仿真系统平台（共12篇）
仿真系统平台 篇1
“信号与系统”课程是电气信息类专业的基础课,理论性强,学习难度大,互动性强的演示系统有助于课程的教学开展。近年来国内高校针对课程演示平台的开发进行了大量工作。有代表性的包括:金波等设计的“信号与系统”实验演示系统涵盖了课程中20 个实验内容,系统实现了计算过程的可视化与人机互动[1]。李秀梅等开发的“信号与系统”课程图形用户(GUI,Graphical User Interface)演示系统包括信号的基本运算、信号卷积、LTI连续及离散系统、采样定理、傅里叶级数展开、滤波器设计六个模块[2]。俎云霄等开发的同类系统分为连续时间信号与系统、离散时间信号与系统两大模块,每个模块中包括五个子模块,分别是信号的时域性质及卷积、信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换、z变换、系统频率响应、通信系统等,同时该系统可生成exe文件,在无Matlab环境下运行[3]。杜世民等开发的教学仿真平台以“信号与系统”课程教学内容为主线,内容涉及了信号时域分析、系统时域分析、连续周期和非周期信号频域分析、系统频域分析、连续信号与系统s域分析、离散信号与系统z域分析七个模块[4]。
上述系统基本以教学内容为主线,将各知识点演示,可作为课堂教学的辅助,亦可作为学生课后复习使用。笔者团队开发的教学仿真演示平台,同样基于Matlab的图形用户界面开发环境设计实现,平台中除包含课程教学核心内容外,着重在动态演示、工程应用方面加入实例,目前平台中包括通信领域的调制与解调、语音信号处理、图像处理领域的工程应用等。
1 教学仿真演示平台整体框架和功能介绍
1.1 系统框架
根据“信号与系统”课程教学内容和教学目标,设计的教学演示平台包含四个方面:信号的表示、信号处理、系统分析、工程应用四大模块,同时为了方便用户查看知识点,平台中设计了帮助系统。Matlab中的图形用户界面,具有良好的交互性,方便课程知识点的仿真演示[5]。演示平台整体框架如图1 所示,图2是平台主界面图。
1.2 平台功能介绍
1)信号的表示:该功能模块主要用以演示典型连续与离散时间信号的波形。系统提供了八种典型信号可供选择,信号的基本参数可选择,同时在界面中提供信号波形生成的代码;
2)信号处理:信号处理模块包括信号的基本运算、信号分成与分解、信号的傅里叶变换域频谱分析。其中基本运算包括对信号时间变量的运算、对信号值的运算以及信号的卷积,信号的傅里叶变换模块中,提供多种信号频谱进行演示。信号合成模块给出方波和锯齿波两类信号傅里叶级数展开的动态合成过程。部分演示界面如图3所示;
3)系统分析
该部分包括离散时间系统分析和采样系统的过程演示两大模块。离散时间系统分析根据手动选择系统零极点位置,动态展示系统单位样值响应、系统频谱响应之间的关系。采样系统可展示连续时间信号欠采样、临界采样、过采样三类状态下信号的频谱以及复原过程;
4)应用模块
目前该模块包括三个应用领域:通信系统中的调制与解调、语音信号分析、图像信号处理。其中语音信号分析包括语音信号生成、语音信号分析、语音信号处理三个实例,主界面见图4;
5)帮助模块
为方便查看课程知识点,本演示平台中设计了帮助模块,其界面如图5所示,方便用户使用过程中查询相关知识点。
2 典型模块举例
2.1 动态演示模块举例
为配合教学,本平台中加入了动态显示的模块,用以阐述信号运算过程或系统的特性。信号基本运算模块中加入了离散信号卷积的动态显示部分,可清晰揭示卷积的图解过程,帮助学生理解卷积的本质和运算过程,其界面和结果图如图6所示。连续时间信号的傅里叶级数分解一直是学习的难点,设计的演示系统中给出了方波和锯齿波信号合成的动态过程,通过该演示界面,可直观了解连续时间信号傅里叶级数展开的原理,并观察吉伯斯现象,该界面图如图7所示。图8是离散时间系统分析的演示界面图,可实现人工选择系统零极点位置,由此动态演示系统频率响应、求解系统单位样值响应的整个过程,该实例将有效帮助学生理解系统零极点图与系统频率响应的关联性,深刻认识系统滤波的概念。
2.2 工程应用举例
“信号与系统”课程中理论知识点较多,与工程实践的结合是教学改革的趋势[6]。笔者参考了部分教材中的应用实例[7,8,9],选择了通信、语音信号处理和图像处理三个领域的工程实例作为仿真演示实例。调制和解调是“信号与系统”课程的重要知识点,通过演示界面,直观地给出信号调制和解调的全过程,特别是调制前后时域和频域的波形,其界面图如图9所示。语音信号和图像信号是两类常用工程信号,有众多工程应用,笔者选择语音信号合成、语音信号分析作为初步的演示实例,同时配合课程教学中的系统分析应用,将语音信号回声消除系统进行展示,上述界面图如图10-12 所示。同时,平台中将利用小波变换进行图像去噪的实例作为工程应用的实例之一。
3 总结
本文介绍了“信号与系统”课程教学演示平台的主要功能,特别详细介绍了面向工程应用的几个实例和动态演示实例。该教学演示平台互动性强,可为教学的有益辅助。目前,该教学仿真演示平台仅涉及了三个应用实例,今后可扩展至更多领域,将工程案例与理论教学有机结合。目前,笔者团队正在扩展语音信号分析与处理、图像处理模块的内容,将更多应用案例加入平台中。
摘要：“信号与系统”是电气信息类本科专业的基础课之一,该课程理论性强,学习难度大。将信号运算、频谱分析、系统分析等知识点利用仿真演示平台配合传统教学,有助于学生掌握教学内容。开发的信号与系统教学仿真演示系统包括信号处理模块、信号和系统分析模块、信号处理应用模块、帮助模块等。该系统应用Matlab中的图形用户界面编程实现,具有良好的互动性。为配合教学,演示系统中包括了常用信号运算、信号分解、信号频谱分析、卷积运算、系统频率响应分析及各类应用等,同时为结合工程应用,系统中包含在通信、语音信号处理、图像处理领域的应用实例。该演示平台可作为传统教学的补充和辅助。
关键词：信号与系统,Matlab,教学仿真演示平台,图形用户界面
仿真系统平台 篇2
城市轨道交通综合监控系统全线仿真测试平台的设计
本文从城市轨道交通综合监控系统研发和工程实施的需要出发,提出一种系统仿真测试平台的`设计方案,该方案既能满足全线仿真测试的功能要求,又灵活方便,投资成本低.
作 者：吴坚 韩玉雄 作者单位：上海轨道交通设备发展有限公司刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：“”(11)分类号：U2关键词：城市轨道交通 综合监控系统 仿真测试
云计算平台仿真机制研究 篇3
关键词：云计算；CloudSim；仿真
中图分类号：TP3
作为下一代计算模式，云计算被视为网格的商业化实现[1]。构建真实云环境是个系统工程，利用仿真进行云计算技术的研究是可行的方法。目前，比较典型的仿真平台有CloudSim[2]和SimCloud[3]。CloudSim的目标是对不同应用和服务模型的调度和分配策略的性能进行量化，达到控制使用云资源的目的。SimCloud将众多工程数值仿真应用软件、服务器等资源进行整合，并植入灵活多样的动态资源配置策略。鉴于CloudSim的开源性，本文旨在剖析CloudSim的层次体系结构及实现机制。
1 CloudSim层次体系
图1显示了CloudSim平台的多层次模型以及各层次的结构组件。
图1 CloudSim的层次体系
1.1 用户代码层
该层提供了基本实体（主机、虚拟机、应用类型及调度策略）。通过扩展该层实体，可以执行：（1）生成负载分配和应用配置请求；（2）对云可用场景建模，根据自定义配置执行鲁棒性测试；（3）为云实现自定义应用调度技术。
1.2 云资源层
该层对云底层物理资源建模。云环境的基础设施主要通过扩展数据中心进行模拟，数据中心管理主机，主机即实际物理机，分配了处理能力、存储和处理核的调度策略。主机根据云服务提供商的虚拟机分配策略调度到虚拟机上。同时，主机组件已实现了单核和多核的接口支持。实体即实例化组件，一个CloudSim组件可以是一个类或CloudSim模型的类集。
1.3 云服务层
云计算用虚拟层对应用服务进行执行、管理和部署主机环境。每个VM可用的硬件资源被主机总处理能力和主机可用带宽限制。VM调度必须考虑：避免创建的VM对处理能力的需求超过主机能力。CloudSim支持两种VM调度：主机层和VM层。在主机层，指定每个处理器可以分配给VM的处理能力；在VM层，VM为其运行的独立应用服务分配一个固定的可用处理能力。在这种情况下，可以将任务单元作为租住在VM上的应用服务的一个抽象体。
两个层次的VM调度均实现了时间共享和空间共享调度策略。如图2所示，拥有2个CPU内核的主机需要运行2个VM，每个VM请求两个CPU内核并计划完成4个任务单元。任务T1，T2，T3，T4租用VM1，任务T5，T6，T7，T8租用VM2。
图2 主机层和虚拟机层上不同调度策略对执行任务单元的影响
图2（a）表示VM主机层和任务单元均采用空间共享策略的调度场景。由于每个VM请求两个CPU内核，在空间共享中，给定时间段内只有一个VM运行，VM2只有在VM1执行完所有任务后才能分配CPU。同样，对VM1而言，由于一个任务单元只需要一个CPU内核，因此同时可以运行两个任务单元T1和T2，任务单元T3和T4等候。该策略下，VM完成任务集T的完成时间是：FinishTime（T）=StartTime（T）+MI（T）/Capacity×Cores（T）
其中，StartTime（T）是任务集的开始时间，MI（T）是任务集的总指令数。N个内核的主机总容量为：Capacity=ΣNi=1Cap（i）/N
其中Cap（i）是单个CPU内核的处理能力。
图2（b）表示VM采用空间共享策略，而任务单元采用时间共享策略的調度场景。因此，所有任务单元以动态转换方式同时调度。VM完成任务集T的完成时间是：FinishTime（T）=NowTime（T）+MI（T）/Capacity×Cores（T）
其中，NowTime（T）是当前仿真时间，Cores（T）是云任务集需要的CPU数目。在时间共享模式下，多个任务单元在同一个VM下可同时运行多个任务。这种模式下，云主机的总处理器能力为：
图2（c）表示VM采用时间共享策略，而任务单元采用空间共享策略的调度场景。该策略下，每个VM接收内核分配的时间片，时间片以空间共享方式分配给任务单元。由于内核是共享的，每个VM的可用能力也是变化的，这取决于主机实际运行的VM量。由于任务单元是基于空间共享策略，意味着任意时间段内，内核只会执行一个任务单元。
图2（d）表示VM和任务单元均采用时间共享策略的调度场景。此时VM同时共享处理能力，并且同时将共享的内核分配给其所有的任务单元。
1.4 网络层
该层主要对连接仿真实体的网络拓扑进行建模。CloudSim通过延时矩阵存储的信息来仿真消息在两个CloudSim实体间传输产生的网络延时。在任意时刻，CloudSim为所有活动CloudSim实体维护一个m×n的矩阵，元素Ei，j表示实体i通过网络发送消息至实体j所产生的延时。CloudSim是一个基于事件的仿真器，它的事件管理引擎使用了实体交互网络延时信息来表示实体传送消息时产生的延时。
1.5 虚拟机服务层
该层提供了对任务单元的操作以及对虚拟机生命周期的管理，如将主机分配给虚拟机、虚拟机的创建、虚拟机的销毁以及虚拟机的迁移等操作。
1.6 用户接口结构层
该层实现了任务单元和虚拟机实体的接口创建。
2 结束语
本文分析了云平台CloudSim的仿真机制，重点分析了CloudSim的层次体系结构，为有效的实验扩展打好了基础。
参考文献：
[1]刘鹏.云计算.北京：电子工业出版社，2011.
