摘要：通過對現(xiàn)有普遍監(jiān)控系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)的架構(gòu)的分析，指出其在圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w數(shù)據(jù)的連接關(guān)系上簡單映射關(guān)系中的不足之處，提出以元圖形和基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w為前提的圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w的新型映射模式，力圖以此模式建立通用監(jiān)控圖形系統(tǒng)架構(gòu)，滿足開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)無處不在的監(jiān)視與控制系統(tǒng)的需要。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，通用監(jiān)控圖形系統(tǒng)架構(gòu)，元圖形，基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w

一、引言

通用的圖形系統(tǒng)有很多，但它們不適于監(jiān)控系統(tǒng)的原因是因?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)雖然顯示為圖形，它卻代表的是數(shù)據(jù)，即圖形化的數(shù)據(jù)。然而，我們看到的圖形，也是有數(shù)據(jù)的，比如矩形就有長和寬，但是這種數(shù)據(jù)是圖形的參數(shù)，其集合和圖形是等效的，在特定的展現(xiàn)平臺上，我們可以認(rèn)為：圖形=參數(shù)集合，這些參數(shù)還不是我們所謂的數(shù)據(jù)。在監(jiān)控系統(tǒng)中，我們所謂的數(shù)據(jù)是展現(xiàn)監(jiān)控對象（比如電力設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)的特征值，一般電力系統(tǒng)設(shè)備的四遙就是這種數(shù)據(jù)。圖形化的監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)就是使用圖形方式展現(xiàn)監(jiān)控對象的運(yùn)行狀態(tài)并控制其行為。因此圖形處理成了監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。圖形處理的任務(wù)主要有兩個(gè)任務(wù)：以圖形方式反映監(jiān)控對象特征值；在監(jiān)視之前，用圖形方式進(jìn)行圖形的定義（一般稱圖形組態(tài)）。特征值由別的子系統(tǒng)處理，交由圖形子系統(tǒng)使用。

由于監(jiān)控圖形系統(tǒng)的特殊性，形成了很多風(fēng)格不同的監(jiān)控系統(tǒng)。從比較簡單的Excel表格顯示煤礦瓦斯?jié)舛龋紾E的DCS組態(tài)系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)雖然目的相同，但監(jiān)控規(guī)模，圖形化程度都不相同。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，監(jiān)控圖形系統(tǒng)的運(yùn)用將會(huì)越來越多，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)終端用戶對圖形界面的體驗(yàn)肯定會(huì)超過數(shù)據(jù)表格界面，這可以從Windows替代DOS操作系統(tǒng)時(shí)就得到了驗(yàn)證。

比較典型的整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如下：

通訊層：負(fù)責(zé)對監(jiān)控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用RS233、RS485、RJ45等介質(zhì)通過MODEBUS、TCP/IP等通訊協(xié)議將反映監(jiān)控對象運(yùn)行特征值的測量和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，交給數(shù)據(jù)層做進(jìn)一步處理。

數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)接收通訊層的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的意義，做規(guī)定的處理。數(shù)據(jù)越限、虛遙信等一些新的次生數(shù)據(jù)將會(huì)產(chǎn)生。它還會(huì)提供共享通道（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、服務(wù)接口發(fā)布等）。

展現(xiàn)層：就是本文要討論的圖形處理子系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)已圖形方式展現(xiàn)出來。從數(shù)據(jù)流的角度來看，它是將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成圖形對象的一系列屬性參數(shù)集。

但是，一個(gè)展現(xiàn)層可以使用不同的數(shù)據(jù)層，不同的展現(xiàn)層可以使用同一個(gè)數(shù)據(jù)層。這種情況也存在于通訊層，它會(huì)形成如下的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：

由于所有展現(xiàn)層、數(shù)據(jù)層、通訊層之間都是同構(gòu)的，為了分析的方便，一般采用簡化如下形式表示：

如果數(shù)據(jù)層不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，展現(xiàn)層不使用圖形對象而使用Excel表格，就變成了最簡單的監(jiān)控系統(tǒng)，如下：

