分布式数字签名（共8篇）
分布式数字签名 篇1
P2P[1]网络没有中心服务器，也没有固定的网络拓扑结构和网络规模的限制，网络中各个节点地位相等，可以随时加入或退出网络。由于P2P网络的分散性和节点的动态性，密钥的分发面临安全问题。采用传统的集中式方式已无法实现P2P网络的访问控制安全。
本文介绍一种适用于P2P网络的分布式签名方案，采用t-out-of-n门限密码算法通过P2P网络的可信任节点生成并发放密钥，实现数字签名。
1 t-out-of-n门限密码算法介绍
t-out-of-n[2]门限密码算法将私钥d分解成t个随机数之和：d=d1+d2+…+dt，再将分配到i台服务器中，签名时将需要签名的信息M发送到这t台服务器中，各服务器将计算结果Mi=Mdi送回客户机，客户机计算：Md，就得到了签名后的信息。
为了提供容错性，把密钥d分成了多组子密钥，任意一组子密钥组合在一起可以重构出d。将这多组子密钥按一定方法放入n台服务器中，每台服务器有多个子密钥，目标是其中任意t台服务器可以找到一组完整的子密钥来进行重构。将密钥作多组拆分如下：
这样，就是允许系统有任意不多于(n-t)台服务器崩溃。因此整个系统获得了(n,t)门限的容错能力。
2 基于P2P网络的分布式签名系统
该系统有信任节点和combiner服务器两部分组成,信任节点通过节点之间的互相信任度选出，并在可信任节点中产生一个权威节点，由权威节点分发子密钥。combiner服务器组合这t个子签名,算出完整的签名证书Md,传送给用户，方案框架如图1。
该分布式数字签名系统由信任节点和combiner服务器组成两层结构，其中每t个信任节点对应一个combiner服务器，构成一个组。系统由很多个组构成。每一个信任节点保存多个子密钥，任意一个子密钥都可以和其它t-1个信任节点的对应子密钥构成一个签名证书。权威节点负责产生和分发子密钥，由于权威节点掌握系统完整密钥，因此只有在分发子密钥时和做分布式计算时才会在线，平时处于离线状态。
这种两层结构也起到了节点隐藏的作用，只有combiner节点才知道信任节点的位置，且信任节点之间也都不知道其他节点的地址。当用户将需要签名的信息M发送给combiner,combiner将M转发给t个信任节点，每个信任节点利用自己的子密钥di签名。然后传回combiner。combiner计算得到签名证书。若签名不成功，用户可以选择下一个combiner签名。系统总共有至少t个combiner节点，而信任节点总数n也至少为t2个。这种两层结构解决了t-out-of-n算法固有的密钥管理的问题，同时还使信任节点具有一定的隐藏性，提高了系统的安全。
2.1 系统的初始化
对于P2P网络中的任意节点,根据其历次交易的满意次数和交易不满意次数给相邻节点打分记作信任度,如节点i对节点j信任度记,sij表示满意次数,usij表示不满意次数。节点互相通告对节点j的信任度,节点j总的的信任度为,m为总的节点数。通过Tj(j=1…m)可将信任度进行排序，选出可信任节点。假设P2P中的可信任节点构成的集合为G，|G|=n，其中信任度最高的节点就是权威节点。
2.2 VSS可验证子密钥分发协议
首先，权威节点计算出一组子密钥d1,d2,...,dt后，先用系统私钥d对子密钥签名，然后用每个信任节点各自公钥的对其进行加密。这样，保证了密钥不被伪造，子密钥也可以安全的发送到信任节点。除非攻击者窃取了信任节点的私钥，否则无法得到子密钥。但是该方案无法抵抗重放攻击，即将以前权威节点服务器分发过的子密钥来替换现有子密钥，从而使得信任节点收到过期的或者是本应发给其他节点的子密钥，从而造成签名失败。一般的抗重放攻击的方案通常需要服务器之间时间同步，通过增加时间戳的方式来抗重放，但在P2P环境下实现时间同步是很困难的。因此该分布式数字签名系统采用VSS可验证密钥分发(verified secre share)[3]协议，使得每个信任节点通过验证计算可以检验自己收到的子密钥的真伪。
VSS分发协议：
Step 1：权威节点服务器生成验证消息g,g的长度小于N的长度。
g随子密钥dik一起加密传输给信任节点k。
Step 2：权威节点服务器利用一组子密钥给消息g签名，sj=gdijmod N,j=1…t并广播给信任节点;
Step 3：节点k根据sj,j=1…t计算机s=mod N其中sk为节点k自己的子密钥dik计算得出。
Step 4：使用公约e解密s得到g，说明k的子密钥没有被重放。
其中e和N是RSA算法产生的公钥。
在子密钥分发时，权威节点会将t个信任节点的地址组成的地址表先用自己的私钥签名再用combiner的公钥加密传给combiner。另外为了防止权威节点受到攻击或者权威节点的权限过大，在权威节点分发子密钥和验证消息后，权威节点就离线，为了保护信任节点，我们在一个攻击周期内对系统进行复位，然后在网络中选择新的一组信任节点和权威节点，权威节点采用RSA模块计算私钥和公钥，并将公钥公布，然后将私钥分割成n个t份，再用自己的私钥签名用信任节点的公钥加密传给n个信任节点。一个攻击周期认为是成功攻击t个节点的时间，设攻击一个节点的平均时间是△t，则一个攻击周期pss=t△t。
3 系统的安全性分析
1)本系统采用t-out-of-n门限密码算法来分割私钥d，因此如果攻击者要想获得私钥必须连续的攻击t个信任节点。另外系统采用了信任节点和combiner两层结构，隐藏了内部结构加大了攻击的难度。
2)本系统的信任节点和权威节点是经过信任模型动态选出的，并且权威节点和信任节点是不固定的，而且权威节点在分发了子密钥和验证信息后就离线了，所以避免了权威节点权限过大或者权威节点被攻击后，泄露私钥。而且信任节点和权威节点在一个攻击周期后要复位，进行下一轮的选取。这种信任节点和权威节点的不固定更增加了攻击的难度。
3)在密钥分发阶段,私钥的分发使用权威节点的私钥签名，并使用信任节点的公钥加密。
有效的防止了攻击者伪造私钥di，只有拥有信任节点私钥的攻击者才可以得到子密钥di，有效的防止了在传输途中篡改di信息，本方案使用技术,权威节点在发送di的同时还向节点广播验证值,各个节点利用这些验证值可以验证自己收到的di的真伪，有效的避免了子密钥被重放。
4 结束语
本文采用P2P网络和多种容错密码算法，提出了一个基于t-out-of-n门限密码算法的P2P数字签名方案。在本方案中，群公钥和分密钥是由P2P网络中的可信任节点共同决定的，保证了安全性。此外，本方案采用信任节点和combiner服务器组成两层结构，用户将签名请求发给combiner节点，由combiner服务器计算完整的签名证书，并传送给用户。这种两层的结构起到了节点隐藏的作用，提高了安全性。
本文作者创新观点：
将门限签名技术应用于P2P网络中，通过可信任节点共同生成群公钥和分存秘钥。
摘要：该文利用门限算法设计了一个基于P2P网络的分布式签名系统,在本方案中,群公钥和分密钥是由P2P网络中的可信任节点共同决定的,保证了安全性。系统同时采用可验证密钥分享技术确保了密钥的安全性。
关键词：门限算法,分布式数字签名,可信任节点,可验证密钥分享
参考文献
[1]Flenner R,Abbott M.JavaP2P技术内幕[M].高岭,译.北京:人民邮电出版社.
[2]Desmedt Y,Di Crescenzo G,Burmester M.Multiplicative nonabelian sharing schemes and their application to threshold cryptography,Oakland,1991:110-121.
[3]魏仕民,许春香.周期更新的可验证秘密共享方案[J],计算机科学:增刊,2004,31(7):112-114.
[4]许春香,魏仕民,肖国镇.定期更新防欺诈的秘密共享方案[J].计算机学报,2002,25(6):666-669.
[5]Abdalla M.Forward Security in Threshold Signature Schemes[C].Proceedings of RSA2001.
[6]Canetti R.Adaptive security for threshold systems[C].Wiener M.ed.Advances in CRYPTO'99,Proceedings.Lecture Notes in Com-puter Science1666.Berlin:Springer-verlag,1999,98-115.
[7]Canetti R.Adaptively Secure Multi-party Computation[Z].TR-682,LCS/MIT,1996.
[8]Cramer R.Efficient multiparty computations secure against an adaptive[Z].Eurocrypt'99,Springer-Verlag,LNCS1592,311-326.
[9]Damgard I,Koprowski M.Practical threshold RSA signatures without a trusted dealer[R].Technical report,BRICS,2000.
分布式数字签名 篇2
关键词 数字图书馆 大数据 海量数据存储 分布式存储架构 非结构化数据 半结构化数据
分类号 G250.76
Study on the Big Data Distributed Storage Architecture Model and Policies of
the Digital Library
Ma Xiaoting
Abstract Storing and processing big data by using ordinary relational database comes across some problems in the digital library. To solve the bottleneck problems of the traditional relationship database in big data storage and access efficiency， this paper presents a secure and efficient big data distributed storage architecture for the digital library， which has better scalability， fault tolerance and enhanced storage performance. Especially for the mass unstructured and semi-structured data， the performance advantage is more obvious.
Keywords Digital library. Big data. Mass data storage. Distributed storage architecture. Unstructured data. Semi-structured data.
