CN116305727A - 一种基于物联网的现场操作模拟分析系统 - Google Patents

一种基于物联网的现场操作模拟分析系统 Download PDF

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肖明山
李敏
王刚
许嘉欣
丘加俊
郑学明
邹志明
邹毅鸿
付智贤
黄春明
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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，属于现场操作模拟技术领域。该系统包括仿真模型服务器、仿真控制站、学员站、教师站；所述仿真模型服务器的输出端与所述仿真控制站的输入端相连接；所述仿真控制站的输出端与所述学员站的输入端相连接；所述仿真控制站的输出端与教师站的输入端相连接；所述学员站的输出端与教师站的输入端相连接；所述教师站的输出端与打印机的输入端相连接；本发明能够精准的检测出考核中学员站的出现作弊现象的异常情况，输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。

Description

一种基于物联网的现场操作模拟分析系统
技术领域
本发明涉及现场操作模拟技术领域，具体为一种基于物联网的现场操作模拟分析系统。
背景技术
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。其目的是在计算机上创建一个三维视觉、听觉和触觉环境，人机交互手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，并能从虚拟环境中得到反馈信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。虚拟技术的发展为实验教学改革及远程教育提供了很好的条件和技术支持，用虚拟实验来辅助教学是现代教育技术发展的要求，它有着广阔的前景。但是系统仿真也存在考核，在考核过程中，有些学员对仿真模拟的不熟练，作弊现象频频发生，因此管理人员需要一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，来检测学员是否存在作弊行为。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，该系统包括仿真模型服务器、仿真控制站、仿真平台；
所述仿真模型服务器为OTS系统核心计算机，用于运行OTS系统；所述仿真控制站用于控制仿真平台，以确保OTS系统的控制方案与实际工厂保持完全一致；所述仿真平台用于模拟动态过程，监测模拟过程中的传输数据；
所述仿真模型服务器的输出端与所述仿真控制站的输入端相连接；所述仿真控制站的输出端与所述仿真平台的输入端相连接。
所述仿真平台包括支持与虚拟控制器对接、支持单机培训和联合培训模式；所述仿真平台还包括操作指导单元、考核鉴定单元、现场操作仿真单元、仪表工程师组态练习单元；
所述操作指导单元根据系统预设需求定制开发，支持分级评分功能，包括初级、中级、高级三种级别，能够进行顺序操作指导和质量操作指导；
所述考核鉴定单元用于对学员的操作和成绩进行考核鉴定；
所述现场操作仿真单元，用于实现对学员站开展的操作的模拟；
所述仪表工程师组态练习单元能够进行IO点组态、图形化控制程序编程、组态下载、调试功能。
所述考核鉴定单元包括培训考核子单元、培训管理子单元；
所述培训考核子单元能够进行组态、设置和管理；操作评价是针对仿真培训系统的每一个训练项目进行跟踪记录，并依据操作规则与设备操作要求和操作质量指标进行评分；每一个训练项目目的评分都包括：操作步骤评分和操作质量评分，所有评分项目都给出详细评定结果和依据；实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出学员站整个操作过程的综合得分，能够根据需要生成评分文件，以备存档；
所述培训管理子单元包括教师站、学员站。
所述教师站包括：教室管理单元、项目处理单元、成绩统计单元；
所述教室管理单元用于通过网络连接对正在运行中的学员站进行管理；所述培训管理单元用于控制培训项目的选择、开始，对学员站的不同操作进行授权设置；所述成绩统计单元用于对学员站学员的操作成绩进行监测、统计、打印。
所述学员站包括画面显示子单元、声响功能子单元、操作功能子单元、数据动态显示子单元、数据刷新子单元、操作数据实时监测子单元；
所述画面显示子单元用于显示学员站操作画面，包括总貌图、报警画面、流程图组控制图、历史趋势图；所述声响功能子单元具有报警声响，用于报警；所述操作功能子单元与仿真控制站功能相同；所述数据动态子单元显示用于在流程图中可设置变色、闪烁效果；所述数据刷新子单元用于画面数据刷新，刷新速度≤1s；所述操作数据实时监测子单元对学员站的实时数据信息变化进行监测。
所述仿真控制站包括控制功能单元、运行单元、执行单元；
所述控制功能单元通过直接连接的方式实现的，用于控制仿真平台；所述运行单元用于运行虚拟控制器软件；所述执行单元用于执行仿真控制站中的所有控制指令，执行的启动、状态、运行结果与真实的控制系统完全一致。
所述仿真平台还包括仿真平台控制算法单元、模拟操作单元；
所述控制算法单元用于模拟实际生产装置的各种控制系统、安全保护的人机界面和控制方案、以及控制算法，能够调试各类功能，用于逻辑联锁、各类回路控制、顺序控制；所述模拟操作单元，用于操作画面菜单、画面动画、趋势、报警。
