网络终端、总控制中心、分控制中心属于上位机，现场 监测点是下位机。各上位机之间通过广域网通信，上位机中的分控制中心和下位机之 间，在局域网内利用t c p i p 协议族中的u d p 协议通信。为了提高系统的可靠性，加 强系统控制命令执行的有效性和同步性，系统在通信过程的设计中利用软件应答的方 式，建立了一种利用u d p 进行可靠性传输的通信模型。在软件实现方面，该系统运用 了b i s 的结构模式，用户可以通过w 船浏览器实现对系统的控制。系统采用m v c 的 设计思想，将下位机分为接口层、消息控制层、业务处理层和数据传输层：上位机分 为u i 层、消息控制层和业务处理层。通过这样的设计，系统在接收消息和发送消息这 两个主要线程的处理过程中，各个层次之间实现了低耦合的关系，从而提高了代码的 可读性，为业务扩展奠定了良好基础，为代码复用提供了有利的条件。 本文首先从城市供水监测网络系统的设计原则和整体需求入手，确定了系统的通 信网络，并设计了系统的硬件控制结构和网络架构；接着介绍了系统所采用的通信协 议，包括t c p i p 协议族中的u d p 协议以及自定义的上位机与下位机间的应用层协议； 随后对下位机和上位机的软件设计进行了层次划分，并分别以接收消息和发送消息为 主线，详细说明了系统运行时各个层次在消息处理过程中的作用。在上位机的设计部 分，给出了系统中数据库的存储结构及其在系统中的应用；最后介绍了系统的软件功 能测试和报文通信测试。 关键词：城市供水通信协议下位机上位机层次构架 a b s t r a c t u r b a nw a t e ri n d u s t r yi st h el i f e b l o o do f u r b a nd e v e l o p m e n t ，c a ne n s u r ep e o p l e sl i f ea n d t h ee s s e n t i a lm a t e r i a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o n a l o n g w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no f t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ei n - d e p t hd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r t e c h n o l o g y , i th a sb e e na w a r eo ft h eu s eo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m sa n dc o m p u t e r n e t w o r k st ot h ei m p o r t a n c eo fu r b a nw a t e rs u p p l ym a n a g e m e n t t op u tf o r w a r dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h ew a t e r ：g u p p l ys y s t e m so ft h eu r g e n tn e e d st oa c h i e v ew a t e ri n d u s t r y s t a n d a r d s ，a u t o m a t i o na n dm o d e mm a n a g e m e n t t h i sa r t i c l er e f e r st ou r b a nw a t e rs u p p l yi n t e l l i g e n tn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m ，i st o s t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n to fw a t e rs u p p l i e si ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y r a i s i n gt h ec i t y s s e c o n d a r yw a t e rs u p p l ys c i e n t i f i c a n dr a t i o n a l ，c a nb e t t e rs e r v et h ep u b l i ca n dd e v e l o pa w a t e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi n f o r m a t i o no nt h em o n i t o r i n gp r e s s u r e ，f l o w ，t h e e l e c t r i c a l o p e r a t i o