基于WebSocket的艙車平臺綜合運維系統設計

周 展，俞振東，張 紅

(中國電子科技集團第二十八研究所，江蘇 南京 210000)

近年來，隨著艙車平臺的不斷發展壯大，艙車平臺上集成的設備也越來越多，功能和性能要求也越來越高，但艙車平臺內部空間有限，分散控制的方式越來越滿足不了需求，因此，迫切需要一種通用、實時性強和容易操作的綜合運維系統[1]。

綜合運維系統對艙車平臺上裝設備進行監測和控制目前面臨2個研究難題。

一方面，由于綜合運維系統需要實時監測艙車平臺上裝設備的運行狀態，以及實時進行遠程控制，因此保證綜合運維系統的實時性是研究重點和設計難點之一。

另一方面，區別于北美和歐洲已有的底層CAN總線通信協議和在CAN通信協議基礎上發展的專有大型貨車和公共機械車輛設計的J1939協議，艙車平臺上裝設備的通信接口缺乏統一的頂層規范標準，上裝設備的接口種類繁多，涵蓋RS232、RS485、RS422、CAN以及LAN在內的絕大部分通信接口類型[2]。另外，不同設備的供應廠商不同，其提供的通信協議也是千差萬別。為了能夠和所有的上裝設備進行數據交互，綜合運維系統必須能夠適配所有被控設備的通信接口和協議，這就提高了綜合運維系統的定制化程度。當不同艙車平臺上裝設備不同或者是同一艙車平臺的上裝設備出現更換或者升級時，綜合運維系統需要進行重新適配，導致系統通用性難以得到保證。在被控設備可變的條件下，保證綜合運維系統的通用性是研究重點和設計難點之一。

為了確保系統的實時性和通用性，本文采用B/S架構，通過引入WebSocket技術來保證系統的實時性，通過優化軟件架構設計來保證系統的通用性，設計了一套艙車平臺綜合運維系統，實現艙車平臺上裝設備的實時監測和控制功能。采用B/S構架基于Web技術設計的綜合運維系統，用戶只需要使用通用的Web瀏覽器就可以完成復雜的設備監測和控制任務[3]，實現客戶端零維護，極大地方便了系統的實施[4]。在局域網建立的情況下，運維人員可以在任意位置使用瀏覽器訪問綜合運維系統，通過可視化界面直觀地展示上裝設備的實時狀態，同時運維人員可以點擊界面上的按鈕對監控設備進行遠程控制。

1 艙車平臺綜合運維系統設計

艙車平臺綜合運維系統包含了綜合運維設備和綜合運維系統軟件2個部分，綜合運維系統軟件部署在綜合運維設備中，綜合運維設備放置在艙車平臺的設備柜中，并接入艙車平臺的局域網中。

1.1 系統架構設計規劃

為了保證綜合運維系統的通用性，將設備通信接口和通信數據分析等定制化工作放在綜合運維軟件中實現，盡可能地保留了綜合運維設備的通用性。因為與變更綜合運維設備的硬件以及底層驅動相比，在軟件中進行接口和協議適配的投入更小，配置更靈活。因此綜合運維系統采用3層架構，自下而上分別是設備層、接口層和應用層(見圖1)。

圖1 系統架構圖

設備層是指艙車平臺上裝設備，包含串口設備、CAN設備、網絡設備和其他設備。設備層中的各設備通過各自的通信接口和設備私有的通信協議與綜合運維設備進行數據交付。

接口層是指綜合運維設備，為了保證綜合運維系統的通用性，綜合運維設備只完成各個通信接口的數據交互和硬件管理，并轉化成綜合運維系統內部協議與綜合運維系統軟件進行數據交互。

應用層是指綜合運維系統軟件。當新的設備接入或者原有接入設備變更時，用戶只需要在軟件界面中配置設備的通信接口類型、接口地址以及通信協議，即可完成綜合運維系統與新設備的適配，以此解決通用性問題。綜合運維系統軟件與綜合運維設備之間采用WebSocket技術實現數據的實時交互，解決了綜合運維系統的實時性問題。

1.2 WebSocket

WebSocket是一種協議，支持在單個TCP連接上進行全雙工通信[5]，在本質上WebSocket能夠為通信的雙方提供一個基于TCP連接的雙向通道，即服務器端能夠主動給客戶端推送數據，同時客戶端也能夠主動向服務端發送請求數據，能夠實現在服務端和客戶端之間高效地互相發送數據。

傳統通信方案中使用的HTTP協議是單向通信協議，只有客戶端發起HTTP請求，服務端才會返回數據。另外HTTP連接步驟復雜且只提供短鏈接，因此在實際運行時會嚴重影響傳輸實時性[6]。與HTTP協議相比，WebSocket具有更輕量級的頭信息，減少了大量交互信息和網絡吞吐量，節省了帶寬，提高了通信效率[7]。通過WebSocket技術，瀏覽器和服務器只需要做一個握手的動作，瀏覽器和服務器之間就形成了一條快速通道，兩者之間就可以直接進行數據互相傳輸。