所述学员站计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常包括以下步骤：
S8-1、采集网络安全环境下的传输数据，所述网络安全环境指用户在打开计算机后，未进行任何操作；
S8-2、在学员站进行考核的过程中，操作数据实时监测单元采集计算机端口的实时数据变化信息；
S8-3、构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型，输出计算机端口的实时数据变化值；
S8-4、设置一个计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常阈值，在计算机端口的实时数据变化值大于计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常阈值时，学员站输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型包括：
获取计算机打开多余网页设定的时间段、计算机打开多余网页的数量、计算机打开多余网页的次数；i表示计算机打开多余网页设定的时间段的编号，i＝1,2......n；j表示计算机打开多余网页的数量编号，j＝1,2......m；f为打开多余网页的次数的编号，f＝1,2......g；第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量记为
Figure BDA0003842907770000041
将第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子进行匹配，得到计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子，记为/>
Figure BDA0003842907770000042
根据公式
Figure BDA0003842907770000043
计算出计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值，δ为计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值；e表示为自然常数，E0为计算机打开多余网页的网络数据变化量允许范围；μ表示为计算机打开多余网页的网络数据变化量异常值的补偿因子；
判断计算机打开网页导致数据变化是否处于异常状态时，可通过获取计算机打开网页导致数据变化对计算机打开各网页所用时长与计算机打开网页的数量、计算机打开网页的次数，计算机打开网页数量越多，时间越长，打开次数越多时，计算机打开网页越可能处于异常状态。
设置用户在打开计算机后，未进行任何操作时的标准值Q；
设置计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值阈值P；
当Q-δ>P时，此时判断计算机打开多余网页的网络数据变化量发生异常；学员站则进行输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
根据公式可知，f越大时，
Figure BDA0003842907770000051
也越大，/>
Figure BDA0003842907770000052
的值越大，计算机打开网页导致数据变化的异常值也会越大。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：采集计算机端口的原数据信息；存储所有采集到的原数据数据并检测计算机端口的实时数据变化信息；当计算机端口检测到实时数据变化信息时，分析该数据变化信息是否异常；若异常则报警处理；
本发明能够精准的检测出考核中学员站的出现作弊现象的异常情况，输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种基于物联网的现场操作模拟分析系统的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：
一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，该系统包括仿真模型服务器、仿真控制站、仿真平台；
所述仿真模型服务器为OTS系统核心计算机，用于运行OTS系统；所述仿真控制站用于控制仿真平台，以确保OTS系统的控制方案与实际工厂保持完全一致；所述仿真平台用于模拟动态过程，监测模拟过程中的传输数据；
所述仿真模型服务器的输出端与所述仿真控制站的输入端相连接；所述仿真控制站的输出端与所述仿真平台的输入端相连接。
所述仿真平台包括支持与虚拟控制器对接、支持单机培训和联合培训模式；所述仿真平台还包括操作指导单元、考核鉴定单元、现场操作仿真单元、仪表工程师组态练习单元；
所述操作指导单元根据系统预设需求定制开发，支持分级评分功能，包括初级、中级、高级三种级别，能够进行顺序操作指导和质量操作指导；
所述考核鉴定单元用于对学员的操作和成绩进行考核鉴定；
所述现场操作仿真单元，用于实现对学员站开展的操作的模拟；
所述仪表工程师组态练习单元能够进行IO点组态、图形化控制程序编程、组态下载、调试功能。
所述考核鉴定单元包括培训考核子单元、培训管理子单元；
所述培训考核子单元能够进行组态、设置和管理；操作评价是针对仿真培训系统的每一个训练项目进行跟踪记录，并依据操作规则与设备操作要求和操作质量指标进行评分；每一个训练项目目的评分都包括：操作步骤评分和操作质量评分，所有评分项目都给出详细评定结果和依据；实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出学员站整个操作过程的综合得分，能够根据需要生成评分文件，以备存档；