n s f o rr e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l o fp a r a m e t e r s ，i n c r e a s et h e c o m p a n y sp r o d u c t i o n ，s c h e d u l i n g a n dm a n a g e m e n tl e v e lo fa u t o m a t i o nt h u sg r e a t l y i m p r o v i n gt h ec i t y sw a t e rs u p p l ys y s t e mf o re c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s t h es y s t e me s t a b l i s h e di nac e r t a i na r e ai sb a s e do nl a n f r o m 也eh a r d w a r e p e r s p e c t i v e ，t h ec r e wi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，u p p e ra n dl o w e r b e t w e e nt h e m ，n e t w o r k t e r m i n a l s ，t h et o t a lc o n t r o lc e n t e r s ，a n dt h es u b c o n t r o lc e n t e rb e l o n gt ot h eu p p e r - l o c a t i o n m a c h i n e ，o n s i t em o n i t o r i n gi st h el o w e r - l o c a t i o nm a c h i n e e v e r yu p p e r - l o c a t i o nm a c h i n e c o m m u n i c a t e se a c ho t h e rb yw a n ，t h es u b c o n t r o lc e n t e ra n dt h el o w e r - l o c a t i o nm a c h i n e i nt h ea r e ao fl a n ，u d pa g r e e m e n tf o rt h eu s eo ft c p i pd a t at r a n s m i s s i o n i no r d e rt o e n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n di m p r o v et h ev a l i d i t ya n ds y n c h r o n i z a t i o no ft h e c o n t r o lc o m m a n d so ft h es y s t e m ，d u r i n gt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s ，t h ea u t h o r u s e st h em e t h o dc a l l e ds o f t w a r e a n s w e r i n gt oc r e a t eac o m m u n i c a t i o n sm o d e lu s e du d p 协a t c a nt r a n s m i ts a f e l y i nt h ea s p e c to ft h es o f t w a r er e a l i z a t i o n ，t h es y s t e ma d o p t sb s f r a m e w o r km o d e ，t h eu s e rc a l lc o n t r o lt h i ss y s t e mb yw e bb r o w s e r t h es y s t e ma d o p t st h e t h i n k i n go ft h em v cd e s i g n ，t h el o w e r - l o c a t i o nm a c h i n ei sd i v i d e di n t o i n t e r f a c el a y e r ， l a y e r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，b u s i n e s sl o g i ct i e ra n dd a t a t r a n s m i s s i o nl a y e r ；t h e u p p e r - l o c a t i o nm a c h i n ei sd i v i d e di n t ou il a y e r , c o n t r o