CN103383649A - 一种复杂虚拟仪器系统设计模型 - Google Patents

Abstract

一种复杂虚拟仪器系统设计模型适用于物联网环境下的环境监测、家电测试、视频监控和安全监控等实时监测系统，解决了传统虚拟仪器系统功能单一和开发过程复杂的问题。其具体方法为：该模型通过抽象监测系统中传感器信息，传感器数据信息，数据显示模块信息，系统配置信息，映射信息等，将实时监测系统开发过程，转变为系统配置的过程，并可通过映射模型提供访问相关信息。每个复杂虚拟仪器配置完毕后，可对数据进行多样化的图形显示和相应的统计计算，此外系统将生成该仪器的Web Service标准化数据访问接口，对外提供数据访问和导出服务。

Description

一种复杂虚拟仪器系统设计模型

技术领域

本发明涉及一种复杂虚拟仪器系统设计模型。

背景技术

物联网系统作为二十一世纪的新兴产业，在环境监测、家电测试、视频监控和国防安全等多个领域有着重要的应用。通常，物联网的前端包含大量传感器或智能仪表作为物理仪器监测目标对象，并通过传感器网络或计算机网络等技术将采集到的数据传输至中央服务器或基站。在大多数情况下，为了方便用户观测对象，处理过的数据都要通过曲线、表格、视频和音频等形式显示在远程显示器上。虚拟仪器在很大程度上满足了上述需求。近年来虚拟仪器技术的发展也遇到了诸多瓶颈，面对更加复杂多变的监测需求和人力成本的逐渐提高，当前的虚拟仪器技术已经不能满足用户多样化的需求。

虚拟仪器是一个定制的计算机应用程序，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它可以代替传统物理仪器完成监测数据的显示和统计工作，从而节约了成本。随着计算机技术和传感器网络技术的发展，虚拟仪器系统已经受到了广泛的关注并逐渐替代了传统物理仪器的工作。虚拟仪器主要取代了传统仪器的仪表显示部分，并将物理探头部分用成本较低的智能仪表或传感器替代，最终将数据统一显示在可视化的用户界面上以便于用户观察。世界各国的工程师和科学家们都已将虚拟仪器技术用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。由于系统的可视化交互界面和数据统计功能所带来的便利性，虚拟仪器技术一直是一项热门的技术，并在环境监测、医疗、交通和安保等诸多领域起着重要的作用。

虽然虚拟仪器系统有着友好的人机交互界面和低成本的特性，但是仍然存在着许多缺点。首先，虚拟仪器系统只包含定制功能，虽然可以有效显示数据信息，但其并不包含相关信息的管理功能，如，相关的传感器信息、监测对象信息和人员管理信息等。第二，这些系统都是在系统需求建立之后，经过开发人员定向开发的系统，且系统的主要功能是数据显示，并不对外提供通用数据接口。非标准化的开发过程和通用数据接口的缺失造成了系统间的互访问和集成问题变得格外复杂，在面对大量用户时，难以使用普适性的数据接口访问不同系统的数据。第三，面对新的需求和新的任务，开发人员需要花费大量的时间进行需求分析、系统设计、代码编写、模块调试，从而造成工作效率低下，工作周期长等问题。第四，传统虚拟仪器系统功能单一且封闭，系统不能灵活应对复杂多变的监测需求。当面对多样化的测试需求时，系统需要重新进行开发，系统的封闭性和非标准化的数据接口也给代码的复用造成了一定的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂虚拟仪器系统设计模型，以解决传统虚拟仪器系统功能单一和开发过程复杂的问题，实现实时监测系统功能的多样化，降低系统各个模块间的耦合度，并通过系统配置客户端进行各个独立模块之间的映射。该模型将传统的软件代码开发过程转变为简单的系统配置过程，大大降低了系统开发的难度，缩短了产品的开发周期，此外复杂虚拟仪器还提供Web Service标准化数据接口，解决了系统间的互访问和集成问题。

本发明提供了一种复杂虚拟仪器模型。该模型通过抽象监测系统中监测对象描述信息，传感器信息，传感器数据信息，数据显示模块信息，系统配置信息，映射信息等，将实时监测系统开发过程，转变为系统配置的过程，并通过映射模型提供访问相关信息。每个复杂虚拟仪器配置完毕后，系统将生成该仪器的Web Service标准化数据访问接口，对外提供数据访问和导出服务。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的方法的具体实现如下：

