油氣管道SCADA系統(tǒng)跨平臺人機界面的設(shè)計與實現(xiàn)

祁國成 沈國輝 陳 鵬 程大闖 孟 鑫

1．中國石油北京油氣調(diào)控中心 2．南京南瑞集團公司

監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （Supervisory Control and Data Acquisition System，SCADA）近幾年來在我國油氣管道調(diào)度中得到了一定程度的發(fā)展［1－7］。本文參考文獻［2］指出了長輸管線SCADA將向智能監(jiān)測控制發(fā)展。目前國內(nèi)大多油氣管道SCADA系統(tǒng)軟件都是國外廠商提供和實施的，使我國在此領(lǐng)域形成了對國外產(chǎn)品和技術(shù)的依賴［2－4］，但因其設(shè)計和開發(fā)基本上都是10余年前完成的，在系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)、應(yīng)用功能、網(wǎng)絡(luò)安全性等方面不能滿足我國油氣管道快速發(fā)展的需要，對我國的能源安全構(gòu)成潛在威脅。為此，迫切需要研發(fā)跨平臺的人機界面接口（human machine interface，HMI），提供人機畫面瀏覽、系統(tǒng)組態(tài)、操作控制、應(yīng)用界面、維護診斷等功能。

在人機界面設(shè)計方面，有研究者提出需要采取以人為本的人機界面設(shè)計思想［8］。本文參考文獻［9］給出一種人機界面組件的組裝方法和基于組件組裝的系統(tǒng)設(shè)計方法，以實現(xiàn)目標系統(tǒng)的快速構(gòu)建。在工業(yè)控制領(lǐng)域，有眾多基于組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)［10］，可快速實現(xiàn)較為簡單的監(jiān)控功能，但在人機界面功能豐富性、應(yīng)用功能擴展方面有較大的局限性。本文參考文獻［11］對過程控制系統(tǒng)中的人類因素進行了分析，進行了人機交互設(shè)計研究。另外在電力調(diào)度自動化中對基于可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVG）格式的圖形描述已有一定研究［12－13］。

針對當前油氣管道監(jiān)控的人機界面存在的不具有源代碼級或二進制級跨平臺特性、圖形描述采用私有格式與其他系統(tǒng)交換困難、對地理信息系統(tǒng)的支持不夠、缺少對油氣輸送方向和油品混油界面跟蹤的功能等方面問題，提出了一種基于面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（service－oriented architecture，SOA）的人機界面，對人機界面的設(shè)計思路、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進行了論述，為油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供了有益經(jīng)驗。

1 人機界面設(shè)計思路

綜合分析應(yīng)用需求和考慮系統(tǒng)未來發(fā)展，系統(tǒng)在總體架構(gòu)上遵循分層設(shè)計、分布式部署和管理、一體化訪問和展示的設(shè)計開發(fā)思路。

1．1 系統(tǒng)架構(gòu)上進行分層設(shè)計

系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計按照分層的原則進行設(shè)計，包括硬件和操作系統(tǒng)、支撐平臺（即基礎(chǔ)平臺）、人機界面和應(yīng)用。支撐平臺提供基本的數(shù)據(jù)存儲和管理、節(jié)點管理、應(yīng)用切換、集成總線等資源管理功能。人機界面通過支撐平臺的服務(wù)接口為各個應(yīng)用提供統(tǒng)一展示。

1．2 系統(tǒng)采用一體化訪問和展示

對應(yīng)用和人機界面提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)和API接口來訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖形、模型、文件等資源，進行系統(tǒng)應(yīng)用集成和展示，各類應(yīng)用以插件方式集成到系統(tǒng)中，通過統(tǒng)一的人機界面，進行系統(tǒng)內(nèi)多套油氣管線各種數(shù)據(jù)的展示，實現(xiàn)油氣管道SCADA系統(tǒng)配置、監(jiān)視與控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)

所設(shè)計的人機界面的關(guān)鍵技術(shù)包括人機統(tǒng)一展示、圖模庫一體化、油氣流動與拓撲著色和腳本管理。

2．1 人機統(tǒng)一展示技術(shù)