ll a y e ra n dt h eb u s i n e s sl o g i ct i e r b y d o i n gt h i sk i n do ft h ed e s i g n ，w h i l e d e a lw i t ht h er e c e i v i n gi n f o r m a t i o na n ds e n d i n g i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt h r e a d s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sl e v e l so fl o o s e l yc o u p l e d ， t h e r e b yi m p r o v i n gt h er e a d a b i l i t yo ft h ec o d e ，l a y i n g ag o o df o u n d a t i o nf o rb u s i n e s s e x p a n s i o n ，r e u s a b l ec o d et op r o v i d ea f a v o r a b l ep r e c o n d i t i o n s t h i sa r t i c l eb e g i n sw i t ht h eu r b a nw a t e rs u p p l ym o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e md e s i g n p r i n c i p l e sa n du n i t a r yr e q u i r e m e n t ，e s t a b l i s h e st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o rt h es y s t e m a n dd e s i g no ft h es y s t e mh a r d w a r ea n dn e t w o r kc o n t r o ls t r u c t u r e ；s e c o n d ，t h ea r t i c l e i n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e di nt h es y s t e m , i n c l u d i n gu d p a g r e e m e n tf o rt h e u s eo ft c p i pa g r e e m e n t 嬲w e l l 嬲t h ed e f i n i t i o no ft h eu p p e r - l o c a t i o nm a c h i n ea n dt h e l o w e r - l o c a t i o nm a c h i n eo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ；t h i r d ， t h ea r t i c l ed i v i d e st h el o w e r - l o c a t i o na n du p p e r - l o c a t i o ni n t ol e v e l so ft h ed e s i g no ft h e s o f t w a r e ，t h e nb yr e c e i v i n gm e s s a g ea n ds e n d i n gm e s s a g ef o rt h em a i nl i n e ，i tg i v e sy o ua d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h es y s t e ma tv a r i o u sl e v e l si nt h er o l eo fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i n t h eu p p e r - l o c a t i o np a r to f t h ed e s i g n ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sd a t a b a s es t o r a g es t r u c t u r eo f t h e s y s t e m ；a tl a s t ，t h ea r t i c l eg i y e sy o ut h es y s t e ms o f t w a r et e s t i n ga n dt e s t sm e s s a g i n gs y s t e m k e yw o r d s ：u r b a nw a t e rs u p p l y , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，l o w e r - l o c a t i o nm a c h i n e u p p e r - l o c a t i o nm a c h i n e ，t r u s so f t h es y s t e m k 春t 业人学硕 一学位论义 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 h 论文作者签名：鸳铣 日期：冽7 年弓月罗秒日 k 奋t 业大学形! j 。