1、设计监测对象的抽象描述，以解决监测对象多样化配置问题

通过对各种监测对象描述数据的分析，可把监测对象描述数据抽象为描述条目的集合，对各条目及属性进行分析，得到条目的描述方式模型，即每个条目进一步分解为条目标题、条目内容和条目属性。对于软件中的监测对象信息录入模块，只要每个条目的标题、内容及属性信息确定后，该模块的相应功能则可确定。条目的属性信息主要包括该条目在本模块及相关模块的应用方式。如在本模块中，该条目的录入方式是选择输入、日期输入或普通输入。在其它模块中的用途，如在查询模块中是否作为查询条件，在打印模块中是否出现，出现的位置顺序等。该设计方式可以使得监测对象的属性无限制扩展，可以保证监测对象描述的多样化，如要改变监测对象，只要更改系统中的配置信息，无需更改代码。

2、设计传感器数据标准化格式，以解决模型中的标准化数据接口设计问题

对于实时监控系统中传输的传感器数据，通常都是时间序列化数据，可把传感器数据抽象为传感器数据时间戳和传感器数据内容。由于数据被描述为XML(Xtensible MarkupLanguage)格式，为了节约带宽，加大数据的传输效率，该模型将多条数据用特殊符号“”间隔，并放置在一个标签内，每条数据的时间戳和数据内容用“，”间隔。数据获取客户端遵照标准化的格式，对标签内的字符串进行解析以获取数据。

3、设计传感器池模型，以解决传感器信息描述和传感器的分组管理问题

监测系统中，把所有传感器根据监测对象，对传感器进行分组，每个监测对象对应的传感器分组，被称为一个监测单元。监测单元包含三个属性，包括全局唯一监测单元的标识符(TestUnitID)，监测单元名称信息，以及父节点标识符(parentID)。监测单元之间可以进行嵌套，若parentID为0，说明该监测单元为根节点。

传感器被分为物理传感器和逻辑传感器，物理传感器是指直接感知监测对象的传感器，其传感数据为物理传感参数，逻辑传感器是根据物理传感器参数计算得到的参数所对应的虚拟传感器。通常情况下，逻辑传感器参数与计算过程中所使用的物理传感器或逻辑传感器参数具有相同的时间坐标值。每个传感器参数中不但要包含传感器标识符，传感器名称，传感器精度等参数，还包含监测单元标识符字段，表示该传感器属于某个监测单元。

4、设计复杂虚拟仪器模型，以满足监测系统需求的多样化和功能复杂化

复杂虚拟仪器用以实现监测对象与监测数据的统一管理且具有和数据采集硬件设备的相对独立性，可同时实现对多个相同或不同类型监测对象的监测。该模型对传统虚拟仪器进行改进，将虚拟仪器的各个组件进行抽象，并根据不同的需求进行多样化配置。改进后的虚拟仪器可以视为复杂仪器的一个部件，复杂虚拟仪器可以将多个虚拟仪器进行自由组合，形成功能更加复杂的虚拟仪器。基于设计的标准化数据描述方式，复杂虚拟仪器同时可对外提供统一的，以监测对象为核心的监测数据访问接口。复杂虚拟仪器不仅可以通过远程访问接口获取监测数据，同时可通过远程服务接口加载复杂虚拟仪器代码，实现以虚拟仪器为单位的软件功能重组，完成数据的多样化图形显示功能和数据统计计算功能。

5、设计参数映射模型，以描述各个模块的关联关系

监测系统各个参数是以监测对象为核心，监测系统采集到数据，通过映射关系，依次传递到传感器集合，传感参数集合，虚拟仪器集合。映射关系以关联矩阵的形式表示，列向量分别为，监测对象编号，监测单元编号，监测单元内传感器相对编号，传感参数编号，虚拟仪器编号，坐标系编号，复杂虚拟仪器编号。其中，监测对象编号，复杂虚拟仪器编号，传感参数编号，为一级检索条目。监测单元编号，虚拟仪器编号为二级检索条目。传感器相对编号，坐标系编号为三级检索条目。在系统中查找想关联的设备或仪器信息时，需要按照，一级、二级、三级的顺序进行检索。

