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遠程控制實(shí)驗系統軟件體系的結構
摘 要：針對遠程控制實(shí)驗系統具有多需求、多任務(wù)并且實(shí)時(shí)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構，并且在此基礎上設計與開(kāi)發(fā)了一套基于C/S與B/S的混合體系結構的遠程控制系統。該系統不但允許用戶(hù)進(jìn)行遠程虛擬實(shí)驗，而且還可以對實(shí)驗設備進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)控制。實(shí)際應用表明，該系統不但保證了不同用戶(hù)的實(shí)驗需求，而且還滿(mǎn)足了遠程控制的實(shí)時(shí)性要求。
關(guān)鍵詞：軟件體系結構;遠程控制系統;需求工程
1、引 言
目前，國內外已經(jīng)有許多大學(xué)都研制出了自己的遠程教育軟件系統，這些系統的建成對于提高教學(xué)質(zhì)量和效率起到了極大的推動(dòng)作用。對于控制系統的遠程實(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¨ 將虛擬現實(shí)技術(shù)應用在化學(xué)工程教育領(lǐng)域，設計了多個(gè)虛擬實(shí)驗。另外，類(lèi)似的還有澳大利亞RMIT大學(xué)設計的虛擬實(shí)驗用于進(jìn)行熱傳遞過(guò)程的教學(xué) ，可以幫助學(xué)生快速地掌握這個(gè)抽象的概念。在國內，北京大學(xué)開(kāi)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(gè)基于瀏覽器和Web服務(wù)器的虛擬實(shí)驗室 �？梢钥闯�，虛擬實(shí)驗室主要是用戶(hù)通過(guò)Internet把設計的的實(shí)驗傳送到服務(wù)器端。服務(wù)器端用來(lái)完成客戶(hù)端要求的實(shí)驗內容，并將可信的實(shí)驗結果返回客戶(hù)端�？蛻�(hù)收到實(shí)驗結果后，可評價(jià)自己的實(shí)驗設計，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)驗設備都是抽象符號表示，往往無(wú)法代表真正的實(shí)驗環(huán)境，在控制實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中尤其明顯，由于用戶(hù)無(wú)法觀(guān)察到被控對象的動(dòng)態(tài)響應，以及實(shí)際實(shí)驗過(guò)程中系統所存在的擾動(dòng)和不確定性，導致這樣的虛擬實(shí)驗無(wú)法達到真正的實(shí)驗目的。因此，產(chǎn)生了另一類(lèi)遠程實(shí)驗室：遠程控制實(shí)驗 ，目前，國內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)遠程控制系統 ;浙江大學(xué)研制了依托千兆局域網(wǎng)基礎上的基于C/S模式的遠程控制系統 。新加坡國立大學(xué)的遠程實(shí)驗室 允許用戶(hù)通過(guò)Internet進(jìn)行遠程實(shí)驗，使用B/S方式實(shí)驗，可以實(shí)現昂貴的實(shí)驗設備共享。
遠程實(shí)驗室的服務(wù)器端使用LabView虛擬儀器軟件實(shí)現對實(shí)驗設備的控制，服務(wù)器與實(shí)驗設備之間通過(guò)RS-232接口或IEEE488.2 GPIB總線(xiàn)進(jìn)行連接。意大利的PolitecnicodiMilano大學(xué)也使用類(lèi)似方案實(shí)現了遠程實(shí)驗室。不難看出，這樣的系統基本上可以滿(mǎn)足普通的本科教學(xué)的驗證性實(shí)驗。但是，由于此類(lèi)系統的控制器設計在本地實(shí)驗端，遠程端僅僅只能允許修改相應的控制器參數，而不能夠提供完整的控制器的設計。因此，對于高年級學(xué)生的實(shí)驗要求就很難滿(mǎn)足，尤其是網(wǎng)絡(luò )控制實(shí)驗(此類(lèi)系統要求整個(gè)控制回路通過(guò)網(wǎng)絡(luò )閉環(huán)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以要求系統提供相應的網(wǎng)絡(luò )傳輸參數)更是無(wú)能為力。
綜合以上介紹的遠程實(shí)驗系統不難發(fā)現，現有系統都在一定程度上滿(mǎn)足了特殊用戶(hù)的需求，在局部范圍內起到了較好的教學(xué)效果，但是，由于用戶(hù)需求的多樣性，這樣的系統很難普及，同時(shí)一個(gè)統一的遠程控制實(shí)驗系統的軟件體系結構尚未形成。因此，本文從遠程實(shí)驗室系統的不同層次用戶(hù)的需求出發(fā)，提出一種基于特征映射的軟件體系結構的設計方法，在此基礎上開(kāi)發(fā)和設計了相應的遠程控制實(shí)驗室。與現有系統比較本文論述的系統具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