人機界面是油氣管道SCADA系統(tǒng)中的重要組成部分之一，提供人機交互畫面、系統(tǒng)組態(tài)、監(jiān)視控制、Web應(yīng)用等功能。

油氣管道SCADA系統(tǒng)采用分布式部署，每個子系統(tǒng)負責多條管道的監(jiān)視和控制。人機統(tǒng)一展示將這些分屬于不同子系統(tǒng)的管道數(shù)據(jù)在同一幅畫面中進行展示。

人機統(tǒng)一展示包括數(shù)據(jù)的定義和匯總兩個部分。數(shù)據(jù)定義是在畫面編輯時執(zhí)行，通過在畫面編輯器中引入子系統(tǒng)的概念，統(tǒng)一展示畫面中定義的管道數(shù)據(jù)必須說明其所屬的SCADA子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)匯總在畫面瀏覽時執(zhí)行，畫面瀏覽器在展示畫面時通過分析畫面中管道數(shù)據(jù)所屬的SCADA子系統(tǒng)名稱獲取數(shù)據(jù)，匯總之后再進行綜合展示。畫面瀏覽器通過新研發(fā)的跨系統(tǒng)訪問服務(wù)和應(yīng)用的功能，分析各管道所屬的子系統(tǒng)去連接相應(yīng)的服務(wù)并獲取數(shù)據(jù)。

HMI的客戶端通過遠程服務(wù)訪問代理實現(xiàn)本地服務(wù)、遠程服務(wù)的適配代理，通過資源定位服務(wù)，獲得提供數(shù)據(jù)、畫面等的各種人機服務(wù)位置，各種人機服務(wù)可分布在多套獨立部署的SCADA系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)一套SCADA系統(tǒng)的HMI客戶端可作為其他SCADA系統(tǒng)的人機界面，并且各套SCADA系統(tǒng)可使用公共的HMI客戶端。具體實現(xiàn)機制如圖1所示。服務(wù)請求者通過本地的服務(wù)代理和其他系統(tǒng)的遠程服務(wù)代理，獲取其他子系統(tǒng)的畫面和數(shù)據(jù)。

2．2 圖模庫一體化技術(shù)

圖模庫一體化依托畫面編輯器實現(xiàn)，摒棄傳統(tǒng)的以單一設(shè)備元件為基本單位作圖入庫的做法，采用以多個基本圖素組合成的圖形模板作為作圖基本操作單元的方法，可以更好地維護錄入數(shù)據(jù)的完整性，使用戶可以一次性錄入大量數(shù)據(jù)信息。

圖模庫一體化功能包括人機圖形編輯和模型維護服務(wù)兩部分，人機圖形編輯負責必要的事件觸發(fā)和基本信息的錄入，模型維護服務(wù)負責接收人機圖形編輯器請求，完成模型信息的處理。

將有關(guān)聯(lián)的各元件組合在一起，并且用連接線連接起來，就組成一個圖形模板。為了將圖形模板作為一個整體來操作，各個元件間在模板內(nèi)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將此關(guān)聯(lián)關(guān)系保存為庫模版，使用庫模板可以更好地維護錄入數(shù)據(jù)的完整性，使用戶可以一次性錄入大量數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)字典是對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、處理邏輯的描述。記錄了各個設(shè)備模型需要維護的數(shù)據(jù)庫信息，如設(shè)備對象及其屬性以及這些對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。畫面保存時，將畫面的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息填入數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)拓撲以畫面中設(shè)備的連接關(guān)系為依據(jù)構(gòu)建。

圖模庫一體化功能數(shù)據(jù)流程如下：

1）通過圖素編輯器形成基本設(shè)備元件。

2）通過圖模板編輯形成圖模板。

3）通過庫模板編輯形成庫模板。

4）圖庫模板綁定。

5）利用畫面編輯器，通過圖庫模板繪制畫面，形成圖形文件。

6）通過填庫服務(wù)和數(shù)據(jù)字典錄入模型數(shù)據(jù)信息。

7）通過導(dǎo)庫服務(wù)將模型導(dǎo)入離線實時數(shù)據(jù)庫。

8）通過發(fā)布服務(wù)，將圖形文件發(fā)布到服務(wù)器，將離線庫中內(nèi)容發(fā)布到在線庫。

庫模板即模板模型定義圖形模板內(nèi)各個元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系。使用庫模板可以更好地維護錄入數(shù)據(jù)的完整性，使用戶可以一次性錄入大量數(shù)據(jù)信息。