[2]Calheiros， R.N.，R.Ranjan，A.Beloglazov， et al. CloudSim： a toolkit for modeling and simulation of cloud computing environments and evaluation of resource provisioning algorithms. Software-Practice & Experience，2011（01）：23-50.
[3]SimCloud Platform. http：//simcloud.com/.
作者简介：吴昊泽，男，辽宁鞍山人，本科，研究方向：云计算；张小庆，男，博士，讲师，研究方向：云计算。
作者单位：武汉轻工大学 数学与计算机学院，武汉 430023
仿真系统平台 篇4
车载自组网是运行于道路上的新型移动自组织网络, 可以实现车辆间、车辆与路边节点间的多跳无线通信。就车辆与路侧设施通信 (V2I) 而言, 车辆与路侧设施通信是指路侧通信设施与其传输距离范围内的车辆之间进行信息交换。V2I结构的优点在于可以使用大量已经架设的通信设施, 费用低廉, 并且由于位置的固定具有相对于车车通信更高的稳定性和准确性。为优质的通信质量提供了保证。
2 Veins系统仿真环境
Veins是一个由基于事件的网络仿真器和道路交通仿真模型构成的具有开放资源的车间通信仿真系统。其中, 网络仿真器使用OMNe T++软件, 道路交通仿真使用SUMO软件。在进行仿真时, 两个仿真器平行运行, 通过TCP接口连接, 从而完成道路交通与网络的双向互联。
3 车路通信仿真
本文首先使用双向耦合仿真平台Veins对车路通信进行模拟仿真, 将交通仿真器中的车辆和路侧设备映射为网络仿真器中的节点, 并在网络仿真器中实现两者的信息交互。通过与车-车通信进行对比, 研究两者使用基于距离的广播方案时的性能参数, 展现出车-路通信良好的抗干扰性能和稳定性;与此同时, 还实现了车辆动态的路径选择, 在车辆接收到事故信息时, 车辆根据自身位置选择新的行驶路线。
3.1 仿真场景
本次试验用到的场景是曼哈顿网格 (500m×500m) , 网格中的道路为单向车道, 车路通信过程中交叉口位置设置有红绿灯, 车辆节点以车流的方式从左上角经过对角行驶至右下角, 事故节点在35s时发生事故, 广播范围分别设置为200m和500m, 用来测试它对信息传播的影响, 车辆密度的调整体现在车流的总体数目, 分别设置为200辆和300辆。通过对车——车通信与车——路通信进行对比, 分析使用相同广播方案时两种不同的通信方式各自表现出来的广播性能, 并具体分析了车辆密度、广播范围, 是否采用特定的广播方案等条件对传输比以及广播延时的影响。
3.2 仿真结果
3.2.1 曼哈顿网格场景下的广播方案参数评估
图1展示车车通信和车路通信中的传输比值的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的传输比相较于车路通信要低一些, 这是由于车路通信采用了路侧节点转发消息从而减轻了消息广播过程中的信息冲突。
图2展示了车车通信和车路通信中的延时的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的延时相较于车路通信要高一些, 这是由于试验中计算的是延时的平均值, 车车通信中部分节点未收到消息则延时即为零值。
3.2.2 曼哈顿网格场景下的动态路径选择
这一小节使用车路通信实现车辆的动态路径选择, 即处于一定位置的车辆在接收到事故消息之后选择一条新的到达终点的路径, 我们定义第一条路径为路径0, 第二条路径为路径1, 使处于A到B上的节点在接收到事故消息是实现路径的改变 (这是考虑到事故节点的停留时间等因素) 。
得到的实验截图如图3所示:
由上面的图可以证实, 实现了使用车路通信的车辆动态路径选择。
参考文献
[1]肖玲, 李仁发, 罗娟.车载自组网的仿真研究综述[J].系统仿真学报, 2009, 21 (17) :5330-5356.
[2]OPNET Simulator.[EB/OL].[2009-4-6].http://hvww.opnet.com/
仿真系统平台 篇5
基于ADAMS的起落架仿真平台开发
建立飞机起落架仿真软件对于飞机起落架的.设计研究具有重要意义.通过对ADAMS软件系统的开发,建立了一套起落架仿真分析软件系统,对建模与仿真、数据连接和面向对象的可视化界面在起落架仿真系统中的应用做了积极地探索与尝试.介绍内容主要为飞机起落架模型的参数化建立及界面设计和模型与界面的数据连接,运用软件工程概念开发起落架仿真平台系统.
作 者：任超超 万小朋 赵美英 REN Chao-chao WAN Xiao-peng ZHAO Mei-ying 作者单位：西北工业大学航空学院,西安,710072刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：8(7)分类号：V226关键词：起落架 ADAMS 参数化建模 仿真平台
焊接虚拟仿真实训平台建设的研究 篇6
关键词：虚拟焊接仿真技术 实践教学 焊接虚拟仿真实训平台
1.虚拟焊接仿真技术应用的必要性
随着社会在日益进步、经济在飞速发展。焊接技术工人日益紧缺、环境资源日益贫乏，这已经是摆在我们面前的实际问题，如何能够以最经济、最环保、最高效的教学方式培训焊接技术人员，是刻不容缓的大问题。
传统的焊接实训模式，要求学校提供充足的资金来保障设备、工位和实训耗材，但是焊接耗材是一次性的，烧完就完，不能重复利用， 而过硬的技术又需要充足的耗材来保证训练，大家都戏称“焊接技术是烧钱烧出来的”。如此庞大的消耗，仅靠学生的学费是根本满足不的，那么将虚拟焊接仿真技术引入焊接实践教学就显得尤为重要。虚拟焊接仿真技术不但可以进一步提高和完善焊接实训教学，而且可以节约成本、绿色环保，在一定程度上可緩解实训工位和材料的不足。同时仿真训练在观察与操练上有绝对的安全性。通过仿真设备学习尽管也有触电、燃烧、爆炸等惊险的场面，但那只是模拟的景像，绝对不会发生人身的灾祸，而且不会有因错误操作所造成的损失。有了虚拟仿真实训系统，学生不仅变得愿意学、主动学，而且在实际操作前能做到心中有数，能有效节约耗材和减少事故发生率。因此，无论是焊接新手还是行家，每个人都能更快、更好、低耗地学习焊接技巧。
2.虚拟焊接仿真实训系统现状分析
2.1虚拟焊接仿真系统现状
由于物理本质的复杂性，焊接过程仿真技术的发展一直比较缓慢，远远落后于实际生产需要和制造业其它领域仿真技术的发展。
JVR-W37Ⅱ型虚拟焊接综合仿真实训系统是由郑州捷安高科股份有限公司研发的新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。本产品采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。该系统为网络化模式，采用无线网络将系统内各套设备进行连接以便进行信息的交换。
每套设备标准配置包含：虚拟焊接设备若干台、数据服务器1台、教师管理机1台、无线网络设备1套、观摩投影设备1套、劳保手套若干双。在标准配置的基础上，可以增加虚拟焊接演练设备，数量没有限制。
2.2虚拟焊接仿真系统存在的问题
该系统最大的缺点是一台主机只带一个工位，而每台设备价格高达二十多万，对于一个30人的标准班来说，如果用这样的仿真设备，投资就要一百多万，成本太高。而且该仿真设备也只能模拟三种焊接方法，效果如何还无法做结论。但这种仿真设备已经是现有仿真设备中价格较便宜的了，所以，就目前的形势来看，要想大规模的引进教学并使之普及是不现实的。要解决这个问题，必须从技术上改革和创新。
3.焊接虚拟仿真实训平台建设研究方向
3.1焊接虚拟仿真软件的研发
未来的焊接虚拟仿真实训平台建设不但只是虚拟仿真设备的研究，同时应研究设计出能模拟真实工作环境的仿真软件，能将参观工厂、技能实训、技能考核等融与一体，实现从工厂的认识实习、常规焊接技能实训仿真训练，到模拟中级、高级焊工技能考核。
3.2焊接虚拟仿真系统的研发
开发焊接虚拟仿真系统，使该系统能具备常规焊工操作模拟和焊接工艺模拟，并且一套系统满足50电脑（工位）同时工作。主要功能如下 ：
①本模拟焊机系统定位在“焊接学生实训入门教学使用”。
②一个主机能代五十个终端工位同时工作。
③可用于模拟焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊三种常用的焊接操作过程，模拟器要实现不同焊接接头、不同焊缝（平、角）、不同焊接位置、不同焊接方法的模拟。
④理论知识测试部分能自动组成试卷并支持打印。能支持联机，像驾驶证考试一样让学员在不同计算机上完成理论考试。
⑤系统中集成一些常用焊接资料，支持常用资料的查询。例如常见钢材的化学成份、焊接标准等等。
⑥理论学习建成一个自主学习系统，学员可以根据自己所需进行不同内容的学习。系统要能支持内容更新，能根据用户需要自由导入、更新内容。
⑦能仿真显示在操作过程中缺陷的产生情况，并能自动计分显示。如操作不当，造成焊缝成形不良，咬边、夹渣、未熔合等缺陷。
总之，焊接虚拟仿真实训平台建设是一项综合而复杂的工程，只有在解决了上述难题后，才能真正的将虚拟焊接仿真技术应用到实际教学中去，否则都只能是纸上谈兵，即使研发出仿真设备，那也只能是昙花一现。
参考文献：
[1]数字化焊接技术的发展趋势判断和需求分析.中国工业网，2006（5）.