�、� 滿(mǎn)足多用戶(hù)的需求，不僅提供虛擬的驗證性實(shí)驗，而且提供遠程的控制實(shí)驗。用戶(hù)可以通過(guò)本系統動(dòng)態(tài)觀(guān)察被控對象的過(guò)渡過(guò)程，以及系統的不確定性對性能的影響。
�、� 本系統可以為控制專(zhuān)業(yè)較高層次的研究性用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )傳輸的服務(wù)質(zhì)量性能參數，使系統的網(wǎng)絡(luò )資源調度與管理以及控制過(guò)程中的采樣周期調度成為可能。
�、� 系統可以在局域網(wǎng)內通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，為網(wǎng)絡(luò )控制系統的研究提供實(shí)驗基礎。
2、現有系統的軟件體系結構及其存在的問(wèn)題
2.1 虛擬實(shí)驗室的軟件體系結構目前，現有的虛擬實(shí)驗室普遍采用如圖1所示的軟件體系結構，利用面向對象分析(OOA)和面向對象設計(OOD)來(lái)開(kāi)發(fā)。采用B/S結構的主要功能是：用戶(hù)提交待實(shí)驗的Simulink或m文件通過(guò)遠程調用Matlab的計算引擎，完成仿真計算后服務(wù)器將仿真結果送還給遠程用戶(hù)端，客戶(hù)端的Applet通訊模塊把仿真數據解析后，將數據分別以動(dòng)畫(huà)和虛擬示波器、數據表格等方式有效的把實(shí)驗結果呈現給用戶(hù)，達到仿真實(shí)驗的效果。由于虛擬實(shí)驗的引入，可以滿(mǎn)足遠程教育中自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的低年級學(xué)生的仿真實(shí)驗或簡(jiǎn)單的驗證性實(shí)驗的需求，但是，由于缺少對真實(shí)設備的控制，對于高年級的本科實(shí)驗教學(xué)而言，實(shí)驗內容的復雜性和多元化，這樣的實(shí)驗系統就很難滿(mǎn)足了，尤其是缺乏對控制過(guò)程中實(shí)際系統的不確定性以及系統過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能的直觀(guān)的描述。
2.2 遠程控制實(shí)驗室的軟件體系結構目前，現有的遠程控制實(shí)驗室的軟件體系結構普遍采用如圖2所示的軟件體系結構，跟虛擬實(shí)驗室類(lèi)似采用OOA和OOD來(lái)開(kāi)發(fā)設計采用B/S結構。從系統的功能上而言，由于遠程控制實(shí)驗室連接的是真實(shí)的實(shí)驗設備，實(shí)驗過(guò)程中利用多媒體技術(shù)，可以讓學(xué)生實(shí)時(shí)觀(guān)測到實(shí)際對象的運行情況，并且在遠程控制端給實(shí)驗者提供修改控制器參數的接口，允許用戶(hù)動(dòng)態(tài)地改變系統的采樣周期? 。此類(lèi)系統有一個(gè)共同的特點(diǎn)：實(shí)驗對象的控制器設置在本地端，并且往往都是事先固定的，如：PID，預測控制策略，使用者僅僅可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對系統所提供的控制器參數進(jìn)行設置和修改。相對于虛擬實(shí)驗室，遠程控制實(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，這樣的系統就其本質(zhì)而言其控制回路的設計仍舊是本地控制，而沒(méi)有通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。因此，就很難滿(mǎn)足控制專(zhuān)業(yè)研究生的實(shí)驗教學(xué)要求。
考慮到如圖2的結構中系統的控制器設計在服務(wù)器端，并且往往都是固定的。為了保證系統的控制回路構建在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上，文獻[10]中研制了依托校園網(wǎng)的基于C/S模式的遠程控制系統，把控制器設計在遠程端，整個(gè)控制回路通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )閉環(huán)如圖3所示。
這樣方便了遠程實(shí)驗用戶(hù)設計開(kāi)發(fā)相應的控制器。但是其帶來(lái)的代價(jià)就是客戶(hù)端需要安裝龐大的軟件或插件，不僅系統可維護性差，而且由于客戶(hù)端使用平臺的不一致性，導致系統的使用范圍受到了很大的限制。
3、基于需求特征映射遠程控制系統體系結構綜合