2．3 油氣流動和設(shè)備拓撲著色技術(shù)

油氣管道均需要表示介質(zhì)的流動方向動畫顯示。油氣在管道內(nèi)由管壓大的站場向管壓小的站場方向流動，此管壓差通過管道的高程、壓力和密度進行計算得到。人機界面設(shè)計了管道組件，由液柱和管道組成，以立體效果圖展示。液柱以動態(tài)流動的方式展示了油氣的流向，液柱的流向即油氣輸送的方向，液柱不流動表明此刻管道停止了輸送。

設(shè)備拓撲主要是對于油氣管道中相連的設(shè)備之間的連接關(guān)系進行描述，用于對由多個設(shè)備構(gòu)成的回路進行判斷或計算。拓撲著色主要是依據(jù)拓撲計算結(jié)果對不同的設(shè)備以及設(shè)備之間的連接線（設(shè)備之間的連接關(guān)系）進行不同的著色。設(shè)備的不同顏色代表設(shè)備的不同狀態(tài)。

畫面編輯器首先對管道設(shè)備進行圖素化處理，建立設(shè)備對象與圖素的對應(yīng)關(guān)系，形成管道的圖形模型，再對設(shè)備間的連接關(guān)系進行抽象，形成管道邏輯連接圖。通過圖素的對象化，將抽象的圖素與數(shù)據(jù)庫中設(shè)備的外觀、位置等屬性進行關(guān)聯(lián)。

管道圖形化之后，由畫面瀏覽器負責實現(xiàn)油氣管道SCADA系統(tǒng)人機界面的拓撲著色。當畫面瀏覽器啟動并完成畫面文件的加載和解析后，組織畫面中的圖素信息，按照訪問協(xié)議訪問后臺服務(wù)。畫面瀏覽器收到返回的查詢結(jié)果后，根據(jù)設(shè)備投運狀態(tài)、管網(wǎng)連接關(guān)系，分析并計算出設(shè)備和管線的拓撲著色結(jié)果，設(shè)置顏色、刷新條件等屬性，通知圖形繪制引擎進行繪制著色。

拓撲著色應(yīng)用包括：全局著色、管線著色、注入點追蹤著色。

1）全局著色。全局著色首先對設(shè)備按照實時狀態(tài)進行著色；其次對管道進行著色，依據(jù)管網(wǎng)的連接關(guān)系，對管網(wǎng)進行連通狀態(tài)分析，管道按照兩端所連設(shè)備的狀態(tài)和介質(zhì)壓力進行著色。全局著色可以幫助用戶了解站場關(guān)閥、線路緊急截斷閥誤關(guān)閉、泵站停泵等管線停輸?shù)臓顩r。

2）管線著色。管線著色是用戶指定設(shè)備，對該設(shè)備所在的管線及管線上的所有設(shè)備進行著色，著色范圍、設(shè)備狀態(tài)判定、管道連通性判定都限定在指定設(shè)備及其所在管線范圍。

3）油品注入點追蹤著色。注入點追蹤著色是對于用戶指定的設(shè)備，向其上游方向進行搜索，直至搜索到油品注入點，并根據(jù)搜索路徑對相關(guān)設(shè)備和管道進行著色。

2．4 腳本管理技術(shù)

通過在畫面中定義腳本，可擴展人機界面的功能。通過腳本可實現(xiàn)油氣管道SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)展示、設(shè)備控制等基本功能。