[2]在培训和鉴定领域推广应用仿真模拟技术的情况综述.劳动和社会保障部职业技能鉴定中心，2002（8）.
半实物网络控制系统仿真平台设计 篇7
关键词：网络控制系统,过程控制,以太网,半实物仿真
0 引 言
网络控制系统(NCS)通过工业网络实现控制单元之间的数据交换,研究表明网络控制系统中的随机延迟会恶化控制品质,甚至使控制系统变得不稳定[1]。不少学者利用随机函数模型来近似产生网络中的通信延迟,也出现了TrueTime这样根据网络MAC协议对通信延迟进行机理建模的方法[2]。但它只适用于单级的网络拓扑,而且当网络中的通信节点较多时仿真系统运行效率很低。
近年来,基于MATLAB/Simulink的半实物仿真平台非常多,但是在MATLAB/Simulink平台上搭建半实物仿真系统,其关键之处在于MATLAB/Simulink与硬件实物之间如何接口[3,4]。随着OPC技术的发展,MATLAB中有了专门的OPC工具箱,并且在Simulink模块库中集成了相应的OPC模块,因此本文使用OPC技术建立了MATLAB/Simulink半实物网络控制仿真平台,以校园局域网为通信介质,模拟远程网络控制系统,以实际的液位控制单元为被控对象,仿真条件更接近于实际工程背景。
1 实现方案
实验装置采用甘肃省工业过程先进控制重点实验室紧凑型FESTO液位控制系统。液位控制单元示意图如图1所示,被控对象为B102,被控参数为B102的水位。执行器为水泵P101,测量变送器为模拟式超声波液位传感器,调节器为电机调速器。水泵将水箱B101里的蒸馏水送到B102,水箱B102的水在重力作用下流到水箱B101,为保持水箱B102的水位在设定值,水箱B102上方的超声波液位传感器测得水箱B102水位,并将水位信号传到控制器。
1.1 系统构建
原系统液位控制单元采用现场总线为通信介质进行数据交换,不能满足网络控制系统的实验要求,所以对系统进行了二次开发。将西门子S7-300 PLC通过以太网模块接入到局域网中,作为通信信道,将4～20 mA的液位检测信号线连接至PLC的电流模拟量输入端子通道3上,以电压模拟量输出端子通道2的0～10 v的电压信号来驱动水泵直流电机。
超声波液位传感器(LIC102)测得的液位为4～20 mA的电流信号,此转换为单极性转换,即4～20 mA的信号对应于数字量6 600～27 648,即20.8～300 mm的液位信号对应于数字量6 600～27 648。通过取数值建立方程求解,来建立正确的线性对应关系,这样液位的值为:
其中,N为数字量范围(6 600～28 648)。此对应关系可以在西门子STEP7中使用梯形图逻辑、功能块图或语句表进行编程操作实现。
1.2 基于SIMETIC NET的组网
本仿真平台采用西门子S7-300和CP343-1进行组网。SIMETIC NET工业以太网作为西门子全集成自动化系统中的一个重要组成部分,是工控应用中最为广泛的工业以太网之一。采用工业以太网通讯方式以更真实模拟工业现场网络传输情况。SIMATIC NET工业以太网软件包括SIMATIC NET V6.0和OPC(OLE for Process Control),并且支持对SIMATIC通信网络的通信协议如PROFIBUS和以太网进行访问,在本系统中选择OPC服务器对以太网的访问,OPC服务器随SIMETIC NET软件光盘提供。
硬件组态和网络组态:
步骤一:分别在Station Configuration Editor配置窗口中插入OPC Server和IE General,进行网卡配置和命名站点的命名。
步骤二:在STEP 7 中组态PC Station和PLC站。设置模拟量输入输出属性,编译保存;
步骤三:完成PC站组态后,即可在NetPro窗口点击功能按钮栏中下载按钮将组态下载到PC站中。下载完成后,可以打开Station Configuration Editor窗口检查组件状态。OPC Server插槽Conn一栏一定要有连接图标,此项说明连接激活,如图2所示。
步骤四:OPC Scout中建立变量与调试
利用OPC Scout进行OPC Server 和PLC 的数据通讯测试。定义的条目(Item)须嵌入到OPC Scout 中。如果“Quality”显示“good”,则OPC Server 与PLC 的S7 连接已经建立,可对标签变量进行读写操作,如图3所示。
1.3 MATLAB中OPC数据通讯的封装设计
MATLAB7.0以上的软件中有OPC工具箱,可以进行OPC的设置,集成了OPC toolbox模块子库,其中包括:OPC read block、OPC write block、OPC Configuration和OPC Quality Parts。使用OPC Toolbox中的函数和模块,可以获取OPC实时数据直接放入MATLAB和Simulink中,还可以把MATLAB和Simulink中的数据写入OPC服务器中。
打开Simulink,找到OPC toolbox模块子库。将其中的OPC read block,OPC write block,OPC Configuration三个模块拖至新的模型窗口中。双击OPC Configuration,在configure OPC clients/Add/Select 中选择添加OPC Server,设置OPC read block,OPC write block模块属性并添加变量连接。
OPC Read模块读到的是当前液位实际值,连接的变量为MREAL80。控制变量由OPC Write模块写出,连接的变量为QW2,利用OPC工具箱搭建平台成功。
2 平台测试
为测试平台的有效性,本文采用三种控制算法进行仿真:比例控制、比例积分微分控制、模糊控制,液位期望值为100mm。其中比例控制仿真框图如图4所示,100为比例控制的系数,液位控制结果如图5所示。用Z-N法进行整定得到系统的PID控制参数,控制效果如图6所示。采用文献[5]中模糊控制方法,控制效果如图7所示。由于液位控制单元可以近似为典型的一阶系统,所以单纯比例控制也可使系统稳定,不过超调量比较大,比例积分微分控制和模糊控制的效果稍微好一些,但控制效果总体不理想,原因就是此仿真平台中存在网络时延、丢包等因素恶化了控制品质。
对液位控制单元进行拟和曲线建模后进行Smith预估补偿控制克服时延,控制效果如图8所示,控制效果得到改善,但由于网络传输时延为随机时延,控制算法仍需要进一步改善。本文的下一步工作就是在此半实物仿真平台的基础上,采用先进控制算法来克服网络时延、丢包等因素对系统的影响。
3 结束语
本文基于OPC技术、以校园局域网为通信介质,以PCS液位控制单元为控制对象,搭建了半实物NCS实验平台,实现了对象模型与控制软件的实时数据通信。在实验平台上对几种控制算法的控制效果及控制效果产生的差异进行了实验研究。实验结果表明,该平台可以有效地检验实际控制器性能,分析时延与丢包对系统控制性能带来的影响,对控制算法与控制系统的设计与改善也有指导作用,为后续研究奠定了基础。
参考文献
[1]Walsh G C,Ye H,Bushnell L.Stability analysis of networked controlsystems[J].IEEE Transaction on Control Systems Technology,2002,10(3):438-446.
[2]王俊杰,孙君曼.基于True Time的网络化控制系统仿真平台的构建[J].郑州轻工业学院学报,2010,25(3):79-82.
[3]张奇智,曹永灿.基于OPC技术网络控制系统仿真平台[J].传感器世界,2005(8):25-29.
[4]李二超,刘微容,李炜.基于WinCC和Matlab的一种简单在线仿真方法[J].实验技术与管理,2008,3(25):69-72.
