（机械制造及其自动化专业论文）网络化协同测控平台关键技术的应用研究.pdf

摘要 摘要 本论文根据分布式测控系统的基本思想，结合人机协同技术和人人 协同技术，分析当前的技术发展状况和网络基础条件，提出了以网络为 基础，以人为中心的测控模式一一网络化协同测控，并应用在实际生产 中。 本论文围绕网络化协同测控平台的构建，主要研究了以下三个方面 的内容： 1 人机协同技术和人机协同技术在网络化测控中的应用，提出以人 为中心，人与机器( 计算机) 协同工作的测控模式：结合现代测控技术、 网络技术、人机协同技术和人人协同技术的基本特点，构建了网络化协 同测控平台的基本框架。 2 综合分析现有测控系统的数据管理技术优缺点，提出了在网络化 测控平台的数据管理模式一一以数据库管理系统管理数据中心：利用计 算机应用技术从数据存储和数据传输两方面进行了详细的讨论。 3 在分析传统的测控系统和组件技术的基础上，用组件技术实现网 络化协同测控平台；并从组件技术的角度，把网络化协同测控平台分成 三层，就每层的组件进行了讨论。 本论文对企业和实验室的网络化测控系统的构建和开发具有直接的 指导意义，所研究的设计思路和实现方法，都能直接应用于测控系统开 发。 关键词：网络；测控；人机协同；人人协同；数据管理 华南理工大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ei d e ao ft h ed i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e m ，c o m b i n e w i t ht h e t e c h n o l o g y 0 f h u m a n c o m p u t e r c o l l a b o r a t i o n ，h u m a n h u m a nc o l l a b o r a t i o n ，n e t w o r ka n dc o m p u t e r ，an e w m o d e l0 fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 一一t h en e t w o r k b a s e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lo fc o l l a b o r a t i o n ，w h i c hb a s e do nn e t w o r ka n df o c u s e d o n h u m a n ，i sg i v e n t h em o d e lh a sb e e nu s e di np r a c t i c e t h ed is s e r t a t i o ns t u d i e sf o u n d a t i o n0 ft h en e t w o r k - b a s e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lp l a t f o r m i ti n c l u d e st h r e ep a r t s ： 1 t h et e c h n o l o g yo fh u m a n c o m p u t e rc o l l a b o r a t i o na n dh u m a n h u m a n c o l l a b o r a t i o na r ea p p l i e dt ot h en e t w o r k - b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o i a n e wm o d e l0 fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，w h i c hf o c u s e s0 nh u m a na n di n w h i c hh u m a nc o o p e r a t e sw i t h c o m p u t e r s ，i sg i v e n c o m b i n e w i t ht h e e s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i co nt h e t e c h n o l o g y o fm o d e r nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ， n e t w o r k ，h u m a n c o m p u t e r c o l l a b o r a t i o na n dh u m a n h u m a n c o l l a b o r a t i o n ，ab a s a ls t r u c t u r eo nt h en e t w o r k - b a s e dm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lp l a t f o r mi sb u i l t 2 t h em o d e lo fd a t am a n