腳本主要實現(xiàn)：

1）腳本編輯編輯器功能，實現(xiàn)腳本內(nèi)容的復(fù)制、粘貼、撤銷、重做、查找、替換、java關(guān)鍵字變色等基本編輯功能。

2）語法檢查功能。

3）腳本存儲管理功能，支持正常存儲和容錯存儲功能。

4）腳本解釋器功能。系統(tǒng)提供腳本解釋器，實現(xiàn)腳本內(nèi)容解釋執(zhí)行。

腳本內(nèi)容在畫面編輯器中編輯，并同圖形信息一起保存至圖形文件中，并在畫面瀏覽器中執(zhí)行。在畫面瀏覽器加載圖形時，自動解析嵌入在其內(nèi)部的腳本內(nèi)容。腳本的執(zhí)行依賴于外部條件觸發(fā)，當畫面瀏覽器監(jiān)聽到某個事件發(fā)生時，自動觸發(fā)執(zhí)行該事件對應(yīng)的腳本，實現(xiàn)特定的邏輯功能。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3．1 人機界面總體結(jié)構(gòu)

人機界面（即HMI）軟件架構(gòu)按照分層原則進行設(shè)計?？蛻舳俗陨隙路譃槿藱C控制臺、人機應(yīng)用層和服務(wù)接口層。

1）人機控制臺是用戶使用人機界面的初始界面，用戶通過控制臺的登錄功能進入系統(tǒng)后使用各類人機應(yīng)用；同時控制臺還負責子系統(tǒng)中各類人機應(yīng)用的管理，主要包括應(yīng)用的注冊、激活和卸載。

2）人機應(yīng)用層由子系統(tǒng)中的各個應(yīng)用組成，主要包括各種組態(tài)應(yīng)用、集成開發(fā)環(huán)境、圖形瀏覽器、系統(tǒng)配置管理、事故追憶界面、報警界面、實時庫庫管理界面等功能模塊。各應(yīng)用采用插件技術(shù)進行開發(fā)，可以實現(xiàn)動態(tài)加載和卸載，因此保證了人機界面良好的功能擴展性。

3）服務(wù)接口層提供了各類應(yīng)用與后臺服務(wù)交互的接口，主要包括實時庫接口、關(guān)系庫接口、畫面刷新服務(wù)接口、事件服務(wù)接口、權(quán)限服務(wù)接口、文件服務(wù)接口等。服務(wù)接口層實現(xiàn)了應(yīng)用對服務(wù)的透明性訪問。

人機界面采用客戶／服務(wù)器模式，客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互過程通過集成服務(wù)總線實現(xiàn)。客戶端中的各類應(yīng)用提供用戶使用系統(tǒng)的圖形界面，應(yīng)用接受用戶操作請求，通過服務(wù)層接口訪問支撐平臺（即基礎(chǔ)平臺）服務(wù)，在收到服務(wù)結(jié)果后將其用圖形界面的形式展現(xiàn)給用戶。支撐平臺服務(wù)部署在多臺服務(wù)器上，為人機界面訪問相關(guān)數(shù)據(jù)和應(yīng)用提供服務(wù)。支撐平臺服務(wù)可訪問保存在實時庫、關(guān)系庫、文件中的數(shù)據(jù)或通過消息總線發(fā)送、接收消息。

人機界面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2中列出了人機界面和支撐平臺服務(wù)的各組成部分及其之間的層次關(guān)系。

圖2 人機界面結(jié)構(gòu)示意圖

3．2 人機界面邏輯層次架構(gòu)

人機界面軟件邏輯層次架構(gòu)中定義了若干個層，包括：控制臺（HMIConsole）層、控制臺服務(wù)（HMIConsole Service）層、人機應(yīng)用（App）層、服務(wù)接口（Service）層。

1）控制臺和控制臺服務(wù)包括控制臺的相關(guān)功能，其中控制臺層包含菜單（Menu）、工具欄（ToolBar）等界面顯示功能。

2）控制臺服務(wù)層包含權(quán)限管理（PrivManager）、應(yīng)用管理（AppManager）、界面管理（UIManager）等功能，分別負責用戶登錄、應(yīng)用管理和界面管理。