学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题的背景 城市供水是城市发展的命脉产业，是保障人民生活、发展生产建设必不可少的物 质基础，它与城市道路一样，是城市中物质流与信息流的脉络。由于水的不可替代性， 供水问题往往成为一个城市发展的根本性制约因素。城市自来水作为现代化城市的重 要基础设施，对各行各业的发展都起到了举足轻重的作用，同时也是对外开放的重要 的硬件投资环境之一，对整个城市的发展有着至关重要的意义【1 】。 面对日益复杂的城市供水系统，要在满足供水水量、水压及水质的前提下，最大 限度地提高供水系统的经济效益和社会效益，即不仅要尽量减少工作中的人员浪费， 还要尽量降低设备的安装和维修费用。这是2 1 世纪初摆在所有设计、研究、制造、管 理专家面前的重要课题。城市供水系统中的信息监测点分布范围广，数量多，距离远， 地理位置复杂，若想要实现远程集中监测、调度和信息化管理，必须有效解决系统的 通信传输组网问题。城市级水务业领域的广域网络系统应满足广域，实时，专用，便 捷，主动”的要求，要做到“实时在线监控，通信距离无限”。面临异常复杂的众多应用 软件和支持软件的建模任务，精确机理建模日益困难，要实施科学的综合自动化监控， 是十分艰巨的任务【2 j 。 随着网络技术的普及和计算机技术的深入发展，人们已经意识到利用计算机和地 理信息系统管理城市供水管网的重要性，相应提出了建立面向企业的供水管网系统的 迫切需求，以实现供水行业的规范化、自动化和现代化的管理。城市供水管网系统的 建设，越来越受到有关部门和各级领导的重视，它的应用已成为数字城市的核心应用 之- - 3 1 。 本文设计的城市供水智能监测网络系统，是为了加强供水管理的信息化，提高城 市二次供水的科学性和合理性，更好的为市民服务，而建立的一套供水管理信息系统。 对信息监测点的压力、流量、电机运行状态等参数进行远程监测和控制，辅助调度人 员对供水资源进行有效合理的安排；提高对用户供水的监督力度，改善供水系统的管 理和维护手段；初步实现供水泵站无人值守；保证供水系统良好运行，提高公司生产、 调度及管理的自动化水平。 1 2 项目的来源和意义 该课题来源于长春市水务集团的城市二次供水系统项目。 长春市水务集团承担着为市民的生活、生产和建设供水的任务，提高城市供水服 务质量是供水部门的迫切需要。目前，公司由于部分工艺和设备相对比较落后，运行 k 奋丁业j i 学硕】学位论文 成本较高，部分管网老化，漏水较严重，爆管频率较高，维修响应不敏捷，输配水能 力不足，管理手段相对落后，机构部门之间信息难于共享，信息来源多渠道，数据的 真实性、准确性、一致性较差，数据格式不规范、利用率低，导致决策层无法及时掌 握供水管网的运行情况，难于形成正确的决策和进行及时有效的指挥；难于在水质、 水量、水压、服务等方面达到用户的高要求，直接影响企业的经济效益、社会效益及 政府形象【4 】。 为了及时了解供水管网的运行情况，水务集团在供水管网已经或正在设置一些监 测点，监测点预留了压力信号接口，部分已经安装了流量计，每天有专职人员定时巡 检抄表，然后由人工统计生成报表。特别是在政府决定将长春市二次供水泵站由水务 集团集中管理以来，随着泵站数量的增加，派人常驻死看死守或定时巡检等常规方法 已经显得力不从心。一方面所需的泵站管理人员、巡检车辆激增，这给企业造成很大 的生产成本负担；另一方面由于泵站管理人员的职业素质、责任心参差不齐，靠定时 手工抄送的泵站运行数据也不一定能准确的反映泵站的运行状况，一些运行隐患不能 被及时发现。集团的生产调度部门缺少水资源调度管理的准确数据依据，只能凭工作 经验或估计测算。 除居民生活用水外，大企业或大型商业用水单位是城市用水的主体，对他们用水 情况的实时监测和用水量的抄送对企业的经济效益有重要的意义。当前的情况是重点 的用水大户基本已安装了流量表，然后由职能部门的工作人员定时不定时到现场查看、 抄表。但也有一些计量表被人为损坏，而不能立即被发现而造成流量丢失，或者由抄 表人员人为造成的流量丢失而使企业利益受损等情况的存在。 水务集团认识到要利用现代高新技术的管理技术，实现企业的生产自动化、管理 现代化，以提高企业的整体实力和效益，但二次供水泵站星罗棋布，供水管网遍布市 区和城郊、数量多、地域比较复杂，要及时准确的掌握供水管网运行状态( 供水压力， 流量等) 、二次供水泵站的运行状态( 加压泵的开启状态，一次管网压力、供水压力， 送水流量) 等一直缺少非常有效的通信手段来解决传输通道问题【”。 