本发明的优点是，与现有虚拟仪器系统相比，复杂虚拟仪器系统，不但能够图形化显示监测数据，还能检索对应的关联信息，并完成数据统计计算功能。

本发明的另一个优点是，采用标准化的对象描述方式和数据接口，能够实现面向行业领域的，可进行全局统一应用的网络化监测软件系统研发，有利于各种监测数据的实时互联互通。

本发明的另一个优点是，系统用统一的配置子系统进行配置，以解决监测系统开发周期过长的问题，系统的开发不再需要编写代码，降低了监测系统开发的复杂性。

附图说明

图1复杂虚拟仪器定制及服务流程图；

图2复杂虚拟仪器模型配置信息分类图；

图3参数映射模型图；

图4复杂虚拟仪器系统应用实例图；

图5复杂虚拟仪器系统集成架构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下详述：

在图1中，展示了虚拟仪器从定制到提供服务的流程，首先将进行对象监测的采集设备及其采集函数库按照一定的规范整理成配置信息，形成采集设备信息集合；然后把设备传感器信息抽象为监测对象参数，包含物理传感器和逻辑传感器，物理传感器是指直接感知监测对象的传感器，其传感数据为物理传感参数，逻辑传感器是根据物理传感器参数计算得到的参数所对应的虚拟传感器；然后利用系统的虚拟仪器定制功能，根据监测对象的测试需求，定制满足实际要求的虚拟仪器；最后，系统提供标准化管理与服务接口，通过调用服务接口就可以实现对监测对象数据的远程访问。

在图2中，根据复杂虚拟仪器模型的工作流程，抽象出各工作环节的数据模型，对数据进行了科学分类。监测对象数据：是监测对象描述条目的集合；监测参数数据：通过传感器获取的属于监测对象的参数信息，这些信息具有相关联的时间或地理位置属性；传感设备数据：指对传感设备属性的描述数据；过程管理数据：不同的监测对象，伴随不同管理过程，如大多数监测系统都涉及系统运行的维护管理和软件使用的日志管理；计算结果数据：利用获取的传感信息计算得到的新的结果信息；监测报警数据：包括对各种监测参数的报警条件设置信息、报警方式信息、报警内容信息和报警处理信息等；用户管理数据：用户权限数据主要用于集成测试系统的用户管理；软件设计数据：软件设计本身产生的数据，主要包括软件框架及界面定义数据。

在图3中，描述了监测系统传感参数、计算结果等主要类型数据的映射关系。集合A、B、C及D，即分别表示监测对象集合、传感器集合、传感参数集合以及虚拟仪器集合。监测参数集合M是根据所对应的监测对象进行分组，即监测对象A_i(i∈{1，2，3，...，n})对应参数子集M_i(i∈{1，2，3，...，n}。根据集合对应关系，总结得到：

$A\↔B\↔C\↔M\↔D$

由于集合M_i(i∈{1，2，3，...，n}不仅包含A_i(i∈{1，2，3，...，n})的所有元素，同时有可能包含由公式根据部分传感参数和用户录入参数，计算得到的新的参数。因此存在集合关系： $A_i\⋐M_i(i\∈\{\mathrm{1,2,3},..,n\left\}\right).$

$V=\left\{\begin{array}{ccccccc}1& 3& 1& 34& 3& 1& 8\\ 1& 3& 2& 35& 3& 2& 8\\ 1& 4& 1& 36& 4& 1& 8\\ 1& 4& 2& 37& 4& 2& 8\\ 2& 6& 1& 38& 5& 1& 7\\ 2& 6& 2& 39& 5& 2& 7\\ 2& 6& 3& 40& 6& 2& 7\\ 2& 6& 4& 41& 6& 1& 7\end{array}\right\}$

矩阵V描述了一个关联矩阵，每一列从左至右分别表示监测对象编号，监测单元编号，监测单元内传感器相对编号，传感参数编号，虚拟仪器编号，坐标系编号，复杂虚拟仪器编号。以第二行为例，该行表示，传感参数35，是对应1号监测对象的3号监测单元中的2号传感器，它是3号虚拟仪器的Y轴，3号虚拟仪器属于8号复杂虚拟仪器。同理，在图中可以发现，一个复杂虚拟仪器可以包含多个虚拟仪器，也可同时监测多个对象。

