分布式網絡計算在超聲成像系統中的運用*

張永宏，葛武健，龔莉莉，王 琦

(南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044)

分布式網絡計算在超聲成像系統中的運用*

張永宏*，葛武健，龔莉莉，王 琦

(南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044)

超聲成像后期數據處理復雜度高，時效性不足。介紹了一種基于TCP協議和LabVIEW技術的網絡分布式計算系統實現方法，充分利用分布廣泛的空閑網絡計算機資源，在任何時刻，系統能夠自適應地管理主從機網絡連接、協調已連接的主從機間任務分配、獲取從機返回計算結果。以達到更快速地完成超聲成像的目的。詳細闡述了該系統的實現過程，并通過該方案實現了工件截面的快速成像。與FPGA等通過硬件進行并行計算的方法相比，該方法充分利用現有資源，通過軟件功能的增加達到快速計算的目的，降低了系統的成本。

無損檢測;超聲成像;分布式網絡計算;自適應TCP連接

超聲成像系統中，波束合成算法能有效通過軟件實現波束的動態聚焦偏轉，得到所有場點的特征信號，實現成像，但其復雜的計算量，使系統數據處理時效性不足。目前改進此不足使用較多的方法是使用FPGA，一方面解決了高速采集部分的難題，同時由于其具有并行計算能力，處理速度較快。

本文采用先采集后合成的準實時超聲相控陣檢測方法，在進行數據采集時，將N陣元線性陣列超聲換能器中各陣元依次作為激勵陣元、其余陣元依次作為傳感陣元，經N×(N-1)次超聲發射與采集后，將原始超聲數據保存至主機。利用合成聚焦理論，對工件中某場點位置A進行信號聚焦，按照參考陣元以及目標場點的空間位置，在各傳感陣元接收信號時進行精確的相位延時，并進行信號疊加波束形成，以得到A處的聚焦回波信號［1］。成像的過程實際就是對成像區域內逐點聚焦，對得到的各點處聚焦信號進行缺陷信號提取或功率譜分析實現區域成像。完成一次區域成像需要上萬次的接收聚焦處理，根據虛擬儀器的軟件即是儀器的思想，將數據運算的任務全部交由計算機處理，為得到用戶感興趣區域所有點位置的特征信號，需要運用波束形成算法進行若干次波束疊加運算。故計算量較大，對數據處理系統要求較高。

1 超聲成像分布式計算系統組成

由于合成聚焦計算量大，單臺計算機計算能力存在瓶頸，數據處理速度不太理想，而對于這種算法特定，計算任務繁多的計算模式，可以利用網絡中某臺計算機將所有計算任務集中管理，必要時分發給網絡中各臺計算機進行運算，并返回計算結果。據此，提出了一種基于分布式網絡計算的數據處理方案，利用網絡計算機資源進行數據協同處理。與使用FPGA實現并行計算相比，該方法通過增加軟件功能、利用空閑計算機的方式，明顯改善了系統數據處理速度，而未增加任何硬件元器件，降低了系統的成本，有較好的經濟性。而相對于單機數據處理，該方法能顯著提高整個系統的運算速度。

本分布式計算系統可以解決高負荷計算問題，系統采用主從結構，一臺主機作為服務器，若干臺從機作為客戶機，主機作為協調、控制中心，與局域網內的從機或互聯網上的從機進行通信，傳輸原始數據，分配計算任務，并接收和解析從機返回的數據。由于UDP傳輸數據的不可靠性，本系統除了任務開始時通過UDP廣播新任務外，其余過程全部采用TCP連接以保證數據傳輸的可靠性［2］。系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

2 主從機自適應連接

在系統高層軟件控制方面，本文根據系統需求設計了主從機控制軟件，實現主從機握手，建立TCP連接，數據傳輸，協同計算等功能。其中主機作為協調控制樞紐，其工作流程圖如圖2所示。