3）人機應(yīng)用層包括了系統(tǒng)中的各類應(yīng)用。

4）服務(wù)接口層又分為代理（Agent）和通用功能（Utility）兩部分：代理層提供各類人機應(yīng)用使用的服務(wù)接口；通用功能提供I／O和任務(wù)運行功能。

人機界面中的應(yīng)用以插件方式集成到系統(tǒng)中，控制臺負責實現(xiàn)界面集成管理功能。人機應(yīng)用通過服務(wù)接口層的服務(wù)代理與后臺服務(wù)進行交互，服務(wù)代理提供了訪問后臺服務(wù)的接口，其主要功能是接收人機應(yīng)用的服務(wù)請求并將請求通過服務(wù)總線發(fā)送給后臺服務(wù)，然后接收服務(wù)應(yīng)答并返回給人機應(yīng)用。服務(wù)代理屏蔽了訪問服務(wù)的細節(jié)，使應(yīng)用無需關(guān)心服務(wù)的具體部署信息以及訪問過程，因此有很好的服務(wù)訪問透明性。

4 應(yīng)用及其效果

該系統(tǒng)在某油氣管道調(diào)控中心投入使用，實現(xiàn)了人機交互畫面、系統(tǒng)組態(tài)、操作控制等功能。人機界面顯示的效果如圖3所示。

圖3 站場工藝效果示意圖

該人機界面在以下方面取得了突破：

1）人機界面采用Java語言實現(xiàn)，具有良好的跨平臺性。

2）Web展示和人機客戶端使用同一套圖形、同一套圖形引擎程序，避免在Web瀏覽時圖形轉(zhuǎn)換帶來的圖形失真。

3）人機界面與后臺系統(tǒng)的通信采用3層架構(gòu)，人機客戶端通過后臺系統(tǒng)提供的服務(wù)獲取實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、發(fā)送接收消息。客戶端只需要部署人機程序，無需部署數(shù)據(jù)庫，即可完成各項人機交互功能。此“瘦客戶”人機模式，大大降低了人機工作站配置要求，節(jié)省了投資。

4）人機界面采用組件化設(shè)計思想，各類組件可實現(xiàn)即插即用，體系架構(gòu)靈活，擴展性強，新功能可以快速集成到人機系統(tǒng)中。

5）人機界面可實現(xiàn)基于瓦片格式的地理圖展示，地理圖包括行政區(qū)域圖、地形圖，油氣管網(wǎng)以地理圖為背景繪制。

6）人機界面采用圖庫模一體化設(shè)計，在畫面編輯的同時完成模型的建立，使維護工作便捷、快速，極大地減輕了用戶的維護工作量。

7）人機瀏覽采用多窗口、多主題的顯示界面，有利于各類相關(guān)信息的集成顯示。通過將相關(guān)畫面組織成不同的多主題窗口，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息的集中展示，既能瀏覽管道監(jiān)控的全局信息，又能查看流量、閥門等細節(jié)信息，達到運行監(jiān)控概覽信息和細節(jié)信息一覽無余的效果。

8）設(shè)計了標準圖形描述規(guī)范，描述了元素、基本繪圖元素、油氣管道圖形元素等特性?；诖藞D形規(guī)范，存儲的圖形文件可以在不同油氣管道公司、站場和調(diào)度中心之間進行數(shù)據(jù)共享和交換，提高了圖形文件的復(fù)用性。

5 結(jié)論

1）利用Java技術(shù)和圖形圖像技術(shù)，研究并設(shè)計了一種人機界面方案，開發(fā)了一個油氣管道SCADA系統(tǒng)跨平臺人機交互軟件，通過工程實踐證明了該設(shè)計方案的可行性。

2）人機界面適用于調(diào)控中心與站控的監(jiān)控應(yīng)用場景，實現(xiàn)管道運營設(shè)備狀態(tài)、報警等信息的集中顯示，以及畫面的標準化、易用性、美觀性，為調(diào)度員和維護人員全景監(jiān)控油氣管道的運行狀況提供了有力的支撐。

3）今后人機界面將向信息可視化、展示方式與地理信息融合等方向發(fā)展。

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