随着信息技术的发展与读者阅读需求转变，云计算、大数据、物联网和传感器网络等技术，已成为数字图书馆构建与用户服务保障的关键技术。新技术的应用与服务模式的变革，大幅提高了图书馆服务系统的结构科学性、保障力和用户满意度。但是，图书馆在用户服务与系统管理、读者阅读活动保障、自动传感器数据采集和移动阅读终端阅读等过程中，产生了海量和级数递增的大数据资源，图书馆数据环境呈现数据体量巨大（Volume）、类型繁多（Variety）、价值密度低（Value）、处理速度快（Velocity）的4V大数据特征。此外，非结构化数据占据图书馆总量的85%以上，并且读者对大数据资源的价值密度和可用性要求较高。因此，加强大数据存储系统架构的科学性、安全性、可用性和可扩展性，确保大数据资源可以安全、高效、灵活和经济地被存储、访问、查询和分析，是关系图书馆数据存储与管理效率，保证大数据资源挖掘和数据价值发现有效的关键[1]。
1 图书馆大数据存储面临的问题与挑战
1.1 图书馆大数据资源具有海量、多源的特点
图书馆大数据资源通常由读者个体特征数据、社会关系数据、系统运营与管理数据、视频监控数据、物联网传感器数据、阅读终端日志、读者阅读行为数据（主要由用户博客、微博、论坛和读者反馈信息）等组成，具有数据海量、多源、非结构化和数据总量级数增长的特点。随着用户阅读模式和需求的转变，传统的存储体系已不能满足海量激增的大数据资源存储需求，要求大数据资源库具备PB级的数据存储规模，并可根据未来服务需求进行存储性能升级和扩展。此外，要求大数据存储平台应完成对结构化数据、非结构化数据和对象数据的统一存储与管理，并保证存储系统具有高效、简单、经济和高资源整合的优点。存储系统应支持核心大数据的安全、即时备份，且备份空间应占据总系统总存储空间的30%以上[2]。
1.2 存储架构应实现从传统IT环境向大数据环境的平衡过渡
首先，大数据时代，图书馆传统IT环境下的集中式存储架构，已不能满足用户对大数据存储服务海量、高效的需求，管理员难以通过对存储设备容量、性能的扩展，满足图书馆大数据服务对存储系统的功能需求。其次，传统IT环境下，图书馆通常会通过增加存储系统模块的方式来扩展数据存储能力，导致存储系统结构复杂、管理难度大、存储负载不均衡和易产生数据孤岛。因此，存储架构必须实现由传统IT环境下的集中式存储向大数据环境下的分布式存储架构转变。第三，随着读者大数据服务需求的发展，图书馆应将存储系统转变为以读者大数据服务保障能力建设为中心，提高大数据存储、管理、部署和迁移的安全性、效率、可用性与可控性。第四，大数据存储架构必须增强软、硬件平台的开放性，消除传统存储平台不同系统与功能模块之间的层次化、封闭性和隔离性，实现大数据资源的最优化存储与部署[3]。
1.3 大数据存储的可用性与成本控制问题
大数据存储的可用性与成本控制问题，关系图书馆大数据资源挖掘、价值发现和分析决策的有效性。首先，大数据存储系统应具备多核并行处理和快速闪存的功能，可满足大数据应用对存储系统IOPs（每秒进行读写操作次数）的需求。其次，大数据存储平台应具备较高的存储效率和资源利用率，可通过监控系统对存储工作负载、系统存储效率、动态资源配置与分配、存储资源的优化水平进行实时监控。第三，大数据存储平台应具备较强的兼容性和可扩展性，可满足传统存储架构向大数据存储演进的系统硬件功能需求。第四，大数据存储管理算法应适应新的存储系统架构与存储介质运营需求，坚持以读者需求和大数据服务驱动原则，大幅降低大数据存储的能量损耗和成本投入。
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1.4 大数据存储系统应构建新型的指标参数体系
根据图书馆大数据存储系统的结构科学性、系统功能性、存储可用性和可控性需求，存储平台系统指标体系应重点关注系统的结构复杂性、可扩展性、运行效率、灵活性、数据库弱一致性和建设经济性等。涉及大数据存储系统功能性和可控性的指标体系，主要应包括数据的安全性、长期可存储性、数据可访问性、数据定位与查询的效率、存储系统的数据吞吐量与延迟、大数据存储节点的部署科学性等参数指标。此外，还应根据指标参数对图书馆大数据存储系统的结构科学性与功能影响力，以及读者大数据服务的内容与模式转变程度，及时对指标的内容、参数和影响因子进行动态调整[4]。
1.5 云计算技术在大数据存储服务中具有局限性
对于云存储图书馆可通过购买云服务商公共云存储服务、自建私有云平台、构建混合云存储平台（公有云与私有云相结合）三种方式，实现大数据资源的存储、管理和应用。
公共云存储服务由图书馆交付云服务商来保障完成，具有服务部署快捷、存储成本低廉、按需分配资源和服务连续性的优点。但也存在着图书馆将所有大数据资源传输至公有云端，图书馆和其他用户共享云服务商的存储空间和管理服务，具有安全性低、数据可控性差和QOS（用户服务质量）无保证的缺点。图书馆自建私有云存储平台的方式，虽然具备较高的安全性、存储效率和数据可控性，但也存在着私有云平台的建设、运营成本高昂，对用户技术水平和管理员素质要求高的问题。混合云虽然有效解决了公共云和私有云在大数据存储中存在的问题，但也存在着跨公共云和私有云分配应用复杂，大数据资源存储安全需求评估和迁移管理难度大的问题[5]。
2 图书馆大数据分布式存储架构模式与策略设计
2.1 图书馆大数据分布式存储架构设计
图书馆大数据环境由于具有数据海量、级数递增、数据结构多样和价值密度低，存储平台用户服务过程呈现数据一次写入和多次读出的特点，因而存储平台应具备系统存储容量可依据大数据服务需求横向扩展，可支持不同数据接口的数据采集设备和阅读终端、多种数据访问协议、全局命名空间和支持面向对象的数据管理。此外，图书馆在大数据存储平台部署过程中，应具备系统快速部署、高速存储与读取、大宽带网络连接、PB级海量存储、多级数据冗余备份、智能的数据检索和查询能力。同时，存储系统应具备较高安全性和7×24小时运行不中断的能力，并支持系统的在线容量扩展和数据迁移。
结合图书馆大数据资源存储和读者服务需求，本文设计的图书馆大数据存储平台系统结构如图1所示。
图1 图书馆大数据分布式存储平台系统结构图
大数据存储系统由现有数据存储平台、分布式数据存储层、分布式数据处理层和大数据服务接口层4部分组成。现有数据存储平台主要完成所采集数据的初选和过滤，通过减少原始大数据资源的数据总量和增加其价值密度，降低大数据的存储负载和缩短大数据应用时间。分布式数据存储层主要由闪存和直连存储（DAS）系统组成。闪存作为DAS系统的二级缓存，具有平均无故障运营时间长、安全性高、数据读写速度快、能耗低和无噪音的特点。DAS基于闪存的二级存储服务支持，可安全、高效地通过存储系统感知器件端、中间层和应用层的服务，安全、高效、均衡、经济地实现大数据的分布式协同存储。分布式数据处理层主要由分布式并行计算框架和大数据管理、挖掘、处理、分析系统组成，基于分布式数据存储层支持而完成大数据的价值提取和知识发现。大数据服务接口层是图书馆大数据服务的数据接口，可为不同的大数据应用系统提供安全、高效、经济、可靠的数据传输服务[6]。
2.2 图书馆大数据分布式存储平台构建与管理策略
2.2.1 存储平台构建应以大数据应用保障为核心
图书馆大数据应用呈现“4V”的特性。因此，在大数据存储平台构建中，应以大数据应用保障能力建设和发挥大数据“4V”价值为核心，构建安全、高效、经济和低碳的图书馆大数据资源存储平台。
首先，管理员应仔细分析图书馆读者大数据服务的内容、模式和方法，将构建符合用户大数据服务需求的存储与管理架构放在首要位置，再依据大数据服务对存储平台的安全性、功能性、容量、I/O吞吐能力和硬件设施投资收益等要求，保障存储平台硬件设施在设备参数、接口协议标准和管理方式上满足大数据服务的需求。其次，大数据存储平台构建应注重系统的可扩展性建设，应采用Scale-Out（横向扩展）的系统架构，实现多存储节点的全冗余部署，并依据图书馆大数据业务的需求变化和数据存储量增长实际，对存储空间、带宽和处理能力进行实时的动态扩展。第三，大数据存储平台构建应以大数据存储服务生命周期规律为依据，重点关注系统的海量并行存储能力、全局命名空间、接口标准、读写性能、可管理性、系统架构开放性、多级数据冗余和多级存储备份等，实现大数据资源存储、复制、重构、迁移、分析和归档一体化的全生命周期管理[7]。
2.2.2 存储系统构建应以读者服务需求为依据
图书馆大数据除呈现海量、级数增长、非结构化和价值密度低的特征外，还具有数据一致性强弱不同、访问冷热度不均匀、数据读写操作负载波峰与波谷差异大的特点。因此，读者大数据服务要求存储系统具有高效、安全、低延迟、高并发、快流量和可扩展的特点。
大数据时代，图书馆服务数据呈现多媒体表现、更新频繁、读写速度高和页面数据量庞大的特点。因此，管理员应采用可预测网页变化的增量式更新模型，通过将磁盘的随机写入转化为批量的顺序写入，来大幅缩短网页数据的更新周期和提高用户信息搜索的时效性。其次，应根据大数据存储系统的结构、热点数据特征和用户数据读写模式，对大数据存储访问、数据索引、热点数据缓存、I/O缓存等方面进行全局优化，并通过提高数据的读取速率和系统吞吐量来降低读者在线访问延迟。第三，对于关系读者服务质量、图书馆管理与运营效率的重要数据，应采取子数据中心备份和多副本存储的模式，提高数据的安全性和可用性。第四，在图书馆大数据存储平台构建中，应将大数据存储系统、存储分析系统、大数据挖掘与过滤系统、计算系统整合到一个大的系统平台之上，实现数据采集、数据过滤和挖掘、数据存储、数据分析与归档一体化，提高大数据存储的效率、安全性、可控性和可用性。
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2.2.3 大数据存储平台应具备智慧管理功能
图书馆大数据存储系统应具备较强的智慧管理功能，可高效、自动地实现大数据融合存储、查询、分析和归档的全生命周期管理。同时，应支持对多种设备接口、通信协议和数据类型的结构化与非结构化数据，进行统一存储、归档与分析，避免数据孤岛现象发生。其次，管理系统应结构简单和易于控制，可对存储系统硬件设备、软件系统和存储区域网络进行统一的管理。通过对所采集的存储系统运营状态反馈数据进行性能统计和智能分析，实现系统的自动化精简配置和存储空间的动态分配。第三，图书馆应增强基于大数据存储管理算法的科学性，实现大数据资源存储的智能、虚拟化管理，解决大数据环境下图书馆大数据存储系统所存在的存储介质异构、数据分片和存储资源分配难度大的问题。第四，大数据存储平台建设和系统运营过程应加强能耗管理。图书馆在存储系统构建中应尽量使用闪存、PCM等低能耗的新型存储介质。同时，还应采用能耗查询优化、数据存储节点负载均衡、能耗均衡的集群存储分配、面向集群的高能效缓冲区置换算法等，实现大数据存储平台的低碳运营和绿色存储[8]。
