振華重工新型監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

賁道偉，吳明生，于躍

（上海振華重工（集團）股份有限公司智慧集團，上海 200125）

0 引言

隨著碼頭對監(jiān)控和辦公自動化的需求的迫切提升，SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)Supervisory Control And Data Acquisition，以下簡稱“SCADA”）系統(tǒng)的功能越來越強，品質(zhì)要求越來越精，特別是在智能碼頭領域。振華重工自主開發(fā)了一套碼頭監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能包括多種控件的支持，二次開發(fā)代碼，新型操作和皮膚的支持，在智能碼頭監(jiān)控系統(tǒng)打開了市場。近年，公司針對客戶的需求，新開發(fā)了SCADA 3D，岸橋/輪胎吊/橋吊的模塊化組件，基于RESTful的分布式監(jiān)控服務，這些功能的開發(fā)大力提升了公司的產(chǎn)品競爭力，進一步的拓展了港機市場。

SCADA 3D完整的開發(fā)了一套原生編輯器，兼容原SCADA的數(shù)據(jù)格式和2D場景，支持了常見的3D技術，如骨骼動畫，天空盒，光影效果，滿足了工業(yè)化場景對性能和效果需求；岸橋/輪胎吊/橋吊的模塊化組件，允許用戶通過配置一系列的參數(shù)配置，無需美術的參與，完成對岸橋/輪胎吊/橋吊常用組件的快速開發(fā)；模塊化的分布式監(jiān)控服務允許用戶在跨操作系統(tǒng)，跨開發(fā)語言，通過RESTful協(xié)議，獲取分布在網(wǎng)絡不同端口的程序的運行狀態(tài)[1]。

1 SCADA 3D模塊

1.1 概述

國內(nèi)外的最常見的做法是采用游戲引擎Unity，借助于Unity的強大3D功能開發(fā)出一套實時監(jiān)控3D應用。這種做法能快速滿足需求，沒有技術障礙，而劣勢在于，3D應用必須獨立運行。ZPMCSCADA3D為了保證3D畫面嵌入SCADA應用，另辟蹊徑，獨立開發(fā)了一套完整的3D編輯器和3D嵌入方式。

3D組態(tài)化模塊作為SCADA的子功能，用戶可以選擇是否使用。如果使用，簡單的拖拽和配置導入的場景，畫面將自動識別包含3D控件的畫面，自動將畫面轉(zhuǎn)化為3D畫面。3D組態(tài)化模塊主要分為兩部分：3D場景編輯器和3D場景嵌入原SCADA編輯器[2]。

3D場景編輯器作為一個獨立的應用程序，包括主畫面，場景節(jié)點編輯器，屬性編輯器，文件夾窗口，提示窗口等多個窗口，允許用戶編輯場景并保存為XML格式的文件。

SCADA將3D場景單個控件的形式集成到SCADA中，在掃描到SCADA中有3D控件后，自動將畫面切換到DirectX渲染模式下，攝像頭信息在3D控件中給出，和原SCADA兼容，滿足了快速開發(fā)3D場景的需求。

圖1 SCADA3D架構說明圖

1.2 3D場景編輯器詳細設計

圖2 3D場景編輯器的架構

3D場景編輯器是一個獨立應用程序，可以在SCADA中啟動，也可以通過EXE應用程序啟動。編輯器包含了主場景窗口，節(jié)點窗口，屬性窗口，快捷欄，文件夾窗口，提示窗口。

3D場景編輯器可以打開工程文件中3DScene目錄下的XML場景文件。啟動時，會讀取和SCADA共享的配置文件，打開默認工程。

圖3 SCADA 3D編輯器

3D場景編輯器采用了最新理念的編輯器架構，模仿了3D游戲引擎Unity的架構，包含了主場景，樹形節(jié)點，屬性窗口。采用所見即所得的設計理念，對整個場景的編輯結(jié)果都可以在主場景窗口中看見。

樹形菜單將整個場景用樹形菜單編輯，分為文件夾，和3D對象，燈光，廣告牌等多種對象。既支持了豐富的對象，也簡化了整個場景的管理。添加，刪除，拷貝，重命名，移動位置等，大大簡化了用戶的制作時間。

對場景樹的每一個節(jié)點，我們都可以在屬性窗口中支持，支持編輯位置，旋轉(zhuǎn)，縮放，是否可視等屬性。這些屬性都可以動態(tài)綁定SCADA的數(shù)據(jù)點。

1.3 3D場景如何嵌入SCADA

圖4 3D場景嵌入SCADA架構

3D場景編輯器的輸出文件包含一個XML文件，包含所有的場景信息，包括綁定點的信息，而3D模型，貼圖文件單獨分開保存。

在2DSCADA畫面中，拖入3D對象，配置3D對象的場景文件后，畫面自動識別，加載XML文件，并轉(zhuǎn)換為3D畫面。

1.4 渲染引擎

渲染引擎是3D應用的心臟，決定了渲染速度和畫面效果。引擎的架構同樣也影響了3D編輯器的架構和嵌入方式。在研究了多個開源引擎后，我們考慮了OGRE，Irrlicht，Godot等三款游戲引擎進行重點考察。