上述分析不難看出，現有系統的軟件體系結構設計過(guò)程中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題就是：從需求到軟件體系結構的映射不足。對于控制系統而言，系統的實(shí)時(shí)性要求很高，如果系統的控制回路通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)閉環(huán)，則構成的控制系統為典型的網(wǎng)絡(luò )控制系統。
近年來(lái)，對于這類(lèi)系統的研究，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(wèn)題有待進(jìn)一步的完善。因此，在現有基礎上采用基于需求特征映射方式的軟件體系結構設計方法來(lái)設計遠程控制實(shí)驗系統。
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的需求建模結合起來(lái)以更完整地捕獲各種需求。進(jìn)而，在體系結構建模中，以面向需求特征為目標，維持特征模型和體系結構模型間在較高抽象層相對直接和自然的映射。這里要強調的是本文的方法并不是對傳統方法的否定而是對傳統方法的改善，因而該方法能夠與傳統方法如面向對象(O0)方法緊密地集成，并且本文的建模概念和表示、遵循UML語(yǔ)言的概念和表示體系。
3.1 遠程控制系統的需求建模文獻[11]中把特征分為功能性特征和非功能性特征，兩者對軟件體系結構構造有著(zhù)不同的影響。因此，本文首先基于功能特征將待開(kāi)發(fā)的遠程控制實(shí)驗系統初步劃分為一些構件，接著(zhù)考慮系統的非功能特征，對這一初步劃分反復、漸進(jìn)地進(jìn)行優(yōu)化和轉換。利用特征誘導和特征組織與分析的需求建模方法[11]，把系統的需求劃分為3個(gè)層次上的抽象：任務(wù)需求，用戶(hù)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、實(shí)驗過(guò)程、實(shí)驗組織及約束等。用戶(hù)需求特征主要描述系統所提供支持最終實(shí)驗用戶(hù)任務(wù)的服務(wù)以及對服務(wù)的約束，在此基礎上按文獻[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(hù)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(hù)任務(wù)的特征可歸為一組并成為該用戶(hù)任務(wù)的子特征。
(3)如果一個(gè)非功能特征是對一個(gè)功能特征的約束，則該非功能特征成為對應功能特征的子特征。如果一個(gè)用戶(hù)層特征以某一個(gè)任務(wù)層特征為目標，則前者稱(chēng)為后者的導出子特征。
對于特征間的潛在的交互關(guān)系，這里采用其相互問(wèn)的邏輯關(guān)系加以描述，包括：“包含”、“一般到特殊”、“導出”、“制約”及“依賴(lài)”和“互斥”等，并且嚴格指定特征本身的屬性，然后利用use case技術(shù)把特征細化為足夠詳細的可實(shí)現的功能需求。
遠程控制實(shí)驗系統根據不同的用戶(hù)可以分為：①專(zhuān)科或低年級的本科生;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(lèi)不同的用戶(hù)，需求特征不同，如對于第① 類(lèi)用戶(hù)，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，或者在此基礎上進(jìn)行適當的參數調整以驗證控制參數對系統性能的影響。因此，在需求建模的時(shí)候，把其統一抽象成為此類(lèi)任務(wù)需求的必須特征。
同時(shí)，對于這類(lèi)用戶(hù)系統的被控對象的特性，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(hù)而言可能是必須的特征，如第③ 、④類(lèi)用戶(hù)要求系統提供回路信息和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)信息作為系統控制設計的依據，甚至是希望系統能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)閉環(huán)，因此要求整個(gè)系統能夠保證很好得到實(shí)時(shí)性。整個(gè)遠程控制實(shí)驗系統的需求特征模型如圖4所示。
3.2 遠程控制系統的體系結構建模與系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)根據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構的構造有著(zhù)不同的影響，因此，在系統體系結構建模的時(shí)候將它們分開(kāi)處理，分別進(jìn)行概念體系結構建模、邏輯體系結構建模和部署體系結構建模。其中，概念體系結構建模是基于問(wèn)題域和需求的結構來(lái)描述系統的抽象視圖，而不考慮技術(shù)細節;邏輯體系結構建�？紤]技術(shù)方案，是對概念體系結構進(jìn)行精化、調整和轉換;而部署體系結構建模相比與前兩者主要解決模塊與模塊間的計算節點(diǎn)及計算節點(diǎn)之間的交互問(wèn)題。