变电站仿真系统搭建实训平台 篇8
1 变电站仿真系统培训的创新
变电站仿真培训系统采用虚拟现实三维场景仿真, 对控制屏、信号屏、保护屏等采用多媒体技术仿真, 用计算机屏幕或投影屏幕显示, 所有的仿真操作均在计算机系统上进行, 操作界面逼真, 能够满足各种运行方式下设备的巡视检查、倒闸操作、事故查找、故障分析、事故处理等需要, 形象地反映了变电站设备的正常、异常、事故状态及其动作过程, 能够演示操作现场难度、深度和广度, 以及实用、典型、针对性、普遍性的题目。
仿真模拟培训软件实现了变电站设备运行、倒闸操作、事故处理等过程的全模拟, 通过人员亲自上机直观的进行设备巡视检查、倒闸操作、事故处理等实际操作演练, 使人员在很短时间内学会变电站各方面的知识, 掌握岗位操作技能, 提高分析事故、处理事故的能力, 积累宝贵的实际工作经验, 能很快的培养出一支技术全面、过硬的队伍。
2 仿真系统的模拟设备
2.1 一次设备
逼真地再现变电站现场场地、变压器、母线、隔离开关、接地刀闸、电压互感器、电流互感器、电抗器、站用变压器等一次设备;还可以模拟各种天气情况, 如大雾、下雨、下雪等。
2.2 二次系统
对盘面及盘后的所有电气元件全范围的仿真, 包括控制回路、继电保护、自动装置、中央信号、故障录波、测量仪表、直流系统、事故照明、远动装置、“微机五防”等, 并包括上述各回路中的压板、按钮、信号灯、保险、空开、电流互感器切换端子等;盘面的显示仪表、指示灯、光字信号、控制开关、控制按钮及切换开关等是多媒体画面显示, 按键功能也与实际设备相同, 功能选择开关与实际设备相对应, 并且均能进行操作。
2.3 安全工具
能仿真安全工具室及各种常用的标示牌、安全帽、绝缘手套、绝缘鞋、接地线、验电器、围栏等, 可有效检验技术人员正确使用安全工具的熟练程度。
3 仿真机上的实际操作训练
3.1 设备的巡视检查训练
变电站运行人员在值班期间, 如果对一、二次设备的巡视不认真、不到位, 设备的缺陷、异常、隐患就不能被及时的发现和消除, 设备不能安全可靠的运行, 最终导致事故的发生。通过仿真变电站巡视系统, 实现对设备的虚拟操作, 人员有直观、形象感, 有助于人员熟悉了解现场设备。仿真系统能够将运行人员巡视过的巡视点记录下来, 并诊断人员对巡视点状态的判断是否正确。在巡视操作后, 再根据对巡视点的误判、漏判情况进行巡视评分, 有效的规范了运行人员巡视设备的行为, 使运行人员认识到巡视设备工作的重要性, 促进人员从根本上重视设备的巡视管理工作。
3.2 操作票的训练
倒闸操作是变电站一项非常重要的工作, 如果不严格按照技术原则操作, 就会造成误操作事故, 将危及人身、电网和设备的安全。为了防止误操作事故的发生, 必须认真填写操作票, 保证操作票的正确性、规范性, 严格按照操作票的顺序规范操作。目前变电站使用微机五防闭锁装置开票, 计算机仿真系统能够对实际变电站的微机五防闭锁装置进行全仿真, 具备提供五防操作规则和闭锁条件的简易设置语言、通过界面上的模拟生成操作票、仿真电脑钥匙的使用过程、现场仿真图形上的操作、效验、错误操作记录等功能, 能按照五防要求和现场设备的状态打印出操作票, 使仿真操作完全符合现场的操作程序。操作结束后, 仿真机根据操作评分原则和人员的操作给出评分。通过仿真机上填写操作票的练习, 使人员很快掌握倒闸操作的技术原则, 熟悉各种运行方式下设备的操作顺序, 提高人员的操作技能。
3.3 事故处理的训练
在仿真机上进行的事故处理操作要求很严格, 除事故处理步骤清楚外, 还必须保证操作正确无误。仿真机自动生成突发事件, 运行人员根据系统发出的信息, 判断故障并处理故障, 可进行母线、变压器、断路器、隔离开关、线路、电容器等各种相关设备的故障处理训练, 之后还可以重放事故发生和处理的全过程, 供人员对事故处理过程进行分析总结。仿真系统能够将运行人员处理事故的每一个步骤记录下来, 并确定处理、操作是否正确, 给出评分。通过仿真变电站事故处理训练, 可使运行人员掌握各种事故发生的现象、原因, 积累处理事故的经验, 增强事故处理的自信, 从而提高事故情况下的应变能力, 克服以往反事故演习纸上谈兵的局限性。
3.4 现场知识问答训练
系统在计算机仿真系统题库中随机抽取一套试题, 自动生成技术问答试卷, 要求在规定的时间内答完, 仿真系统给出评分, 并纠正错误答案。通过反复的抽题训练, 使运行人员很快掌握变电站各方面知识, 更好的将理论知识与实践相结合, 有效提高运行人员的专业知识水平。
3.5 综合训练
为了检验人员经过以上各项训练后的效果, 最后要进行一次综合训练操作, 这是保证培训效果的重要一环。在仿真变电站值班现场, 给定人员2h左右的时间, 这期间设备巡视工作会设置设备突然间发生事故, 考察运行人员值班工作是否合格。仿真系统将人员在巡视设备工作期间完成的情况, 包括是否发现设置缺陷、事故处理步骤是否正确、排除和隔离故障的倒闸操作等是否正确、是否在规定的时间内完成均记录下来, 并给出评分。不合格者则应反复训练以上操作步骤, 直到合格为止。
4 结束语
仿真系统平台 篇9
在电力系统低频振荡研究中,时域仿真法通常和其他分析方法(如平衡点特征值法和基于辨识(信号处理)的方法等)结合起来运用,从受扰轨迹中提取振荡特性[1]或辨识模型[2],或在非线性模型和大扰动条件下对基于线性化模型设计的阻尼控制器进行时域仿真校验。显然,前者属于开环情况,可以在仿真结束后离线进行;后者在每个积分时步内按照预设的控制策略计算控制量并实施反馈,属于闭环情况。
然而,在闭环情况下,复杂的阻尼控制策略往往难以嵌入仿真程序进行校验。按照所采用的数值仿真工具进行划分,主要有2种方法模拟阻尼控制策略:
a.部分商业软件为了增加软件的开放性和使用的灵活性而提供的接口功能,如电力系统分析综合程序(PSASP)和PSCAD/EMTDC的用户程序接口(UPI)[3,4],PSS/E的IPLAN[5]等;
b.Matlab Simulink的s函数(s-function)[6],和基于Matlab且代码完全开放的电力系统工具箱,如PST(1)和PSAT[7]。
方法a通过接口变量与用户程序UP(User’s Program)进行交互,形成“分别求解、交换变量、迭代收敛”的方式。在方法b中,UP可方便灵活地与原有程序和模型实现联立或交替求解。对于中等及以上规模的电力系统,方法b可能会面临计算速度和可靠性方面的问题。
基于商业电力系统分析软件,本文为电力系统的低频振荡分析和控制研究建立了仿真平台。该平台可进行大规模电力系统的低频振荡分析、阻尼控制器设计和闭环校验仿真。基于PSASP/UPI,结合C++矩阵数学库,介绍了仿真平台的技术架构。最后用新英格兰10机39节点算例系统验证了仿真平台的可用性和正确性。
1 仿真平台设计
1.1 平台的基本功能模块
整个平台包含2个主要的功能模块:基于辨识方法的低频振荡分析(特征提取/模型辨识)和阻尼控制器设计。
基于辨识的低频振荡分析,是将受扰轨迹视为某些频率、振幅(或阻尼)按特定规律变化的信号组合,然后从中提取及识别各振荡分量的频率、振幅(或阻尼)。实测(或仿真)的时间响应曲线完整地反映了物理系统(或数学模型)及实际扰动(或仿真场景)中所有非自治和非线性因素对动态行为的影响[8],因此,基于辨识的低频振荡分析成为传统的对系统在平衡点处进行特征值分析之外的另一种有效方法。根据不同的视角,如采样信号类型(扰动信号/运行数据/平稳/非平稳)、算法对数据的处理方式(块处理/递推)、辨识所得模型的类型(非参数模型/传递函数/状态空间)以及算法的应用环境(开环/闭环),可以将目前电力系统低频振荡分析和监控研究中常用的辨识算法进行分类[9]。其中,对平台设计影响最大的是辨识算法的应用环境。如果算法应用在闭环情况下,在提取得到振荡特征和系统模型后,还可以运用一定的策略更新控制器参数,以获得更好的适应性。
控制器设计模块主要是利用离线辨识或降阶,以及在线辨识得到的系统模型,设计基于各种策略的阻尼控制器,并进行反馈控制,改善系统的动态性能。
1.2 平台的技术架构
图1展示了平台的技术架构。由图可知,平台包含了3个模块和4个接口。其中,电力系统仿真分析软件用来实现潮流计算和暂态仿真,是整个平台的基础。下面主要介绍UPI、矩阵数学库和用户程序。
UPI指仿真分析软件和用户程序之间的接口,实现两者间的交替运行,以共同完成一个计算任务。图2展示了PSASP暂态稳定计算程序(ST)和UP在1个积分时段内的计算过程(1)。图中,F(·)、G(·)和H(·)分别表示描述系统中动态元件特性的微分方程组、描述电力网络及各元件电压和电流关系的代数方程组、用户方程;X、Y和U分别表示系统的状态变量、运行参量和用户变量;M为ST对UP的计算指示标记,其值为1、-1时分别表示迭代收敛和未收敛;Nt为积分时段数;K为1个积分时段内迭代的次数;ε为收敛常数。
矩阵数学库是指一组执行向量和矩阵运算的子程序集合。常见的数值计算库都含有矩阵数学库,如LAPACK、BLAS和Intel MKL等。C++矩阵数学库Matrix
UP用来实现仿真平台的2个基本功能模块。将图2所示的1个积分时段内UP的计算进行具体实现,可得如图3所示的主要流程。图中数组F1和F2分别存储ST传递给UP和UP传递给ST的数据。
当M=0(即对应仿真时刻为0)时,UP主要完成以下操作:
a.根据参数组号从参数文件中读取相应参数;
b.表1列出了几种仿真模式(Smode)和所实现的功能,当Smode取4～7时,生成激励信号和测量噪声序列;
c.由数组F1计算初始值,并初始化用户变量。
当M=-1时,UP主要完成以下操作:
a.对采样信号进行去直处理;
b.进行隐式梯形积分,计算电力系统稳定器(PSS)的输出Usl;