二、當(dāng)前圖形系統(tǒng)的普遍架構(gòu)

由于物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)層也朝著分布式、云計(jì)算發(fā)展，數(shù)據(jù)即服務(wù)（Daas）研究在正確的時(shí)間將正確的數(shù)據(jù)傳送到正確的位置。對應(yīng)圖形系統(tǒng)的架構(gòu)如下：

數(shù)據(jù)獲?。―ataObjectAccess）：通過WCF、OPC等不同數(shù)據(jù)存取方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對象存取。數(shù)據(jù)對象與應(yīng)用領(lǐng)域一致，比如電力領(lǐng)域的IEC61970。

數(shù)據(jù)映射（RuleofDataTranslate）：抓取領(lǐng)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到圖形對象參數(shù)集的轉(zhuǎn)換規(guī)則，決定了圖形系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的使用方式。

圖形展示（ShapePresentation）：使用圖形對象呈現(xiàn)領(lǐng)域?qū)ο?。呈現(xiàn)的方式有SVG、WPF、Silverlight（SVL）、HTML等多種方式，有的適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，有的適合桌面應(yīng)用。這里領(lǐng)域?qū)ο笫抢?，呈現(xiàn)出的圖形對象是表。

可以看到不論數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)映射、圖形展示均是在領(lǐng)域?qū)嶓w的支撐下才有意義。那么領(lǐng)域?qū)嶓w為什么如此重要呢？

三、分析

首先，數(shù)據(jù)是領(lǐng)域?qū)嶓w的屬性的反映。電力斷路器的通過電流，水管中的水壓和流速，火災(zāi)預(yù)警器中的煙霧濃度和測量點(diǎn)的溫度，都是反映相關(guān)監(jiān)控對象的屬性，雖然它可以由多個(gè)測量設(shè)備測量到。離開了領(lǐng)域?qū)嶓w，這些數(shù)據(jù)便沒有了實(shí)際物理意義。從邏輯上看，這些數(shù)據(jù)按照領(lǐng)域?qū)嶓w進(jìn)行組織。D=m（E），D——數(shù)據(jù)集合，E——領(lǐng)域?qū)嶓w集合，m——組織關(guān)系。

另一方面，圖形也是領(lǐng)域?qū)嶓w的反映。電力母線、水管減壓閥，處于火災(zāi)預(yù)警級別中的房間等圖形同樣是反映相關(guān)監(jiān)控對象的屬性。同樣的電力母線，有細(xì)有粗，有不同的顏色表示不同的電壓等級。離開了領(lǐng)域?qū)嶓w，這些圖形同樣沒有了實(shí)際的物理意義。所以，從邏輯上看，這些圖形按照領(lǐng)域?qū)嶓w進(jìn)行組織。G=g（E），G——圖形對象集合，E——領(lǐng)域?qū)嶓w集合，g——圖形數(shù)據(jù)運(yùn)算。

由此，可以認(rèn)為，數(shù)據(jù)和圖形是領(lǐng)域?qū)嶓w的兩個(gè)方面，猶如硬幣的正反兩面。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的領(lǐng)域?qū)嶓w化工作在圖形處理子系統(tǒng)之外已經(jīng)完成，圖形處理子系統(tǒng)需要關(guān)注的是圖形的領(lǐng)域?qū)嶓w化工作。其實(shí)質(zhì)便是圖形對象與領(lǐng)域?qū)嶓w的對應(yīng)關(guān)系，比如，電力變壓器圖形怎樣與電力系統(tǒng)中的電力變壓器設(shè)備相對應(yīng)。反映成數(shù)學(xué)關(guān)系就是：G=g（m-1（E）），由于領(lǐng)域?qū)嶓w在某個(gè)發(fā)展階段是有限的，所以m和g關(guān)系是有限的，自然g.m-1就是有限的，G集合就是有限集合。這里的領(lǐng)域?qū)嶓w是一種理論抽象，根據(jù)領(lǐng)域關(guān)注度的不同，其抽象的模型也不相同（IEC為了適應(yīng)更多的電力應(yīng)用，抽象了一個(gè)龐大的電力領(lǐng)域?qū)嶓w模型）。重點(diǎn)是在領(lǐng)域模型確定的情況下，圖形對象怎樣對應(yīng)領(lǐng)域?qū)嶓w。