WebSocket是HTML5新增的協議，屬于應用層第7層上的一個應用層協議，它必須依賴HTTP協議進行第1次握手[8]，在JS中創建WebSocket后，會有一個HTTP請求發送至瀏覽器以發起請求。在取得服務器響應后，建立的連接會使用HTTP升級將HTTP協議轉換為WebSocket協議，連接建立之后，客戶端與服務端之間就可以直接進行數據互相傳輸，與HTTP無關[9-10]。WebSocket服務端與客戶端的交互圖如圖2所示。

圖2 WebSocket服務端與客戶端的交互圖

在艙車平臺綜合運維系統中需要對艙車平臺上裝設備的狀態進行實時監測，同時需要對上裝設備進行遠程控制，這就要求客戶端和服務端之間能夠高效、實時地進行數據交互，而基于WebSocket的艙車平臺綜合運維系統正好解決了系統實時性的問題。一方面，綜合運維系統服務端在采集到設備的狀態信息時，會同步將狀態信息發送給與之建立連接的客戶端，運維人員可以實時掌握設備的狀態信息；另一方面，運維人員在客戶端對被控設備進行控制操作后，服務端能夠及時收到控制指令并發送控制指令給相應的設備，實現設備控制功能。

艙車平臺綜合運維系統的結構圖如圖3所示。艙車平臺綜合運維系統主要采集艙車平臺上環境類設備、機電類設備和電源類設備等設備數據。其中，環境類設備包括溫濕度傳感模塊、空調和加熱器等，機電類設備包括調平機構、升降臺和倒伏機構等，電源類設備包括綜合電源和配電箱等。這些設備的接口為RS232、RS485、CAN和網絡。服務端的硬件接口處理模塊負責與接入系統的被控設備建立連接，采集被控設備上報的設備狀態信息和故障信息，同時發送被控設備的控制信息。消息處理模塊負責處理接收到的設備狀態信息和故障信息以及客戶端發送的控制指令。WebSocket服務負責監聽和推送實時數據，客戶端與WebSocket服務建立連接之后，WebSocket服務將采集到的設備狀態信息和故障信息實時發送給客戶端，便于運維人員實時監測艙車平臺中上裝設備的狀態，用戶通過客戶端將對設備的控制指令發送給WebSocket服務，由WebSocket服務將信息逐層發送給對應設備，實現設備的控制功能。

圖3 系統結構圖

1.3 綜合運維系統軟件設計

服務端監測設備數據的流程如圖4所示，綜合運維設備上電后，服務端程序啟動初始化后，先進行硬件接口的初始化，根據人機界面上配置的設備信息打開對應的硬件接口，用于接收RS232設備、RS485設備、CAN設備和網絡設備的數據，硬件接口打開成功即進入數據監聽狀態，一旦監聽到有接入設備發送的狀態數據，立即按照系統內部通信協議進行數據的處理并發送給已經與服務端建立連接的客戶端，從而在客戶端可以實時地查看接入設備的狀態信息和故障信息。

圖4 服務端監測設備數據的流程圖

服務端控制設備的流程如圖5所示，服務端接收到客戶端發送的連接請求后，與客戶端建立連接，連接建立成功后監聽客戶端消息，一旦收到客戶端發送的設備控制指令，立即進行處理并通過硬件接口發送給對應的設備，實現設備的控制功能。

圖5 服務端控制設備的流程圖

客戶端的流程如圖6所示，用戶通過瀏覽器訪問服務端，提出連接服務端請求，連接建立后，實時接收服務端通過WebSocket服務發送的設備狀態信息和故障信息，并在界面上實時更新顯示；用戶在界面上點擊設備控制按鈕，客戶端通過WebSocket服務給服務端發送設備控制指令，以此實現設備的控制功能。

圖6 客戶端的流程圖

2 結語

本文設計了一套基于WebSocket的艙車平臺綜合運維系統的解決方案，該方案在人機交互界面進行接入設備的配置工作，實現了接入設備的靈活配置，極大地提高了綜合運維系統的通用性，并且能夠將采集到的設備狀態信息通過WebSocket實時推送至客戶端界面，直觀地將設備狀態信息呈現給運維人員，便于運維人員及時掌握艙車平臺上裝設備的整體運行狀態，同時運維人員也可以方便地通過點擊客戶端上的操作按鈕遠程控制設備，解決了系統的實時性。這一套系統已經在多個項目中進行了使用，極大地簡化了開發工作量，也提高了系統的穩定性。