1 3 供水系统的发展现状 1 3 1 我国城市供水的发展 在上世纪七十年代以前，我国城市供水监测调度系统大部分还在采用人工方式进 行工作。在这种情况下，数据采集终端必须安排专人二十四小时值班看守，而调度中 心只能通过电话与其联系获取管网压力、流量、电机状态等物理量的数据，然后根据 情况和以往经验来指挥水厂的工作。这种调度方式是以保证不缺水和维持正常运行为 目的，谈不上优化调度。因其具有收集信息数量少、处理慢、传递迟等缺点，在遇到 爆管等突发事故时很可能会由于处理不及时而扩大损失。 2 长奋t 业人学碰! 十学位论立 到了上世纪八十年代，科学技术有了很大的发展，国内一些科研单位和高校研制 出供水调度实时自动采集控制系统。其主要由管网终端机、数传电台、远传压力表、 中心台控制器以及模拟屏等几部分组成，以实现数据自动采集和传输。但是由于系统 结构复杂、故障率高，其可用性和可维护性都比较差，因此没有得到广泛应用。 九十年代以来，微型计算机技术的发展带来了新的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ，管理控制数据获取) 系统，并应用于供水调度系统中，成为调度 人员获取实时管网数据的重要手段。这种系统的组成结构采用了更加可靠的微机和单 片机取代了集成电路芯片控制器，使得系统可靠性大大提高，方便地实现了数据的存 储和传输【刨。 目前，我国的城市供水系统已经与网络互联。在这些系统中，调度人员可通过网 络通信，获取实时的管网数据。多数的嵌入式网络设备采用带有嵌入式t c p i p 协议栈 和操作系统的嵌入式微处理器或m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ，微程序控制器) 来实现。 这种方案具有体积小、实时性强、软件实现简单等突出优势。随着在工业领域的进一 步应用，以太网不仅会对企业内部的通信系统产生巨大的改进，保护既有的投资，还 将对企业的管理和运营方式产生深远的影响【”。 1 3 2 国外城市供水的发展 自六十年代起，国外一些发达国家就开始了将计算机应用于供水系统的探索。如 美国的费城和丹佛、加拿大的多伦多等城市，都采用了远程监测设备将管网中控制点 的压力、水厂出厂压力、出厂流量，水位，功率等实际运行参数自动实时地传送到中 心控制室，并对异常现象做出自动报警。尤其是八十年代以来，随着微电子技术等现 代科技的高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应的推动供水系 统的自动监控技术有了质的飞跃。西方发达国家雄厚的经济实力与技术基础，供水的 自动监控已得到普遍应用。一些水厂已经实现了监测调度的全自动化运行嗍。 现在国外的供水调度运营过程，普遍利用计算机系统完成。其功能是通过远程通 信系统，把应保证的供水系统的关键点的实际压力值采集到调度中心，利用计算机进 行计算、预测和决策，然后对水厂的供水情况进行遥控和调度。同时在供水系统发生 如爆管、漏水等事故时，可以自动的进行分析并做出合理的处理决策，以保证供水系 统安全、经济的运营。目前，在美国、英国、日本等地的一些城市小区已基本实现了 供水系统的计算机优化管理，并取得了显著的经济效益和社会效益f 9 】。 1 4 主要研究内容 本文首先从城市供水监测网络系统的设计原则和整体需求入手，确定了系统的通 信网络，并设计了系统的硬件控制结构和网络架构；接着介绍了系统所采用的通信协 议，包括t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协 3 长奋t 业大学形! j 学位论文 议) 协议族中的u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 以及自定义的上位 机与下位机间应用层协议；随后分别对下位机和上位机的软件设计进行了层次划分， 以接收消息和发送消息为主线，详细说明了系统运行时，各个层次在消息处理过程中 的作用。在上位机的设计部分，给出了系统中数据库的存储结构及其在系统中的应用； 最后介绍了系统的软件功能测试和报文通信测试。 本文的第一章说明了该课题的研究背景、来源和实际意义；第二章从供水系统的 设计原则入手，确定了系统的通信方式。并根据系统的需求，设计了系统的硬件结构 及网络拓扑结构；第三章在确定了该系统使用以太网t c p i p 协议族中的u d p 后，详 细介绍了上位机与下位机之间应用层协议的设计，包括通信过程设计以及传输的帧格 式设计；第四章针对下位机与网络互连的特点确定了系统中硬件设备的选择。并详细 说明了该部分的软件设计层次及消息处理过程；第五章详细介绍了上位机的构架层次 以及消息的处理过程，给出了系统中数据库的存储结构及其在系统中的应用；第六章 给出了系统的功能测试以及通信中报文到达情况的测试。 4 k 备t 业大学坝i 学位论史 第二章系统的框架设计 本文设计的城市供水智能监测网络系统，是为了加强供水管理的信息化，提高城 市二次供水的科学性和合理性，更好的为市民服务，而拟建立的一套供水管理信息系 统，对信息监测点的压力、流量、电机运行状态等参数进行远程监测和控制，辅助调 度人员对供水资源进行有效合理的安排；提高对用户供水的监督力度，改善供水系统 的管理和维护手段；初步实现供水泵站无人值守；保证供水系统良好运行，提高公司 生产、调度及管理的自动化水平。 