如果要检索相关信息，则按照发明内容说明分级检索的方式，如要检索8号复杂虚拟仪器的相关信息，则先从第7列，筛选8号复杂虚拟仪器所属的4行，得到一级检索条目对象1和传感参数34-37，二级检索条目，监测单元3和4，虚拟仪器3和4，通过二级检索条目，可以进一步筛选三级条目编号，通过各个模块的编号即可在数据库中查找相应信息。

在图4中，描述了一个根据配置子系统和复杂虚拟仪器模型开发的监测系统应用，从该应用可以同时白球温度，温度，功率，电流等四项传感参数，并将其可视化得显示在坐标系中，同时在界面顶部，该复杂虚拟仪器还提供相关信息的查询功能和数据的统计和导出功能，并可在后台配置Web Service服务，对外提供标准化的数据接口。

在图5中，描述复杂虚拟仪器系统的集成架构，它包括系统配置子系统，集成管理子系统，查询子系统，数据采集子系统。系统配置子系统，完成系统的配置操作，并将配置参数存储在中心数据库中；集成管理子系统可以管理系统的配置参数，显示和管理复杂虚拟仪器；查询子系统可以通过复杂虚拟仪器所发布的Web Service接口进行系统查询，数据采集子系统完成监测数据的采集工作。以上子系统的实现都是以标准化的数据格式和系统各个模块之间的低耦合性为基础实现的。

具体实施效果：(1)不但解决了传统虚拟仪器无法显示相关信息的问题，该模型还能检索对应的关联信息，并完成数据统计计算功能；(2)采用标准化的对象描述方式和数据接口，解决了异构系统数据的互操作问题和传感器数据的解析问题；(3)该模型将代码开发过程转化为简单的参数配置过程，解决了监测系统开发周期过长的问题，适应了监测系统多变的需求；(4)基于该模型开发的系统代码执行效率高，有利于本发明的普及。

Claims (10)

1.一种复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：它利用标准化的数据、对象和配置信息描述方式，实现以虚拟仪器为单位的软件功能重组；根据参数映射函数，实现监测对象、传感设备和虚拟仪器等模块的管理；通过标准化的监测数据Web Service接口，实现数据的访问和统计计算。

2.根据权利要求1所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：多样化的对象描述是通过标准化的对象描述方式来实现，通过将对象条目分为条目标题、条目内容和条目属性三个部分。通过对这三部分进行详细配置，以任意实现监测对象的描述。该设计方式可以使得监测对象的属性无限制扩展，可以保证监测对象描述的多样化，如要改变监测对象，只要更改系统中的配置信息，无需更改代码

3.根据权利要求1所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：全局统一的数据互操作和访问方式是通过标准化的监测数据格式实现。该模型将多条数据用经过客户端和服务器协定的特殊符号间隔，并放置在一个标签内，每条数据的时间戳和数据内容用不同于之前的特殊符号间隔。数据获取客户端遵照标准化的格式，对标签内的字符串进行解析以获取数据。

4.根据权利要求1所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：设备信息的管理是通过统一的监测单元和传感器信息描述方式实现。

5.根据权利要求2或3或4所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：不同系统的各个模块之间的数据传输、解析和检索都可以用统一的方法解决。

6.根据权利要求1所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：以映射函数的形式描述各个模块之间的映射关系，并通过映射函数实现信息的检索。

7.根据权利要求6所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：通过统一的数据检索、解析方法和映射函数，访问监测对象信息，监测单元，传感设备信息，传感参数信息，虚拟仪器信息。

8.根据权利要求5或7所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：数据显示模块通过统一的数据解析方式进行数据解析，并完成监测数据的图形化显示功能，并对外提供WebService数据接口。

9.根据权利要求5所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：通过统一的数据访问格式，获取数据并计算统计结果。

10.根据权利要求1至9所述的复杂虚拟仪器系统设计模型，其特征在于：通过统一的配置子系统，将监测系统的开发过程转变为简单的参数配置过程。通过统一的查询子系统，完成监测数据的查询。通过集成管理系统，进行系统的整体集成和信息管理。通过统一的数据采集子系统，完成监测数据的采集和初始格式的转化。

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