OGRE引擎開源，但是結(jié)構復雜，不利于修改底層代碼。Godot功能強大，但是是獨立EXE應用，不利于作為子功能嵌入SCADA中。而Irrlicht代碼清晰，結(jié)構簡單，完美支持了MFC的嵌入。經(jīng)過多方面的考量，我們采用了Irrlicht引擎。

該引擎很好的支持了光影，水面特效，天空盒，骨骼動畫。底層代碼也非常友好，杰出地支持了MFC和底層對新數(shù)據(jù)格式的支持。

2 岸橋/輪胎吊/軌道吊的模塊化組件

2.1 基本設計原理

岸橋/輪胎吊/軌道吊本質(zhì)上是一個封裝過的圖形組合組件，我們在原有的圖形組合組件基礎上加入了參數(shù)配置，讓程序根據(jù)參數(shù)配置通過代碼修改子圖形的大小，位置，動畫等常規(guī)信息。

2.2 模態(tài)化的優(yōu)點

采用模塊化，我們拋棄了原來每個岸橋/輪胎吊/軌道吊模型美術輔助，開發(fā)人員配合的工作模式，允許開發(fā)人員自行搭建模塊，使原本繁復的工作流程變得簡單化，釋放了員工的工作量[3]。①可以方便工程人員快速開發(fā)組件；②無需美術人員的參與。

2.3 模態(tài)化的缺點

模態(tài)化組件存在基礎功能修改麻煩，上手難等缺點。由于工程不需要反復變動，整體來看利大于弊。①如有基礎功能變動，需要在代碼中修改，費時費力；②參數(shù)較多，使用需要熟悉各個參數(shù)。

3 基于RESTful API的分布式監(jiān)控服務

3.1 RESTful API概述

網(wǎng)絡應用程序，分為前后端兩部分。當前的發(fā)展趨勢，就是前端設備層出不窮。因此，必須有一種統(tǒng)一的機制，以便不同的前端設備與后端進行通信。這導致API構架的流行。RESTful API就是目前較為成熟的互聯(lián)網(wǎng)應用程序的API設計理論。REST（Representational State Transfer）表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)換，REST指的是一組架構約束條件和原則，支持分布式架構[4-5]。

3.2 RESTful API的優(yōu)點

簡單地來說REST它是一種使用URL來定位資源，使用HTTP請求描述操作的Web服務規(guī)范。基于RESTful API的分布式監(jiān)控系統(tǒng)有以下優(yōu)點：①前后端分離，和前端無關；②支持多種操作系統(tǒng)，支持多種語言；③完備的軟件支持方案，支持Swagger Editor在線編輯，便于API的共享。

3.3 分布式監(jiān)控的具體實現(xiàn)

圖5 分布式監(jiān)控架構

3.3.1 服務器

工程設計了兩個dll（C#版和C++版）嵌入到各個子系統(tǒng)中，為客戶端提供統(tǒng)一的REST服務，以下是服務端dll的接口：

（1）Start啟動監(jiān)控程序，參數(shù)端口號。

（2）Stop關閉監(jiān)控程序。

（3）C++設置/獲取四種類型的自定義屬性：SetFloat GetFloat；SetBoolean GetBoolean；SetInt GetInt；SetString GetString。

（4）C#設置/獲取自定義屬性：GetObject SetObject

程序員可以啟動一個監(jiān)控程序，并向監(jiān)控程序?qū)戧P鍵字和對應的值。并且程序默認提供了CPU和內(nèi)存的使用情況[6-7]。

3.3.2 客戶端

我們采用SwaggerEditor編輯器，為客戶端提供如下接口：

圖6 監(jiān)控服務接口

①Read選擇性瀏覽部分參數(shù)返回數(shù)據(jù)；②ReadAll瀏覽遍歷所有參數(shù)和值；③Browse瀏覽遍歷所有參數(shù)，不返回值。

Swagger可以將接口保存為JSON格式文件，方便用戶提取，儲存。

4 結(jié)語

在信息化、智能化的時代，用戶的需求層出不窮，只有不斷滿足客戶的需求，企業(yè)才能在競爭日益激烈的現(xiàn)在站穩(wěn)腳步。國外相同的產(chǎn)品價格一直居高不下，國內(nèi)的產(chǎn)品不能滿足碼頭客戶的需求，在這種背景下，ZPMCSCADA應用而生，ZPMCSCADA致力于解決碼頭用戶的智能監(jiān)控需求，為振華的硬件服務保駕護航。

本文描述了振華在SCADA方面的最新的成果,為振華在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟：嵌入式的SCADA3D模塊，將3D畫面和2D畫面集成在一起，做到一體化岸橋/輪胎吊/軌道吊的組件模塊化，提升了開發(fā)人員的開發(fā)效率基于RESTful的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，跨系統(tǒng)，跨平臺進行軟件監(jiān)控ZPMCSCADA致力于成為國內(nèi)頂級的工業(yè)組態(tài)軟件，為企業(yè)的長期發(fā)展和布局做準備。同時也為行業(yè)內(nèi)其他的SCADA軟件提供借鑒作用，一同推動國內(nèi)組態(tài)軟件的共同進步。