系統的體系結構建模是待求解的問(wèn)題域到解決問(wèn)題域的高層次的抽象，而面向特征的體系結構建模是以“面向特征”為目標，維持特征模型和體系結構模型間在較高抽象層相對直接和自然的映射。而對于本系統而言，其在實(shí)現方式上采用C/S和B/S混合結構，對于系統模型中的控制服務(wù)，考慮到系統實(shí)時(shí)性的要求和需求模型中的必須特征的使用用戶(hù)為研究性實(shí)驗，對于這類(lèi)用戶(hù)由于其已經(jīng)具有較好的專(zhuān)業(yè)知識， 所以采用C/S結構，利用校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)。對于其他服務(wù)，這里采用B/S結構。
不難看出，系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)在于遠程控制中控制器的動(dòng)態(tài)加載，控制策略的動(dòng)態(tài)加載與擴充常用的方法是通過(guò)c++的new和delete的內存管理和分配方案來(lái)實(shí)現數組和數據結構的定義，以及模塊間的參數傳遞。然而，對于遠程實(shí)驗系統運行狀態(tài)的判斷，完全依賴(lài)于用戶(hù)的控制信號，即當用戶(hù)希望系統運行停止的時(shí)候，需要先給模塊停止信號，然后再停止系統的運行。這樣的做法對于遠程控制實(shí)驗系統顯然是不適合的。另外，從整個(gè)軟件的安全性角度出發(fā)，在終止整個(gè)系統的運行前，單獨停止某一個(gè)模塊的運行，安全方面會(huì )產(chǎn)生隱患�？紤]到以上因素，在本系統提出動(dòng)態(tài)接口，其基本思路是另外添加一個(gè)DLL，提供公共函數，用于分配和管理內存。在用戶(hù)自定義的控制策略模塊中，調用公共函數即可，需要保留或傳遞參數，直接傳遞序列編號。
SpaceDLL是用于分配和管理內存的公共DLL，接口包括：UserFBDVVector、UserFBDdVect0r和UserFBD.NewdVect。其中，基本的數據類(lèi)型為雙精度，能夠滿(mǎn)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是鏈式的結構，用戶(hù)可以在這個(gè)鏈上基本上可以認為是無(wú)限制的添加和操作DoubleVector的數據類(lèi)型;對于DoubleVector的管理和傳遞，通過(guò)其序號來(lái)實(shí)現，從而實(shí)現內存數據的安全傳遞;UserFBDVVector函數返回的是對VVector的引用;UserFBDNewdVect函數返回的是新的DoubleVector的引用，用戶(hù)可以直接操作使用;UserFBDdVector函數的參數為DoubleVector在整個(gè)VVector中的序號，返回指定序號的Dou.bleVector的數據序列的引用。通過(guò)以上策略，實(shí)現了算法模塊接El的擴展，用戶(hù)可以自行添加數組或動(dòng)態(tài)分配內存，并且保留或傳遞參數，對內存進(jìn)行操作。
3.3 應用實(shí)例自行開(kāi)發(fā)了基于校園網(wǎng)的遠程控制軟件(軟件著(zhù)作權登記號：2005SR15172)，網(wǎng)絡(luò )控制軟件運行環(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、監控窗口、視頻窗13、顯示窗口。操作窗口主要負責管理監控平臺的各項操作，包括實(shí)驗管理、實(shí)驗操作和系統管理，其中，實(shí)驗操作主要包括：通信設置、流量監控、曲線(xiàn)設置、控制回路配置、被控對象模型配置、控制器參數配置和控制策略的動(dòng)態(tài)加載等。系統管理包括密碼設置和用戶(hù)管理。實(shí)驗管理主要功能：實(shí)驗成績(jì)查詢(xún)、實(shí)驗報告的生成與遞交等功能。監控窗El可以實(shí)時(shí)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(shí)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置及控制點(diǎn)的配置。
4、結 語(yǔ)
在現有遠程實(shí)驗系統軟件體系結構分析的基礎上，針對遠程實(shí)驗系統用戶(hù)需求的多樣性和控制系統本身的實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)下，提出一種基于需求特征映射的軟件體系結構建模的方法。在此基礎上，開(kāi)發(fā)與設計了基于C/S和B/S混合結構的遠程控制實(shí)驗系統。實(shí)際應用表明，系統在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求下，在一定程度上滿(mǎn)足了多用戶(hù)的需求，具有較好的可行性。
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