2.2.4 存储平台应安全、可控和易于动态扩展
在大数据存储系统基础设施建设中，图书馆应采用分布式存储系统结构来保证系统架构的可扩展性。通过对存储节点的平均负载配置实现节点间的存储负荷均衡，保证系统整体具有较高的安全性、存储效率、可控性和可用性。其次，在大数据存储平台建设中，应利用图书馆原有存储系统平台资源，对所采集的大数据资源进行数据分析、数据过滤和降噪处理，在降低大数据平台建设成本前提下增强大数据资源的价值密度，减轻大数据存储平台的计算、存储和网络传输负荷。第三，系统管理员应仔细分析图书馆的大数据存储业务，并购买或者开发相应的存储系统监控、决策软件，实现对存储磁盘I/O、磁盘总容量、磁盘占用率、CPU使用量、内存占用和存储系统传输网络效率等，进行全面、实时的运营状态监控和性能分析，并依据监控结果对存储系统的参数与资源进行配置和动态分配。
2.2.5 大数据存储系统构建应坚持公有云与私有云相结合的原则
利用云存储技术，图书馆可以保障读者在任何时间、任何地点，通过任何可连网的装置连接到云上，方便地存取数据和进行云阅读活动。但是，不科学的云基础设施架构和云应用策略，会导致云系统的构建与云服务成本上升，以及云存储数据安全性和个人隐私受到侵犯，严重影响了图书馆大数据应用与用户服务决策的安全、有效性。图书馆大数据存储具有数据安全级别、读写频率、结构特征和价值密度不统一的特点。因此，应根据图书馆大数据存储和大数据阅读服务需求，构建安全、高效的云存储系统和管理策略。
结合图书馆大数据存储环境特点和服务需求，应采用混和云的方式对图书馆大数据资源进行存储和管理。读者对图书馆大数据服务具有安全、高效、经济、便捷的需求。因此，在对海量、多类型、低安全需求的服务数据进行数据模式统一转化后，应存储于公共云平台上，并与云服务商签署相应的云服务租赁协议，保证图书馆租赁的公共云资源和存储空间，可随大数据服务需求和数据量变化动态弹性调整。此外，云服务商还应依据读者所处地理位置分布实际，在世界不同地域构建若干个服务数据备份存储空间，保证读者可就近、实时、高效、经济和便捷地阅读访问。而对于高安全级别的读者个体特征数据、社会关系数据、阅读行为数据和图书馆系统运营监控数据等，应存放在图书馆的私有云上，并制定安全、高效的数据管理与保密措施，实现对保密数据的统一管理、扩展、升级和集中备份与容灾[9]。
3 结语
随着读者大数据服务的深入与发展，大数据环境的数据海量、级数递增、类型复杂和低价值密度的矛盾将更加突出，大数据存储与管理的安全性、效率、经济性和实时性，会直接影响图书馆读者大数据决策与服务的科学性和可用性。因此，在大数据存储平台建设中，图书馆必须以读者大数据服务和大数据存储需求为依据，坚持大数据存储技术与读者需求相结合的原则，依靠云计算和大数据技术构建基于分布式的大数据存储系统，才能保证图书馆大数据存储与应用安全、高效、经济和个性化，才能为读者提供基于用户需求感知和客户关系管理的大数据智慧服务。
参考文献：
[ 1 ] 孟小峰，慈祥.大数据管理：概念、技术与挑战[J].计算机研究与发展，2013（1）：146-149.
[ 2 ] 史英杰，孟小峰.云数据管理系统中查询技术研究综述[J].计算机学报，2013（2）：209-225.
[ 3 ] 金培权，郝行军，岳丽华.面向新型存储的大数据存储架构与核心算法综述[J].计算机工程与科学，2013（10）：12-24.
[ 4 ] 黄冬梅，杜艳玲，贺琪.混合云存储中海洋大数据迁移算法的研究[J].计算机研究与发展，2014（1）：199-205.
[ 5 ] 张天宇，贺金鑫，王阳，等.基于NoSQL数据库的地学大数据高效存储方法[J].吉林大学学报，2013（6）：604-608.
[ 6 ] 覃雄派，王会举.大数据分析：RDBMS与Map Reduce的竞争与共生[J].软件学报，2012（1）：32-45.
[ 7 ] Wilkipedia. Big data[EB/OL].[2014-03-15].http：//en.
wikipedia.org/wiki/Big_data.
[ 8 ] 李国杰，程学旗.大数据研究：未来科技及经济社会发展的重大战略领域大数据的研究现状与科学思考[J].中国科学院院刊，2012（6）：647-657.
[ 9 ] 王元卓，靳小龙，程学旗.网络大数据：现状与展望[J].计算机学报，2013（6）：1126-1136.
马晓亭 兰州商学院信息工程学院副教授。甘肃兰州，730020。
（收稿日期：2014-08-29 编校：刘 明）
分布式全数字拼墙系统 篇3
大屏幕图像集中显示的核心部分是多屏处理器, 也叫多屏显示控制器, 是一种基于某一操作系统平台并且具有多屏驱动功能、可用不同方式对各种类型信号进行远程显示及控制的专用图形处理设备, 通俗地说, 它就是一套功能极其强大的计算机系统。多屏处理器内部除了包含一般计算机本身所具有的硬件之外, 同时还有高性能的专业图形卡、专业视频矩阵卡和专业RGB采集卡, 各个板卡之间相互协调工作, 基于PCI总线共同组成一套高性能的多屏处理器。多屏处理器是整个多屏显示系统的信息处理中心, 它不但要接受从系统外部输入的各式各样的信号源 (如来自各工作站和其它子系统的大量数据流) , 并且还要对这些信号源信号进行处理, 最后送到显示墙上作为桌面信号显示, 并使图像拼接成一个超高分辨率的整体桌面。在信号显示模式方面, 从外部输入的多路视频信号, RGB信号、网络信号等等都可以不同组合方式显示在桌面上。
2 传统处理器的PCI总线架构的缺陷
传统处理器是基于共享型的PCI总线, 把CPU主板卡、网卡、RGB输入卡和声卡等构成一个系统。共享式的PCI总线只有133MB/s的带宽, 对性能日益强大的显卡等则无法满足其需求, 它是目前图像处理器显示速度提高和质量改善的主要瓶颈。
3 分布式数字拼墙系统
针对传统处理器的局限性, 提出一个新的观点:分布式数字拼墙系统。
分布式数字拼墙系统同传统拼墙系统的最大区别在于它是一种新的全数字化拼墙系统, 也就是说, 各种不同类型的信号在整个传输和显示过程中均以数字量的形式存在, 信号和命令传递的唯一通道是高速数字交换网, 各种图形、图像、视频信号和命令都以分时复用方式在交换网络上传输。采用专用网络技术可以有效简化整个系统的信号连接线缆, 大量减少系统的附件数量, 减少采购、生产、调试、检测、工程安装和售后服务等环节的工作量, 从而有效降低整个的系统成本、提高系统可靠性和可维护性;数字信号的抗干扰能力大为加强。同时, 网络传输技术作为目前主流的信息传输技术, 有着成熟的技术基础。
该系统是高亮度、大画面、高分辨率的信息集中显示平台。其显示分辨率是显示单元分辨率乘以拼墙单元个数, 它可同时显示电脑数据信息 (桌面和网络信号) 、电脑显示信息 (RGB) 及各种实时视频信息和网络IP视频信息。
大屏幕系统支持多种 (图形、图像、视频) 信号的同时实时动态显示, 网络、视频、RGB信号、计算机图形信号均以开窗方式显示, 大屏幕系统可以满足多种画面显示要求, 各种显示画面可以在全屏范围内任意大小、任意位置显示 (支持全屏、单屏和任意区域显示) 。
3.1 功能描述
整个系统的功能结构, 该系统中每一类设备都可以有多个, 视乎现实中各具体系统的需要而定, 或为了实现系统冗余。
系统建立在一个高速数字专用网上, 分为四个基本组成部分:控制平台、交换平台、信号采集平台和显示平台。
控制平台包括用户操作层和控制服务层;交换平台包括高速数字专用网及其上的交换机设备;显示平台包括显示信号处理部件和显示部件;信号采集平台完成对多种模拟数字图形、图像、视频信号的采集工作, 包括应用图形服务器和视频服务器, 采集的信号既可以是来自于系统外部的数字和模拟显示信号, 又可以是来自于系统上自身运行的应用。信号采集平台对信号进行采集、压缩处理后, 通过高速数字专用网传输到由控制平台分配的相应显示信号处理部件, 经过解压缩和拼接、缩放、叠加处理, 将信号在由多个显示部件构成的拼接墙上显示。
3.2 控制平台
它是整个系统控制的核心, 包括用户操控层和控制服务层。这二者既可以是分别存在于物理上独立的不同设备, 又可以是存在于同一物理设备上的逻辑上独立的两个功能部分。用户操控层位于控制服务层之上, 主要是面向操控人员, 同用户发生交互;而控制服务层则面向系统内部, 同其他功能部件发生交互。
用户操作层:操作人员同系统交互的平台, 其上运行集中控制管理系统, 通过与控制服务器通信, 可以实现监控区域管理、图片管理与显示、信号源管理与显示、拼接墙投影机开/关等功能;
控制服务层:当系统上电或系统中设备发生增减, 它完成系统中设备的注册管理工作, 获得整个系统的拓扑信息, 并将相关信息反馈到用户操作层;它还接收用户操作层传送来的指令, 完成对信号采集平台的初始化和配置工作, 为各种信号源配置接入的信号, 为各个信号分配信号传输对应的目的显示信号处理部件地址。
3.3 交换平台
这是整个系统信息传递的通道, 系统中所有的数据和命令信息传递都要通交换平台来完成, 它包括高速数字专用网和交换设备。
高速数字专用网:根据系统要求, 可以有多种拓扑结构、多种控制协议的专用网络可以选择。但它们都需要满足高带宽、低延迟的特点, 这是因为系统中存在着多种数据信息 (数字视频数据、数字RGB数据、Vlink数据等) , 而每一种数据又不一定只有一路信号, 而可能是多路同时在网路中传输, 故而系统的数据吞吐量是相当大的, 必须低延时地将海量数据传输到目的节点。
千兆交换机设备:它应用在采用以太网技术的专用网络中, 属于系统专用网络的一部分, 完成网络交换调度的工作。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术, 各个冲突域之间用交换机连接, 以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。通过在数据的始发者和目的接收者之间建立临时的交换路径, 使数据帧直接由源地址到达目的地址。采用以太网交换机可以尽量避免数据包的碰撞冲突, 极大的提高以太网的数据传输率和确定性。
