張 軍，馮 運，簡子倪，錢曉豪，鄢 陽，王先培

(1.中國電力科學研究院有限公司，湖北武漢 430000；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川成都 610041；3.武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072；4.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢 430074)

0 引言

在傳統(tǒng)的電力設備專用測試裝置校準工作中，計量標準器具主要存放于固定實驗室中，采取自下而上的周期送檢或者自上而下的上門校準方式，使得這種校準方式校準周期長、操作難度大、費用高、效率低[1]。同時現有的校準設備往往采用一對一的校準方式[2]，開發(fā)的計量校準裝置大部分參數單一、專用性強，并且各個裝置間的通信接口往往不統(tǒng)一[3]。在此基礎上構建的校準系統(tǒng)，在數據共享性與業(yè)務拓展性方面沒有較好的效果，導致校準效率低、平臺搭建繁瑣、數據采集困難等問題[4]。

隨著互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，充分利用遍布全球的互聯(lián)網進行遠程校準的概念逐漸地受到人們的重視[5]，自動測試平臺的網絡化也逐漸成為了一個熱門的研究方向。網絡化測控具有顯著的優(yōu)點，首先，把測試裝置當成網絡中的節(jié)點接入到網絡中進行數據傳輸時，不僅能夠實現儀器資源的共享，同時試驗員也能夠在網絡上協(xié)同工作，共同完成測試任務，使得測試任務的完成可以跨越空間和時間的界限[6]。其次通過互聯(lián)網進行數據通信和數據采集可以使得試驗員隨時隨地獲得測試數據[7]。網絡化測試平臺的引入減少了試驗員的操作難度，提高了校準任務的效率，節(jié)省了大量的人力物力。針對上述問題，提出了基于互聯(lián)網+的開放式校準平臺架構，采用遠程校準技術和以太網總線技術，實現電力設備專用測試裝置的網絡化校準。

1 校準平臺總體結構

互聯(lián)網+校準平臺不同于傳統(tǒng)的校準裝置和計量標準的“一對一”的校準方式，而是將多種標準計量模塊作為一個整體，通過遠程校準技術實現對多種電力設備專用測試裝置進行校準?；ヂ?lián)網+校準平臺采用網絡化測控思路，將多種標準計量模塊和操作人員都連接到網絡上，實現數據共享和遠程操作。校準平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 校準平臺的總體結構

校準平臺主要分為4個部分：試驗員校準實驗室、數據庫、監(jiān)護系統(tǒng)以及中心實驗室。通過互聯(lián)網將4個部分連接成一個整體，實現相互之間的通信。結構描述如下：

(1)試驗員校準實驗室，是試驗員完成校準任務的操作實驗室。該實驗室的校準軟件能夠實現的功能如圖2所示。

圖2 試驗員校準軟件功能圖

(2)數據庫，用于存儲和查詢數據。本文分析了現階段各類電力設備專用測試裝置的校準業(yè)務，進而抽象出校準業(yè)務的信息結構，校準平臺數據庫的E-R模型如圖3所示。

圖3 校準平臺數據庫的E-R模型

6個實體由“校準”行為聯(lián)系在一起，校準行為主要包括證書編號、時間、地點、溫度、濕度、計量標準編號、測試裝置編號、實驗員ID等屬性。

(3)監(jiān)護系統(tǒng)，主要實現對校準平臺的實時監(jiān)護。該系統(tǒng)上運行有監(jiān)護系統(tǒng)軟件，該軟件是唯一可以直接與中心實驗室進行通信的軟件。試驗員輸入校準中所需的所有參數后，傳給監(jiān)護系統(tǒng)，然后監(jiān)護系統(tǒng)再將參數按組按照次數依次傳遞給中心實驗室設備。功能圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)護系統(tǒng)功能圖

(4)中心實驗室，包含了多個標準計量模塊，主要功能是接收參數并執(zhí)行指令。中心實驗室接收上位機發(fā)送的參數，然后等待上位發(fā)送啟動指令。接收到啟動指令后，確定模擬電路是否接好，然后接通電源，執(zhí)行校準，將所得數據返回給試驗員校準軟件。中心實驗室的每個計量模塊都帶有嵌入式軟件，可自動實現參數的測量，無需試驗員再做配置。

2 中心實驗室的實現

普通的校準設備往往只能對相應的校準業(yè)務進行校準，如果想要校準其他待測試品，需要更換另一種校準設備進行校準，這樣校準成本就會顯著提高[8]。所以本文將校準裝置拆分為多個標準計量模塊，將多個標準計量模塊接入到同一以太局域網內，不但能對特定的對象進行校準，而且在盡量減少成本的情況下還能對校準對象進行擴展。

將現有校準裝置分為3個部分：信號發(fā)生模塊、電源模塊和校準專用模塊。根據校準裝置的測量參數、準確度等級進行歸納分類，將信號發(fā)生模塊分為信號發(fā)生器和精密信號發(fā)生器。在上述模塊劃分中，信號發(fā)生模塊和電源模塊可以由多個校準任務共同使用，實現了模塊的復用，提高了模塊的使用率同時降低了校準成本。