a g e m e n t d a t ac e n t e ri sm a n a g e db y d b m s ，i si n t r o d u c e da f t e rt h ev i r t u e a n dt h ed e f e c ti nt h e s y s t e m o f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r ea n a l y z e d d a t as t o r a g ea n dd a t at r a n s f e r sa r e d e t a i l e di n t r o d u c e db yu s e dt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r 3 t h en e t w o r k b a s e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l p l a t f o r m i s i m p l e m e n t e db yt h et e c h n o l o g yo fc o m p o n e n t ，a n di t i sm a d eu po ft h r e e l a y e r s t h et e c h n o l o g yo fe v e r yl a y e ri s d e t a i l e dd i s c u s s e d t h ec o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o nw o u l dh a v ed i r e c tg u i d a n c es i g n i f i c a n c e t ot h ed e v e i o p m e n t0 ft h en e t w o r k b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi n e n t e r p r i s ea n dl a b o r a t o r y t h ed e s i g nt h o u g h t a n dt h ed e v e l o p m e n tw a ya r e d i r e c t l ya p p l i e dt od e v e l o p m e n to f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：n e t w o r k s ：m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ；h u m a n - c o m p u t e r c o l l a b o r a t i o n ：h u m a n h u m a nc o l l a b o r a t i o n ；d a t am a n a g e m e n t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或摆曼盟威j 鐾辨品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：j 千；苫够 日期：加7 年z 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在篮密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密面。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：；手l 留钙 导师签名：鲞镀基 日期：押j 年6 月j 日 日期：z e o ；年易月1 日 第一章绪论 1 1 课题概述 第一章绪论 1 1 1 课题来源 本课题得到了广东省重点攻关项目( 2 k m 0 0 7 0 5 n ) 和广州市重点攻 关项目( 2 0 0 1 一z 0 8 8 0 1 ) 一一现代温室的网络化人机协同调控系统及开 发应用的资助。 1 1 2 课题提出 以i n t e r n e t 为代表的计算机网络技术的迅速发展和相关技术的不断 完善，使得计算机网络的规模更大、更广，其应用范围从以人为对象的 信息查询、阅读、交换，发展到以机器为对象的测量、控制；在计算机 联网的基础上又推出了以网络化远程浏控为基础的机器设备、测量仪器 上网的新概念，国际标准化协会出台了i e e e l 4 5 1 网络化测量和控制标 准，为规范和推动网络化测量和控制技术的应用铺平了道路。【卜5 】网络 技术的日臻成熟和其给人们提供的数据共享、信息传递快捷可靠、不受 时空限制和交互性等优点，是网络已成为信息时代的主要信息载体，并 引起了工业界和学术界的广泛关注。 近年来计算机应用技术及网络技术与测控技术相结合，所取得的一 些研究进展为现场数据测量、现场设备状态监测和控制及诊断系统的发 展提供了良好的条件。基于网络的远程测控系统实现了数据共享，具有信 息传递快捷和交互性强等特点，推动了测控技术向着网络化、分布性和开 放性的方向发展，这种发展趋势使测控系统功能的扩展更加灵活，性能不 断提高，使用更加简便。