接收到新計算任務時，主機開始執行，打開并監聽6341端口，隨時準備與各從機建立TCP連接接收新任務指令，從61556端口UDP廣播新計算任務的指令，并通過監聽6341端口，作為TCP被動連接端，等待各個從機的TCP連接，從機若已預先運行，如圖3所示，在監聽到主機廣播信息后，從機會解析主機IP并嘗試與主機6341端口建立連接。連接成功后開始收發數據。主機在與某從機連接后，通過解析從機發送的數據，執行相應的操作，在分配完新計算任務后，主機循環執行監聽6341端口到判斷總任務隊列是否已計算完畢的操作，當TCP連接隊列中有多個連接時，主機通過輪洵方式依次對各個從機收發數據。從機若未預先運行，在主機輪洵各TCP連接會話時［3-5］，若遇到新的從機需要加入，則主機將保持之前加入的從機連接會話不釋放，并將新的從機(如果有)加入連接隊列中，繼續執行分配任務，協同計算的操作。

圖2 主機工作流程

與此同時，在主機輪洵各TCP連接時，若發現某個連接出錯，則主機自動終止該連接，重新分配上一次分配給該連接的任務至其他從機，并更新已建立連接列表。以此自適應地達到動態管理多TCP連接、動態分配計算任務的目的。

圖3 從機工作流程

在主從機建立連接前，從機若是預運行的，則不需要知道主機IP地址，可從主機廣播的指令中解析到主機IP，若是主機已進行計算，從機是后期加入計算的，主機不需要任何操作，而從機需要手動輸入主機IP地址，與主機建立連接后，主機會自動協調任務分配以使后期加入的從機加入計算。如圖3所示。

從機與主機建立連接后，首先向主機請求原始計算數據，原始數據接收完畢后，從機完成了進行分布式計算的準備條件，可向主機請求計算任務，此時從機進入循環狀態，請求到計算任務時，解析任務數據，得到計算參數，調用內置在從機程序中的超聲相控陣聚焦算法并傳遞計算參數后，經計算得到該參數下超聲相控陣聚焦結果，將該結果返回給主機即完成一次計算任務。從機將持續執行申請計算任務到返回計算結果的操作，直到收到主機任務隊列已結束的通知，收到主機任務隊列已結束的通知后，從機將跳至監聽61556端口的操作，等待主機廣播新的計算任務，方便下次的自適應連接。

另需要特別注意，當從機通過互聯網與主機連接協同計算，且從機或主機存在路由連接的內部網絡時，由于大部分路由器默認不進行端口轉發，需要事先指定路由對網內某臺機器的某個端口進行路由轉發方能使用本軟件。任務開始的廣播計算任務指令亦是同樣的道理:路由默認只在內網廣播，外網時需要手動輸入主機IP地址并在主機開始任務后加入計算。

3 計算任務分配

超聲成像實際就是對成像區域逐點聚焦，即對圖像上各個像素點進行聚焦繪制，完成一副圖像需要進行上萬次的延時疊加波束形成過程，本計算系統就是將成像區域所有位置分成若干個任務，由主機統一協調管理，動態地、按需地分配給各個從機進行任務分配、算法處理并返回處理結果。相當于在主機與從機集群間建立了兩條虛擬的上下行通訊管道。如圖4所示。

運用法治方式、實行多元主體共同治理，是我國近年來探索國家治理現代化的經驗總結和實踐創新，在構建現代鄉村治理體系過程中也要逐步探索這一治理手段。《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》提出，要“建立健全黨委領導、政府負責、社會協同、公眾參與、法治保障的現代鄉村社會治理體制，堅持自治、法治、德治相結合，確保鄉村社會充滿活力、和諧有序”[3]19。根據意見要求，在具體的鄉村治理中，應著力做好三個方面。

圖4 主從機任務分配示意圖

任務分配時根據分配時任務數據塊的大小，可分為動態在線分配和離線計算分配匯總兩種工作方式。

(1)動態在線分配

所謂動態在線分配是指主機實時掌握從機數據處理進度，依據從機是否已處理好已分配任務，決定是否執行新任務分配，動態在線分配由于是根據從機實際處理狀態進行任務分配，故從機能夠根據自身計算能力申請任務，適應性較好，從機集群能較整齊地完成總任務。

由于存在多個TCP連接，各連接數據處理速度的差異，導致主機為各個從機分配任務時，可能出現重分配和漏分配的問題。因此，在任務分配時，采用隊列原理，在內存中開辟一塊可移位的緩存區(棧)，將所有或部分任務數據快速存入隊列中，根據先入先出原則，保證各任務數據分配一次。

