遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)軟件體系的結(jié)構(gòu)
摘 要：針對遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)具有多需求、多任務(wù)并且實(shí)時性要求高的特點(diǎn)，提出一種基于需求特征映射的軟件體系結(jié)構(gòu)，并且在此基礎(chǔ)上設(shè)計與開發(fā)了一套基于C/S與B/S的混合體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但允許用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗，而且還可以對實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)不但保證了不同用戶的實(shí)驗需求，而且還滿足了遠(yuǎn)程控制的實(shí)時性要求。
關(guān)鍵詞：軟件體系結(jié)構(gòu);遠(yuǎn)程控制系統(tǒng);需求工程
1、引 言
目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多大學(xué)都研制出了自己的遠(yuǎn)程教育軟件系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的建成對于提高教學(xué)質(zhì)量和效率起到了極大的推動作用。對于控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗教學(xué)平臺就其功能而言主要分為虛擬實(shí)驗室和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室。在國外，美國Illinois大學(xué)芝加哥分校的VRiChEL實(shí)驗室研制的Vicher系統(tǒng)¨ 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)工程教育領(lǐng)域，設(shè)計了多個虛擬實(shí)驗。另外，類似的還有澳大利亞RMIT大學(xué)設(shè)計的虛擬實(shí)驗用于進(jìn)行熱傳遞過程的教學(xué) ，可以幫助學(xué)生快速地掌握這個抽象的概念。在國內(nèi)，北京大學(xué)開發(fā)的基于Internet的虛擬實(shí)驗室3WNVLAB就是一種支持大計算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗室的通用基本框架，它是一個基于瀏覽器和Web服務(wù)器的虛擬實(shí)驗室 �？梢钥闯觯摂M實(shí)驗室主要是用戶通過Internet把設(shè)計的的實(shí)驗傳送到服務(wù)器端。服務(wù)器端用來完成客戶端要求的實(shí)驗內(nèi)容，并將可信的實(shí)驗結(jié)果返回客戶端�？蛻羰盏綄�(shí)驗結(jié)果后，可評價自己的實(shí)驗設(shè)計，從而對自己的能力進(jìn)行判斷。
由于虛擬實(shí)驗室中實(shí)驗用到的實(shí)驗設(shè)備都是抽象符號表示，往往無法代表真正的實(shí)驗環(huán)境，在控制實(shí)驗教學(xué)過程中尤其明顯，由于用戶無法觀察到被控對象的動態(tài)響應(yīng)，以及實(shí)際實(shí)驗過程中系統(tǒng)所存在的擾動和不確定性，導(dǎo)致這樣的虛擬實(shí)驗無法達(dá)到真正的實(shí)驗?zāi)康�。因此，產(chǎn)生了另一類遠(yuǎn)程實(shí)驗室：遠(yuǎn)程控制實(shí)驗 ，目前，國內(nèi)主要有中國科技大學(xué)物理系研制了一套基于Internet的掃描探針顯微鏡(SPM)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) ;浙江大學(xué)研制了依托千兆局域網(wǎng)基礎(chǔ)上的基于C/S模式的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 。新加坡國立大學(xué)的遠(yuǎn)程實(shí)驗室 允許用戶通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗，使用B/S方式實(shí)驗，可以實(shí)現(xiàn)昂貴的實(shí)驗設(shè)備共享。
遠(yuǎn)程實(shí)驗室的服務(wù)器端使用LabView虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗設(shè)備的控制，服務(wù)器與實(shí)驗設(shè)備之間通過RS-232接口或IEEE488.2 GPIB總線進(jìn)行連接。意大利的PolitecnicodiMilano大學(xué)也使用類似方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗室。不難看出，這樣的系統(tǒng)基本上可以滿足普通的本科教學(xué)的驗證性實(shí)驗。但是，由于此類系統(tǒng)的控制器設(shè)計在本地實(shí)驗端，遠(yuǎn)程端僅僅只能允許修改相應(yīng)的控制器參數(shù)，而不能夠提供完整的控制器的設(shè)計。因此，對于高年級學(xué)生的實(shí)驗要求就很難滿足，尤其是網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(此類系統(tǒng)要求整個控制回路通過網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)進(jìn)行實(shí)時控制，所以要求系統(tǒng)提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù))更是無能為力。
