CN102360288B

CN102360288B - 实时数据驱动的脚本化全组态hmi系统

Info

Publication number: CN102360288B
Application number: CN201110295086.1A
Authority: CN
Inventors: 金舒; 包德梅; 余祺晖
Original assignee: Nanjing Guodian Nanzi Railway Traffic Engineering Co Ltd
Current assignee: Nanjing Guodian Nanzi Railway Traffic Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN102360288A

Abstract

本发明的实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统，画面组态功能与画面实时显示功能共享HMI支撑层，该层负责为HMI系统中的所有图形对象提供动态脚本支持的实时显示状态刷新、实时数据交互及用户交互响应。HMI支撑层由图形引擎及数据引擎两部分构成，图形引擎包含对基本图形元素进行显示及操作的支持，通过集成的脚本引擎提供的全功能逻辑脚本，可以实现对基本图形元素的所有可视特性进行完全控制；数据引擎作为实时数据库与HMI系统间的中介，负责即时地把HMI子系统关注的数据写入及变化动作通过动态图元中设置的变量传入HMI子系统，进而通过数据事件触发脚本引擎执行相应动作，以实现数据驱动的动态HMI刷新。

Description

实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统

技术领域

数据监控与采集系统(SCADA)是构建众多牵引供电、配网自动化应用系统的基础，作为系统中直接面对终端调度用户的重要功能模块，人机界面子系统(Human Machine Interface, HMI)的可配置性、性能、可靠性及易用性均是体现工程实施者对用户需求的理解和满足的重要因素。随着计算机软硬件系统性能的提高，用户对于系统功能可视化提出了越来越高的要求，HMI子系统的显示形式、互动支持、联动逻辑及执行效率也都成为评价SCADA系统性能的重要技术指标。

背景技术

随着计算机软硬件技术特别是图形显示技术的飞速进步，越来越多基于计算机的自动化应用系统都向用户提供了HMI以方便用户与系统进行交互。基于键盘、鼠标作为基本输入设备的WIMP(Window、Icon、Menu、Pointer)式样图形用户界面已经成为标准，甚至在众多的嵌入式系统上也见到了相关的应用。SCADA系统的复杂度也在迅速提高，无论是系统的数据容量、吞吐量还是接入的通讯连接、子系统数量都在飞速增长。简单地将一组给定受控设备、元件的实时状态进行可视化显示的HMI设计已经不能满足新型SCADA系统的需求。

传统HMI系统设计通常采用如下方式：(1)程序硬编码方式，即根据工程需求编写相应HMI程序(或定义各种图形、图像文件)对各种用户画面进行实时的显示，采用该设计的SCADA系统对每个新项目均需要重新/重复编码，因而灵活性差，配置工作量大；(2)受限的图元定义方式，基于该设计的HMI系统支持用户依据项目需求创建新的图元，并以之进行用户画面组态，但图元的显示、刷新及数据绑定方式均由程序固定，无法做到对来自不同数据源的多个变量的支持，从而不能实现诸如反映系统间联动功能的用户画面；(3)通用图元定义方式，支持用户创建各种样式的新图元，在图形引擎中支持简单的逻辑脚本，提供多样的、动态的图形显示功能，数据绑定也相对开放，该设计为新一代SCADA HMI系统设计的方向。本发明提出的实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统即采用该设计模式，并在各主要功能点上提供了创新性设计及功能扩充。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出的实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统采用支持通用图元定义的设计，支持用户根据工程、项目需求定义各种静态(无数据绑定)及动态图元(支持由实时数据驱动的动态显示刷新)；对于动态图元提供了支持结构化语法、全功能、可任意扩展和定制的脚本引擎；该系统支持为动态图元提供任意数量的变量，从而能够有效地支持各种表现为数据交换的子系统间联动，并能够支持简单的数据统计可视化、图元间互操作、动态脚本编码等高级功能。

实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统的程序实现基于申请人先期研发的高性能面向对象实时数据库ChRDB。实时数据库是SCADA系统中各子系统、模块进行数据交换的中介,工程项目配置中的数据以面向对象的方式保存在内存实时数据库中，实时数据库为SCADA系统中的各功能模块、子进程提供高速、实时的数据操作和访问支持。

本发明的技术方案为：一种实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统，它包括实时数据库，其特征在于：画面组态模块与画面实时显示模块共享HMI支撑层，所述HMI支撑层负责为HMI系统中的所有图形对象提供动态脚本支持的实时显示状态刷新、实时数据交互及用户交互响应。