漏分配的情況常發生于從機收到任務數據后正在進行計算尚未返回計算結果，而由于網絡出錯或人為操作等原因該從機與主機中斷了連接，導致主機分配出了任務，但卻未能獲取計算結果，使整個數據處理結果呈現不連續性。解決方法是在主機端對上一輪所有連接下各從機與分配給它們的任務數據的對應關系進行一次寄存，當檢測到某個從機連接出錯時，將上一輪該從機分配到的任務數據收回，重新分配給別的從機，確保所有任務不丟失。

(2)離線計算分配匯總

該模式下，主機根據當前連接的從機數量，將總任務進行該數量下的任務均分，并將均分后的任務集分配給各個從機進行計算，之后主機進入空閑等待周期，待各從機計算好后將結果集回傳給主機，也就是說該模式下，主機與從機只進行一次數據互傳。

相比于動態在線分配計算，離線計算分配匯總由于是以數據集合的方式進行數據傳輸，從機在計算過程中不需要等待數據傳輸，各從機理論上有更好的效率;但事實上，從機集的各個從機往往計算能力各不相同，這種模式計算下有可能出現主機已收到大部分從機返回的計算結果只在等某臺從機的情況，而且由于網絡狀況的不一致，也增大上述情況的發生概率。而動態在線分配卻能自適應地解決這些問題。

4 TCP不定長數據的傳輸

在LabVIEW環境下，網絡或者串口等方式發送和接收數據的類型只能是字符串，且網絡接收字符串時需要預先限定字符串字節數，這不便于動態發送數據。解決方案如圖5、圖6所示，本文通過2次寫入TCP數據的方法成功解決此問題，第1次寫入要發送的字符串長度(LabVIEW中一個字符為1 byte)，第2次寫入該字符串;另一方面，在讀取時相應地亦采用先讀取字符串長度，再通過讀取該長度字節數TCP數據的方法完整地獲取該字符串。

圖5 TCP不定長數據發送子程序

圖6 TCP不定長數據接收子程序

TCP第1次發送數據時發送的是字符串長度32位整型數據，正好4 byte，經強制類型轉換而來，故在圖6中，第1次讀取TCP數據時要讀取4 byte長度數據。將該4 byte長度數據還原成整型數據后作為第2次讀取TCP數據時的讀取長度參數，以完整接收所發數據。

不定長TCP收發數據的實現為本系統動態收發TCP數據提供了方便，為各個功能模塊提供了統一的數據收發接口，調用更靈活、方便。

5 數據幀的格式說明及解析過程

為方便主機或從機解析對方發送的數據，本文TCP傳輸數據幀格式如圖7所示，數據幀由幀頭和幀內容構成，幀頭中包括該數據的發送方、該數據的類型。數據類型包括任務數據、結果數據等。

圖7 TCP傳輸數據幀格式

接收方在解析發送來的數據時，通過對數據幀中分隔符的匹配，可以方便地提取出發送方IP信息、發送的數據類型、數據內容等信息。通過TCP不定長數據傳輸方法，數據幀的大小也不需要進行規定。如”172.16.72.239+taskpackage+(101，92);”表示計算機”172.16.72.239”發來任務數據(101，92)。

6 功能測試

本文對某一工件110 mm×110 mm的區域進行成像，圖像像素與實際面積的對應關系為1像素對應1 mm2(若想成像質量更精細可以選擇1像素對應更小面積，如0.01 mm2)，共需進行110×110= 12 100次延時疊加波束形成過程。如圖8和圖9所示為工件的尺寸圖和實物圖。

在本地成像程序和分布式計算主機程序中均加入了計時功能。其中本地成像程序完成本文測試試件的成像共耗時85.609 s，如圖10所示;而在本次通過5臺局域網從機進行分布式網絡計算成像則耗時26.12 s(不計未有從機連接時主機空轉等待時間)，如圖11所示，數據處理速度是本地處理速度的3.3倍，效果提升明顯。

圖8 工件尺寸圖

圖9 工件及陣列陣元實物圖

圖10 本地成像結果

圖11 分布式計算成像結果及參數顯示

將成像結果圖經圖像識別技術和增強處理后，得到如圖12所示結果。分析結果圖像，通過提取缺陷中心像素坐標，轉換成尺寸坐標后，缺陷中心位置坐標在(0.048，0.049)處，與實際缺陷中心位置坐標(0.05，0.05)的相對誤差為3%(橫縱坐標加權相對誤差)，準確度較好。