領(lǐng)域?qū)嶓w有個(gè)特點(diǎn)，它會(huì)體現(xiàn)領(lǐng)域的一個(gè)或者多個(gè)特征，比如，一個(gè)電力三繞組變壓器會(huì)體現(xiàn)初級、次級1、次級2的電流、電壓等特征。三繞組變壓器包含三個(gè)電力繞組，每個(gè)繞組有時(shí)一個(gè)電力實(shí)體，包括電力電壓等特征。每個(gè)繞組接到一個(gè)電壓等級之中，每個(gè)電壓等級現(xiàn)可能還接有斷路器、接地快關(guān)等設(shè)備。這些設(shè)備共同組成了實(shí)際的電力系統(tǒng)。雖然，這個(gè)系統(tǒng)反映到圖形系統(tǒng)中任然是抽象的系統(tǒng)，但這樣圖形展示的實(shí)體集合小于或者等于數(shù)據(jù)表示的實(shí)體集合，圖形展示就是完備的。因此，領(lǐng)域模型將與圖形展示集合一一對應(yīng)，這樣，圖形的表現(xiàn)力才能完全覆蓋領(lǐng)域模型。

正式在這種思路下，才出現(xiàn)了領(lǐng)域圖形符號的標(biāo)準(zhǔn)（比如，電力圖形符號的標(biāo)準(zhǔn)），而且，在這種標(biāo)準(zhǔn)中，領(lǐng)域?qū)嶓w的圖形符號可能由多個(gè)子符號表示。很顯然，相比較用點(diǎn)線面表示一切的通用圖形系統(tǒng)，領(lǐng)域元圖形的概念更接近于實(shí)際情況。其與領(lǐng)域?qū)嶓w的對應(yīng)關(guān)系也更簡單。由此出現(xiàn)了一種新的圖形系統(tǒng)的架構(gòu)如下：

元圖形體現(xiàn)了領(lǐng)域?qū)嶓w的某一方面圖形特征，可以認(rèn)為領(lǐng)域圖形有多個(gè)領(lǐng)域元圖形構(gòu)成。由于領(lǐng)域業(yè)務(wù)的發(fā)展受到整個(gè)科技發(fā)展的限制，元圖形的增加意味著領(lǐng)域業(yè)務(wù)的重要發(fā)展，其增加更加緩慢，當(dāng)然，主要的還是元圖形的類別是基本有矩（標(biāo)準(zhǔn)）可循的，最重要的是元圖形的數(shù)量少，組合出的領(lǐng)域?qū)嶓w數(shù)量龐大，表現(xiàn)力豐富。

四、新架構(gòu)的優(yōu)勢

相比以前的架構(gòu)，由于采用了元圖形，實(shí)體屬性到元圖形的映射更容易做到完備。而圖形展示由于是元圖形的組合可以再與圖形的基礎(chǔ)上擴(kuò)展圖形類別而對其他模塊沒有任何影響，特別地，將圖形的定義放到配置文件中，便可以實(shí)現(xiàn)靈活的圖形擴(kuò)展。這意味著，圖形符號是可換的，同時(shí)意味著，圖形的展示是對組合元圖形的展示，只要元圖形的描述是標(biāo)準(zhǔn)的，展現(xiàn)就是標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)然對不同的展現(xiàn)技術(shù)平臺，實(shí)現(xiàn)方式是有差異的。這是需要注意的。如下：