基于网络的远程协作作为2 l 世纪的新型合作方 式倍受学术界和工业界重视，网络模式的开放式软硬件体系结构也得到 了人们的认同，成为各种系统开发的必然趋势。 另一方面，无论是远程测控与诊断还是现场测控与诊断，都需要根 据现场的实际情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析、判断。 由于目前我国企业内部专业人员比较少或其他原因，采取远程测控与诊 断这种经济、简便的方法通过计算机把现场数据及时送到专家和专业技 术人员手中，就像专家和专业技术人员在现场一样准确、及时地作出判 断、采取有效的措施解决问题。因此将计算机实时测量监控分析与自动 华南理工大学硕士论文 化技术应用于测控技术，真正实现测控系统的计算机化、智能化；将计 算机网络技术应用于现场数据测量、设备状态监测、远程数据分析和远 程控制，实现关键设备运行状态的集中管理、集中分析、远程故障诊断、 远程控制，必将极大地提高测控的准确性和实时性、提高工作效率。同 时，随着社会的发展和科技的进步，所面临的问题也越来越复杂，对于 这些复杂的问题很难单独由个人或计算机作出正确的决策。在解决这些 问题时，必须发挥人与人的合作以及人与机器的协同工作，强调人在解 决实际问题中的主导作用，同时又能充分发挥人和机器的各自特长。 因此开发一种以网络为通信平台，人机、人人协同工作为基础测控 平台，无论在经济上还是学术上，都有积极的现实意义。 1 2 文献综述 1 2 1 现代测控技术国内外研究现状 从计算机首次应用于控制生产过程( 1 9 5 9 年美国t r w 公司和t e x a o 公司联合研制的t r w 3 0 0 计算机控制系统在美国德州炼油厂聚合装置上 运行成功) ，到现在已经过去了近4 0 年，其间经历了从单机控制到多机 控制，从简单到复杂，从集中控制到分级分布式控制，从单纯控制到管 理和控制相结合的发展过程。2 0 世纪9 0 年代以来，计划优化、生产调度、 经营管理决策也开始引入计算机控制系统，形成了计算机集成制造系统 ( c i m s ) 。【6 】控制系统为适应复杂的控制要求和满足系统多功能的需 要，先后出现了直接数字控制( d c c ) 系统、监督控制( s c c ) 系统、分 级控制系统、集散性控制系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) 等。 远程测控技术的发展历程和网络通讯和传输技术的发展密切相关。首先 是基于专用网络和专用传输控制协议的远程控制系统逐渐兴起；产生了 如r s 一2 3 2 c 、i e e e 4 8 ( g p i b ) 等著名的传输控制协议和相应的硬件实现； 然后是客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式的广泛应用，局域网开始逐步取 代专用网络，通用网络协议也相应取代专业协议；现在，基于i r l t e r n e t 的远程测控技术更引起工业界的广泛关注，并在核电站、石油的输送管 道远程监测、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得到了应用，并 取得很好的经济效益，其应用前景是十分广阔的，同时，在工业领域中， 可实现数据网络和控制网络的集成，即现场总线和计算机网络融为一体， 实现真正的虚拟工厂( v i r t u a lp 1 8 n t ) 和虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r e ) 。【6 8 l 在国内，以微型计算机为基础的分布式计算机控制系统d c s 第一章绪论 ( d is t r ib u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 已得到了推广和应用。如h s 2 0 0 0 系统， 它采用了三层网络结构，是集计算机技术、控制理论、计算机网络、多 媒体技术为一体的综合控制系统 9 1 。2 0 世纪9 0 年代，许多企业、高校、 科研院所相继研究和开发了基于因特网的远程监测诊断系统，中国科学 院等离子体物理研究所的h t 一7 超导托卡马克装置规模大、参数多，整个 系统采用不同类型的计算机，操作系统也不同，而且各个子系统的控制 计算机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验的特殊性要求控制系统能 完成实时控制，而且各功能子系统间的数据传输量也大。为实现整个系 统的实时监控及诊断保护，系统采用了基于交换式快速以太网的网络技 术，利用基于t c p i p 协议的s o c k e t 网络编程，不仅实现了数据共享、 高速可靠的数据传输，而且系统具有组网简单、升级方便和高的性能价 格比等优点。i i 0 1 在国外，现在已经出现了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断和测控系统。 比如，美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统。