2 1 系统设计的原则 要实现城市供水智能监测网络系统，首先就要对该系统进行整体的设计。在设计 时，要遵循以下几个原则： 1 系统设计中采用的关键技术要考虑稳定性、实用性、经济性、可扩展性和持续性。 2 系统的设计在保证功能完善、安全可靠的前提下，尽量提供开放接口。系统提供 的扩展接口严格遵循工业自动化领域的主要规范。 3 系统中所涉及到的工业模块，输入输出信号在能实现功能的前提下，必须全部为 工业标准信号。 4 方案中各子系统的设计要最大限度考虑自成体系。各子系统的维护、升级不影响 其它子系统的正常运行。 5 系统中的软件模块，均要提供规范、易操作的维护监测工具和手段。 6 网络设备、服务器、工作站等在保证功能的前提下，要综合考虑其以后的可扩展 空间。在保证经济性的同时，全部选用国内品牌产品。 2 2 通信网络的选择 该项目的特点是监测点相对分散，数量多，总监控调度中心、职能部门( 计量处) 和分控制中心不在一处，又有数据共享的需求。针对项目的这些特点，现在较为常用 的实现方法是利用中国移动、中国联通已有的g s m 、c d m a 移动通信网络，利用g p r s 、 c d m a 1 x 无线分组数据业务，实现对信息监测点的远程无线数据传输【1o j 。这种通信 方式虽然是一种不错的传输手段，但随着供水业务的不断发展，控制中心对监测点返 回数据的要求也会越来越高。当控制中心不仅要采集监测点的流量、水压等物理量， 还要采集信息监测点的实时声音、图片等信息时，这种短信业务方式就不能满足要求 了。 本文设计的城市供水智能监测网络系统，采用的是以太网传输技术。由于以太网具 有传输速度快，传输容量大等特点，这就很好的满足了系统对大量数据实时传输的要 5 k 备t 业j ：学坝1 学位论文 求。该供水系统是应用在某地区己有网络基础上的，如小区或学校等这样有局域网的 地区。在这样的地区，设置若干个现场监测点，并将这些监测点接入局域网，位于分 控制中心的工作人员通过网络可以实现对各站点的监测。各现场监测点与分控制中心 通信的过程中，占用了局域网内以太网的一部分信尹资源。采用这种通信方式，可以 降低开发成本。 2 3 系统的功能需求 一 作为一个城市的自来水企业，其企业特点是：分布式、集散型、网络化、全开放。 为了满足对供水过程的调度和指挥，需要一个可靠的供水系统1 1 3 】。系统本身具有的功 能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能， 历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，远程控制功能，网络功能 等。针对该系统应该具有的这些功能，图2 - 1 利用u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ， 统一建模语言) 中的用例图方式，给出了该系统的用例分析。 。缈艇9 ：i 三蜘d 啦磊磊磊_ 、 乏磊5 鬲葡 e x t e ：n d s 9 酝吣延 ! 警k 9 图2 - 1 系统的用例分析 2 4 系统的硬件结构及功能 通过对系统功能需求的分析，城市供水智能监测网络系统的控制结构分为3 个层 次( 如图2 - 2 所示) ：总控制中心、分控制中心和监测点。总控制中心可同时监测和控 制多个分控制中心，每个分控制中心又可以同时监测和控制多个监测点的运行状况。 6 长存t 业人学坝i 学位论支 包括采集各监测点的数据信息，并可对这些信息进行存储、分析汇总或打印等处理。 通过这样的控制结构，即可实现总控制中心对每个监测点的监控。系统中还可以有网 络终端，即用户可突破地域的限制，根据其权限访问各分控制中心，从而实现监控各 监测点的功能。 “# ”_ 总控铡中心i 图2 - 2 系统的控制结构图 从城市供水监测网络系统硬件结构的角度，又可以把整个系统分为上位机和下位 机两个部分。控制结构中的监测点为下位机；网络终端、总控制中心和分控制中心是 上位机。两个部分通过网络协议实现通信。 2 4 1 下位机 系统的下位机即各信息监测点，该部分主要在r c m 3 0 1 0 模块上实现，采用d y n a m i c c 语言编写程序。下位机主要具有如下功能： 1 接收上位机指令，并做相应的处理。 2 向上位机发送该监测点的实时数据。包括水压、流量、阀门开关状态、报警信 息等物理量。 3 发现异常数据时给出相应的报警判断，并能针对异常做出反应。 4 能够通过传感器和a d 转换器等设备，实现与底层硬件设备的数据交互。 注：由于下位机中与底层硬件交互部分的设计与实现是由其他人完成的，在本文 中不做介绍。 2 4 2 上位机 系统的上位机包括网络终端、总控制中心和分控制中心。总控制中心安置在水务 集团的办公大楼，由p c 机组成。分控制中心安置在各个局域网内，由工控机或普通的 p c 机组成。网络终端、总控制中心和分控制中心通过广域网实现互连。上位机的软件 系统要实现整个系统与用户的交互、信息收集和发布等功能。即把位于其监控之下的 k 奋t 业人学坝i 。