目前中心實驗室的標準計量模塊主要采用RS232、GPIB和USB通訊方式進行上位機和下位機之間的通信，不具備遠程控制和數據傳輸能力[9]。因此要實現互聯(lián)網+概念首要目標就是對標準計量模塊進行網絡化。本文設計了計量標準模塊的網絡接口適配器，實現了計量標準綜合系統(tǒng)的網絡化應用，使中心實驗室各個模塊間的通信通過網絡進行傳輸。

本文設計了基于AVR系列單片機ATmega64為主控器的網絡接口適配器，網絡接口適配器上電后單片機先對網卡進行初始化，如果收到RS-232或USB設備的數據，就通過串口或USB接口將數據接收并按照TCP/IP格式進行打包送入以太網控制器中，再由以太網控制器將數據輸出到網絡中。

本文校準平臺的中心實驗室依靠交換機實現全雙工的星形網絡通信結構，通過交換機實現數據的雙向通信。本文采用環(huán)-樹冗余結構，在保證通信可靠的同時，提高網絡的通信速率。中心實驗室的物理網絡拓撲如圖5所示。

圖5 中心實驗室物理網絡拓撲圖

中心實驗室可能存在多個網絡接口適配器，每個網絡接口適配器上連有多個計量標準模塊。將每個網絡接口適配器采用環(huán)形的方式進行連接，保證了鏈路的可靠性，中心實驗室中的每個節(jié)點間需要遵照統(tǒng)一的通信協(xié)議。

3 校準平臺通信過程

3.1 測控機制

校準平臺主要分為試驗員校準實驗室、數據庫、監(jiān)護系統(tǒng)以及中心實驗室4個模塊。通過互聯(lián)網將4個模塊連接成一個整體，實現相互之間的通信。對于這4個地理位置隔開的區(qū)域，每個部分在校準過程中分別承擔著不同的責任。本文將校準平臺軟件分為了多個可以獨立運行的功能，每個模塊的軟件功能如圖6所示。

圖6 校準平臺數據流向圖

圖6中表明了在整個校準過程中，數據的總體流向。試驗員操作軟件可以和監(jiān)護系統(tǒng)和數據庫實現雙向通信，但不能和中心實驗室進行直接通信。監(jiān)護系統(tǒng)作為唯一可以與中心實驗室通信的部分，所有需要對中心實驗室進行操作的數據報文都需要經過監(jiān)護系統(tǒng)進行轉發(fā)，監(jiān)護系統(tǒng)可以實現對中心實驗室的保護作用。

3.2 系統(tǒng)通信圖

試驗員通過網絡登錄試驗員校準軟件，在該軟件界面上進行遠程操作。試驗員發(fā)出遠程校準請求，信息通過網絡傳輸，遠方監(jiān)護系統(tǒng)接收到請求后將其解析為遠方試驗員，經與遠方校準人員完成信息交互、中心實驗室準備完成后，啟動校準流程，并將校準結果呈現給試驗員，供試驗員查看校準結果和相關校準信息。系統(tǒng)通信如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)通信圖

4 校準平臺關鍵技術

4.1 基于觀察者模式的監(jiān)護系統(tǒng)結構設計

監(jiān)護系統(tǒng)作用是對校準平臺進行實時的監(jiān)護，為保證中心實驗室的安全，將監(jiān)護系統(tǒng)作為與中心實驗室唯一的通信接口。對于試驗員而言，對校準平臺進行的操作(查詢數據庫除外)都需要將報文發(fā)送給監(jiān)護系統(tǒng)，監(jiān)護系統(tǒng)完成相應的操作，任何外部設備或軟件都不能與校準平臺的中心實驗室進行通信。鑒于此，使用觀察者模式設計監(jiān)護系統(tǒng)的結構和功能。

觀察者模式定義了對象間的一種一對多的依賴關系。觀察者模式一個主題可以有多個觀察者，不同的主題擁有不同的觀察者。采用觀察者模式可以方便地實現動態(tài)聯(lián)動。將不同的功能模塊劃分為主題，每個主題均包含一個觀察者集合，并提供觀察者注冊、刪除和更新方法。例如，校準平臺正常運行時，只有校準機構和送校方擁有校準數據，保證了數據安全；標準計量模塊出現故障時，標準裝置制造廠家可以申請注冊裝置運行權限，從而在不必到達現場的情況下，在網絡遠程終端分析故障原因，監(jiān)護系統(tǒng)的主題包括多任務校準、可靠運行維護、應急處理、數據知識庫。

(1)多任務校準，校準平臺的硬件資源是有限并且由所有任務共享的，當多個校準任務同時進行，需要設計合理的資源調度算法；其次在采用多線程技術解決多任務同時校準問題上，需要解決因為共享資源帶來的訪問沖突、競爭、死鎖等一系列問題，保證并行執(zhí)行不會對原有校準任務產生影響。