所述培训管理子单元包括教师站、学员站。
所述教师站包括：教室管理单元、项目处理单元、成绩统计单元；
所述教室管理单元用于通过网络连接对正在运行中的学员站进行管理；所述培训管理单元用于控制培训项目的选择、开始，对学员站的不同操作进行授权设置；所述成绩统计单元用于对学员站学员的操作成绩进行监测、统计、打印。
所述学员站包括画面显示子单元、声响功能子单元、操作功能子单元、数据动态显示子单元、数据刷新子单元、操作数据实时监测子单元；
所述画面显示子单元用于显示学员站操作画面，包括总貌图、报警画面、流程图组控制图、历史趋势图；所述声响功能子单元具有报警声响，用于报警；所述操作功能子单元与仿真控制站功能相同；所述数据动态子单元显示用于在流程图中可设置变色、闪烁效果；所述数据刷新子单元用于画面数据刷新，刷新速度≤1s；所述操作数据实时监测子单元对学员站的实时数据信息变化进行监测。
所述仿真控制站包括控制功能单元、运行单元、执行单元；
所述控制功能单元通过直接连接的方式实现的，用于控制仿真平台；所述运行单元用于运行虚拟控制器软件；所述执行单元用于执行仿真控制站中的所有控制指令，执行的启动、状态、运行结果与真实的控制系统完全一致。
所述仿真平台还包括仿真平台控制算法单元、模拟操作单元；
所述控制算法单元用于模拟实际生产装置的各种控制系统、安全保护的人机界面和控制方案、以及控制算法，能够调试各类功能，用于逻辑联锁、各类回路控制、顺序控制；所述模拟操作单元，用于操作画面菜单、画面动画、趋势、报警。
实施例二中，在进行学员测试过程中，对学员站计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量：
采集网络安全环境下的传输数据，所述网络安全环境指用户在打开计算机后，未进行任何操作；记录至数据库，
通过操作数据实时监测单元实时采集计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量信息；构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型：
构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型包括：
获取计算机打开多余网页设定的时间段、计算机打开多余网页的数量、计算机打开多余网页的次数；i表示计算机打开多余网页设定的时间段的编号，i＝1,2......n；j表示计算机打开多余网页的数量编号，j＝1,2......m；f为打开多余网页的次数的编号，f＝1,2......g；第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量记为
Figure BDA0003842907770000081
将第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子进行匹配，得到计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子，记为/>
Figure BDA0003842907770000082
根据公式
Figure BDA0003842907770000083
计算出计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值，δ为计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值；e表示为自然常数，E0为计算机打开多余网页的网络数据变化量允许范围；μ表示为计算机打开多余网页的网络数据变化量异常值的补偿因子；
设置用户在打开计算机后，未进行任何操作时的标准值Q；
设置计算机打开多余的网络数据变化量的异常值阈值P；
当Q-δ>P时，此时判断计算机打开多余网页的网络数据变化量发生异常；学员站输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于，该系统包括仿真模型服务器、仿真控制站、仿真平台；
所述仿真模型服务器为OTS系统核心计算机，用于运行OTS系统；所述仿真控制站用于控制仿真平台，以确保OTS系统的控制方案与实际工厂保持完全一致；所述仿真平台用于模拟动态过程，监测模拟过程中的传输数据；
所述仿真模型服务器的输出端与所述仿真控制站的输入端相连接；所述仿真控制站的输出端与所述仿真平台的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：所述仿真平台还包括操作指导单元、考核鉴定单元、现场操作仿真单元、仪表工程师组态练习单元；
所述操作指导单元根据系统预设需求定制开发，支持分级评分功能，包括初级、中级、高级三种级别，能够进行顺序操作指导和质量操作指导；
所述考核鉴定单元用于对学员的操作和成绩进行考核鉴定；
所述现场操作仿真单元，用于实现对学员站开展的操作的模拟；
所述仪表工程师组态练习单元能够进行IO点组态、图形化控制程序编程、组态下载、调试功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：
所述考核鉴定单元包括培训考核子单元、培训管理子单元；
