0 引言

    監(jiān)控軟件是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，是實現(xiàn)自動化運行管理的關鍵部件，其可以實現(xiàn)對業(yè)務系統(tǒng)中關鍵信息處理設備的數(shù)據(jù)流監(jiān)視記錄、工作狀態(tài)檢測、故障定位和參數(shù)設置等功能。但目前監(jiān)控軟件大部分是基于國外的基礎軟硬件(如Intel處理器、Windows操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫等)研制開發(fā)的，存在核心技術受制于人的安全隱患^[1]。2013年“斯諾登事件”爆發(fā)后，核心軟硬件的國產(chǎn)化倍受重視^[2]。

    基于以上背景，本文提出一種基于國產(chǎn)龍芯處理器和國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，集成了監(jiān)視業(yè)務、數(shù)據(jù)實時顯示、存盤和查詢、故障報警以及對關鍵信息處理設備的配置管理等功能。該監(jiān)控軟件可部署于工業(yè)控制系統(tǒng)中，為關鍵信息處理設備的安全運行提供保障，在提升自主可控水平的同時，更杜絕了因為對國外核心零部件的依賴所導致的信息安全隱患，滿足了核心領域高信息安全、高自主可控的服務需求。

1 國產(chǎn)軟硬件平臺

    監(jiān)控軟件的設計立足于國產(chǎn)關鍵軟硬件，利用自主優(yōu)勢，提升工控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

1.1 硬件平臺國產(chǎn)化

    硬件平臺采用國產(chǎn)龍芯3AMini-ITX主板，它是一款符合Mini-ITX標準的臺式機主板。其搭載具有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權的龍芯3A處理器^[3]，內存為4 GB×2，硬盤為2 TB，支持先進的計算技術與動態(tài)頻率變換，及低功耗芯片組與附件，基于Linux內核的桌面方案，可用作小型服務器，滿足監(jiān)控軟件性能需求。

1.2 軟件平臺國產(chǎn)化

    操作系統(tǒng)是管理和控制計算機硬件及軟件資源的計算機程序，它是運行在機器上最底層的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)也是普通用戶最常使用的計算機接口，同時也提供計算機硬件和其他軟件的接口^[4]。它最大的功能在于為其他應用軟件的運行提供支持，使計算機系統(tǒng)的資源得到最大化利用。正因為操作系統(tǒng)有著這些特點，實現(xiàn)操作系統(tǒng)自主可控的重要性不言而喻。

    該國產(chǎn)硬件平臺搭建國產(chǎn)銀河麒麟Linux操作系統(tǒng)，平臺內所含軟件全部自主開發(fā)，所有應用軟件均自主編寫，做到完全自主可控。

2 監(jiān)控軟件的設計

2.1 軟件組成

    監(jiān)控軟件以平臺化、層次化、模塊化設計為原則，基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)，主體采用C++語言開發(fā)構建。監(jiān)控軟件總體架構包括以下4個層次：界面層、業(yè)務層、協(xié)議層、接口層，如圖1所示。

    界面層提供監(jiān)控軟件對自身運行狀態(tài)的監(jiān)控展示界面、對關鍵信息處理設備的配置管理界面、日志查詢界面、命令解析界面、任務執(zhí)行情況監(jiān)控界面、系統(tǒng)運行維護的操作界面。

    業(yè)務層是核心功能層，實現(xiàn)監(jiān)控軟件的主體功能，包括以下幾個子功能：命令調度、配置管理、業(yè)務管理和查詢管理。各功能模塊需要使用的底層封裝接口由接口層具體封裝實現(xiàn)。

    協(xié)議層實現(xiàn)對協(xié)議的解析處理，包括配置協(xié)議、管理協(xié)議和查詢協(xié)議。

    接口層根據(jù)上層業(yè)務調用的需要，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信接口、數(shù)據(jù)庫訪問接口和語音接口功能，為上層業(yè)務提供統(tǒng)一的調用接口，滿足上層業(yè)務處理模塊與具體實體類型進行接口隔離的設計要求^[5]。

2.2 模塊設計

    (1)用戶界面模塊

    用戶界面模塊提供用戶操作界面，是用戶與監(jiān)控終端的接口界面。

    (2)用戶命令解析模塊

    用戶命令解析模塊是用戶界面模塊和業(yè)務層各模塊之間的接口控制模塊，解析、執(zhí)行用戶提交的各種命令，如獲取基本參數(shù)、配置基本參數(shù)、獲取設備信息、上報設備狀態(tài)等。