上述的实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统，其进一步特征在于：所述HMI支撑层由图形引擎及数据引擎两部分构成，所述图形引擎包含对基本图形元素进行显示及操作的支持，通过集成的脚本引擎提供的全功能逻辑脚本，实现对基本图形元素的所有可视特性进行完全控制；所述数据引擎作为实时数据库与HMI子系统间的中介，负责即时地把HMI子系统关注的数据写入及变化动作通过动态图元中设置的变量传入HMI子系统，进而通过数据事件触发脚本引擎执行相应动作，以实现数据驱动的动态HMI刷新。所述数据引擎在HMI子系统与实时数据库之间提供双向的数据通路，HMI界面上的动态元素通过自动、定时或用户交互方式更新实时数据库中的有关数据点，通过触发合作进程的相应动作来实现子系统间功能的联动。所述图形元素包括图符、图元、组态画面。

本发明的有益效果：实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统可以广泛地应用于各种电力监控SCADA系统中，支持为调度用户创建各种操作画面、对话框、接线图、工况图。组态工作中所创建的各种动态图元对象均体现了“脚本控制、实时数据驱动”的先进设计理念。用户可以为动态图元对象支持的各种交互事件编写脚本以控制这些对象的实时显示和刷新。

作为对传统HMI系统的重大改进，实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统具有高度灵活性、可配置性和通用性，SCADA自动化应用系统中的各种对象能够被以统一、高效的方式进行图元创建及画面组态，在很大程度上地减少了工程配置的工作量；用户系统中创建的动态图元支持多变量驱动下的复杂逻辑脚本的执行，为将各种具有复杂动作逻辑的设备、元件可视化显示提供了便利的工具。在动态脚本重编码技术的支持下，组态工程师可以轻松创建根据不同实时情况行为可变的动态图元，以满足各种复杂的用户HMI需求。

附图说明

图1为本发明实施例的脚本化全组态HMI系统架构图。

图2为本发明实施例的动态图元结构示意图。

图3为本发明实施例的数据写入与通知消息发送示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

本实施例的实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统架构如图1所示，画面组态功能与画面实时显示功能共享HMI支撑层，该层负责为HMI系统中的所有图形对象提供动态脚本支持的实时显示状态刷新、实时数据交互及用户交互响应。HMI支撑层由图形引擎及数据引擎两部分构成，图形引擎包含对基本图形元素进行显示及操作的支持，通过集成的脚本引擎提供的全功能逻辑脚本，可以实现对基本图形元素的所有可视特性进行完全控制；数据引擎作为实时数据库与HMI系统间的中介，负责即时地把HMI子系统关注的数据写入及变化动作通过动态图元中设置的变量传入HMI子系统，进而通过数据事件触发脚本引擎执行相应动作，以实现数据驱动的动态HMI刷新。数据引擎在HMI子系统与实时数据库之间提供双向的数据通路，HMI界面上的动态元素可以通过自动、定时或用户交互方式更新实时数据库中的有关数据点，通过触发合作进程的相应动作来实现子系统间功能的联动。

定义1 图符(Graph)，粒度最小的图形元素，HMI系统的底层操作单位。系统目前支持8种图符：线段、矩形、椭圆形(含圆形)、多边形、Bezier曲线、文字、位图、矢量图。

图符的渲染、操作构成了图形引擎中的基本图形支持功能。系统目前支持对上述8种图符执行平移、缩放、旋转、设定旋转中心、闪烁、前景色/背景色设置、梯度着色等操作。脚本引擎中的图符控制部分可以对图符的所有这些可视属性直接进行操作，其格式为：图符名.属性名=属性值，例如：rect1.WIDTH=27即表示将矩形图符“rect1”的宽度设为27个像素。

定义2 图元(Glyph)，图符的有机组合，HMI画面功能的基本元素，用户交互的基本操作对象。系统支持两种类型的图元：静态图元与动态图元：静态图元可以看作一组图符的集合；动态图元除包含一组图符之外，还包含用户交互事件处理脚本(支持键盘事件响应及鼠标事件响应)、数据事件处理脚本(由与指定变量绑定的实时数据库数据点值写入或变化所触发)及一组变量(各变量可以分别与实时数据库中的数据点绑定)，其结构如图2所示。当用户交互事件或与某个变量相关的实时数据库数据点值写入或发生变化时，动态图元中定义的对应逻辑脚本将被执行，以实现通过对图元中所包含图符的属性即时地修改，对相关实时数据的物理意义进行可视化的呈现。