3.4 信号采集平台
信号采集平台包括应用图形服务器、视频服务器、RGB服务器和VLink服务器, 完成对模拟视频和数字图形、图像、视频信号、数字RGB数据、Vlink数据等的采集工作。每一类设备可能只是一台, 也可能有多台, 每一台设备可接入的信号也可能是多个。这完全视实际需要而定。
应用图形服务器和Vlink服务器:分布式全数字多屏处理系统支持VTRON独创的快速网络显示软件VlinkExpre s s, 通过和VTRON开发的虚屏软件的结合, 实现本地计算机高分辨率画面的网络显示方式。对于客户的信号系统和ISCS系统服务器的高分辨率图形显示, 传统只能显示显卡输出的分辨率到DLP大屏显示, 而现在通过VTRON的虚屏软件, 将虚拟出一个高达拼接墙整墙分辨率的虚拟桌面, 应用系统运行在虚屏上面, 网络抓屏软件VlilnkExpress软件通过网络的方式实现了高分辨率图形在DLP大屏幕系统的显示, 很大程度降低了依赖多屏处理器系统处理的局限, 为客户的显示提供了非常好的灵活性。
视频服务器:视频服务器主要实现对模拟视频信号的采样和数字化, 然后将每一帧信号进行压缩, 通过TCP/IP实时的传送到目的显示信号处理部件。通过压缩可以大量的减少数据量, 其过程既可以采用软件方式也可以采用硬件方式实现, 可以实现几路视频信号的同时压缩。
3.5 显示平台
显示平台是由显示单元组成的拼接显示系统, 其显示分辨率随拼接单元数增加, 显示内容 (窗口) 不受单元边界限制, 可任意缩放、移动和叠加, 可有各种特技显示方式。此平台可分为显示部分和单元信号处理部分, 每个显示单元包括一个显示信号处理部件和一个显示部件。本部分是分布式数字拼墙系统的重点, 因为正是该部分完成了分布式信号处理的功能, 而这也是本系统区别于从前系统的最大特点。
显示信号处理部件:显示信号处理部件采用专用单板机来实现, 它接收网络传输过来的图形、图像、视频等多种显示信号和窗口叠加、拼接、缩放等多种控制命令, 分别对不同信号进行相应处理。对视频信号、数字RGB信号和Vlink信号等, 完成信号的解压缩处理;然后根据信号的叠加、拼接、缩放等控制命令完成相应的操作, 生成全屏的数字图像信号, 通过DVI接口传输到显示部件。具体来说, 此部分具有的基本功能可以分解如下:
实际上, 显示部件的显示部分可采用投影显示器、平板显示器、LED显示器等。如采用DLP显示单元, 显示单元的核心投影机芯采用工业设计, 支持7×24小时连续不间断工作模式, 而且具备内置信号处理器, 能够直接接入全制式的视频信号、800×600~1600×1200分辨率范围的RGB信号和1080p/1080i/720p的格式的高清信号, 所有输入信号均可以实现象素级缩放、整墙的漫游、叠加等PIP的功能。
3.6 系统可用性
于拼墙系统都是应用在要害部门的大型监控中心, 作为整个控制系统的一个组成部分而存在, 因此它的安全性和生存性是一个非常重要的问题。控制网络可用性表现在系统处于非正常状态下, 能维持基本的服务和功能以及保护基本的设备和资源, 不造成灾难性的后果。
3.7 系统扩展性
基于远程视频监控应用的需要, 分布式数字处理系统所提供的分布式网络解决方案能最简单的接入更多的信号画面, 在不做任何系统变更的情况下整个系统能够实现所有IP视频信号源的连接和对其中400路以内的视频信号 (CIF格式) 进行同时显示处理。对于不同IP编码协议的信号源, 也仅需要进行对应的控件开发和加载既能升级。以后需要扩展接入更多的IP流媒体视频信号时, 只要将信号直接接入网络即可, 有效地降低系统的成本。
4 应用
例如在某市公安110大屏幕系统中, 由6列4行 (俗称6X4) 67寸24个屏组成, 含有24个节点机、一台H3C千兆交换机、32个视频服务器、一台桌面服务器、一台RGB服务器、一台主控服务器, 一台控制电脑。为了兼顾传统的模拟信号的输入, 保留了一台24入24出的RGB矩阵和一台64入32出的视频矩阵。如图所示:
控制电脑就是用户操控平台的用户层, 通过VWAS软件的控制完成信号的调用。通过视频服务器接入海量的IP视频信号源在大屏幕上显示。比传统的光纤传送的远程视频信号源, 更方便地进行显示控制。在部队、公安、高速公路、轨道交通、石油和电力 (特别是无人值守的站点) 等行业的应用上更显示出其优势。
5 结语
本文对分布式数字拼墙系统概念和特点进行了介绍, 然后对分布式数字拼墙系统的各个功能部件的功能进行了分析, 最后根据分布式拼墙系统应用领域特点提出了整个系统应具有的一些特征。目前, 分布式全数字拼墙系统已经在许多的实际工程项目中得到应用, 如:公安系统、地铁系统、电力系统等。分布式数字拼墙系统是一个全新的技术领域, 在业界是一个创新。
摘要：本文首先对分布式数字拼墙系统概念和特点进行了介绍, 然后对分布式数字拼墙系统的各个功能部件的功能进行了分析, 最后根据分布式拼墙系统应用领域特点提出了整个系统应具有的一些特征。分布式数字拼墙系统是一个全新的技术领域, 在业界是一个创新。
关键词：分布式,全数字,拼墙系统
参考文献
[1]何炎祥编.分布式操作系统.高等教育出版社.
分布式数字签名 篇4
关键词：缓存共享,流控式轮询,分布式架构,宽带
0引言
传统的数字接收系统由于信号处理带宽能力有限,主要针对单一类型的信号进行实时处理,难以适应信号复杂多变的电磁环境。相比于传统的数字接收系统,宽带数字接收系统能够扩展信号采集范围, 提高参数测量精度,具有更加强大的信息获取能力。
宽带数字接收系统除了空域和频域的宽覆盖要求外,还有实时处理的要求。但宽带数字接收系统中,信号处理器不能匹配高速采样的数据流,往往成为系统性能提升的瓶颈。一种解决方法是用适当的存储器做中间处理[1]。这种数据缓存技术在一定程度上可以缓解信号采集和处理速率上的差异问题,但不能从根本上改善系统体系架构,提升系统的实时处理性能。
本文针对宽带数字接收系统面临的实时数据缓存和处理问题,提出了一种高速数据的实时缓存方案。该方案基于数据缓存共享和流控式轮询技术, 构造了一种高效的数据存储结构和缓存机制。在该方案中,数据缓存池采用共享的存储结构,为系统的分布式并行处理架构提供了基础,有效地拓展了系统的信号处理带宽。此外,对缓存数据进行时隙划分,分布式系统的各处理节点之间,基于流量控制算法,以轮询方式读取时隙; 这种缓存机制可降低系统处理延时,并获得均衡的吞吐率性能,保证了系统处理的实时性。对硬件实现系统的测试结果表明,该方案能够满足高达144Gb /s实时数据的缓存调度, 并具有系统规模易于扩展、组网灵活的特点,可很好地应用于信号复杂多变的电磁环境。
1共享缓存池的设计
1. 1基于共享缓存池的分布式宽带数字接收系统
共享缓存广泛应用于交换机中。在这种交换结构中,所有的输入和输出端口都共享一个缓存模块, 所有需要经过交换机的数据都在共享缓存池中存储转发,可以使缓存资源得到充分利用[2 - 3]。
本文将这种数据缓存技术应用在宽带数字接收系统中,构造了一种高效的数据存储结构。该结构具有资源利用率高、系统可扩展性强等特性,可将功能相同的独立设备进行组网,便于系统采用分布式并行处理架构。分布式系统的优点是能够对海量实时数据进行分片并行处理,来满足宽带数字接收系统对空域、频域宽覆盖以及实时处理的要求。
在硬件设计上采用高带宽、大容量的DDR2 SDRAM作为共享缓存池,以FPGA为主控对共享缓存池进行配置和管理。在不改变硬件结构的前提下,利用FPGA的可编程性,可实现分布式系统规模的伸缩,以满足系统对不同应用的实时处理需求。
1. 2共享缓存池的设计与实现
共享缓存池可看作一个类多FIFO体[4]。在硬件结构上,由FPGA和DDR2 SDRAM共同组成,通过对DDR2 SDRAM存储空间进行时隙划分来实现缓存共享。以12个时隙划分为例,DDR2 SDRAM容量大小为1GB,则在每个缓存节点上,单个处理节点最大可以得到85. 3M左右的独立缓存空间,能有效应对海量实时数据的缓存要求。FPGA主频为250MHz,数据流位宽为48bit,数据的峰值吞吐率为12Gb / s; 将DDR2 SDRAM总线频率设置为266MHz, 总线位宽为64bit,则传输带宽为66Gb /s,远大于数据流的峰值吞吐率,可以满足系统对高速数据流的缓存需求。
共享缓存池原理框图如图1所示。FPGA将打包后的数据帧按分布式处理节点个数分组为若干个时隙,顺次写入DDR2 SDRAM缓存池中,每个时隙在DDR2 SDRAM中都占据了一段先进先出( FIFO) 的缓存空间,FIFO深度可通过外部参数设置。为保持脉冲信号在时域上的完整性,相邻时隙间存在部分重叠数据,如DDR2 SDRAM缓存池中阴影部分的间隙所示。在读出缓存数据时,为提高系统稳定性、 降低数据处理延时,并使系统获得均衡的吞吐率性能,基于流量控制算法轮询各时隙的缓存空间,当检测到数据帧时,将其按时隙标号分发到相应的处理节点上。
2流控式轮询方案设计
2. 1流量均衡原理
对于高速实时数据流,流量控制往往成为共享缓存设计的难点。在数据突发传输的网络环境中, 可以采用一些算法来保证共享缓存池的各个端口负载流量均衡[5]。由于宽带数字接收系统的数据采集单元持续工作,共享缓存池输入流量一般是恒定的,但时隙长度和时隙间重叠长度可动态设置,导致输出流量具有不确定性。因而针对突发传输网络环境下的流量均衡算法对宽带数字接收系统并不适用。本文根据共享缓存池输入输出流量特点,研究出了一种简单而有效的流量均衡算法。
在共享缓存池输入输出流量达到稳定后,如果输入流量过大,则缓存池数据会溢出; 反之,缓存池会出现读空的情况。对缓存输入输出流量进行合理控制,使两者保持平衡,即在写入一个时隙数据到缓存池的时长内,同时从缓存池中读取一个时隙和相邻时隙间重叠的数据。此时,数据输入输出流量在峰值下能够保持稳定平衡,共享缓存池可达到均衡的吞吐率性能。
由于DDR2 SDRAM传输带宽远大于FPGA数据吞吐率,主控单元FPGA对共享缓存池的数据读写操作也就不会受到DDR2 SDRAM传输带宽的限制,为流量控制提供了可能性。假设写入一帧数据时长为 μ 个时钟周期,分布式系统中每个缓存节点可并行接收 λ 个通道的数据,时隙长度和时隙间重叠长度均可动态设置,分别设为Lt帧和Lo帧,设读取一帧数据时长为M个时钟周期,则根据缓存数据流量平衡定义可得:
由式( 1) 得:
M可能为小数,由于时钟周期的个数必须为整数,小数M无法满足硬件实现的要求。小数M处在两个整数M1和M2之间,故可由M1和M2进行组合,实现缓存读写平衡。假设在一个时隙内,有lM1帧数据读取速率为M1个时钟周期/帧,lM2帧数据读取速率为M2个时钟周期/帧. 则由流量平衡条件得:
lM1和lM2满足:
由于M处在M1和M2之间,故:
式( 4) 中M表示对M向上取整, M表示对M向下取整。联立式( 2) - ( 4) 得,
FPGA根据lM1、M1、Lt、Lo或lM2、M2、Lt、Lo即可以实现流控式轮询。
2. 2基于流量控制的缓存机制
共享缓存池的数据缓存机制和标准的多FIFO体类似,但存在以下差别: 首先,每个FIFO都不是完全独立的,它们都是由同一个管理单元来控制,并且相邻两个FIFO之间存在重叠空间; 其次,为简化设计,对读和写来说,FIFO使用的是同一个指针,当向缓存池写入一帧数据时该指针加1,当从缓存池中读取一帧数据时该指针减1。
共享缓存池控制部分由FPGA来实现,其逻辑框图如图2所示,包含以下几部分: 时隙状态管理单元、FIFO指针控制单元、地址映射单元、缓存读写控制单元以及MIG IP核[6]。状态管理单元指示当前读取时隙的标号,指针控制单元指示当前时隙的缓存空间可读数据帧数。地址映射管理单元将FIFO指针与时隙状态映射为DDR2的读写地址。缓存读写控制单元控制DDR2读写状态以及缓存读写速率。MIG IP核实现DDR2 SDRAM接口的物理层与数据链路层。
共享缓存池中数据帧存取的操作过程如下:
1向共享缓存池写入一帧数据,FIFO指针控制单元根据时隙状态管理单元的内容,将对应时隙指针加1。若写入的数据帧属于时隙的重叠部分,则相邻两个时隙对应FIFO指针均加1。
2缓存控制单元检测当前FIFO指针是否为零,若不为零,表示该时隙有可读数据帧,则根据流量均衡原理控制一帧读取地址发送到MIG IP核的速率,DDR2地址映射单元根据当前时隙状态产生数据帧的读取地址。
3从共享缓存池中读取一帧数据,FIFO指针控制单元根据时隙状态管理单元的内容,将对应时隙指针减1。
4一帧数据读取结束后,时隙状态管理单元跳转到下一个时隙状态,缓存控制单元开始对下一个时隙进行轮询读取。
3硬件实现及方案验证
3. 1硬件系统方案设计
本文实现的数据采集缓存子系统由6个分布式设备组成,每个设备包含2个缓存节点,可对4个通道数据进行采集和缓存,整个子系统共完成24个通道的数据采集与缓存调度。设备单元的硬件实现结构如图3所示,包含以下几部分: 1两个并行主控单元,各自分别完成2通道数据的预处理、打包成帧以及数据缓存调度,主控单元采用的是Xilinx公司的Virtex 5系列VSX95T FPGA芯片。24个同步A / D采集单元,将系统输入的宽带模拟信号转换为12bit数字信号,采样率为500MHz,24通道总的数据流量达到144Gb /s。3两个缓存单元,FPGA将打包后的数据划分为若干个时隙,并以帧为单位连续写入缓存单元中,缓存单元采用的是1GB的DDR2 SDRAM,每个缓存单元分别由一个主控单元来读写。4标准PCI总线芯片,向FPGA发送控制命令、 参数、仿真数据,并可读取主控单元的当前处理状态以及将缓存单元中的数据传输到上位机。
3. 2缓存流量均衡性能的分析与验证
为进一步验证流量均衡算法的正确性,取时隙长度Lt= 50帧,重叠时隙长度Lo= 2帧, 在一帧数据时长 μ = 672个时钟周期,缓存节点通道数 λ = 2的情况下,按照流量均衡原理计算得到M = 323. 08,则M1= 324,lM1= 8,M2= 323,lM2= 96。Modlesim仿真结果如图4所示: 从图中可以看出当读取帧数frame_cnt达到8后,pat_ok被置为高电平,表明一帧数据读取时钟周期个数由324变为323,仿真结果和流量均衡原理计算结果一致。
4结束语
分布式数字签名 篇5
目前,电力电子电能变换装置的模块化、集成化研究是电力电子技术研究中的一个热点[1,2,3,4]。电力电子标准模块(power electronics building block,PEBB)是一个广义上的战略概念,其将功率管、驱动单元和其他单元整合并且模块化,具有特定的功能和接口。PEBB技术的目的是实现电能装换装置的大容量、低成本和易于生产。更直接的目的是使结构复杂、技术难度高的电能装换装置可以由分散的PEBB,通过分布智能和分层次控制来实现,从而易于维护和更加可靠[1,2,3,4]。
自20世纪90年代起,美国海军就致力于研究电力电子电能变换装置的模块化技术,并于2000年由电力工程委员会(PES)发起成立了工作组,启动了PEBB工程,开展了诸多PEBB的研究工作[2]。诸多现代化的模式被提出,主要有即插即用模式、单元化设计模式、分层控制模式和并行技术模式。其中,分层控制模式摈弃了传统的中央集中控制的数字控制器,这种控制系统往往具有对象的针对性,其设计和制造需采用大量非标准部件,开发周期长、成本高。当升级功率等级时,常常需要对功率模块的接口和参数测试单元进行重新设计,而且控制器需要同时处理电能变换装置的所有控制细节。控制器的任何部分故障均会导致整个系统陷入瘫痪状态,可靠性差。因此,分层控制模式的提出增加了控制系统的灵活性和可重用性。分布式数字控制网络结构是分层控制的一种主要实现方式,这种控制结构需要网络通信技术的支撑,因此,通信设计是其中一项重要的关键技术。
本文首先阐述了一种用于分布式数字控制网络的环形拓扑结构,称为电力电子系统通信网络(power electronic system network,PESNet),然后分析了环网拓扑本身特性所带来的网络延时问题,网络延时将给整个控制系统带来不利影响。针对网络延时问题,本文引入了2种不同的实现网络节点间同步的方法,并从5个方面对2种同步方法的优势和劣势进行了对比分析,从而为2种方法的实际应用提供了参考。
1 基于PEBB的分布式数字控制网络
PEBB是一个广义上的战略概念,也称为一种构建电力电子电能变换装置的新型设计方法。PEBB的概念如图1所示[2]。PEBB通过软件程序实现不同电能变换需求,其软件功能包括:逆变器、固态开关、变频器、电机驱动控制、不间断电源、励磁控制。
PEBB技术是电力电子系统集成中一个非常重要的发展方向。由于采用标准化、模块化、智能化的变换器模块,在构建电能变换装置时,能极大地简化设计过程、缩短设计周期,同时组建方法的灵活性可以使得结构和功能复杂的电力电子装置得以实现。
如图1所示,PEBB将部分的控制系统、功率器件、保护、控制、采样和驱动电路,集成到一个模块中。通过数据接口,若干PEBB组成了一个电能变换系统,用户可以通过软件的配置实现PEBB模块之间的相互协调工作,使电能变换系统实现不同的功能,最大限度地发挥其灵活性。
PEBB构成的电能变换系统,若采用传统的中央集中控制的数字控制器,将无法满足要求,因此需要采用分布式分层数字控制器结构。分层控制是指将控制器结构分层,根据时间尺度,从底层到高层可以分为PEBB功率管开关控制层、PEBB模块控制层、变换器控制层和应用控制层,如图2所示[2]。图中PLL表示锁相环。
层次化控制模式具有控制结构清晰、变化灵活等优点。设计控制器时,在不同层次上设计,然后综合,最后实现控制功能。分布式分层数字控制的关键在于如何在控制器之间建立合适的通信机制。一种解决方案是在控制层之间建立分布式数字控制网络,以充分发挥数字控制和数字通信的优势。
针对分布式数字控制网络控制系统,提出了一种适合点对点的高速串行通信网络结构,用于建立控制层之间的通信,称为PESNet[5,6,7,8,9,10]。PESNet介于PEBB控制层与变换器控制层之间,如图3所示。
2 PESNet的网络通信协议
针对基于PEBB的分布式分层控制方式,文献[6-8]在运动控制光纤环网(motion and controlring optical,MACRO)拓扑基础上提出PESNet。PESNet具备高效率、高速率的信息交换能力和系统保护机制。目前,PESNet已经发展到PESNetⅡ版本[9,10]。PESNetⅡ具有以下特点:确定的网络响应时间;较大的网络数据吞吐量;精确的网络节点同步;开放式网络结构;支持点对点通信。
采用基于开放系统互联(OSI)参考模型的分析方法,PESNetⅡ网络协议从OSI的7层模型出发,经过精简后,采用如下从低到高的4层结构:物理层、数据链路层、网络层、应用层。其中:应用层实现变换器级控制;网络层实现点对点寻址,开关级的节点同步和与系统级的接口;数据链路层实现将二进制数据流打包成网络数据包,或者将网络数据包分解为二进制数据流,同时具有当传送数据失败时变更路径的功能;物理层主要包括光纤和各种通信芯片,如收发报机芯片等。
PESNetⅡ采用高速光纤,带宽达125 Mbit/s,实际带宽为100 Mbit/s。
PESNetⅡ通信协议规定的数据包结构形式见图4。其中,指令标示符标示数据包种类,共有5种类型:空数据包(NULL),用于网络通信量填充;标准数据包(NORMAL),用于传送控制变量和传感器输出数据等;异步数据包(ASYNC),用于传送非周期数据和突发数据;同步数据包(SYNC),用于同步信息;扩展数据包(EXTENDED),用于网络功能扩展,如网络重构功能。地址域1标示送出数据包的节点,地址域2标示接收数据包的节点。网络时间用于网络节点同步。冗余校验码用于冗余校验。
由于PESNet为环形拓扑结构,信息发送模式为点对点,因此,不同位置的从节点接收主节点的信息必定存在不同传输延时,网络节点之间不能自然到达同步。而基于PEBB的反馈控制,严格同步是必须要满足的条件。例如:三相系统的逆变器或整流器,若每相桥的PEBB不能很好地同步,则系统无法正常工作,即无法实现预期的控制。因此,需要在网络协议中加入同步机制,以确保整个系统按照控制器的控制算法运行。
3 基于网络时钟的网络同步策略
各节点接收和发送数据包的时间间隔Δt为:
式中:n为数据包的字节数;B为带宽。
如果网络中某个节点没有数据发送,则发送空数据包,进行网络通信量填充。每个节点都有一个与发送周期同步的称为网络时钟(NETCLK)的变量,每当隔Δt时间,一个数据包发送出去,NETCLK就增加一个计数。同样,每一个网络节点也有一个数据包接收时钟,每当数据包到达该节点,或者说该节点接收到一个数据包时,这个时钟就增加一个计数。从一个节点发出数据包到相邻的节点发送数据包,这段时间应为Δt。通过预先调整数据包发送时钟和数据包接收时钟,可以精确实现所有网络节点都在同一个时刻发送数据包。