它们能对多台设备同时进行在 线监测和智能诊断多种典型故障，具有远程通信能力，能与企业的管理 和控制系统联网通信，使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息， 也能对不同地区不同企业的设备进行监测和诊断以及控制等。而斯坦福 大学和麻省理工学院已合作开发了基于因特网的下一代远程诊断示范系 统；利用因特网对现场数据测量、设备状态监测、远程数据分析和诊断。 1 9 9 8 年，s w is sf e d e r a l 技术学院的p s a u c y 博士进行了基于i n t e r n e t 的移动机器人的远程控制实验。 6 - 1 2 】 综合来看：现代测控技术目前正向功能多样化、智能化、网络化和 分布式系统方向发展。 1 2 2人机协同技术和人人协同技术的发展 在过去一段时间内，将完全自动化作为研究和发展的目标，并过分强 调信息集成的作用，而忽略了“人”的技能和创造性在系统中的作用。 近年来，国内外很多科学家、学者不约而同地从不同的角度出发，提出 了人与机器结合的智能系统的新概念。美国斯坦福大学l e n a l 和 f e i g e n b a u m ，中国的钱学森、路甬详等科学家都从不同角度先后提出了 “人机合作预测( m a n m a c h i n es y n e r g yp r e d i c t i o n ) 知识系统”、“智能 系统的综合集成”、“人机一体化系统( h u m a c h i n es y s t e m ) ”等各种体 系。各种系统的本质都指出：应当以人为中心，人与机器( 计算机) 共 同组成一个系统，各自完成最擅长的工作，取长补短，协同工作，从而 达到最佳的经济目标和最佳的整体效益。1 1 3 叫9 j 华南理工大学硕士论文 另外，由于信息技术的进步，特别是计算机技术和通信技术的突飞猛 进，由两者的融合而产生的计算机网络技术及其应用的发展，给协同科 学的研究和应用提供了更加强有力的支持。人人协同即计算机支持的协 同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r t a t i v ew o r k ，c s c w ) 这一新兴研究 领域的出现可以说是协同科学在信息化和数字经济时代的新发展。同时 它也为系统科学和系统工程的研究提供强有力的支持手段。它具有极其 广阔的应用领域。c s c w 的研究始于6 0 年代，到7 0 年代中期，在美国 s t a n f o r da il a b 建立了一个支持视频、声音、文本、图象的多种媒体的 c s c w 环境，并将其命名为电视会议( t e l e c o n f e r e n c e ) 。1 9 8 4 年n i t 的 i r e ng r ie f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两人领导了一个由来自不同领域 的2 0 个科研工作者组成的工作组，共同讨论和探讨如何发挥技术在协同 工作中的作用问题，并第一次正式提出了c s c w 的概念。此后c s c w 很快 吸引了许多不同领域的工作者，美国a c m 于1 9 8 6 年1 2 月在t e x a s 组织 了一次国际性c s c w 学术会议，从而正式提出了将计算机科学、人类工程 学、认识科学、社会学等多个学科综合在一起的新的领域一c s c w 。 2 0 - 2 3 1 总之，人机协同技术和人人协同技术的研究已经取得了很大的进展， 已取得的研究成果应用在计算机集成制造系统、故障诊断等工程领域中。 1 3 课题研究的主要内容 本论文的研究课题是“网络化协同测控平台的应用研究”，其主要 内容是协同技术在测控中的应用以及网络化测控平台的架构与开发。 全文紧紧围绕平台的设计与实现这一中心展开论述，首先提出了协同 技术在测控领域中应用的观点，从而构建了基于网络的协同测控平台的 框架；接着提出网络化测控平台的数据管理模式一一基于数据库管理系 统管理数据中心的管理模式，并从数据的存储和数据的传输两方面论述 了这一管理模式；最后在讨论了组件技术的基础上，提出用组件技术封 装硬件观点、分布式技术和组件技术实现网络化协同测控平台。在论文 的最后，结合课题资助项目，利用前面的理论、观点和技术开发了实验 性质的现代温室网络化人机协同调控平台。本论文就网络化协同测控平 台的设计和开发做了一个初步的尝试和探索。 本论文中主要创新和技术运用有：协同技术在测控领域中的应用；数 据管理模式；组件技术在网络化测控平台构建中的应用。 4 第一章绪论 1 4 本课题的研究意义 目前在国内关于协同技术在测控领域中的应用还不常见，以数据库管 理系统管理管理数据中心的网络化应用系统也很不多见。因此，本论文 许多工作具有探索性，它的实现使网络化测控系统的构建提供了一条新 的思路，无论在理论上还是实际应用上都有一定的意义。 1 将人机协同技术、人人协同技术、测控技术和网络技术相结合推 广应用到工农业领域中，即可实现数据网络和控制网络与人的集成，符 合计算机集成制造系统( c i m s ) 的基本思想。 2 利用组件技术开发应用系统，无论是集中式还是分布网络式，本 论文论述的开发方法都具有一定的指导意义，因为其中的组件的划分、 数据管理技术，多线程技术、网络通信技术对系统的开发具有普遍意义。 3 整个平台的构建思想，对开发远程故障诊断、远程实验室都有一 定的借鉴意义。 