c.根据控制器类型(Ctype,固定参数或自适应控制器)以及是否考虑反馈信号时滞的影响,计算附加阻尼控制量Usg;
d.根据Smode形成总的控制输入Us,如表1所示。
当M≥0时,UP主要完成以下操作:
a.保存上一时段用户状态变量,供下一时段积分计算使用;
b.将采样信号和控制器输出保存至结构体数组,用于基于滑动时间窗方式的振荡模式提取或模型辨识,或用于考虑时滞影响的广域阻尼控制器的控制量计算;
c.当Smode取4～7时,提取振荡模式,或辨识模型后调整和更新控制器参数;
d.随机形成下一积分时段内反馈回路的时滞;
e.当达到仿真时限时,可以基于整个受扰轨迹提取振荡模式,或辨识系统模型并设计控制器,或绘制曲线。
由以上分析可知,该仿真平台具有如下特点:a.可以方便地实现低频振荡模式的提取、模型辨识、考虑时滞影响的固定参数和自适应阻尼控制器的设计与性能验证;
b.UPI使得可以充分利用商用软件提供的数学模型和功能,从而整个程序模块(分析软件+用户程序)的收敛性、准确性和可靠性都能得到保证;
c.采用矩阵数学库Matrix
2 仿真算例
针对新英格兰10机39节点系统,基于仿真平台设计了2种控制器,即基于开环辨识设计的线性二次最优部分输出反馈控制器OFC(Output Feedback Controller)[11]和基于闭环辨识设计的模型预测控制器MPC(Model Predictive Controller)[12],用以验证平台的可用性与正确性。系统单线图如图4所示。发电机采用双轴模型,励磁系统采用IEEE DC1A型模型,参数详见其用户手册(1)。所有发电机都装设PSS,其参数见文献[13]。系统的基准容量为100 MV·A。
该系统存在3个同调机群,即(G2,G3),(G8,G9,G10)和(G4,G5,G6,G7)。其中,机群(G4,G5,G6,G7)所在的电网被联络线16-15和16-17与系统其他部分分开,因此将这2条线路定义为一个断面。在基本方式下,断面上的有功功率为494 MW。经特征值分析可知,系统存在G1相对于G2～G10的区间振荡模式,频率为0.55 Hz,阻尼比为6.68%。因此,考虑在装设PSS的基础上,首先选择在第3个机群中G7的励磁系统上附加OFC或MPC以进一步提升系统阻尼。
通过可观和可控性分析[14],发电机相对转速ω7-1和联络线有功功率偏差ΔP4-5、ΔP16-17和ΔP15-162类信号被选为反馈信号。2类信号的尺度变换因子分别为100和1。PSS、OFC和MPC的限幅分别为±0.1 p.u.、±0.2 p.u.和±0.2 p.u.。在闭环辨识算法[15]中,带通激励信号的周期为10 s,频带为[0.1,2]Hz,最大幅值为0.1 p.u.,辨识模型阶数取为3,Hankel矩阵的块行数和列数分别为20和300。在MPC的目标函数中,2类输入信号和控制输出的权重分别为1、5和100。信号采样频率为20 Hz。通过开环辨识得到系统的降阶模型,然后求解矩阵方程组,得到OFC的反馈增益阵K=[-1.226 2,-0.443 3,0.3355,0.0]。
2.1 系统主导低频振荡模式的辨识
下面以MPC中的在线递推闭环辨识算法[15]为例,验证平台的低频振荡模式辨识、提取功能。
基本方式下,t=28 s时,线路3-18中间发生三相接地短路,0.06 s后故障消失(记为扰动1)。图5给出了系统矩阵A的特征值对应的频率(f)和阻尼比(ξ)。由图可知,闭环辨识算法能够较准确地辨识出系统的主导低频振荡模式对应的频率,而辨识得到的阻尼比与特征值分析存在一定的差异。ω7-1和ΔP16-17的测量值和估计值如图6所示。尽管在振荡模式的辨识上存在一定的误差,但辨识算法通过对输入、输出数据进行最小二乘意义下的拟合来求得矩阵B,使得辨识估计值和真实测量值之间的拟合误差较小。
2.2 控制器性能仿真
为了进行对比,考虑如下几种情况:
a.所有发电机仅装设PSS;
b.在G7上附加OFC;
c.在G7上附加MPC;
d.在G7上附加MPC基础上,在同调机群(G8,G9,G10)的G9上附加类似的MPC,反馈信号为Δω9-1、ΔP16-24、ΔP13-14和ΔP15-16。
基本方式下,系统发生扰动1。图7给出了a、b、c 3种情况下线路9-39上的有功功率曲线。由图可知,附加MPC的效果最好,其次是附加OFC。考虑到闭环辨识算法需要一定长度的数据才能启动,故图中横轴从t=28 s开始。
当断面潮流为885 MW时(记为方式2),t=28 s母线17发生三相接地短路,0.06 s后故障消失后(记为扰动2),图8给出了b、c、d 3种情况下线路9-39上的有功功率曲线。
由图可知:
a.在G7和G9上装设MPC的效果要优于仅在G7上装设MPC,这也验证了MPC之间具有的相互协调的能力;
b.MPC通过在线辨识模型和更新控制器参数,使得控制器对运行方式具有较好的适应性。
3 结论
基于电力系统分析软件,本文提出了一种大规模电力系统的低频振荡模式提取、模型辨识、阻尼控制器设计和闭环校验的仿真平台构建方法。基于PSASP/UPI,结合矩阵数学库Matrix
摘要：提出一种大规模电力系统的低频振荡分析与控制仿真平台的构建方法。利用C++矩阵数学库,编写实现低频振荡特征提取、模型辨识和控制器设计等功能的用户程序。基于电力系统分析软件提供的用户程序接口功能模块,实现用户程序与分析软件暂态稳定仿真模块的交互。用户程序和分析软件共同完成电力系统低频振荡分析与控制的仿真。仿真平台具有较好的收敛性、准确性、可靠性和较快的计算速度。新英格兰10机39节点系统的仿真结果验证了平台的可用性和正确性。
仿真系统平台 篇10
以电力电子器件为基础的柔性交流输电系统(FACTS)技术作为实现输电网参数和变量的柔性化控制的有效手段,近20年来得到广泛研究和应用[1]。实时仿真是电力系统进行试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。现有的电力系统实时仿真平台可分为机电暂态和电磁暂态过程仿真。机电暂态仿真的步长一般在毫秒级,典型步长为10 ms,电磁暂态仿真的步长一般在微秒级,典型步长为50μs[2]。但由于仿真步长及接口,众多仿真软件无法对含有FACTS控制器的复杂电力系统进行动态性能研究[3],文献[4]利用实时数字仿真系统RTDS(Real Time Digital Simulator)组建了风力发电开发测试平台,仿真步长50μs,可对多组控制器进行控制测试。但RTDS主要是面向整个电力系统的仿真,且价格昂贵。目前FACTS控制器和电力驱动的开发测试,通常先进行离线仿真以验证算法,然后通过数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式控制器实现复杂算法的实时控制[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。随着电力电子的发展和控制数字化的实现,课程重构也使现有的实验教学方法面临新的改革,构建快速开发实验平台是一种有效的方法[15]。
d SPACE平台作为国际上通用的快速控制原型RCP(Rapid Control Prototype)和硬件在回路仿真HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)标准开发测试平台,在航空航天、工业控制、汽车等领域得到广泛应用[16,17,18],目前只有少数院校在此平台上进行电力系统的相关研究[19]。本文研制的实时仿真综合平台,以d SPACE平台为核心,通过建立实时仿真模型和设计模块化体系结构,实现对中小功率电力电子和电力驱动控制系统的实时仿真和快速开发,仿真步长可设20μs,满足电力电子器件对速度的要求。
1 实时仿真综合平台结构框架
根据应用于电力系统的FACTS技术和面向电机控制的电力驱动要求,结合V型开发流程中HILS和RCP的技术规范,本文提出图1所示的实时仿真平台总体结构框图。整个综合仿真平台以d SPACE平台为核心,采用模块化结构设计,分为硬件结构和软件结构两大部分。
1.1 平台硬件结构
平台硬件主要由d SPACE硬件和主电路组成。平台控制器是d SPACE硬件的主要组成部分,其构成实时仿真平台硬件的控制核心;由功率器件构成的主电路是硬件电路的基础,实现能量传递和交换;另有电源电路、测量电路、驱动电路、保护电路和电网接入等辅助电路。根据不同的应用对象(电网或电机)和控制目的,通过选择器件类型和电路结构等方式,可以灵活改变主电路拓扑,从而快速实现有源电力滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)、变频和励磁等多种功能。
本实验平台主要用于配电网电能质量控制器研发和电机的驱动控制。根据应用系统的技术指标,实际平台控制器选用d SPACE单板系统DS1104,其主CPU为MPC8240,可直接进行浮点运算,带有DSP TMS320F2407,可以直接输出三相PWM控制脉冲。另有ADC、DAC、UART、增量编码器和I/O等常用外设接口。
主电路功率器件为:MOSFET模块FB180SA10,用于汽车的电机控制测试;2.2 k W智能功率模块PS12036,用于学生实验验证;IGBT功率模块PM300DVA120用于低压静止无功发生器、有源电力滤波器等产品研制实时控制仿真实验。
在此基础上,用户可根据实际功能需要,按照平台的硬件结构对电路进行更换、扩展,或通过通信总线组成多处理器复杂系统,以满足不同的测试要求。
1.2 平台软件结构