格式为图符名.属性名=属性值的基本图符可视属性访问(赋值)脚本行的集合构成一个绘图函数(GC,Graphics Function)，动态图元可以针对输入变量的不同取值可以通过定义不同的绘图函数或向某绘图函数传入不同的参数，并对其进行调用以实现自身实时显示状态的刷新。

数据引擎：实时数据库通过消息通知机制将对存储于其中的数据点的写入及值变化即时地通知SCADA系统中的各应用程序。如图3所示，各实时数据更新程序(如通讯规约程序)W_i向实时数据库写入数据，实时数据库将向注册了相应数据写入/变化消息通知的所有应用程序N_i(如HMI画面实时显示程序)发送通知消息。作为一个实时数据监听者，HMI画面实时显示程序中的数据引擎模块将对相应动态图元中的变量进行刷新，触发并执行相应的逻辑脚本，从而实现动态图元，进而是整个画面的实时刷新。数据引擎提供了通过动态图元变量及数据点地址访问实时数据库的脚本函数接口，将其嵌入脚本代码中即可实现事件驱动下对于实时数据库的动态访问。

由于在实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统中定义的动态图元可以支持任意数量的变量，在数据引擎的支持下，通过将采集自多个子系统、设备的数据点赋予某个动态图元的各个变量，并在相关事件处理逻辑脚本中集成对相关变量/实时数据的读写，即可以实现系统间功能的互相触发及联动。

图形引擎：与数据引擎模块相类似，画面显示程序的图形引擎在捕捉到用户交互事件(鼠标、键盘事件)后，会将其转发给当前画面上正在被用户操作的动态图元；HMI支持层在对相应事件进行分发并调用对应的逻辑处理脚本，图形引擎同时对逻辑脚本中的绘图函数也提供了支持，允许用户在逻辑脚本中动态地访问所有图元、图符的各种可视属性，从而实现图形元素显示的动态刷新。

数据引擎与图形引擎二者结合起来构成了系统的HMI支持层。HMI支持层按照操作1所示的流程，持续地在后台监听由图形引擎发送的用户交互事件(鼠标、键盘事件)及由数据引擎发送的数据事件(实时数据库数据点值写入或值变化)，随后触发并执行相关画面上所包含的各相关动态图元中对应的事件响应脚本，从而实现各种组态画面的实时刷新。

操作1 实时画面刷新(SchematicUpdate)

Loop

Wait for Data/UI Event E_i

Trigger E_i.Source.Script

End。

脚本引擎的执行采用操作2所示的步骤，系统通过一个嵌入式Lua解释器执行普通的脚本语句如复制、计算、分支逻辑等；脚本代码中对于图形引擎的访问均通过“call”脚本函数调用某个绘图函数来发起，通过绘图函数的执行实现对于动态图元实时显示状态的动态刷新。

操作2 脚本解析执行(Script Parse Execution)

Do

Read a script line → L

If L is a GC invocation (triggered by “call”) then

Call the graphics engine to execute the GC

Else

Send L to the embedded Lua interpreter

End

End。

绘图函数被定义为一组对于动态图元中所含图符可视属性的直接访问，脚本引擎将在遇到“call”调用时直接调用图形引擎，并按操作3所示逐行执行相应的图符可视属性设定，从而通过即时地呈现动态图元及其所含图符可视状态的变化来实现动态图元的即时显示刷新。

操作3 图形引擎执行(Graphics Engine Execution)

S 绘图函数的所有代码行

For each line S_i in S (“graph.PROPERTY=value”)

Set visual property named “PROPERTY” of “graph” to “value”

End。

实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统提供了对动态脚本重编码技术的支持，即脚本引擎将用户所创建的动态图元中的各个事件响应脚本本身也当作特定属性(以事件名称命名)的多行字符串类型值，用户可以在逻辑脚本中根据实时情况做出决策，动态地更改各事件响应脚本(甚至其自身)的脚本代码，从而实现事件响应脚本的动态重编码。该技术可以用于创建需要为不同情况提供不同行为的动态图元。

定义3 组态画面(Schematic)，组态画面被定义为一组图元的集合。系统支持用户在一幅画面上同时创建控件、静态图元与动态图元，从而全组态化地实现SCADA系统中的各种对话框、接线图、工况图的用户界面。

实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统的画面组态模块和画面实时显示模块均构建在HMI支持层之上，在保证系统一致性的同时也实现了组态时所见即所得的动态图元预览及画面预览功能。