华南理工大学硕士论文 第二章网络化测控平台中的协同技术 2 1 引言 过去一段时间，在构建测控系统时，将智能化，完全自动化作为发展 和研究目标，忽略了“人”的技能和创造性在测控系统中的作用，另外 在研究人在系统中的作用时往往只侧重人机协同或人人协同的某一方 面，没有把这两方面有机地联系起来。本章首先研究了人机协同技术和 人人协同技术在测控领域中的应用，然后根据测控系统自身的特点，把 人机协同技术与人人协同技术的特点和i n t e r n c t ，i n t r a n c t 和i n f r a n e t 等 网络技术的特点结合起来，建立一个在网络环境下的测控系统的协同工 作框架，强调人在网络化协同测控平台中的主导作用，并就网络化协同 测控平台构建的几个关键技术进行了简单的讨论。 2 2 网络化测控技术 2 2 1 网络化测控的任务 测量和控制密不可分，既具有测量又带控制功能，已成为某个系统 是否先进的主要标志之一。有测量和控制功能的系统被称为测控系统。 随着计算机技术和网络技术的迅速发展及相关技术的成熟，推动了测控 技术向网络化、分布性和开放性的方向发展。网络化测控本身当然具备 测量仪器的三个基本功能即信号采集与控制、信号分析与处理、测得结 果表达与输出，但它又在性能、特点上丰富这三方面的能力。首先，基 于网络的测控系统实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比 拟的强大功能，它不仅仅完成信号的采集和控制，在一定程度上还兼顾 实施对信号的分析与传输。其次，基于网络的测控系统最为显著的特点 是信号传输的方式发生了改变，测得信号、控制信号等的传输是建立在 网络上的。第三，基于网络的测控系统对测得结果的表达和输出也有较 大的改进。一方面，不管身在何处，用户都可以通过客户端方便地浏览 各种实时数据，了解设备现在的工作情况；另一方面，在客户端的控制 中心，所拥有的智能化软件和数据库系统，都可以被调用来服务于测得 结果的分析，以及为使用者下达控制指令或做决策提供帮助。i 7 ，9 1 6 第二章网络化测控平台中的协同技术 2 2 2 网络化测控的组成 基于网络的测控系统是通过现场控制网络( 或现场总线) 、企业网和 i n t e r n e t 把分布于各局部现场、独立完成特定功能的控制计算机互连起 来，以达到资源共享、协同工作、远程监测和集中管理、远程诊断为目 的的全分布式设备状态监测和故障诊断系统，它是i n t e r n e t 、w e b 数据 库技术、t c p i p 网络通讯技术、现场总线技术、浏览技术、设备故障诊 断技术发展的产物。系统组成如图2 1 所示。1 1 0 2 4 2 5 】 图2 i基于网络的测控系统组成图 网络化测控应包括三个方面：直接监控现场设备的现场网络，这主 要由各种工业总线组成；企业内部的控制网络，由i n t r a n e t 组成；异地对 现场设备进行监控的远端测控平台，建立在i n t e r n e t 上。 现场测控网络除了实时监控现场设备外，还应提供反映现场的实时信 息，并通过i n t r a n e t 或i n t e r n e t 向远端测控平台提供实时现场信息，而且 保留一定的历史数据。同时，应将远程测控平台发来的控制数据和请求 及时送达现场测控网络。现场测控网络应具有自主性。 对企业内部控制网络和远端测控平台来讲，应具备丰富的数据访问工 具，例如：实时动态流程图，实时曲线、历史曲线、现场多媒体图像、 数据查询、统计、分析等。同时，提供实旋数据接口，使控制命令和请 求指令能方便地通过它到达现场控制网络。 2 2 3 网络化测控的目标 网络化测控能达到以下目标： 2 5 2 7 j 1 通过网络，用户能够远程监测和控制测控现场并能及时得到现场的 实时数据。被测控现场的测控参数、设备运行状态、被测控现场的异常 7 华南理工大学硕士论文 情况等有关数据信息通过网络实时展现在远程测控用户面前，远程测控 用户通过对实时数据和信息的分析、诊断，采取相应措施( 包括向远方制 造商咨询等) 解决测控现场所存在的问题。 2 通过网络，一个用户能远程监控多个测控现场，而多个用户也能同 时对某一测控现场进行监控。 3 通过网络，增强了测控系统的协同工作能力。测控用户可利用普通 仪器设备和计算机采集数据，然后利用另一台功能强大的计算机分析数 据，并在网络上实时发布，利用分析后的数据可以对被测控现场测控参 数、测控设备进行远程诊断、分析。 4 通过网络，用户还可就自己感兴趣的问题在世界范围内进行合作和 访问，比如，软件工程师可以利用网络化软件工具把开发程序或应用程 序下载给远方的目标系统，进行调试或实时运行，就像目标系统在隔壁 房间一样方便。 总之，网络通过释放系统的潜力，改变了测控技术的以往面貌，打 破了在同一地点进行数据采集、分析、显示和设备控制的传统模式；依 靠网络技术，工程技术人员能够有效地进行远程数据测量、设备状态的 监控、设备的远程操作和控制等；数据的采集、分析、显示和储存等通 过网络技术可以在不同的地方进行。 2 3 测控中的人机协同技术 2 3 1 人机协同技术 人机协同( h u m a n c o m p u t e rc o l l a b o r a t i o n ) ，一般也称作人机结合或 人机一体化。