学位论文 所有监测点的数据通过复杂的网络结构，最终集中在该软件系统上，由该系统完成流 程控制、动态画面、曲线报表等日常的管理事务，并把所有的数据在服务器中统一管 理和保存。位于办公室的企业领导、管理人员作为网络终端可以通过w e b 浏览器可以 直观的看到各现场监测点的工作状态。这样的设计结构，实现了企业的管理测控一体 化。 上位机主要具有如下功能： 1 数据采集和实时监控。实时采集下位机发送的数据，包括监测点的流量、压力、 供电状态等物理量信息，用户可在计算机屏幕和模拟屏上进行监视。 2 远程控制。可控制监测点阀门的开关，现场设备的通信状态等，还可以手动设 置监测点报警的上下限值及下位机发送水文数据报文的时间间隔等参数。 3 实时报警。当识别出某下位机发送来的水文数据中含有异常信息或是检测出某 下位机发生通信中断时，系统将自动在当前浏览界面上推出报警提示界面，语 音报警系统发出语音提示。同时系统会将报警信息存储在数据库中。 4 数据存储。在分控制中心建立数据库，实时的存储各个监测点的水文数据、报 警情况、运行状态等各种数据。 5 智能报告。通过对所监测站点当天日报表的分析，针对该监测点的通信状况、 水压及流量状态给出智能性报告。 6 数据统计。对水厂的实时数据和管网测点实时数据进行统计，可打印出各种报 表，也可根据这些数据形成任意时间段内各参数的变化趋势曲线。用趋势图显 示某些重要参数的变化情况等，为公司总调度室提供真实可靠的第一手数据资 料。 7 数据查询。系统后台以大型数据库支持，存贮原始数据。用户可查询其监控范 围内任意监测点的运行信息。 2 4 3 系统的运行流程 通过对系统功能的理解，下面采用顺序图( 如图2 3 所示) 的方式描述系统中上 位机和下位机之间的运行流程。 k 奋t 业人学坝i 学位论文 l 一。一一。、。一一一一。一一 ：上位机：；下位机 网络终端li 总控中心l1 分控中心 r c m 3 0 1 0 模块硬件设备 j a v as e r v e r 启动 系统启动成功 一i 话- a 磊磊i 一1 ：x ：。 j 如果数据异常 j 区回执征结是 j 基回执红结目l 图2 - 3 系统的顺序图 2 5 系统的网络拓扑结构 结合城市供水智能监测网络系统的实际要求，该系统的网络拓扑结构主要分为2 个层次( 如图2 4 所示) ：网络终端、总控制中心、分控制中心这些上位机之间，通过 广域网通信；上位机和下位机之间通过局域网实现通信。在局域网范围内，系统为每 个信息监测点设置一个虚拟的网内口，它们被网内统一的分控制中心进行实时监测和 控制。在广域网范围内，每个分控制中心通过d d n 线路与i n t e r n e t 相连，总控制中心 和各网络终端通过广域网上的w e b 浏览器即可直接监控各个分控制中心的运行情况。 9 k 备t 业j ：学硕l 学位论立 系统在每个分控制中心都建立数据库，存储该局域网内各站点的运行数据。通过这样 的网络结构，就可以实现总控制中心对每个站点的监控。 现场站点a 现场站点n现场站点a现场站点n 图2 - 4 系统网络拓扑图 本方案的设计充分考虑了监测数据的一致性和规范性，整体采用先集中后分散结 构。各监测点的数据采集设备将数据发送到相应的分控制中心，分控制中心将各个监 测点传输上来的数据加工转换形成实时数据库，各功能模块根据自己的需要从实时数 据库中提取自己关心的参数。这不但保证了数据来源的真实性和准确性，同时也有利 于系统的利用和扩充，使系统具有很好的可扩展性。 1 0 长存t 业人学硕l 学位论史 第三章通信协议 数据通信是机器之间的通信，主要是利用数据通信网将若干计算机组成计算机网 络来实现的，所以数据通信也叫计算机通信【1 刀。在计算机网络中，一个实体就是能够 发送和接收信息的任何设备，通信发生在不同系统的实体之间。但是，两个实体并不 能简单地将比特流发送给对方，并希望对方能够理解这个比特流。要进行通信，这两 个实体必须同意使用一种协议。也就是说应该在通信系统中规定一个统一的通信标准， 即通信的内容是什么、如何通信、何时通信，都必须在通信的实体之间达成大家都能 接受的协定，这些协定就被称为通信协议。一个协议就是一组控制数据通信的规则。 也可将协议定义为监督和管理两个实体之间的数据交换的一整套规则。概括地说，通 信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。网络的数据交 换和通信，都是在协议控制下完成的【。 3 1 以太网通信协议的确定 在传统的控制系统中，通信主要采用现场总线方式。现场总线的介质访问控制方 式基本满足工业控制网络的要求，即通信的确定性和实时性。但是现场总线标准还在 发展之中，多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现实时的数据传输， 信息网络存在协议上的鸿沟，导致出现“自动化孤岛域1 9 1 。 基于以太网的网络通信方式，不仅传输距离远，而且传输速度高，采用标准的 t c p i p 协议又使得其兼容性大大提高 2 0 】。 