    (3)命令調度模塊

    命令調度模塊是對配置命令進行管理調度的模塊。

    (4)配置管理模塊

    配置管理模塊包括對監(jiān)控軟件的配置和對關鍵信息處理設備的配置兩部分，對參數(shù)、策略等配置任務和設備信息進行組織管理。

    (5)配置協(xié)議模塊

    配置協(xié)議模塊封裝對關鍵信息處理設備的各種配置命令。

    (6)業(yè)務管理模塊

    業(yè)務管理模塊管理進出關鍵信息處理設備的各類業(yè)務數(shù)據(jù)。

    (7)管理協(xié)議模塊

    管理協(xié)議模塊是具體解析各類進出關鍵信息處理設備的業(yè)務數(shù)據(jù)以及關鍵信息處理設備上報的狀態(tài)信息和日志報警信息。

    (8)查詢管理模塊

    查詢管理模塊實現(xiàn)對收到的出入數(shù)據(jù)、日志信息和報警信息進行查詢。

    (9)查詢協(xié)議模塊

    查詢協(xié)議模塊封裝查詢信息，將其發(fā)送給數(shù)據(jù)庫接口模塊處理。

    (10)數(shù)據(jù)庫接口模塊

    數(shù)據(jù)接口模塊對底層的數(shù)據(jù)庫操作進行封裝，對上層模塊提供數(shù)據(jù)庫訪問接口。

    (11)網(wǎng)絡通信模塊

    網(wǎng)絡通信模塊接入通信業(yè)務專網(wǎng)，完成與關鍵信息處理設備之間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸功能。

    (12)語音模塊

    語音模塊實現(xiàn)對報警信息的語音播報功能。

    (13)程序框架模塊

    程序框架模塊提供監(jiān)控軟件的程序框架，組織各個模塊功能，實現(xiàn)軟件架構的平臺化、層次化、模塊化開發(fā)。

3 監(jiān)控軟件的實現(xiàn)

3.1 跨平臺設計的方法

    采用QT開發(fā)框架，用高性能的C++語言開發(fā)，使得系統(tǒng)一次編碼，能在所有平臺運行，完美地支持Windows各個版本和麒麟Linux操作系統(tǒng)。

3.2 多線程處理程序方法

    監(jiān)控軟件的信息來源通常包括業(yè)務接收數(shù)據(jù)、業(yè)務發(fā)送數(shù)據(jù)、時統(tǒng)數(shù)據(jù)、日志上報數(shù)據(jù)和監(jiān)控命令。這些信息同時以不同的頻率通過組/廣播的方式被轉發(fā)到數(shù)據(jù)處理中心的主干網(wǎng)上，它們屬于不同的組/廣播。監(jiān)控軟件從主干網(wǎng)上接收這些信息，通過信息校驗及解析，最終需要把所有信息以表格的形式直觀的顯示出來。監(jiān)控軟件作為關鍵信息處理設備狀態(tài)監(jiān)控的依據(jù)，顯示的數(shù)據(jù)必須全面無漏點，因此，對其可靠性和實時性要求較高^[6]。

    由于信息源發(fā)送信息的并行性，設計多線程數(shù)據(jù)處理模型，提升軟件的運行效率^[7]。設計每個信號源對應一個多線程數(shù)據(jù)處理模型，從而保證數(shù)據(jù)接收、處理和顯示的實時性。多線程數(shù)據(jù)處理模型如圖2所示。

    多線程數(shù)據(jù)處理模型包括一個數(shù)據(jù)接收線程、一個數(shù)據(jù)解析線程和一個數(shù)據(jù)存儲線程，采用的是生產(chǎn)者與消費者模型。

    數(shù)據(jù)接收線程只做一件事，即將接收到的數(shù)據(jù)立即放入先入先出隊列(FIFO)，同時給數(shù)據(jù)解析線程發(fā)送信號，然后繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)，接收線程永不阻塞。

    數(shù)據(jù)解析線程接收到數(shù)據(jù)接收線程發(fā)送的信號量后，從FIFO隊列中取出一幀數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)不同的協(xié)議比對，最后解析成程序可操作的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)更新到顯示用的緩存中，并保存到數(shù)據(jù)庫用的緩存中。至此并不直接顯示，亦不立即寫數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)解析線程亦沒有等待時間，繼續(xù)處理下一幀。

    數(shù)據(jù)存儲線程每隔n ms，將顯示緩存中的數(shù)據(jù)更新到界面上；每當數(shù)據(jù)量到了一個閾值，一次性保存到數(shù)據(jù)庫。

    這種批量操作大大提高了整體效率。整個數(shù)據(jù)的接收、解析、顯示和保存都是各自異步工作，沒有等待，沒有阻塞，從機制上保證了數(shù)據(jù)的實時處理能力，能有效應對數(shù)據(jù)量峰值，保證程序穩(wěn)健地運行。