它的基本出发点是：在研究和追求系统的智能化时，应该 利用并发挥人和计算机各自的长处，人与计算机共同操作完成特定的任 务。人机协同的思想实际上是一种人机互补的策略。 2 8 】 计算机的一个最有效的用途是辅助人类进行工作。现代的人工智能 观已经从单纯由机器实现思维变为人机协同思维，它强调充分发挥人机 双方的潜力，获得人机的最佳结合。从表2 一l 【l6 】可以看出，人与机器( 计 算机) 在不同的方面所表现的特长不同，人机协同能充分发挥人和机器 各自的特长，将计算机的在记忆与计算、演绎推理与匹配搜索上的时空 优势和人的直觉、顿悟等创造性思维的智能优势结合起来，将计算机的 速度与精确性和人的敏锐与灵巧结合起来，共同完成所需要达到的目的。 人机协同可以实时向操作人员报告系统的运行情况，告诉操作人员在当 前情况下应怎样进行操作或对生产和控制过程进行监督、干预、指导操 第二章网络化测控平台中的协同技术 能力种类人的特性机器的特性 创造性高低甚至没有 经验性可自动归纳、整理无法自动归纳 记忆能力联想记忆死记硬背但准确 环境适应性强弱 学习能力强弱 通道及并行处理单通道多通道，并行处理能力强 反应能力慢快 连续工作能力弱极强 计算能力慢而且易出错快而且准确 表2 1 人与机器的特征 作人员对系统进行干预；同时，在一定条件下系统能自主运行。因此， 采用人机协同技术能更好地发挥人和计算机的最佳功能。【1 3 6 ，18 - 19 , 2 4 , 2 9 2 3 2 测控中的人机协同 人机协同测控采取以人为主，把人与计算机及测量装置集于一体的 技术路线，此时人与计算机及测量装置组成一个系统，各自执行自己最 擅长的工作，其核心内容是强调人在系统的重要性，以人为中心构成的 新型的测控系统。 2 4 】 人机协同技术在测控系统中的应用是解决测控系统智能化的有效途 径之一。强调人在测控系统中的主导作用和主观能动性是很有必要的。 这主要体现在：1 ) 测控过程有些问题和设备故障只能通过人来加以描述； 2 ) 测控系统中千变万化的各种意外故障以及现场的实时信息，需要发挥 人的创造性思维去分析和解决；3 ) 神经网络对人的思维的模仿与人脑有 一定差距，还无法代替人的思维作用；4 ) 知识和经验的积累都离不开人。 尽管如此，机器( 计算机) 仍然在测控系统中扮演重要的角色。 人机协同能够充分发挥人与机器各自的特长，并对某一具体的任务 进行合理的分工和合作，共同完成这一特定的任务。在人机协同的测控 系统中充分考虑人在处理随机、突发事件的应变能力、模糊推理能力、 判断力和能动的创造力强、对复杂现象定性感知能力强等特点，提出以 人为主的人机协同测控模式。同时也利用了测量装置和计算机适合做繁 重、危险、重复、精确控制、程序化的各种体力和运算工作，具有速度 华南理工大学硕士论文 舅皇喜量鼍_ 置奠_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ l pi i i 快而且定量感知精度高等特点，而且计算机能利用智能知识库以及数据 库的信息和数据进行合适推理，做出适当的决策信息。另外计算机系统 及网络也是人机协同测控系统中的重要环节，它沟通了人与常规测控仪 器的联系，实现了人机通信。 计算机及测量装置将感知的定量精确的信息和人的感知范围以外的 信息以及计算机通过初步的决策得到的决策信息，通过一定的方式向人 提供辅助控制信息，从而使得人在做出控制决策时所考虑的信息更全面。 计算机及测量装置对人的输出的控制量进行监视，通过分析判断，在人 出现有关危险控制信息或错误控制信息时，将情况及时通报给人，以便 人能及时采取补救措施。在人不能或没有采取任何措施的状态下，机器 通过控制调节器，直接参与控制。基于以上协同测控的思想，可以描绘 出在测控系统中人机协同的过程框图，如图2 2 【2 4j 所示。 图2 - 2测控中人机协同框架 2 3 3 人机协同网络化 为了便于实现远程的人机协同控制，设计基于网络化的操作界面和 智能化的人机交互接口，构造基于网络化的分布式人机协同的共存环境， 实现在测控环境中单机运行、多机运行、局域网模式与远程模式等各种 模式人机协同，采用多级操作平台实现多层次人机交互，实现网络化r 人机协同测控工作。 2 4 测控中人人协同技术 2 4 1 人人协同技术 人人协同( h u m a n h u m a nc 0 l l a b o r a t i o n ) 是在计算机支持的共享环 境中，一个群体协同工作，共同完成某一共同的任务。人机协同也称为 第二章网络化测控平台中的协同技术 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 。人 机协同技术通过计算机软硬件环境，围绕“共同任务”，利用计算机支 持的“共享环境”，使合作者相互协同，共同完成一项任务。人人协同 为在时空上分散的人们提供了一个“面对面”和“你见既我见”的协同 工作环境，改善了人的信息交流方式，消除了人在时空上相互分割的障 碍，从而节省了人的时间和精力，提高了工作效率。l l ”2 4 l 2 4 2 测控中的人人协同 在网络化测控系统中应用人人协同技术可以把不同地域的专家集中 在协同工作环境中，对测控现场的问一测控现象进行“面对面”的交流、 分析、诊断。无论是现场测控和诊断还是远程测控和诊断，都需要根据 现场的实际情况、现场的基本参数，使用第一手数据进行分析、判断。 