圖12 成像結果圖像增強

7 結束語

LabVIEW是當今全球應用最廣泛的圖形化虛擬儀器開發環境，若將網絡技術與虛擬儀器技術結合起來，構成網絡化虛擬儀器系統，利用強大的網絡資源，不僅能夠實現工業控制和數據測量的遠程傳輸和通信，更能充分利用空閑的網絡計算機資源，為測控系統的數據處理提供更強大的動力。

本文闡述了一種適用于相控陣超聲檢測［6-7］的自適應分布式網絡計算方法，聯網的空閑計算機后臺運行本計算系統的客戶端軟件后，在對用戶透明的情況下，主從機能夠自適應地協調網絡計算機資源，根據各從機處理能力動態地分配計算任務，以協同、并行計算的方式達到更快地進行數據處理的目的。相比于FPGA，該方法未增加任何硬件，節約了成本;相對于單機運算，該方法能顯著提高整個系統的運算速度，是測控領域網絡計算［8-9］的一次較好嘗試。

［1］張永宏，葛武健，孫亞杰.一種相控陣超聲波檢測系統的實現方法［J］.計算機仿真，已錄用.

［2］毛頓.LabVIEW測控系統的網絡訪問技術研究［D］.武漢.武漢理工大學，2002:30-40.

［3］胡吉朝，王定遠，王占鋒.中斷式網絡通信技術在LabVIEW下的實現［J］.微計算機信息.2008.24(12):167-169.

［4］陳宵雅，金心宇，盛立峰，張昱.基于PDA的無線網絡化虛擬儀器［J］.電子器件.2006，29(2):515-518.

［5］高樺，鐘昊.基于WLAN的陀螺綜合虛擬測試系統設計和實現［J］.傳感技術學報.2010，23(11):1667-1672.

［6］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術的發展與應用［J］.無損檢測，2002，24(2):69-71.

［7］鮑曉宇.相控陣超聲檢測系統及其關鍵技術研究［D］.北京.清華大學，2003:38-55.

［8］李婧.基于LabVIEW的測控技術虛擬網絡實驗室的研究與構建［D］.廣西.廣西大學，2008:72-91.

［9］高先君.LabVIEW在多任務測控系統中的應用［D］.南昌.南昌大學，2006:28-37.

Distributed Network Computing in Ultrasonic Imaging System*

ZHANG Yonghong*，GEWujian，GONG Lili，Wang Qi
(School of Information Science and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

The complexity of the calculation of a large amount of data processing applications like ultrasonic imaging system leads to a bad effectiveness of the system.A network distributed computing system based on the TCP protocol and virtual instrument technology is introduced to achieve the target for full use of the wide distribution network of computer resources，through the distributed network computing solutions，in any time，adaptivemaster-slave network connectionswill be established，and the connected matser-slavermachines can handle with the task allocation，and slavemachines return the calculated results and other issues in order to achieve the purpose of computing tasksmore quickly.Finally，the ultrasonic phased array imaging system is implemented quickly with this solution.Compared to FPGA，thismethod achieves the target for fast computing by fully using the available resources without adding any hardware，which can save a lot of cost.

nondestructive testing;ultrasonic imaging;distributed network computing;adaptive TCP connection

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.039

TP274.2 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0162-06

項目來源:教育部留學回國人員科研啟動基金項目(教外司留［2010］609號);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(CXLX12_0515)

2013-04-27修改日期:2013-05-27

EEACC:UDC:TP274.2

張永宏(1974-)，男，漢族，山東臨沂人，南京信息工程大學，博士后、教授。主要研究領域為超聲檢測與信號處理，氣象裝備自動化與機電一體化系統集成，模式識別與智能系統，精密機械與儀器等，zyh@nuist.edu.cn;

龔莉莉(1988-)，女，漢族，江蘇南通人，南京信息工程大學，碩士。主要研究領域為計算機網絡系統，智能交通等，lily717413981@126.com;

葛武健(1987-)，男，漢族，江蘇揚州人，南京信息工程大學，碩士，主要研究領域為相控陣超聲檢測，信息信號處理，gewujian@126.com;

王 琦(1989-)，男，漢族，江蘇常州人，南京信息工程大學，碩士。主要研究方向為超聲無損檢測、控制系統設計等，wq_gpt@hotmail.com。