如果NETCLK设置为数据包发送出去一次就增加一个计数,那么每个节点的NETCLK的增加行为是可以同步的。剩下的问题就是如何校正每个节点的NETCLK的值,使其具有相同的时钟。基于这个目的,有且仅有一个网络中的节点被选中为主节点,这个主节点的NETCLK以任意值开始计数,然后每发送出去一次同步数据包就增加一个计数,而网络中的剩余节点可以根据接收的主节点的数据包,校正其NETCLK的值,最后使得所有节点的NETCLK值相同。具体的同步过程如图5所示,同步过程的顺序为从图5(a)至图5(h)。
考虑到不同的PEBB需要同步动作,如三相逆变器的触发脉冲信号,而对应到PESNet中,就是不同网络节点要在同一个网络时间动作。这时只需要在数据包中包含触发时间tfire即可,tfire代表了具体的网络时序,即
式中:TNETCLK为NETCLK的值。
当式(2)成立时,所有需要动作的节点同时动作。
4 基于时间戳的网络同步策略
基于时间戳的同步策略源于IEEE 1588标准,即精确时间协议(precise time protocol,PTP)[11,12]。虽然PTP是局限用于以太网的一种同步方法,但是对于其他实时性通信路径的网络而言也是适用的。
在该同步协议下,网络中给每个节点都设置一个计数器作为本地时钟。网络中存在一个主节点,其余为从节点,主节点的计数器作为整个网络系统的参考时钟,其余从节点的计数器周期性地与主节点计数器同步校正。
在系统初始阶段,主节点发出一个测试信息,通过测试信息验证通信环网路径是否通畅。同时,在这个测试信号的传送过程中,每个从节点获得一个独立的节点编号。当测试信息通过整个环网后,主节点的计数器开始计数,同时发出一个启动信息给所有从节点,以启动它们的计数器。完成后,网络中所有的节点都开始计数,但是并没有同步。然后,一个初始的同步周期开始运行,主节点发送一个同步信息,并记录发送时间tsend。随后,主节点再通过一个跟随报文将发送时间tsend发送给所有的从节点。
同步信息在通信环形网络上传送一周,所有的从节点都收到这个同步信息,并记录收到该信息的当地时间treceivei和将该信息发送出去的当地时间tsendi,其中下标i表示第i个从节点。这样,每个从节点可以计算出节点内部网络延迟tparti:
每个从节点计算出节点内部网络延迟tparti后,向前发送至前面的从节点,最后至主节点。当同步信息回到主节点,主节点记录收到同步信息的时间treceive。这样,主节点可以计算出整个通信系统的网络耗时ttotal:
至此,主节点具有了ttotal和tparti的时序信息,可以计算出网络相邻2个节点之间的平均延迟tavg:
式中:n为网络中从节点的总数。
主节点计算得到平均延迟tavg后,将其发送给所有的从节点,这样,从节点就可以根据其节点编号i和平均延迟tavg计算出时钟差δi:
再根据同步信息发送时间tsend校正本地时间tlocal等于同步时间tsyn:
具体的同步过程如图6所示。
当初始同步过程完成后,同步信息以一个固定的周期继续对从节点的本地时钟进行校正。但是,已不需要计算节点内部网络延迟tparti,因为在通信系统工作时,tparti变化很小,仅可能因为温度等原因发生极小的变化。
5 同步策略对比
上述2种同步策略都可以用于PESNet的同步设计,但是每种策略都有其优势和劣势。表1列出了2种同步策略的比较结果。
下面从几个方面加以具体分析。
1)同步精度
要实现基于网络时钟的同步方法,必须首先通过测量或者计算的手段得到传输延迟,然后通过预先调整数据包发送时钟和数据包接收时钟,使得所有的时钟在同一时刻增加计数。而基于时间戳的同步方法,不需要预先测量或者计算传输延迟,而是通过节点之间时间戳的传递由主节点通过平均值算法计算得到,但是由于光纤距离不完全相同,故存在一定的同步误差。因此,基于预先测量和计算的网络时钟同步方法精度要略高。
2)同步速度
根据上述同步过程分析,基于网络时钟的同步方法,主节点首先要用多播方式发送一个网络报文进行预调整,这需要n-1个时钟周期,然后需要按照图5所示过程进行网络时钟校准,而这个过程至少需要2n-2个时钟周期才能完成,共需3n-3个时钟周期。而基于时间戳的同步方法,首先需要n个时钟周期进行各节点耗时计算,然后再用n-1个时钟周期进行平均耗时的传送,所以共耗时2n-1个时钟周期。
3)资源消耗
基于网络时钟的同步方法,需要在报文中增加一个时钟字节,这样增加了网络开支,且在没有有效信息的情况下也必须发送空报文。而基于时间戳的同步方法,需要本地节点具有一个计数器,这将增加硬件开支。
4)同步周期设定
基于网络时钟的同步方法,其同步周期与工作周期直接关联,例如当主节点每隔1 ms发送一个指令给从节点时,同步周期就是1ms。这意味着同步精度与网络实际应用关系紧密,所以应用时必须考虑同步精度。而基于时间戳的同步方法,同步周期与工作周期无直接关联,但是也需要通过事先的计算和试验确定一个合适的网络同步周期。
5)应对网络突变能力
基于网络时钟的同步方法,由于是预先计算或测量节点之间的延迟,然后进行预调整使得计数同步,当网络发生突变时,例如当2个节点间长度为1m的光纤由于某种需要变为5 m时,2个节点间的网络延迟增加,这样将造成2个节点之间的同步误差增大,并且由于传递效应,网络中后续节点的同步误差都将以同一尺度增大,若影响系统正常工作,那么只能停机对网络时钟进行重新校正。而基于时间戳的同步方法,由于采用了平均值算法,同样当2个节点间长度为1 m的光纤变为5 m时,相邻2个节点之间的同步误差将平摊到网络中所有节点之间。当节点数目较多时,最大同步误差将变得很小。
参考文献
[1]HINGORANI N G.Power electronics building block concepts[C]//Proceedings of the IEEE Power Engineering SocietyGeneral Meeting:Vol 3,July 13-17,2003,Toronto,Canada:13-17.
[2]Power electronics building block(PEBB)concepts[R].IEEEpublication 04TPI 70 prepared by the Task Force 2 of theWorking Group i8,2004.
[3]IEEE Std 1662—2008 Guide for the design and application ofpower electronics in electrical power systems on ships[S].2008.
[4]ERICSEN T,HINGORANI N,KHERSONSKY Y.PEBB—power electronics building blocks from concept to reality[C]//Proceedings of the IEEE IAS 53rd Annual Petroleum andChemical Industry Conference,September 11-October 15,2006,Silchar,India:7p.
[5]杭丽君,胡海兵,吕征宇,等.基于电力电子标准模块的高速智能通讯网络拓扑[J].中国电机工程学报,2006,26(20):50-56.HANG Lijun,HU Haibing,LZhengyu,et al.Novel highspeed and intelligent communication topology based on PEBB forpower electronic system integration[J].Proceedings of theCSEE,2006,26(20):50-56.
[6]MILOSAVLJEVIC I,YE Z,BOROYEVICH D,et al.Analysisof converter operation with phase-leg control in daisy-chained orring-type structure[C]//Proceedings of the IEEE PowerElectronics Specialists Conference:Vol 2,June 27-July 1,1999,Charleston,SC,USA:1216-1221.
[7]MILOSAVLJEVIC I.Power electronics system communications[D].Blacksburg,VA,USA:Virginia Polytechnic Institute andState University,1999.
[8]CELANOVIC I,CELANOVIC N,MILOSAVLJEVIC I,et al.A new control architecture for future distributed powerelectronics systems[C]//Proceedings of the IEEE PowerElectronics Specialists Conference:Vol 1,June 18-23,2000,Galway,Ireland:113-118.
[9]FRANCIS G.A synchronous distributed digital controlarchitecture for high power converters[D].Blacksburg,VA,USA:Virginia Polytechnic Institute and State University,2004.
[10]FRANCIS G,BURGOS R,CELANONIV I,et al.Auniversal controller for distributed control of power electronicssystem in electric ships[C]//Proceedings of the AmericanControl Conference,June 8-10,2005,Portland,OR,USA:1999-2004.