远程测量和控制是通过计算机网络把现场数据及时送到专家和专业技术 人员手中，可以使专家和专业技术人员像在现场一样准确、及时的做出 判断、采取有效措施解决问题。建立人人协同的工作环境，可以消除或 减小专家和专业技术人员在空间上的相互分隔的障碍，改普通信的方式， 对同一技术闯题进行“面对面”讨论和分析，得到合理的解决方案，从 而提高整个测控系统的工作质量和效率。 为了实现人人协同的工作环境，嚣要应用动态网页技术和数据实时通 信技术把测控现场的实时数据和图像以及测控所需的信息文档及时地送 远程钡归空微机 ( 同一泱控现象) 图2 3 人人协同的基本框架 华南理工大学硕士论文 到所有网络测控客户端，现场测控人员与网络测控人员、网络测控人员 与网络测控人员共享测控环境，对同一问题进行研究、讨论和分析。同 时，网络测控客户端可以随时查询知识库和测控数据库里的信息。通过 构造这样的虚拟环境，使网络客户端的专家和专业技术人员像在现场一 样处理在测控过程中所发生的问题。通过实时信息系统和讨论系统支持， 专家们经过讨论、分析形成新的测控方案，提交给测控计算机或由有测 控权限的测控人员直接发出测控指令，完成测控任务。实现人人协同测 控的基本框架如图2 3 所示。 2 5 协同技术在网络化测控平台的应用方案 2 5 1 方案模型 上面分别讨论了网络化测控技术、测控中的人机协同技术和测控中 的人人协同技术以及它们的实现方式。通过如图2 4 所示模型把网络测 企业服务嚣协同控觏服务数据服务舞人机协同服务企业总控微机 蜒， 中辛u 现场测控设备现场测控设备 图2 - 4 基于网络化的协同测控模型 控技术、人机协同技术和人人协同技术有机地结合起来，构成了一种新 型的基于网络化的协同测控系统。f 2 4 1 它是一个分布式的多微处理器及多 微计算机并行处理系统。整个系统可以分为四级：第一级为与现场数据 第二章网络化测控平台中的协同技术 总线相连的数据采集器和设备控制器及现场摄像仪，第二级为现场监控 微机，第三级为总控微机和各种服务器，第四级为远程微机。整个系统 从网络的角度来说是一个由i n f r a n e t + i n t r a n e t + i n t e r n e t 组成的网 络结构。 2 5 2 网络化协同测控中的要素 远程协同测控用五大要素：测控者、测控目标和对象、决策数据、 通信环境和测控的实现。测控的实现是关键和最终目标，其它要素都围 绕这一要素服务，是通过测控目标和对象来体现。它们的关系如图2 5 所示。 测控者一一工程技术人员和测控计算机。工程技术人员是测控的主 体，能根据历史数据、实时数据和自身知识对测控对象进行实时分析， 对故障进行实时诊断：通过网络平台与其他技术人员对某一具体闯题进 行协作。而测控计算机通过知识库、历史数据和实时数据提出测控方案 并监督工程技术人员对测控的实籀，并能在一定条件下进行自主测控。 测控目标和对象一一测控现场各种测量传感器，测试设备，测量仪 器以及控制测控现场环境的各种控制设备。 决策数据一一测控数据信息、智能知识库、历史数据和实时数据等， 提供测控和决策信息。通过决策数据可以直接控制被测控目标和对象， 同时被测控目标和对象将反馈测控现场实时信息到实时数据库中，经过 加工和提炼转化成历史数据和测控数据，并存入各自的数据库中。 图2 - 5测控要素之间的关系 通信环境一一网络，它是网络化协同测控环境建立的关键，是各种 数据和信息传输的载体。他是沟通入机、人人、测控目标和对象的渠道； 测控的实现一一利用网络获得被测控现场的测控参数实时数据和信 l3 华南理工大学硕士论文 息、测控设备的状态，检索历史数据库、当前数据库、决策数据，对被 测控现场某一测控问题或现象进行分析、讨论和诊断，提出解决的具体 方案；通过网络对被测控现场的测控参数进行调控、测控设备的控制， 满足被测控目标和对象的测控要求，从而符合测控的实际需要。 2 5 3 网络化协同测控的几个其他关键技术 1 数据管理技术 数据管理技术包括数据库技术，数据通讯等，将在第三章讨论。 2 组件技术 组件技术及其在实现网络化协同测控平台中的作用将在第四章讨 论。 3 网络技术及动态网页技术 网络技术在网络化协同测控平台中起到十分重要的作用，它是数据 和信息交流的桥梁。以i n t e r n e t 为代表的计算机网络的发展及相关技术 的完善突破了传统方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信 变得十分容易。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器 及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，方便了i r l t e r n e t 、 i n t r a n e t 、不同类型的测控网络间的互联。i n t e r n e t 、i n t r a n e t 和w e b 等网络技术和数据库技术的发展，使数据与信息的实时传输成为可能。 m ic r o s o f ta s p 和a c t i v e x 技术以及j a v a 语言都能实现动态网页，提供 了“你见即我见”的应用环境。 4 协同控制机制 在人机协同和人人协同过程中需要遵循一定规则，充分考虑机器( 包 括测控设备和计算机) 与人以及人与人之间在协同时的行为习惯，向各 协同成员提供协同所需的信息。