所述培训考核子单元能够进行组态、设置和管理；操作评价是针对仿真培训系统的每一个训练项目进行跟踪记录，并依据操作规则与设备操作要求和操作质量指标进行评分；每一个训练项目目的评分都包括：操作步骤评分和操作质量评分，所有评分项目都给出详细评定结果和依据；实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出学员站整个操作过程的综合得分，能够根据需要生成评分文件，以备存档；
所述培训管理子单元包括教师站、学员站。
4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于，所述教师站包括：教室管理单元、项目处理单元、成绩统计单元；
所述教室管理单元用于通过网络连接对正在运行中的学员站进行管理；所述培训管理单元用于控制培训项目的选择、开始，对学员站的不同操作进行授权设置；所述成绩统计单元用于对学员站学员的操作成绩进行监测、统计、打印。
5.根据权利要求3所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：所述学员站包括画面显示子单元、声响功能子单元、操作功能子单元、数据动态显示子单元、数据刷新子单元、操作数据实时监测子单元；
所述画面显示子单元用于显示学员站操作画面，包括总貌图、报警画面、流程图组控制图、历史趋势图；所述声响功能子单元具有报警声响，用于报警；所述操作功能子单元与仿真控制站功能相同；所述数据动态子单元显示用于在流程图中可设置变色、闪烁效果；所述数据刷新子单元用于画面数据刷新，刷新速度≤1s；所述操作数据实时监测子单元对学员站的实时数据信息变化进行监测。
6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：所述仿真控制站包括控制功能单元、运行单元、执行单元；
所述控制功能单元通过直接连接的方式实现的，用于控制仿真平台；所述运行单元用于运行虚拟控制器软件；所述执行单元用于执行仿真控制站中的所有控制指令，执行的启动、状态、运行结果与真实的控制系统完全一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：所述仿真平台还包括仿真平台控制算法单元、模拟操作单元；
所述控制算法单元用于模拟实际生产装置的各种控制系统、安全保护的人机界面和控制方案、以及控制算法，能够调试各类功能，用于逻辑联锁、各类回路控制、顺序控制；所述模拟操作单元，用于操作画面菜单、画面动画、趋势、报警。
8.根据权利要求5所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：对学员站操作数据实时监测子单元的实时数据信息变化进行监测包括以下步骤：
S8-1、采集网络安全环境下的传输数据，所述网络安全环境指用户在打开计算机后，未进行任何操作；
S8-2、在学员站进行考核的过程中，操作数据实时监测单元采集计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量信息；
S8-3、构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型，输出计算机端口的实时数据变化值；
S8-4、设置一个计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常阈值，在计算机端口的实时数据变化值大于计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常阈值时，学员站输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
9.根据权利要求8所述的一种基于物联网的现场操作模拟分析系统，其特征在于：所述构建计算机计算机打开多余网页的网络数据变化量异常检测模型包括：
获取计算机打开多余网页设定的时间段、计算机打开多余网页的数量、计算机打开多余网页的次数；i表示计算机打开多余网页设定的时间段的编号，i＝1,2......n；j表示计算机打开多余网页的数量编号，j＝1,2......m；f为打开多余网页的次数的编号，f＝1,2......g；第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量记为
Figure FDA0003842907760000041
将第i个时间段内计算机第f次打开第j个网页时的计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子进行匹配，得到计算机打开多余网页的网络数据变化量对应的影响因子，记为/>
Figure FDA0003842907760000042
根据公式
Figure FDA0003842907760000043
计算出计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值，δ为计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值；e表示为自然常数，E0为计算机打开多余网页的网络数据变化量允许范围；μ表示为计算机打开多余网页的网络数据变化量异常值的补偿因子；
设置用户在打开计算机后，未进行任何操作时的标准值Q；
设置计算机打开多余网页的网络数据变化量的异常值阈值P；
当Q-δ>P时，此时判断计算机打开多余网页的网络数据变化量发生异常，学员站输出预警信息至教师站的教室管理单元，教室管理单元反馈预警信息到管理员端口。
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