[11]IEEE 1588—2002 Standard for a precision clocksynchronization protocol for networked measurement andcontrol systems[S].2002.
分布式数字签名 篇6
计算机的发展使得数据库技术也随之发展起来, 分布式数据库系统是集中数据的拓展, 其发展是建立在集中数据库与网络技术之间相结合的基础上。当前计算机体系的拓展与数据库技术的结合, 分布式数据库已经成为信息管理系统中不可缺少的重要基础系统。分布式数据库已经可以在信息处理的领域获得了较好的应用, 其技术特征是可以将系统单位分散到不同的部门, 允许各个部门将数据存储在本地的数据库中, 这样的就地存放与使用可以提高数据的反应速度, 降低通信系统的成本, 分布式数据库系统的数据根据不同的系统需求分布在不同的节点上, 因此数据库存划分问题, 即需要对数据库网络划分进行合理设置, 这样才能获得较好的相应机制。在分布式数据库系统中需要冗余, 在增加数据副本以提高整个系统本地数据处理的效率。通过也需要增加系统的运行性能与可靠性, 综合提高系统效率。但是数据的冗余必须关注一致性, 此时数据库会付出数据更新的代价, 所以在分布式数据库分配计划是应考虑综合性的方案。综合分布式数控的结特征, 以其建立的校园信息网其优势也较为明显, 其计算机资源可以共享;网络负担小;安全性较高;软件结构也可以合理设置。
2 校园信息分布平台的设计方案
2.1 数据逻辑性的划分
分布式数据库的逻辑划分是为了保证其功能与运行效率, 划分是对分布式数据库的一种分片设计, 分片设计主要是根据客户需求进行的, 有水平、垂直、混合、诱导等几种方式, 在校园的网络中应按照其应用特征进行选择。为了提高分布式数据库的可靠性, 需要将划分后的逻辑片段建立在某种场地上, 这样一旦出现一个场地的故障, 这个场地的数据因为其在其他场地上有副本存在, 整个系统故障消除后即可在这个场地恢复, 这样就减少了通信负担, 同时也可改善数据的可用性, 减少系统响应的耗时, 此时需要将某个场地上的常用数据进行直接存储, 并完成就近使用。分布式数据库中有多种方式可以适应需求, 在高校数据库使用中, 其特征是在某个时间段内会出现信息流高峰。信息的互访比较集中, 大量的信息查询同会集中在各自的场地上。针对校园网络的这个特征, 在设计中通常会考虑才混合方式来构建网络数据库的分布方式。也就是在设计中将信息平台中的数据按照不同到的部门与功能进行划分, 并使之形成若干的子集, 存储在各自本地的数据库服务器上, 然后在利用网络共享的技术形成多个副本完成共享, 并将副本存储在中心数据库服务器上, 不同部门之间的互访则在中心数据库中完成, 即对副本进行访问。
2.2 数据分布方案的确立
分布式数据库和集中式数据库是一致的都是由两个部分组成, 一个是关于应用而储备的数据集合, 即物理数据库, 这个部分是数据库的核心;另一个是相关的数据库结构的定义, 是全局数据分布和分布的描述, 也就是描述数据库。分布式数据库中的数据也可分为全局数据与分局数据。分局数据就是指提供本站点的辖区内的数据需求;全局数据则是指存储在各个点站内的通用数据, 即这些数据可以在多个点站内被全局浏览与应用, 其参与的是全局的应用。数据分布对整个数据库的性能和可靠性与效率的影响都很大, 因此在前面的分中所得出的校园数据特征就成为确定分布方案的基本点。
在校园中大部分数据都是根据校园信息的传递与使用特征而设计的, 信息互访仅仅集中在某个时段内, 即尤其学期性质。大量的信息在某个时间限定在各个校区。这时就可以提出一个适应策略, 各个校区数据服务器将被作为某个局域网络的节点, 在这个服务器上安装相应的数据库系统, 这个数据库内保存的是本区域内的数据集合, 不同校区之间设计有访问权限, 在访问中所共享的数据是核心数据库中的副本。通过分布式的事务和复制来保持数据的一致性, 同时中心数据库可以在不同的校区服务器上设定一定的关联权限, 只有注册用户才能进行相关的操作。这样的方案优势十分明显, 一则是可以减少本地网络的数据库工作负担, 减轻了节点之间的互访而形成的系统复杂性;一则即使整个系统中的某个小区服务器出现了故障不会影响整个系统的运行, 因为中心数据库会保持相应副本的完整, 为系统提供服务。因为各个校区子数据库中的数据都有备份, 所以可以保证系统的正常运行。
3 结语
综合的看校园信息化平台的特征是在不同的校区提供相应的数据服务, 因此在利用分布式数据库进行服务的时候应考虑到其特征。在设计解决方案的时候应采用混合式的结构模式, 这样才能保证校园数字化平台的高效与安全。
摘要：校园数字化平台需要数据在学期内的几个访问高潮中保证系统的稳定与安全, 因此在设计分布式数据库的形式选择上可以采用混合型方式, 对本地与中心数据库中的数据进行当地存放而副本集中的方式。
关键词：分布数据,网络技术,方案选择
参考文献
[1]杨碧梅, 卓娅.校园网站数据库设计与实现[J].中国科教创新导刊, 2011 (29)
[2]徐华明.充分发挥校园网络功能[J].基础教育参考, 2010 (22)
分布式数字签名 篇7
目前我省已建成的输气管道干线总长约3 500多公里, 覆盖省内11个地市的81个县区。然而, 随着燃气入户不断增加, 燃气管网的布设也在逐步增多, 导致地下管网变得纷乱错杂, 在日常管道运营中, 频繁受到外界各种入侵事件的影响致使管网事故频发, 其后果多为管道燃气泄漏引发的火灾、爆炸, 直接对人民的生命财产安全造成严重威胁。
传统的长距离运输管道泄漏监测方法主要是基于管内运输介质的温度、流量、压力和管壁完好程度来判断, 但是这些方法普遍存在问题主要有:不能提前或实时对介质泄漏隐患进行预报, 事故发生后难以及时准确判定泄漏的具体位置等。本文针对当前燃气运输过程中存在的问题, 提出了采用分布式光纤传感监测技术在线实时监测管道的运输情况, 准确预测和定位泄漏隐患存在位置, 及时发现处理问题, 确保人民生命安全。
1 分布式光纤传感技术
分布式光纤传感系统能够实现长距离、大范围的连续、实时、长期的在线监测, 也是当今光纤传感技术发展的一个主要方向。另外, 分布式传感系统具有较高的性价比, 使得在大型管道运输工程中广泛研究应用, 光纤传感领域中基于各种散射机理的分布式传感系统是其研究的热点之一[1]。
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 此技术主要以MZ干涉技术为基础, 通过利用双向干涉结果的相对相位, 采用相关的方法取得两者相对时差进行定位。入射激光、光纤耦合器以及传感光纤等的本身特性决定了分布式光纤的灵敏度。在长距离监测应用中, 由于大量噪声引起的相位扰动很大程度上会使监测信号湮没, 相关性大大减弱, 对于这一问题, 针对性的提出先对MZ干涉进行解调, 然后在获取实际相位变化后再进行定位的方法。其原理图如下图1所示。
其基本工作原理为:由1端发出的光, 经耦合器1后分别进入长度基本相同的两根单模光纤中。两根光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。同样, 由于光路的对称性可知, 在由2端发出的光, 也同样在耦合器1处发生干涉。在传感光纤无扰动前提下, 1端发出的光会在2端产生稳定的干涉条纹。同时, 由2端发出的光也将会在1端产生稳定的干涉条纹。在采用窄带激光作为光源时, 将分别在1端和2端接到稳定的光功率[2]。
2 燃气管道泄漏监测的系统结构及工作原理
针对燃气管网易燃易爆特性, 以及当前管线监测方式多为带电操作、人工监测为主, 该系统基于多种光纤传感技术, 设计复合监测系统, 以解决当前燃气管网安全缺乏有效监测手段的问题, 对燃气管网运行状况进行实时监测, 提高了系统监测精度和准确性。该系统实现了对管线安全的实时监测 (泄漏、管壁形变、温度等的综合监测) , 并通过光纤网络将数据传输反馈终端, 由终端计算机对数据进行分析处理后实现调度中心和重点监测线路同时报警法[3]。其系统结构如图2所示。
基于光干涉原理、拉曼散射原理的光纤传感监测系统, 多种传感技术互补, 实现对燃气管线泄漏全方位监测, 两种方式结合, 减少监测盲区, 为值班人员提供管线安全告警, 极大地降低漏报概率。
3 燃气管道的检漏和定位
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 利用分布式光纤振动传感器获取管道沿线振动信号, 通过信号特征分析及模式识别, 对管道沿线引起振动的事件进行判别。当系统发现管道沿线确有威胁管道安全的异常事件发生时, 立即对发现的异常事件的事发点进行定位帮助, 线路维护人员及时发现燃气管网的窃取、入侵和破坏行为。用三根光纤组成两组MZ干涉仪, 光纤1和2作为振动检测臂, 其有相向传输的两组相干光传播, 并在耦合器和2处发生干涉, 在分别进入探测器1和2, 光纤3作为信号传输臂构成信号传输回路[4]。其定位系统的结构图如图3所示。
由于事件发生的位置到分布式传感器两端探测器的距离不同, 而光波在光纤中的传播速度是一定的, 因此分布式光纤传感器两端的探测器检测到同一事件的时间也不相同, 假设传感器首端和末端的两个探测器检测到同一事件的时间分别为t1和t2, 根据两个探测器检测到同一事件的时间, 计算事件发生位置的原理如图4所示。
因此分布式光纤检测系统单端定位公式可以表示为:
公式中, t1为探测器1感知到振动信号的时间, t2为探测器2感知到振动信号的时间, v为光波在传感器中的传播速度, v=c/n (c为光速, n光纤的折射率) 。
4 现场试验及分析结果
项目开发完成后, 选择一段在建的燃气输送管道进行试验, 光纤布设长度约50 k M, 光缆为缠绕敷设在管道上, 并随同光缆直埋。利用该光缆中的三芯构成MZ干涉原理的燃气管道安全预警系统, 用来对燃气输送管道沿线出现的外物入侵或燃气泄露进行预警和定位。
试验选用人为用铁锹在输送管道上方作业, 对埋设的管道进行挖掘。当挖掘进行到一定深度时, 检测系统进行报警并定位, 试验过程中收集到如下表1的42组数据。
表中挖掘定位的平均值为24 023 m, 定位标准差121 m。
通过上述现场实际测试, 可以得出采用基于MZ干涉技术为基础的光干涉原理长距离分布式光纤管道振动传感技术, 在大约50 k M左右的检测干线上, 能够将定位精度确定在120 m内, 相对精度达到0.24%。通过此试验及其结果分析, 采用分布式光纤振动检测技术, 能够实现50 k M燃气管网输送的无人监测, 实时可靠的对外来入侵事件进行报警和定位, 确保燃气输送安全。
另外, 实验也表明, 该系统工作稳定, 检测灵敏度和定位精度均达到使用要求, 能够推广应用于工程实践。
参考文献
[1]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社, 2000.