在协作过程中多个参与者并行工作，他 们对同一问题的处理方式可以有所不同，所以，必须有某种形式的仲裁 机制来保证测控平台的一致性。 5 知识库和决策技术 知识库的主要功能是存储和管理协同测控平台中的知识。知识库中存 储的知识主要有两种：一种是相关领域中公开性的知识。包括领域中的 定义、事实和理论在内，另一种是个人知识，即领域专家在长期工作实 践中所获得的一些实践经验，其中有很多是启发性知识。知识库中的知 识通过知识获取模块获得。知识获取模块能够将测控领域内的实事性知 识和领域专家所特有的经验性知识，转化为计算机可利用的形式并送入 知识库的功能模块。同时，它还负责知识库中知识的修改、删除和更新， 14 第二章网络化测控平台中的协同技术 并对知识库的完整性和一致性进行维护。 决策在测控平台中实际上是一组计算机程序，其主要功能是协调控 制，根据当前输入条件，检索现有的测控方案和数据库，决定如何选取 知识库中的有关知识，经过推理提出新的测控方案。 知识库、决策、数据库以及人机关系 2 4 , 30 如图2 - 6 所示。 图2 - 6 知识库和决策关系图 6 网络安全技术 网络安全是指借助于网络管理，使网络环境中信息的机密性、完整 性及可使用性( c i a ) 受到保护，其主要目标是确保网上保存和流动的数 据不被人偷看、窃取或修改，使经过网络传输的信息到达目的计算机时 没有任何改变或丢失。【川 由于整个系统构建在网络平台上，因此，必须从硬件设施和软件环 境两方面保证系统的安全性，如采用防火墙技术，数据加密技术，对不 同的用户授予不同的访问权限和优先级，设置用户识别和跟踪方式等。 计算机网络安全问题涉及面比较广，它是许多学科的有机交叉与结 合，所以计算机网络安全的解决是一项比较复杂的工作。结合网络化协 同测控平台构建的实际，实现网络安全主要解决两个问题：一是要保证 数据的完整性；二是要通过身份验证和访问授权。只有解决了这两个问 题，才能为网络化测控平台提供基本的安全保证。 在数据传输过程中，数据的完整性是指接收到的数据和原始数据之 间是否一致。要保证网络上传输的数据信息不能遭受任何形式的插入、 删除、修改或重发以及在数据交换过程中的数据丢失等；防止网络上数 据信息被非法修改以及传输交换过程中的数据丢失。考虑到网络化协同 测控平台数据的重要性，采用目前应用广泛的数字签名技术。 身份验证是在计算机应用中应用最早和最广泛的安全技术。它是网 络上信息安全的第一道屏障，系统一般通过给每一个合法用户提供唯一 的用户标识符，而且提供一种验证手段，验证登录用户是不是真正拥有 该用户标识符的合法用户。访问授权是指用户的身份通过认证后，确定 华南理工大学硕士论文 该用户可以访问哪些资源以及可以进行何种方式的操作访问等。通过访 问授权决定一个用户或程序是否有权对某一特定资源执行一个特定的操 作( 如共享、修改等) 。 3 2 , 33 】 2 5 本章小结 本章分析了现代测控技术的发展趋势一一网络化和智能化，比较传统 测控系统和网络化测控系统的优缺点，指出完全智能化或自动化在实际 应用中的局限性：在分析人机协同技术和人人协同技术应用特点的基础 上，提出将人机协同技术和人人协同技术应用在现代测控领域的新思路， 实现网络化协同测控。借助网络，建立以人为中心，把人与测控计算机 和测控装置集于一体的测控模式，强调人在测控系统中的主导作用，充 分发挥人机双方的潜力，获得最佳的人机组合。建立了网络化协同测控 平台的基本模型，并就网络技术、协同控制机制、网络安全技术进行了 讨论。 利用网络技术、人机协同技术、人人协同技术、现代测控技术建立的 网络化协同测控平台对远程测量，远程故障诊断，自动测试等系统的建 立有一定的借鉴意义。 将网络化的人机协同技术与人人协同技术和测控技术相结合思想推 广应用到工业领域中，即可实现数据网络和控制网络与人的集成，符合 计算机集成制造系统( c i m s ) 的基本思想。相信随着通信技术和网络技 术的不断发展和进步，这种基于网络化的协同测控技术将会有广阔的应 用前景。 第三章网络化测控平台中的数据管理技术 i i 第三章网络化测控平台中的数据管理技术 3 1 引言 在第二章讨论网络化协同测控平台时，测控数据、现场信惠、测控 指令簿( 以下总称数据) 是联系测控现场、人、测控计算机和测控设备 纽带。数据的管攥技术是建立网络仡协同测控平台的关键技术之一。网 络化测控的最大优势之一就在于它能实现最大限度的数据共享，所以在 实现弼络能协嗣溯控平台过程中，数据静警理和缭护是十分重簧静。如 何有效地管理、实时安全可靠地传输这些数据，将是网络化协同测控平 台建立是否成功的关键因素之一。本章跌数据的存褚帮传输两方面讨论 数据的管理。 3 2 以数据库管理系统管理数据中心的数据管理模式 3 2 1 一般测控系统的数据管理模式 传统溺控系统孛，所需要鑫奄溪控数据、测控串褥戮豹数据秘分析络鬃 大多采用打印方式储存，或将数据或结果保存在文件系统，采用文件方 式管理数豢。这= 耱管理方法获数据管理煞角度泉看都存在赘驻豹缺鹣 和局限。主要表现在以下几方颈：安企性差，即没有或缺乏安全机制， 无法浚爨雳户身份，不能禁盘寒授权耀户黥使用；数据冗余度大，由予 数据是面向特定程序的，一个数据文件只能为某一用户的特定程序服务， 其毽痉震获褥要懿耀露数据只戆重复存德，造藏了丈量鹣数据筏余；