典型应用：作为申请人DSC-9000W自动化监控系统的重要功能组件, 实时数据驱动脚本引擎支持的全组态化HMI系统已经被广泛地应用于各种网控、牵引供电监控系统、地铁PSCADA系统中，该系统在为调度用户提供直观、高性能、可灵活配置的操作界面的同时，也在很大程度上降低了工程组态人员的工作量。目前，该功能模块已成功应用于南京地铁IMS OA/Web发布系统、达州-万州电气化铁路电调系统、伊朗德黑兰地铁4号线PSCADA系统、北京地铁1/2号线PSCADA系统升级改造工程等国内外系统中，已获得广大用户和工程人员的一致好评。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但具体实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1.一种实时数据驱动的脚本化全组态HMI系统，它包括实时数据库，其特征在于：画面组态模块与画面实时显示模块共享HMI支撑层，所述HMI支撑层负责为HMI系统中的所有图形对象提供动态脚本支持的实时显示状态刷新、实时数据交互及用户交互响应；

所述HMI支撑层由图形引擎及数据引擎两部分构成，所述图形引擎包含对基本图形元素进行显示及操作的支持，通过集成的脚本引擎提供的全功能逻辑处理脚本，实现对基本图形元素的所有可视特性进行完全控制；所述数据引擎作为实时数据库与HMI系统间的中介，负责即时地把HMI系统关注的数据写入及变化动作通过动态图元中设置的变量传入HMI系统，进而通过数据事件触发脚本引擎执行相应动作，以实现数据驱动的动态HMI刷新；

所述数据引擎在HMI系统与实时数据库之间提供双向的数据通路，HMI界面上的动态图元通过自动、定时或用户交互方式更新实时数据库中的有关数据点，通过触发合作进程的相应动作来实现HMI系统间功能的联动；

所述基本图形元素包括图符、图元、组态画面，所述图符包括：线段、矩形、椭圆形、多边形、Bezier曲线、文字、位图、矢量图，脚本引擎中的图符控制部分对图符的可视属性直接进行操作，其格式为：图符名.属性名=属性值；所述图元分为：静态图元与动态图元，所述静态图元为一组图符的集合；所述动态图元既包含一组图符，又包含用户交互事件处理脚本、数据事件处理脚本及一组变量，当用户交互事件发生或与某个变量相关的实时数据库数据点值写入或发生变化时，动态图元中定义的对应逻辑处理脚本将被执行，以实现通过对图元中所包含图符的属性即时地修改，对相关实时数据的物理意义进行可视化的呈现；所述组态画面为一组图元的集合，全组态化地实现数据监控与采集系统中的各种对话框、接线图、工况图的用户界面；

所述用户交互事件处理脚本支持键盘事件响应及鼠标事件响应，所述数据事件处理脚本由与指定变量绑定的实时数据库数据点值写入或变化所触发，所述一组变量的各变量分别与实时数据库中的数据点绑定；

所述数据引擎：实时数据库通过消息通知机制将对存储于其中的数据点的写入及值变化即时地通知数据监控与采集系统中的各应用程序；各实时数据更新程序W_i向实时数据库写入数据，实时数据库将向注册了相应数据写入/变化消息通知的所有应用程序N_i发送通知消息；作为一个实时数据监听者，所述画面实时显示模块中的数据引擎将对相应动态图元中的变量进行刷新，触发并执行相应的逻辑处理脚本，从而实现动态图元，进而是整个画面的实时刷新；数据引擎提供通过动态图元变量及数据点地址访问实时数据库的脚本函数接口，将其嵌入脚本代码中即可实现事件驱动下对于实时数据库的动态访问；

所述图形引擎：所述画面实时显示模块的图形引擎在捕捉到用户交互事件后，将其转发给当前画面上正在被用户操作的动态图元；HMI支撑层再对相应事件进行分发并调用对应的逻辑处理脚本，图形引擎同时对逻辑处理脚本中的绘图函数提供支持，允许用户在逻辑处理脚本中动态地访问所有图元、图符的各种可视属性，从而实现图形元素显示的动态刷新；

所述数据引擎与图形引擎二者结合起来构成HMI系统的HMI支撑层，HMI支撑层持续地在后台监听由图形引擎发送的用户交互事件及由数据引擎发送的数据事件，随后触发并执行相关画面上所包含的各相关动态图元中对应的用户交互事件处理脚本、数据事件处理脚本，从而实现各种组态画面的实时刷新。