綜合以上介紹的遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有系統(tǒng)都在一定程度上滿足了特殊用戶的需求，在局部范圍內(nèi)起到了較好的教學(xué)效果，但是，由于用戶需求的多樣性，這樣的系統(tǒng)很難普及，同時一個統(tǒng)一的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)尚未形成。因此，本文從遠(yuǎn)程實(shí)驗室系統(tǒng)的不同層次用戶的需求出發(fā)，提出一種基于特征映射的軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)和設(shè)計了相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室。與現(xiàn)有系統(tǒng)比較本文論述的系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
�、� 滿足多用戶的需求，不僅提供虛擬的驗證性實(shí)驗，而且提供遠(yuǎn)程的控制實(shí)驗。用戶可以通過本系統(tǒng)動態(tài)觀察被控對象的過渡過程，以及系統(tǒng)的不確定性對性能的影響。
�、� 本系統(tǒng)可以為控制專業(yè)較高層次的研究性用戶提供網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆⻊?wù)質(zhì)量性能參數(shù)，使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與管理以及控制過程中的采樣周期調(diào)度成為可能。
�、� 系統(tǒng)可以在局域網(wǎng)內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時閉環(huán)控制，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究提供實(shí)驗基礎(chǔ)。
2、現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)及其存在的問題
2.1 虛擬實(shí)驗室的軟件體系結(jié)構(gòu)目前，現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗室普遍采用如圖1所示的軟件體系結(jié)構(gòu)，利用面向?qū)ο蠓治?OOA)和面向?qū)ο笤O(shè)計(OOD)來開發(fā)。采用B/S結(jié)構(gòu)的主要功能是：用戶提交待實(shí)驗的Simulink或m文件通過遠(yuǎn)程調(diào)用Matlab的計算引擎，完成仿真計算后服務(wù)器將仿真結(jié)果送還給遠(yuǎn)程用戶端，客戶端的Applet通訊模塊把仿真數(shù)據(jù)解析后，將數(shù)據(jù)分別以動畫和虛擬示波器、數(shù)據(jù)表格等方式有效的把實(shí)驗結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，達(dá)到仿真實(shí)驗的效果。由于虛擬實(shí)驗的引入，可以滿足遠(yuǎn)程教育中自動化專業(yè)的低年級學(xué)生的仿真實(shí)驗或簡單的驗證性實(shí)驗的需求，但是，由于缺少對真實(shí)設(shè)備的控制，對于高年級的本科實(shí)驗教學(xué)而言，實(shí)驗內(nèi)容的`復(fù)雜性和多元化，這樣的實(shí)驗系統(tǒng)就很難滿足了，尤其是缺乏對控制過程中實(shí)際系統(tǒng)的不確定性以及系統(tǒng)過渡過程的動態(tài)性能的直觀的描述。
2.2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室的軟件體系結(jié)構(gòu)目前，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室的軟件體系結(jié)構(gòu)普遍采用如圖2所示的軟件體系結(jié)構(gòu)，跟虛擬實(shí)驗室類似采用OOA和OOD來開發(fā)設(shè)計采用B/S結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)的功能上而言，由于遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室連接的是真實(shí)的實(shí)驗設(shè)備，實(shí)驗過程中利用多媒體技術(shù)，可以讓學(xué)生實(shí)時觀測到實(shí)際對象的運(yùn)行情況，并且在遠(yuǎn)程控制端給實(shí)驗者提供修改控制器參數(shù)的接口，允許用戶動態(tài)地改變系統(tǒng)的采樣周期? 。