平台软件结构由Matlab/Simulink软件、d SPACE软件和实时仿真模型库组成。Matlab/Simulink用于建立系统模型、设计控制算法和进行离线仿真,是平台软件结构的基础。实时仿真模型库是平台的核心技术之一,在Matlab/Simulink环境下建立,分为系统模型和控制算法两大部分。系统模型实现对电路结构的数学描述,在离线仿真时取代实际的物理模型;控制算法在分析系统模型基础上,通过选取的控制策略实现对应的控制性能。采用实时仿真系统子模型,可以进行离线仿真和算法验证。d SPACE软件体系主要实现实时代码生成、下载软件和测试软件,其中代码生成及下载软件集成于Matlab中,实现与Matlab的无缝连接。通过d SPACE实时接口(RTI),用硬件接口关系代替原先的逻辑连接关系,构成闭环测试系统,实现实时仿真功能。
基于图1结构实现的实时仿真综合平台,可以快速对电路结构模型进行闭环测试,以验证所建模型是否与实际物理原型相符;也可以对不同的算法进行测试,从而得到更适合系统实现的控制程序。
2 实时仿真综合平台主要技术
2.1 平台实时仿真模型库设计
要进行实时仿真,首先要建立起系统的数学模型。基于Matlab/Simulink环境开发的电力系统仿真模型Sim Power Systems等是面向离线仿真应用的,无法利用d SPACE平台测试软件对其内部描述变量进行动态分析,因此,要首先建立以面向实时仿真应用的系统模型。
考虑到实时仿真系统的变结构、非因果特性[19],对整个闭环控制系统采用分割处理的办法,采用输入-输出描述法建立各个具有因果关系的子系统。采用面向对象的设计方法,可以不断封装和派生出更多的子模型。各个子系统模型既可应用于离线仿真,也可应用于实时仿真。
2.2 功率开关器件的硬件电路设计
功率开关模块构成平台的硬件基础,受控制器输出的PWM信号驱动,又直接与高压大电流系统相连,若设计不当极易烧坏,因此开关器件电路设计是硬件设计的重点,主要技术措施有4项。
a.裕量设计:器件选型时留有一定的裕量。
b.缓冲吸收电路设计:实验结果表明,设计合理的缓冲电路,可以减少开关冲击,将du/dt从0.3减少到0.15以下。
c.驱动电路设计:采用高速光耦器件,以实现控制脉冲对开关管的精确控制。严格控制上升时间,以保证死区时间生效;PWM的光耦驱动信号与功率模块的连接距离2 cm以下,减少干扰,防止误触发。
d.保护电路设计:当检测到主电路有短路、过压、过热和欠压等异常情况发生时,实现多级保护。通过硬件保护、软件保护方式同时封锁PWM信号输出,通过跳闸保护实现主电路与电网分离。
2.3 平台数字化控制和实时仿真步长
数字化控制因控制灵活,输出性能稳定,在实时控制中得到广泛应用。本平台实现数字化控制,其中系统实测信号通过测量电路由A/D进行模拟到数字的转换;通过实时代码生成工具RTW(Real-Time Workshop)产生可在平台控制器上运行的标准C代码程序;RTI实现物理系统与离线仿真系统的信息数字化交换;通过数字脉宽调制(DPWM)输出功率开关管的控制脉冲,实现对系统的目标控制。随着电力系统和电力驱动对控制性能要求的不断提高,非线性控制、模糊控制、自适应控制等算法被应用到控制系统中。通过平台数字化控制技术,以图形化的方式完成参数调整、指令输入、结果显示存储等所有功能,为复杂算法的实现提供了有利的环境。
基于Matlab/Simulink的离线仿真数据交换在计算机的CPU与存储器之间进行,数据处理时间没有严格的边界。实时仿真平台要在仿真计算机、平台控制器与外部物理系统之间进行数据交换,其数据处理要受外部实物系统真实时间约束,有严格的时间边界。平台通过PWM控制技术,实现对功率变换模块的控制,其输出速度决定系统的响应速度,通常要求在一个PWM周期内完成控制算法以及平台控制器和仿真计算机之间的数据交换,以获得较好的响应速度,满足实时仿真需要。DS1104控制器的DPWM输出频率高达5 MHz,但实现上受功率模块的频率限制,目前中小功率器件的开关频率最高约为20 k Hz。采用DS1104控制器,通过实时内核和RTI可实现仿真周期为20μs的实时仿真,满足对速度的要求。
3 平台实时仿真设计实现
PWM整流器可实现网侧电流正弦化,且运行于单位功率因数及能量可双向传输,在静止无功发生器(STATCOM)、APF、统一潮流控制器(UPFC)等柔性交流输电系统广泛应用[20]。下面给出以PWM整流器为控制对象的系统设计过程及其控制实验结果。
3.1 PWM整流器模型
三相电压型PWM整流器的电路结构如图2所示。图中,ua、ub、uc为三相对称电源相电压;ia、ib、ic为网侧相电流;udc为直流侧电压;L和R为滤波电抗器的电感和电阻;idc为直流侧电流;iL为负载电流。
记Sk=Sk+-Sk-(k=a,b,c),其中Sk±=1表示开关管导通,Sk±=0表示开关管截止。不计开关损耗,并考虑电网及PWM电路为三相对称系统,对于交流侧,由基尔霍夫电压定律(KVL)可得:
对于直流侧,由基尔霍夫电流定律(KCL)可得:
其中,idc=(Saia+Sbib+Scic)/2。
根据功率不变原则,可以对应转换成αβ坐标系或dq坐标系下的数学模型,以方便系统的控制设计。
3.2 PWM整流器控制策略
采用PWM整流器作为电路结构的电力电子控制系统通常是通过控制PWM整流器的电流来实现其控制目标(如稳定电压、补偿无功和抑制谐波等),因此,对PWM整流器的电流控制成为系统软件设计的核心。通常,对PWM整流器电流控制方法可分为间接电流控制和直接电流控制,其中直接电流控制具有控制精度高、动态性能好等优点。直接电流控制方法有滞环控制、定时比较控制、三角波比较及无差拍控制等[21]。本实验采用基于坐标变换的三角波比较直接电流控制,其控制方案如图3所示。
PWM整流器的实测三相输出电流ia、ib、ic经过dq变换与控制电流生成无功和有功电流指令。其中有功电流的参考值指令id*与电路拓扑结构有关,采用自励启动方式时可由直流侧电压调节器输出给定,采用他励启动方式时可直接给定。指令由电流控制器进行算法运算,经过dq反变换得到控制开关管的PWM指令信号。通过坐标变换,使参考指令和反馈值在稳态时均为直流信号,因此可通过调节器进行无稳态误差的电流信号跟踪,从而消除系统的静态误差,提高系统对PWM整流器电流的控制精度。
3.3 实验结果
为验证平台的结构设计及其对PWM整流器的控制性能,搭建了50 k V·A PWM整流器及其控制电路。实验结构如图4所示。
三相交流电源经自耦变压器T1以及隔离变压器T2、T3接入系统。
实验主电路主要参数如下:IGBT功率模块为PM300DVA120;整流模块为DF100AA160;交流侧连接电抗为1 m H/100 A;直流侧电容为2个10000μF/450 V电容串联;系统线电压为380 V/50 Hz。
PWM参数为开关频率6 k Hz,死区时间5μs。为减少器件开关对输出的抖动,采用中断的CPU处理方式,以保证数据采集与PWM周期同步。用TDS2014型4通道示波器对波形进行实时记录。
图5给出了指令电流为40 A(有效值)时实验平台对PWM整流器输出电流实时控制的稳态结果。从图中可以清楚看出,电力电子实时仿真综合平台对PWM整流器的电流流向实现了精确控制,可实现容性无功或感性无功的产生;同样也可控制PWM整流器工作于整流或逆变状态,实现能量的双向流动,从而实现PWM整流器的四象限运行控制。
图6是用FLUKE434测试输出无功电流时的电流波形结果。图7是指令电流动态变化时系统瞬时响应的实验结果。
从图6可以看出,PWM整流器输出无功电流相序正确,频率通过相位控制和电网保持一致,电流谐波含量非常低,波形已经接近正弦。
图7表明,PWM整流器的输出电流响应仅为数毫秒,没有明显的振荡调整过程,反映出实验平台对PWM整流器的控制具有良好的性能。
4 结语
仿真系统平台 篇11
关键词：轨道交通；综合调度；分散自律调度集中系统；实验教学仿真平台
摘要：随着计算机等技术在交通运输领域的应用，要求交通运输专业人才必须掌握综合调度的技术。为了方便学生实际操作，西南交通大学建设了数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台。它以分散自律调度集中系统为核心，由调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成。并以教学平台框架结构为基础。将教学、科研与社会服务集成为一体，构建了数字化轨道交通列车调度员、助理调度员、综合维修调度员、车站值班员等综合调度指挥系统的仿真平台。实践表明，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台分散自律调度集中系统方便了学生的现场实际演练，提高了学生动手能力，具有完善的教学、科研功能和良好的社会效益，对于培养交通运输创新型、工程型专业人才具有重要作用。
中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1009－4474(2009)02－0035－04
一、综合调度实验教学仿真平台建设的意义
综合调度是轨道交通日常管理和行车指挥的核心。但在日常生活中，运输生产过程由于受各种不确定因素的影响，列车运行及铁路运输生产活动经常偏离运输计划。为了使运输生产运行状态正常化，我们必须经常分析运输生产指标的完成情况，进行车流分布预测，并根据具体的运输工作条件，调整车辆分布及列车运行。通过制定日、班计划贯彻运输调整措施，预防或消除运输生产过程中可能或已经发生的一些问题，保证车流正常分布，运输设备使用经济合理，从而使铁路运输部门按时完成或超额完成运输生产任务。