    此外，多線程數(shù)據(jù)處理模型中多個線程獨立工作，線程之間松耦合，帶來的程序可維護性極高。并且各個信號源也是獨立的線程，互相獨立工作，進一步提高了程序穩(wěn)健性和可維護性^[8]。監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)接收線程、數(shù)據(jù)解析線程和數(shù)據(jù)存儲線程工作示意圖如圖3所示。

3.3 面向對象數(shù)據(jù)處理方法

    由于數(shù)據(jù)種類繁多，對接收的數(shù)據(jù)需要分類存儲和顯示。為保證實時性，采用數(shù)據(jù)接收層、處理層和展示層分離的方式，設計數(shù)據(jù)接收類、數(shù)據(jù)解析類和數(shù)據(jù)顯示類。

    其中數(shù)據(jù)接收類從組/廣播地址中接收數(shù)據(jù)，保存到先進先出隊列，供數(shù)據(jù)接收線程調用。采用信號量機制自動觸發(fā)數(shù)據(jù)解析線程。

    數(shù)據(jù)解析類按照不同的數(shù)據(jù)幀格式解析數(shù)據(jù)并存儲，供數(shù)據(jù)解析線程調用。

    數(shù)據(jù)顯示類是基于多文檔應用程序創(chuàng)建的多個窗口顯示類，屬于主線程類。由于數(shù)據(jù)接收類、數(shù)據(jù)解析類和數(shù)據(jù)顯示類屬于不同線程，如此可以充分發(fā)揮計算機的并行處理能力，大大提高軟件數(shù)據(jù)處理與顯示的效率。

3.4 分數(shù)據(jù)庫存儲方法

    數(shù)據(jù)存儲采用SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite數(shù)據(jù)庫是輕量級、跨平臺的關系數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了自給自足、無服務、零配置和事務性的SQL數(shù)據(jù)庫引擎。SQLite事物是完全兼容ACID的，允許從多進程或線程安全訪問，便于對進出關鍵信息處理設備數(shù)據(jù)的存儲操作^[9]。如何高效使用數(shù)據(jù)庫以及設計數(shù)據(jù)庫結構是軟件實現(xiàn)中的一個難點。

    由于系統(tǒng)是全天候運行，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大，對于一般的軟件系統(tǒng)，會造成數(shù)據(jù)庫臃腫，最后導致查詢和寫入效率急劇降低，影響系統(tǒng)的正常運行。

    針對該問題的解決方案是采用分數(shù)據(jù)庫存儲，即數(shù)據(jù)庫按日期存儲，數(shù)據(jù)庫名格式為YYYY-MM-DD，這樣有效降低了數(shù)據(jù)庫臃腫問題。并且每個數(shù)據(jù)庫中的表是按照組/廣播通道保存的，即每個組/廣播通道有單獨的數(shù)據(jù)庫表，便于快速地寫入和查詢。

    監(jiān)控數(shù)據(jù)是典型的時間序列數(shù)據(jù)，即按時間順序產(chǎn)生、存儲和查詢。針對其數(shù)據(jù)特點，查詢檢索是以時間區(qū)間為條件進行的，查詢某個參數(shù)在某段時間內的所有數(shù)據(jù)^[10]。

4 監(jiān)控軟件的應用

    在實際工業(yè)控制系統(tǒng)中搭建應用環(huán)境，應用數(shù)據(jù)配置情況如表1所示。

    軟件應用結果表明，軟件能夠正確接收出入信息并顯示、存盤，同時對關鍵信息處理設備進行相應的控制操作，對各種數(shù)據(jù)窗口和分頁面進行切換測試，反應時間均小于1 s。軟件運行前后計算機性能比較見表2。在軟件運行時CPU占用率最大為15%，內存占用最大為1.16 GB。

    圖4為實際測試時截取的軟件主界面運行效果圖，通過表格的方式實時顯示出入數(shù)據(jù)、報警信息和日志信息，通過樹狀列表的方式顯示當前在線的設備。圖5為對業(yè)務發(fā)送數(shù)據(jù)的查詢。通過右鍵單擊設備列表中某固定設備，可以對其進行配置管理。

5 結論

    本文通過選取國產(chǎn)龍芯3A處理器和國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)實現(xiàn)軟硬件平臺的自主可控，通過設計多線程處理模型、設計數(shù)據(jù)庫模型、利用面向對象編程方法，實現(xiàn)監(jiān)控軟件性能的提升。實驗結果表明，采用本文中軟硬件平臺設計的監(jiān)控軟件安全性高、可靠性強、操作便捷。目前，該監(jiān)控軟件已運行于某工業(yè)控制系統(tǒng)中。

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作者信息:

張  姍，劉笑凱，王  超，郝克林

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）