此類系統(tǒng)有一個共同的特點(diǎn)：實(shí)驗對象的控制器設(shè)置在本地端，并且往往都是事先固定的，如：PID，預(yù)測控制策略，使用者僅僅可以通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)所提供的控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改。相對于虛擬實(shí)驗室，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室更適合本科高年級的教學(xué)實(shí)驗。尤其是其提供的先進(jìn)控制策略，也適合一般的研究人員進(jìn)行驗證性實(shí)驗。不難發(fā)現(xiàn)，這樣的系統(tǒng)就其本質(zhì)而言其控制回路的設(shè)計仍舊是本地控制，而沒有通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時閉環(huán)控制。因此，就很難滿足控制專業(yè)研究生的實(shí)驗教學(xué)要求。
考慮到如圖2的結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)的控制器設(shè)計在服務(wù)器端，并且往往都是固定的。為了保證系統(tǒng)的控制回路構(gòu)建在整個網(wǎng)絡(luò)上，文獻(xiàn)[10]中研制了依托校園網(wǎng)的基于C/S模式的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，把控制器設(shè)計在遠(yuǎn)程端，整個控制回路通過傳輸網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)如圖3所示。
這樣方便了遠(yuǎn)程實(shí)驗用戶設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的控制器。但是其帶來的代價就是客戶端需要安裝龐大的軟件或插件，不僅系統(tǒng)可維護(hù)性差，而且由于客戶端使用平臺的不一致性，導(dǎo)致系統(tǒng)的使用范圍受到了很大的限制。
3、基于需求特征映射遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)綜合
上述分析不難看出，現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中普遍存在的一個問題就是：從需求到軟件體系結(jié)構(gòu)的映射不足。對于控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的實(shí)時性要求很高，如果系統(tǒng)的控制回路通過傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時閉環(huán)，則構(gòu)成的控制系統(tǒng)為典型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
近年來，對于這類系統(tǒng)的研究，已經(jīng)成為控制理論的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)但還有很多理論問題有待進(jìn)一步的完善。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上采用基于需求特征映射方式的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法來設(shè)計遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)。
首先，把特征看作需求建模的一階實(shí)體，并把特征建模與傳統(tǒng)的需求建模結(jié)合起來以更完整地捕獲各種需求。進(jìn)而，在體系結(jié)構(gòu)建模中，以面向需求特征為目標(biāo)，維持特征模型和體系結(jié)構(gòu)模型間在較高抽象層相對直接和自然的映射。這里要強(qiáng)調(diào)的是本文的方法并不是對傳統(tǒng)方法的否定而是對傳統(tǒng)方法的改善，因而該方法能夠與傳統(tǒng)方法如面向?qū)ο?O0)方法緊密地集成，并且本文的建模概念和表示、遵循UML語言的概念和表示體系。
3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的需求建模文獻(xiàn)[11]中把特征分為功能性特征和非功能性特征，兩者對軟件體系結(jié)構(gòu)構(gòu)造有著不同的影響。因此，本文首先基于功能特征將待開發(fā)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)初步劃分為一些構(gòu)件，接著考慮系統(tǒng)的非功能特征，對這一初步劃分反復(fù)、漸進(jìn)地進(jìn)行優(yōu)化和轉(zhuǎn)換。利用特征誘導(dǎo)和特征組織與分析的需求建模方法[11]，把系統(tǒng)的需求劃分為3個層次上的抽象：任務(wù)需求，用戶需求和功能需求。
任務(wù)需求的特征描述了實(shí)驗教學(xué)的目標(biāo)、實(shí)驗過程、實(shí)驗組織及約束等。用戶需求特征主要描述系統(tǒng)所提供支持最終實(shí)驗用戶任務(wù)的服務(wù)以及對服務(wù)的約束，在此基礎(chǔ)上按文獻(xiàn)[11]中的組織方式進(jìn)一步組織特征：