由于综合调度在轨道交通中具有重要地位和作用，使得调度指挥专业技能成为交通运输专业特色人才实践动手能力的重要组成部分。因此，在竞争日益激烈的市场中，轨道交通企业需要高校培养具有调度指挥能力的人员，这就给交通运输专业特色人才培养提出了新的要求，即要求培养的特色人才能对综合调度各方面的内容及具体实施细节有全面、深刻的认识，而要实现这一目标，仅靠课堂教学是难以完成的。这是因为综合调度过程与生产实际联系紧密，只有通过日常调度指挥训练，才能增强学生对综合调度的认识，使学生掌握调度指挥的本领。然而，在现实中运输生产单位出于安全和作业效率的考虑，学生即使在现场实习也很难有机会参与调度指挥方面的实际操作。为了解决上述问题，我们认为构建数字化综合调度实验教学仿真平台将是一种较为理想的选择。因为，数字化综合调度实验教学仿真平台不仅成本较低，所占空间较小，更为重要的是可以方便地仿真综合调度的全部过程，能为学生提供一个实践综合调度指挥的场所；它不仅可以帮助学生理解和领悟综合调度的相关理论知识，还可以满足学生动手的需求，适应了交通运输专业特色人才培养的需要。
同时，随着信息技术的发展，计算机、网络、多媒体等技术在交通运输领域的应用也越来越广泛，它将逐渐改变传统的铁路运输生产模式。这就要求交通运输专业人才应适应科技的发展，熟练地掌握先进的科学技术，特别是在运输生产中处于核心地位的综合调度指挥系统的相关信息技术，在此基础上熟练操作调度指挥系统。而综合调度实验教学仿真平台的建设为学生掌握、应用这些信息化技术提供了有利条件。同时，也为交通运输专业实验教学条件的改善和教师科学研究提供了技术保障。
二、综合调度实验教学仿真平台的基本原理与框架结构
1实验教学仿真平台的基本原理
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台是以国内外最先进的调度指挥系统——分散自律调度集中系统为核心，根据轨道交通调度指挥的基础理论，将轨道交通综合调度指挥系统模块化、数字化，并利用计算机技术、网络技术和多媒体等信息技术建立的。而车站设备、列车运行则采用虚拟仿真技术实现。综合调度实验教学平台主要集成了车站列车接发、调车作业、轨道交通综合调度指挥，其中包括行车调度指挥、综合维修调度指挥、车站作业统计分析等功能。通过综合调度实验教学仿真平台可以让学生参与对轨道运输的组织、协调与决策的模拟仿真实训。
综合调度实验教学仿真平台设置与铁路运输生产现场保持高度一致，以达到对现场运输生产的高质量模拟和仿真。该系统采用了先进的计算机通讯技术、网络通信技术和现代控制技术，利用智能化分散自律设计原则，将同一调度区段内、同一联锁控制范围内所有车站(车场、线路所)的信号、联锁、闭塞设备纳入控制范围，通过计算机网络完成调度计划和调度命令的下达，由车站自律机按照调度计划进行自律执行，并由相应的外围设备采集铁路沿线的各种实时信息，再传送到调度集中的中央服务器，实现了列车跟踪、监督报警、运行图自动绘制、列车编组信息管理、调车作业管理、综合维修管理、列／调车进路人工和计划自动选排、分散自律控制等功能。系统具有较高的智能性，能够自动生成调度计划并依据计划自动选择适当的进路，控制相应的联锁设备动作。它能在列车运行调整计划的基础上，自动解决列车作业与调车作业在时间与空间上的冲突，实现列车和调车作业的统一控制。
2实验教学仿真平台的框架结构
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台由综合调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成(见图1)。
(1)综合调度中心系统
综合调度中心系统主要由数据库服务器、调度集中服务器、通信前置服务器、大屏显示系统、行车调度员工作站、助理调度员工作站、综合维修工作站以及局域网等设备组成。其主要功能包括：①实时监控管辖范围内列车运行状态，制定、调整和下达列车阶段计划，查阅实际运行图，下达调度命令以及与相邻区段列车调度员交换信息；②编制、调整无人值守车站的调车作业计划以及领导调车工作，根据阶段计划和调度员的口头指令进行车站调车进路的排列；③具有直接遥控车站进路和其他信号设备的按钮操作界面；④掌握线路运营情况，仿真生产和运输指挥过程；⑤具有站场和运行图显示功能，辅助计划调度完成日班计划的生成和下达。
(2)车站仿真系统
车站仿真系统主要设备包括车站自律机、车务终端、综合维修终端、电务维护终端等。其中，车站自律机是分散自律调度集中的关键设备，其主要功能包括：①接收存储调度中心的列车运行计划、调车作业计划等，并自动按计划进行进路排列，驱动联锁系统执行；②接收调度中心和本地值班员(信号员)的直接控制操作指令，经检查确认无冲突后驱动联锁系统执行；③确认进路的完整性和信号的正确性，并能对不正常情况进行处理；④能对列车及调车作业进行跟踪；⑤接收邻站的实际和计划运行图，接收调度中心和本站值班员的人工干预，调整进路及内部处理流程；⑥能对列车车次进行跟踪显示处理，可形成本站的自动报点信息。车站仿真系统不仅在纵向上能与调度中心有信息的交互，而且在横向上能与相邻车站有信息的交互。
(3)网络传输系统
网络传输系统为综合调度中心与各调度台的信息交换、车站与车站的信息交换，以及调度中心与车站之间的信息交换提供通道。因此，在实验教学仿真平台中一般采用局域网来实现。
三、综合调度实验教学仿真平台的设置
根据数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的基本原理和框架结构，实验教学仿真平台分为综合调度指挥中心和基层车站两级调度指挥层。调度指挥中心设置列车调度员仿真平台、助理调度员仿真平台、综合维修调度员仿真平台；车站仿真系统主要设置车站值班员仿真平台及车务终端等。
1列车调度员仿真平台
列车运行是运输生产活动的重要环节。列车调度员负责指挥一个区段内与列车运行有关的生产活动，对列车运行进行指挥调整是其主要的职能，助理调度员和综合维修调度员均受列车调度员指挥。学生通过列车调度员仿真平台可以监控列车运行状况，负责组织和完成列车在车站到开、会让、通过等行车作业；同时，让学生学会合理地使用车站正线、到发线、调车线，实现日班计划。在列车运行紊乱的情况下，学生可通过仿真平台调整列车运行计划，控制列车、调车进路，尽可能使晚点列车恢复正常运行秩序。另外，学生还可以通过仿真平台向助理调度员下达中间站列车摘挂计划，同时指挥综合维修调度员及时、正确地发布调度命令。
2助理调度员仿真平台
助理调度员在列车调度员的领导下，根据列车调度员下达的列车运行计划，随时监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况。必要时助理调度员可以直接操纵车站信号、联锁、闭塞设备。学生可通过助理调度员仿真平台组织指挥调度工作，并根据日班计划、列车编组、车站站存车、装卸车进度等信息，及时编制调车作业计划，然后确认、修改列车编组顺序表、车站站存车等信息，并及时向车站仿真系统传送调车作业计划和列车摘挂计划。
3综合维修调度员仿真平台
综合维修调度员在列车调度员的领导下，加强与施工调度员、电力调度员的联系，按照月度施工方案和“天窗修”计划，及时编写施工、检修等调度命令。学生通过综合维修调度员仿真平台可以根据需要编写并下达施工、检修等调度命令，同时协助助理调度员监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况；遇到需要人工排列的进路时，应与助理调度员执行“二人确认制度”。
4车站值班员仿真平台
车站接发列车的工作，一般由车站值班员统一指挥。在调度集中模式下，综合调度中心是调度指挥的核心，行车调度员仿真平台是指挥行车的主要平台，助理调度员通过助理调度员仿真平台、综合维修调度员通过综合维修调度员仿真平台接收相关命令，并辅助行车调度员完成相应的行车、调车作业。因此，学生通过车站值班员仿真平台可以监控列车的运行。
当调度集中设备出现故障、发生危及行车安全的情况或设备需要维修时，调度指挥脱离分散自律系统控制转为车站传统控制模式，综合调度中心不再办理列车在站的行车作业。此时，学生可通过车站值班员仿真平台办理列车在站到开、会让、通过等行车作业，学会正确合理地使用车站正线、到发线，实现列车运行计划。
四、综合调度实验教学仿真平台效果分析
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台自建成以来，已经为我校2003级、2004级和2005级的交通运输专业本科生260余人开设了“铁路行车仿真实验”课程。课程围绕该平台开设了8个实验，包括：电气集中条件下的接发列车实验、微机联锁条件下的接发列车实验、CTC设备原理实验、列车运行调整实验、CTC情况下调车作业计划的编制、调度命令的编发实验、车站技术设备运用及作业流程实验和阶段计划编制实验。学生通过开展基于数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的相关实验，不仅掌握了综合调度指挥的基本原理，熟悉了分散自律调度集中指挥系统，而且在实际操作的过程中大大提高了他们的实践动手能力，这对培养学生的创新能力起到了一定的作用。另外，在学生外出进行现场生产实习之前，我们就先利用实验教学仿真平台进行演练，也解决了学生在现场实习时只能观看不能动手的难题，为学生日后走上工作岗位打下了一个良好的基础。