3 1 1t c p i p 协议族 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i m e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 是微软公司为了适应不断发展的网络，实现自己主流操作系统与其它系统间不同网络 的互连而收购开发的。t c p i p 协议最早用于u n i x 系统中，现在是i n t e r n e t 的基础协 议，它是目前最常用的一种协议，也可算是网络通信协议的一种通信标准协议，同时 它也是最复杂、最为庞大的一种协议【2 ”。t c p i p 参考模型将网络分为4 层( 如图3 1 所示) ，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求【2 2 j 。 应用层各种应用层协议 传输层 t c pu d p 网络层 i p 链路层 设备驱动程序及接口卡 图3 - 1t c p i p 协议簇的体系结构 k 奋丁业人学坝i + 学位论文 3 i 2 t c p 和u d p 的比较 在t c p i p 参考模型的传输层中定义了两种网络通信协议：t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。 t c p 协议和u d p 协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面有所不同。 t c p 属于“面向连接，可靠传输”的类型。面向连接的传输意味着在进行通信以 前，需要在两个系统之间建立逻辑连接，在每个数据传输的过程中都需要进行应答以 保证数据包的完整。t c p 数据包包括头部和数据区，它负责把要传送的数据分成若干 个数据包，并给每个数据包加上包头，包上有相应的编号，这样可以在数据接收端将 数据还原为原来的格式。在传送过程中可能出现数据包丢失或损坏的情况，如果接收 方在规定时间内不能收到这些数据包，t c p 协议会让发送方重新发送丢失的数据包， 直到数据包正确到达接收方。这种方法需要的网络开销较大，但可以保证数据传输的 可靠性。 u d p 属于“面向无连接，不可靠传输”的类型。该协议只负责接收和传送由上层 协议传递的消息，它本身不做任何检测、修改与应答，上层协议需要自己处理这些事 务。u d p 中，每个数据包称为“数据报”，它的包头只包括4 个域，主要是地址信息、 包的长度和校验信息。与此对应，t c p 包的头信息有十多个域。因此u d p 的网络开销 一般要小于t c p 。由于u d p 在传送数据过程中没有建立连接，亦不进行检查，因此在 良好的网络环境中，其工作效率比t c p 要高。 在选择远程控制系统通信协议时，应从四个方面来考虑，即实时性、可靠性、性 能和数据传输量【2 3 1 。由于本系统中每次传输数据的信息量较小，但次数频繁，对实时 性要求比较高，因此采用了面向无连接的u d p 协议。 3 1 3u d p 协议 u d p 协议是定义用来在互联网络环境中提供包交换的计算机通信协议，它的主要 作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。此协议默认网络协议是其下层协议，并 提供了向另一用户程序发送信息的最简便的协议机制1 2 4 j 。 u d p 数据报的首部和伪首部如图3 2 所示，首部字段有8 个字节，由4 个域组成， 其中每个域各占用2 个字节。伪首部有1 2 个字节组成。所谓伪首部是因为这种伪首部 并不是u d p 数据报真正的首部。只是在计算检验和时，l 临时和u d p 数据报连接在一 起，得到一个过渡的u d p 数据报。 u d p 协议使用端i s 号为不同的应用保留其各自的数据传输通道，这就可以实现对 同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送方( 可以是客户端或服务 器端) 将u d p 数据报通过源端口发送出去，而数据接收方则通过目标端口接收数据。 因为u d p 报头使用2 个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0 到6 5 5 3 5 。一 般来说，大于4 9 1 5 1 的端口号都代表动态端口。u d p 协议使用报头中的校验值来保证 1 2 k 备丁业人学坝f 。学位论文 数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之 后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪 音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此u d p 协议可以检测 是否出错【2 5 】。 图3 - 2u d p 用户数据报的首部和伪首部 u d p 传输不提供a c k 反向确认机制、流量和报文序列号控制，因此u d p 报文可 能会丢失、重复或无序到达，通信的可靠性问题将由应用层协议提供保障。但u d p 报 文格式和控制机制简单、通信开销比较小，许多应用层协议等都是用u d p 传输的2 6 1 。 3 2 应用层协议的设