(1)支持特定任務(wù)層特征的用戶任務(wù)可歸為一組，并成為該任務(wù)層特征的子特征。
(2)支持某一用戶任務(wù)的特征可歸為一組并成為該用戶任務(wù)的子特征。
(3)如果一個非功能特征是對一個功能特征的約束，則該非功能特征成為對應(yīng)功能特征的子特征。如果一個用戶層特征以某一個任務(wù)層特征為目標(biāo)，則前者稱為后者的導(dǎo)出子特征。
對于特征間的潛在的交互關(guān)系，這里采用其相互問的邏輯關(guān)系加以描述，包括：“包含”、“一般到特殊”、“導(dǎo)出”、“制約”及“依賴”和“互斥”等，并且嚴(yán)格指定特征本身的屬性，然后利用use case技術(shù)把特征細(xì)化為足夠詳細(xì)的可實(shí)現(xiàn)的功能需求。
遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)根據(jù)不同的用戶可以分為：①�？苹虻湍昙壍谋究粕�;② 高年級本科生;③ 研究生;④ 教師及其他研究人員。針對這4類不同的用戶，需求特征不同，如對于第① 類用戶，其實(shí)驗需求的主要特征是對給定的被控對象模型和控制策略進(jìn)行驗證性實(shí)驗，或者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整以驗證控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。因此，在需求建模的時候，把其統(tǒng)一抽象成為此類任務(wù)需求的必須特征。
同時，對于這類用戶系統(tǒng)的被控對象的特性，回路特性和計算引擎都不是必須的，可以統(tǒng)一的作為可選特征進(jìn)行需求特征建模，而這些功能對于其他用戶而言可能是必須的特征，如第③ 、④類用戶要求系統(tǒng)提供回路信息和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)信息作為系統(tǒng)控制設(shè)計的依據(jù)，甚至是希望系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時閉環(huán)，因此要求整個系統(tǒng)能夠保證很好得到實(shí)時性。整個遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)的需求特征模型如圖4所示。
3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)建模與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)得到的需求特征模型，考慮到功能特征與非功能特征對軟件體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造有著不同的影響，因此，在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模的時候?qū)⑺鼈兎珠_處理，分別進(jìn)行概念體系結(jié)構(gòu)建模、邏輯體系結(jié)構(gòu)建模和部署體系結(jié)構(gòu)建模。其中，概念體系結(jié)構(gòu)建模是基于問題域和需求的結(jié)構(gòu)來描述系統(tǒng)的抽象視圖，而不考慮技術(shù)細(xì)節(jié);邏輯體系結(jié)構(gòu)建�？紤]技術(shù)方案，是對概念體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行精化、調(diào)整和轉(zhuǎn)換;而部署體系結(jié)構(gòu)建模相比與前兩者主要解決模塊與模塊間的計算節(jié)點(diǎn)及計算節(jié)點(diǎn)之間的交互問題。
系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)建模是待求解的問題域到解決問題域的高層次的抽象，而面向特征的體系結(jié)構(gòu)建模是以“面向特征”為目標(biāo)，維持特征模型和體系結(jié)構(gòu)模型間在較高抽象層相對直接和自然的映射。而對于本系統(tǒng)而言，其在實(shí)現(xiàn)方式上采用C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)，對于系統(tǒng)模型中的控制服務(wù)，考慮到系統(tǒng)實(shí)時性的要求和需求模型中的必須特征的使用用戶為研究性實(shí)驗，對于這類用戶由于其已經(jīng)具有較好的專業(yè)知識， 所以采用C/S結(jié)構(gòu)，利用校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時閉環(huán)。對于其他服務(wù)，這里采用B/S結(jié)構(gòu)。