[2]周寒青, 陈署英, 隋成华.马赫-泽德光纤传感器试验研究[J].激光与红外, 2005, 35 (10) :794-796.
[3]周琰, 靳世久.管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J].光电子.激光, 2005, 16 (8) :935-938.
分布式数字签名 篇8
梅山选厂山西片分布式控制系统在2000年已经完成,目前已经实现主要设备的自动启动和停车,远程、机旁控制,皮带的顺序启动和停止的连锁控制。并且实现了主要设备的运行状态均可在MIS网上实时监视,在网上实现历史数据的查询。
随着生产工艺的不断改进完善,节能新技术的不断应用普及,近年来对山西片设备进行了一定的改造。如重选车间新增0~0.5系统和45m大井,直线筛和大跳泵的改造,细碎车间更新三台进口破碎机等,这些设备的生产数据需要采集补充到生产过程分布式控制系统控制系统中。细碎1#破碎机机旁柜控制器由CPM1A升级为CS1并对现场设备信号实现远程监控。
除了新增和改造设备外,原部分生产设备的开停车信息及部分设备的运行电流等参数也需要进行采集。此外,根据生产要求,对部分设备的控制线路实行远程控制改造,增加这些设备的远程紧急停车控制功能,以便在出现紧急情况时,可以远程紧急停止这些设备的运行。同时,对这些设备中原来已经进行过变频改造的泵类设备,根据需要增加远程调节功能,使其能够实现远程调节变频器的电流及频率。
此次,实施生产设备运行状态信息监控系统的主要目的,是为了给选厂分布式控制系统控制系统提供更完善可靠的设备监视功能,方便调度人员与生产操作人员结合分布式控制系统的设备运行状态,进行对比分析、综合判断。完善分布式控制系统系统,对设备的远程控制功能,降低工人的劳动强度,规范职工的现场规范,建设成为一个数字化的选矿企业。
2 设计目标
本次分布式控制系统信息采集系统完善,要在现有的DCS系统基础上,充分利用当前网络、站点和服务器的硬件和软件(PLC程序、工程师站和操作员站程序、服务器程序、生产指挥系统程序等),对新增设备、改造后的设备信号进行采集,对老设备信号进行补充采集。同时,对相应的PLC程序编写和优化,对部分重要设备控制部分进行升级改造,完善系统功能,增加设备的远程紧急停车控制功能等,完善并补充信息查询系统,包括设备的启停记录,运行时间记录和报警提示信息等。
改进和完善选厂生产分布式控制系统系统,在满足现场生产需要的情况下,达到稳定的设备控制和较高分布式控制系统水平的新选矿系统。
3 Controller Link现场总线
Controller Link(CLK)网是OMRON推出的一种FA网络,其节点为C200HG、CQM1H、CV、CS1、CJ1等系列的PLC和计算机。CLK网主要是为了方便在网络中的各个PLC节点之间进行大容量的数据交换,协调控制网络中的个PLC节点。
CLK网有两种通信方式:数据链接和信息通信。(1)数据链接:一种自动实现网络节点之间的数据共享的方式,在节点之间建立了数据链接并启动应用,节点间的通信便可自动进行。数据链接能够在CLK网络上的PLC间或PC间共享公共数据,数据会从本地接点的发送区域自动传送到远程节点的接收区域中。(2)信息通信:一种通过程序执行指令来实现通信的方式,PLC节点可以在程序中用通信指令向其他节点发起通信,计算机节点可以使用高级语言编程向其他节点发起通信。信息通信可由用户根据需要设置,灵活度较大;数据链接可交换大容量的数据,不需要编程。数据链接和信息通信这两种通信方式在网络中可以同时使用。通过设置数据传输量的大小,最大传输距离可达0.5km(2Mb/s)~1km(500kb/s)。
4 整体架构
为满足用户需求,本次分布式控制系统系统采用了目前世界上最为先进的现场总线(Field Bus)控制方式,选用先进的检测和控制设备,以保证分布式控制系统系统的准确性和可靠性,系统采用了Controller Link现场总线。现场总线(Fieldbus)是指将现场设备与可编程控制器、操作计算机等互连而成的计算机网络,具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点,是工业控制网络逐步向离散化控制发展的产物。
采用Controller Link现场总线的分布式控制系统中的仪表及设备,向着智能化、数字化、模块化、高精度化和小型化的方向发展。智能仪表和设备之间,不再用模拟信号通过电线、电缆进行互连,而采用现场总线技术进行数字通信,信号传递更加可靠、经济,设备之间的连接更加方便灵活,极大地节约了电缆成本和人力成本。
现场总线通过不断地发展和完善,最终实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成统一,具有以下技术特点:(1)现场设备已成为全数字化设备,通过传输介质(双绞线、同轴电缆或光纤等)以总线拓扑相连,组成数字化网络;(2)现场总线网络的实时性好,抗干扰能力强,传输速率高(根据不同的网络,最高可达100Mbit/s级);(3)不同的功能由不同的模块实现,便于系统维护、管理与扩展,分散风险;(4)开放式的网络结构,既便于同层控制级网络相连,也便于与监控级网络或管理级网络相连;(5)通讯标准的公开性、一致性,使系统具备开放性,从而设备间具有互可操作性。(6)本次采用的Controller Link现场总线,已成为日本国家标准和行业标准。Controller Link总线能使PLC、计算机等节点间方便、灵活地发送和接收大容量数据,且具有较高的实时性、可靠性。由于系统控制设备分布广,考虑到系统兼容性,本系统选择欧姆龙CS1系列PLC作为控制器。
5 系统拓扑图
山西片分布式控制系统系统采用现场控制层采用Controller Link总线,通过光纤连接各站点。系统结构图见图1。
6 系统功能
分布式控制系统(DCS)从功能的角度,可以划分为三个级别,即:现场控制级、过程监控层和生产管理级。(1)现场控制级主要是对现场设备进行监控。现场应用层采用了可编程序控制器(PLC),与现场设备通过电气接线或通讯的方式,采集设备的运行状态或运行参数,通过一定的逻辑判断运算对设备进行控制,系统的可靠性很高。(2)过程监控层一般为CS架构(即服务器/客户端结构),系统由两台冗余服务器和多台操作计算机组成。操作计算机可以分为工程师站和操作员站,设定不同的权限,工程师站主要负责画面的组态编辑修改,操作员站主要负责画面的监视和操作,服务器主要负责与可编程序控制器(PLC)通讯,采集实时数据并记录到数据库中,发布实时数据与画面到企业局域网中,供操作计算机或生产管理层调用。(3)生产管理级主要厂领导调度、指挥生产以及生产决策。服务器将数据发布到梅山局域网后,通过设定不同的访问权限,不同的用户通过网页浏览,可以在梅山局域网内联网查看到现场设备的运行情况和生产情况,及时了解现场设备状况,做出相应的判断和决策,提高生产效率。系统功能架构见图2。
7 系统特点
本控制系统方案具有如下特点:(1)本系统充分结合生产工艺和现有的分布式控制系统系统状况,按照先进、成熟、可靠、安全、灵活、适用、开放、经济、有效的总体原则进行设计,并与现有分布式控制系统完全兼容。(2)建立三层计算机网络,控制级、集控级和管理级构成基于现场总线(Controller Link)的PLC-SCADA系统。工作站计算机互为备份,当一台操作站出现故障时,另一台操作站及时投入工作,确保数据完整、准确。(3)“生产作业现场设备运行状态信息监控系统”每一部分施工、投运和调试可以保证既相互独立又相互联系。(4)整个分布式控制系统系统结构合理、工艺控制思路及方法先进、系统稳定可靠。选购设备为经过实践检验的成熟仪表,保障设备安全运行、减少故障,提高设备作业能力。(5)分布式控制系统系统有历史数据查询、报表等诸多信息处理功能。重要数据可保存一年以上,便于强化管理、工艺比较分析和查询统计。(6)经过授权,通过Internet网还可以实现远程登录访问,随时随地了解选矿车间相关生产、设备和产量等信息。在车间调度室、办公室均可以实时浏览现场设备的工作状况,便于调度和指挥生产。(7)分布式控制系统系统在提高经济效益的同时,还可以减轻工人的操作强度,并可以减员增效。(8)系统扩展性好,充分考虑到将来的分布式控制系统系统延伸。系统为未来其它分布式控制系统系统的接入留有接口,管理级经扩展还可与矿业公司、宝钢集团总部联网等。
8 结束语
梅山选厂山西片分布式控制系统DCS系统改造后,取得了明显的效果,主要表现如下:(1)本次系统改造为未来企业综合分布式控制系统和信息管理提供了坚实基础。本系统可以保存重要设备的主要参数运行状况,并显示实时曲线,提供历史记录查询等,对信息的管理功能加强,提供了底层数据给全厂管理信息系统(MIS),方便了系统的维护和扩展。(2)系统改造后提供了更完善可靠的设备监视功能,极大方便了调度人员与生产操作人员结合分布式控制系统系统的设备运行状态进行对比分析、综合判断。(3)完善了分布式控制系统系统对设备的远程控制功能,降低工人的劳动强度,规范职工的现场规范,建设成为一个数字化的选矿企业。
摘要：文章介绍了梅山选厂山西片分布式控制系统(DCS)数字化改造的设计目标和方案,分析了Contrller Link现场总线网络,即PLC与工控机间的连接技术,并简述了系统改造后的功能和特点。
关键词：分布式控制系统,Controller,Link,数字化
参考文献
[1]尉志飞.分布式控制系统研究及其在印刷系统中的应用[D].山西大学,2013.
[2]杨实能.煤矿生产监控与管理信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,2012.