可以看到矩形和園的定義是邏輯上的，因?yàn)樵赟ilverlight中沒有園，但在用Silverlight界面展現(xiàn)圖形時(shí)作對應(yīng)的翻譯就行了，這種關(guān)系是固定的。這樣，元圖形的定義在不受圖形展現(xiàn)所采用技術(shù)的約束了。

這還不是最主要的優(yōu)勢，元圖形對應(yīng)基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嶓w，如果要更換領(lǐng)域，需要更換的是元圖形、數(shù)據(jù)映射、數(shù)據(jù)獲取，這樣圖形系統(tǒng)就成了通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)了！

更換元圖形是簡單的，對于使用配置文件的系統(tǒng)來說就是換文件，對于固化的程序來說就是換模塊。更換數(shù)據(jù)獲取的工作也不復(fù)雜，對不同的數(shù)據(jù)層而言，換一套不同的接口就行了。只要替換得當(dāng)，與圖形與數(shù)據(jù)獲取相匹配是容易實(shí)現(xiàn)的?？墒菗Q數(shù)據(jù)映射的話就不是簡單的事了。在以前的系統(tǒng)架構(gòu)中，實(shí)體屬性數(shù)據(jù)與圖形對象屬性對應(yīng)轉(zhuǎn)換，而在新的架構(gòu)中，實(shí)體屬性數(shù)據(jù)并不與圖形對象數(shù)據(jù)直接對應(yīng)轉(zhuǎn)換，而是要通過基礎(chǔ)實(shí)體領(lǐng)域?qū)嶓w和與圖形類別的對應(yīng)轉(zhuǎn)換規(guī)則的約束進(jìn)行規(guī)范，這就比以前的架構(gòu)復(fù)雜得多。

好在這一領(lǐng)域已經(jīng)有好多研究成果和工具可以使用了。專家系統(tǒng)、推理機(jī)等人工智能（ArtificialIntelligence）的工具就是其中較好選擇。

五、結(jié)論

由此，可以看到，由于人工智能的應(yīng)用，監(jiān)控圖形系統(tǒng)可以更換圖形系統(tǒng)、元圖形、數(shù)據(jù)映射，數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)。目前，在系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)映射、元圖形、圖形展示上，都有現(xiàn)成的技術(shù)和工具可以使用，最大的問題是，沒有一個(gè)整合的系統(tǒng)或者工具出現(xiàn)，而現(xiàn)實(shí)有呼喚這種通用的見監(jiān)控圖形系統(tǒng)的出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的辦法就是整合現(xiàn)有的SVG、元圖形、轉(zhuǎn)換規(guī)則描述、數(shù)據(jù)實(shí)體描述等多種技術(shù)，形成領(lǐng)域可以自由更換的圖形系統(tǒng)。這樣的圖形系統(tǒng)必將在以云服務(wù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)上得到極大的應(yīng)用，甚至，可能會(huì)進(jìn)入到千家萬戶。

六、展望

整合各種技術(shù)產(chǎn)生的通用的監(jiān)控圖形系統(tǒng)可以提供一個(gè)實(shí)用的終端用戶系統(tǒng)，但它還不足以提供一個(gè)簡單，易用的系統(tǒng)。如果以目標(biāo)來導(dǎo)向的話，終端用戶使用類自然語言描述監(jiān)控圖形系統(tǒng)的目標(biāo)更能為大眾所接受。比如，把“1#煙霧報(bào)警器”按照“自然光”格式顯示到“監(jiān)控頁面5”的“100,100”位置，以最快的速度更新數(shù)據(jù)，報(bào)警采用“工廠預(yù)設(shè)方式”。這樣的系統(tǒng)更加智能，也更易于大眾的使用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該系統(tǒng)一定能大行其道。

如果在加入數(shù)據(jù)服務(wù)端推送[6]，則可以代理服務(wù)器空閑的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)收集，能夠最大限度地改進(jìn)監(jiān)控圖形的更新速度。

作者信息：曾明昌，目前主要研究方向：SOAP系統(tǒng)架構(gòu)，電力監(jiān)控系統(tǒng)圖形處理。