不難看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于遠(yuǎn)程控制中控制器的動態(tài)加載，控制策略的動態(tài)加載與擴(kuò)充常用的方法是通過c++的new和delete的內(nèi)存管理和分配方案來實(shí)現(xiàn)數(shù)組和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，以及模塊間的參數(shù)傳遞。然而，對于遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷，完全依賴于用戶的控制信號，即當(dāng)用戶希望系統(tǒng)運(yùn)行停止的時候，需要先給模塊停止信號，然后再停止系統(tǒng)的運(yùn)行。這樣的做法對于遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)顯然是不適合的。另外，從整個軟件的安全性角度出發(fā)，在終止整個系統(tǒng)的運(yùn)行前，單獨(dú)停止某一個模塊的運(yùn)行，安全方面會產(chǎn)生隱患�？紤]到以上因素，在本系統(tǒng)提出動態(tài)接口，其基本思路是另外添加一個DLL，提供公共函數(shù)，用于分配和管理內(nèi)存。在用戶自定義的控制策略模塊中，調(diào)用公共函數(shù)即可，需要保留或傳遞參數(shù)，直接傳遞序列編號。
SpaceDLL是用于分配和管理內(nèi)存的公共DLL，接口包括：UserFBDVVector、UserFBDdVect0r和UserFBD.NewdVect。其中，基本的數(shù)據(jù)類型為雙精度，能夠滿足基本要求。定義雙精度的vector：typedef：：std：：vector(double)DoubleVector;定義DoubleVector的vector：ty.pedef：：std：：vector(DoubleVector)VVector;其中，VVector是鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)，用戶可以在這個鏈上基本上可以認(rèn)為是無限制的添加和操作DoubleVector的數(shù)據(jù)類型;對于DoubleVector的管理和傳遞，通過其序號來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的安全傳遞;UserFBDVVector函數(shù)返回的是對VVector的引用;UserFBDNewdVect函數(shù)返回的是新的DoubleVector的引用，用戶可以直接操作使用;UserFBDdVector函數(shù)的參數(shù)為DoubleVector在整個VVector中的序號，返回指定序號的Dou.bleVector的數(shù)據(jù)序列的引用。通過以上策略，實(shí)現(xiàn)了算法模塊接El的擴(kuò)展，用戶可以自行添加數(shù)組或動態(tài)分配內(nèi)存，并且保留或傳遞參數(shù)，對內(nèi)存進(jìn)行操作。
3.3 應(yīng)用實(shí)例自行開發(fā)了基于校園網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制軟件(軟件著作權(quán)登記號：2005SR15172)，網(wǎng)絡(luò)控制軟件運(yùn)行環(huán)境為：win2o0O/winxP、SQLServer 7.0，主要包括菜單、工具欄、狀態(tài)欄、控制窗13、監(jiān)控窗口、視頻窗13、顯示窗口。操作窗口主要負(fù)責(zé)管理監(jiān)控平臺的各項操作，包括實(shí)驗管理、實(shí)驗操作和系統(tǒng)管理，其中，實(shí)驗操作主要包括：通信設(shè)置、流量監(jiān)控、曲線設(shè)置、控制回路配置、被控對象模型配置、控制器參數(shù)配置和控制策略的動態(tài)加載等。系統(tǒng)管理包括密碼設(shè)置和用戶管理。實(shí)驗管理主要功能：實(shí)驗成績查詢、實(shí)驗報告的生成與遞交等功能。監(jiān)控窗El可以實(shí)時顯示控制點(diǎn)的信息主要包括：工程信號量、采樣周期、控制點(diǎn)編號、采集量的延時等。顯示窗El主要配合操作窗口和控制窗口完成各項操作功能的設(shè)置及控制點(diǎn)的配置。
4、結(jié) 語
在現(xiàn)有遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，針對遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)用戶需求的多樣性和控制系統(tǒng)本身的實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)下，提出一種基于需求特征映射的軟件體系結(jié)構(gòu)建模的方法。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)與設(shè)計了基于C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)在滿足實(shí)時性要求下，在一定程度上滿足了多用戶的需求，具有較好的可行性。
【遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)軟件體系的結(jié)構(gòu)】相關(guān)文章：
Oracle認(rèn)證結(jié)構(gòu)體系10-15
網(wǎng)管面試：Internet體系結(jié)構(gòu)12-03
采購成本控制體系如何建立07-28
J2EE的體系結(jié)構(gòu)10-19
土力學(xué)實(shí)驗教學(xué)體系的改革10-29
嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)11-05