(2)可靠運行維護，監(jiān)護平臺會自動推送中心實驗室的標準計量模塊自檢的時間和內容。自檢包括自動檢測模塊的通信鏈路是否正常、檢測模塊是否處于工作狀態(tài)以及查詢模塊的具體參數信息。

(3)應急處理，監(jiān)護系統(tǒng)會對偏離正常校準流程的環(huán)節(jié)報警，觸發(fā)不同級別的警報，由報警級別自動進行相應的應急處理。例如，當某個試驗員出現斷網后會使得校準結果無法正常傳遞，校準平臺此時會進入斷網保護模式：如果試驗員短暫時間掉線，回來后可以繼續(xù)工作；若長時間掉線，則該校準任務分配的資源會自動回收，結束該校準任務。

(4)數據知識庫，數據知識庫采用區(qū)別對待觀察者場景方式推送數據，主要為不同的主題提供不同的校準平臺數據。

基于觀察者模式，對監(jiān)護系統(tǒng)進行設計，實現了多類型操作人員關注不同主題的功能。本文校準平臺的主題一觀察者模式如圖8所示。

圖8 主題一觀察者模式示意圖

4.2 校準平臺的自動校準

對于軟件開發(fā)人員而言，常使用腳本語言編寫配置文件來降低因為軟件功能經常需要改動而對軟件造成的影響[10]。本文的校準平臺配置文件是由XML語言進行編寫，軟件通過讀取配置文件來自動更改軟件的功能。配置文件包括兩個部分，校準任務所需模塊配置文件、校準任務流程配置文件。配置文件作為整個校準過程的邏輯部分，不僅需要隨時根據校準依據文件做相應的調整，并且隨著校準平臺業(yè)務和模塊的擴展，其文件內容也必須隨時調整?；赬ML描述的配置文件可以被計算機所理解，這也使自動校準成為了可能。配置文件的解析流程圖如圖9所示。

圖9 配置文件的解析流程圖

通過語法分析判斷是否符合該標簽節(jié)點類型的語法格式，再分別存儲。若是標識符類型，則通過二分查詢算法與參數存儲結構中的參數關鍵字比較；若是數值類型，則通過語法分析判斷是否符合數值類型語法規(guī)則，若有單位，進入數值型數據單位處理模塊。當解析過程出現錯誤時，將錯誤信息字符串指針指向錯誤信息存儲結構，報告錯誤信息功能函數模塊。

4.3 校準平臺多任務架構

校準平臺如果同一時間段內只能校準一個待測試品，這就導致校準平臺的標準計量模塊的平均空閑時間顯著增加，造成了校準平臺的硬件資源的浪費[11]。本文為了提高校準平臺效率，需要設計一套多任務并發(fā)執(zhí)行的測控機制[12]，使得校準平臺能夠同時執(zhí)行多個試驗員的校準任務或單個試驗員的多個校準任務。監(jiān)護系統(tǒng)軟件采用的多線程技術實現并行處理策略。在軟件中可以實現同時執(zhí)行多個校準任務，軟件線程功能分配框圖如圖10所示。

圖10 線程功能分配框圖

監(jiān)護系統(tǒng)軟件的主線程為顯示線程，顯示線程會實時讀取各個線程內的參數并顯示在界面上。該軟件接收到試驗員發(fā)來的校準任務請求時會將校準任務保存在待測試品的隊列中，在某個正在執(zhí)行的校準任務結束后，校準任務調度線程會根據空閑的標準計量模塊從待測試品隊列中選擇合適的校準任務，執(zhí)行校準操作。

針對多校準任務并行時多線程間發(fā)生的競爭、死鎖、爭奪共享資源等問題設計了相應的解決辦法。為了保證線程對于參數數據區(qū)更大程度的并發(fā)，本文不采用常用的互斥鎖[13]，改用讀寫鎖實現互斥。同時為了解決標準計量模塊的資源競爭問題[14]，程序中為每個標準計量模塊創(chuàng)建了相對應的鎖變量，以“編號_lock”命名鎖變量。同時為了解決死鎖，本文采用靜態(tài)資源分配的方式破壞死鎖發(fā)生的請求和保持的條件，即當校準任務所需要的全部標準計量模塊都空閑時再啟動校準線程，否則就處于等待狀態(tài)。

5 結束語

隨著智能儀器技術和互聯(lián)網通信技術不斷發(fā)展，搭建基于互聯(lián)網的網絡化校準平臺變得更加安全可靠。本文設計的基于“互聯(lián)網+”的電力設備專用測試裝置校準平臺將用于校準多種參數的標準計量模塊抽象成節(jié)點連接到互聯(lián)網絡上，進行數據相互發(fā)送，實現資源共享和協(xié)作，多個計量模塊協(xié)作共同完成校準任務，使校準跨越了空間和時間的界限，不僅能有效降低組建校準平臺的費用，還能實現校準平臺間校準信息的共享。