我校数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台不仅为交通运输专业本科生提供实验课教学，还为我国大批铁路相关工作人员、客运专线运营调度人员提供了实训平台，发挥了其强大的社会服务功能。同时，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台还具有科研功能，为交通运输专业的研究生和教师深入科学研究、进一步开发轨道交通综合调度指挥系统提供了良好的研究条件。因此，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台已经成为集教学、科研和社会服务于一体的多用专业平台。
仿真系统平台 篇12
大型电力企业会议电视系统一般覆盖范围广、结构复杂,涉及到多套应用系统以及多个品牌会议电视设备的集成。随着视频会议需求的不断增加,视频会议系统的深化应用和业务功能的不断扩展,系统的升级、改造相应增多,对系统验证测试、仿真运行的需求不断增加。当前大型会议电视系统在系统版本升级、故障测试、应急机制等方面仍存在以下问题。
1)随着系统的深入推进和应用扩展,版本升级的整体交付及验证管理亟待加强。目前会议管理系统功能升级时,均直接从开发环境迁移至生产环境,由于生产环境与开发环境在硬件部署、系统节点规模等方面存在差距,因此存在升级不成功后系统回退的情况。为了不影响生产环境的正常运行,需要单独搭建仿真平台,每次系统升级先在仿真环境中操作,待验证通过后再移植至生产环境中。
2)大型会议电视系统涉及到多套应用系统以及多品牌会议电视设备的集成,给系统的验证测试增加了难度。当前电力企业还不具备和生产环境模拟程度较高的测试环境,系统故障测试也无法较好地还原问题发生的场景,亟需提高测试环境的仿真性能。
3)作为会议预约与硬件资源的中间环节,会议管理系统负责统一管理电力企业各种会议电视平台资源,统一实施资源分配、会议控制、动态监控等功能,系统的安全稳定运行直接影响到公司各类会议能否正常召开。目前会议管理系统虽然是群集部署,但运行期间出现过因系统故障导致数据库集群服务失效的问题,因此仍需进一步研究加强会议管理系统应急机制。
1 系统现状
会议电视系统主要由多点控制单元(Multi Control Unit,MCU)、会议电视终端、通道网络设备3 部分组成。大型会议电视系统通常采取MCU资源池分布部署方式,通过多台MCU的资源共享,实现资源的统一调配、管理和互备,并利用会议管理系统解决并满足会议电视系统统一管理、资源集约化控制和调度、会议自助化召开等需求[1]。此外,会议电视系统还涉及协同办公系统、统一权限管理平台等外围集成系统。
1.1 会议管理系统
会议管理系统采取集中统一部署,按照应用服务区、数据库服务区、接口服务区进行设计,在每个服务区部署相应的软硬件设备,以满足业务运行要求。会议管理系统部署结构如图1 所示。
1)接口服务区:部署会议管理系统会议组织相关接口、终端设备监控等接口。配置2 台接口服务器,并采用集群方式避免单点故障导致的服务中断,提高服务质量。接口服务器跨越公司信息内网及数据网视频VPN。
2)应用服务区:用于部署会议管理系统应用程序,并对外提供Web服务,响应用户的服务请求。为了保证系统的可靠性和稳定性,采用应用服务器集群Cluster模式避免单点故障导致的服务中断,由负载均衡设备实现负载均衡,缩短响应时间,提高服务质量。
3)数据服务区:用于部署数据库软件,作为会议管理系统的后台数据库服务器,为前台应用提供数据读取、存储的服务。根据可靠性设计原则,采用Oracle数据库RAC技术架构,实现数据库的高可用。
1.2 集成系统
会议管理系统并不是单一运行的系统,与外部系统间具有集成关系。主要涉及与会议电视设备网管系统、协同办公系统、统一权限管理平台、软视频系统等的集成。
各系统间集成实现技术包括界面集成、应用集成2 种方式。为了将各个业务系统的操作界面整合到一个页面中,以方便用户使用,提升操作效率,可通过界面集成的方式实现;对于系统间信息交互及数据共享涉及到少量准实时数据传输、消息传输,可通过应用集成方式实现。会议管理系统集成关系如图2 所示。
1)会议电视设备网管系统:会议管理系统主要利用了网管系统提供的Web Service接口,该接口提供了基于MCU、终端产品的音视频会议的管理和控制功能。其中MCU是网管系统控制会议所依赖的核心硬件设备,网管系统中的会场(终端)管理、会议模板管理、会议调度和会议控制等功能是通过MCU完成的。
2)协同办公系统:协同办公系统接口主要用于实现会议管理系统与协同办公系统之间的数据交互,协同办公系统向会议管理系统同步会议室档案信息,发起会议预约申请,进行会议审批,以及会议资源(预定、预占)申请,取消会议,变更会议等。
3)软视频系统:会议管理系统创建的会议要求软视频终端入会时,需要软视频系统提供接口供会议管理系统创建会议,达到软视频终端参会的目的。
4)统一权限管理平台:通过统一权限平台提供的接口同步会议管理系统用户信息数据、用户权限数据,并实现用户权限管理。
2 会议电视系统仿真模拟
大型会议电视系统覆盖范围广,涉及上千台会议电视终端,并采用MCU资源池分布部署方式。为了模拟可以召开大容量会议的会议电视系统,通常有2 种方式,一种是参考开源Open H.323 协议栈开发性能测试软件,其功能包括:终端注册及呼叫,音视频媒体流收发检测及多实例管理。性能测试软件可以看作不包含音视频编解码功能的软终端。并通过虚拟IP技术,将每个软终端绑定到一个虚拟IP上,实现在一台服务器上运行多个软终端(见图3)。
另一种方案是采用软终端模拟会议电视终端参会,软终端可安装在普通计算机上使用,不需要额外设备投资,即可通过以太网、3G、Wi-Fi连接Switch Center(SC)服务器接入视频会议系统和加入视频会议,同时支持发起点对点视音频呼叫。
鉴于开发性能测试软件存在一定难度,且目前市场上暂无成熟的商用产品,为了模拟大容量会议,故采用免费软终端产品TE Desktop模拟音视频码流收发。 由于TE Desktop仅支持SIP协议,采用此方案时,网闸(Gate Keeper,GK)系统需升级为同时支持GK和SIP Server的SC。如果会议终端仅以H.323 协议注册到SC上,则必须通过同时以SIP和H.323 协议注册到SC上的MCU才能和TE Desktop互通。基于此方案进行大容量会议测试时,TE Desktop通过SIP协议入会,其他会议终端通过H.323 协议入会。包含软终端的视频会议组网结构如图4 所示。
考虑到仿真环境主要用于系统功能测试,若不模拟MCU资源调度策略,配置一台与生产环境相同型号及容量的MCU即可满足仿真平台需要。此外,还需配置若干台与生产环境相同型号的一体化会议终端用于系统组会。为了节约硬件资源,软终端建议采用虚拟机部署方式,每台虚拟机部署一套TE Desktop。按每台虚拟机CPU占用1 核,内存6G计算,若采用4 路8 核,内存64G的PC服务器,则每台服务器可部署10 台虚拟机。模拟100 台软终端,共需10 台该配置的服务器。
3 会议管理系统仿真平台设计
会议电视系统仿真平台主要用于系统升级测试和功能验证,平时独立于生产环境单独运行。当会议管理系统生产环境出现系统故障、群集服务无法快速切换等情况,系统无法正常提供服务时,仿真平台也可作为会议管理系统生产环境的灾备系统。
3.1 灾备体系指标设计
根据重要性、实时性、影响范围、服务紧急程度等因素,电力企业通常将业务系统分为A+、A、B、C 4 个等级,并按照不同等级的业务系统需求确定不同的恢复点目标(Recovery Point Object,RPO)和恢复时间目标(Recovery Time Object,RTO)。RPO与RTO是衡量灾备数据的2 个重要指标,RPO与RTO越小,灾备数据的状态越好,表示系统的可用性就越高[2]。RPO是指为了支持各部门业务运作,系统及生产数据应恢复到怎样的程度,也就是允许数据丢失的时间[3]。RTO是信息系统“支持的业务功能从灾难造成的不正常状态恢复到可接受状态”所需时间,其中包括备份数据恢复到可用状态所需时间、数据处理切换时间、备用网络切换时间等,该指标用以衡量灾备方案的业务恢复能力[4]。
数据灾备的根本目的是在一定的资金和技术基础上,实现尽量小的RTO、RPO。当各种故障发生时,可以快速进行系统和数据恢复,使得系统继续提供数据服务和业务服务[5]。
会议管理系统属于管理类系统,主要为公司内视频会议提供信息化支撑。根据业务系统灾备需求,确定灾备指标RPO值≤ 8 h,RTO值≤ 24 h。因会议管理系统数据量不大,业务等级类似协同办公系统的任务协作,同归为C级别系统。综合考虑投入成本,建议采用存储虚拟化复制技术,实现业务数据的实时复制。为实现数据同步,仿真平台同时配置HP XP24000 和HDS通用存储平台(Universal Storage Platform,USP)V存储。在生产中心,根据现有的高端存储类型(HP或HDS),使用现有高端存储的存储虚拟化复制技术,并引入Oracle Golden Gate Veridata数据验证技术[6,7],校验两端数据库数据是否一致,保证实时数据的准确性、完整性和持续可用性[8,9,10]。
3.2 仿真平台架构设计
3.2.1 存储资源配置设计
仿真平台需要配置存储资源,存储空间大小与生产端相同,并配置存储虚拟化HDS通用复制软件复制许可。配置日志卷组用于通用复制软件复制,在生产端和仿真平台存储上划分独立的Raid组用于日志卷。仿真平台的存储空间规划参照生产端的空间规划设计,存储性能相较生产端可降级,采用Raid5,验证数据通过快照方式产生。
3.2.2 服务器资源配置设计
考虑到仿真测试的需要,会议管理系统仿真平台采用与生产环境相同数量的硬件设备,使用一台负载均衡器实现会管系统应用服务器和接口服务器的负载均衡。网管系统、网闸系统、统一权限平台、软视频系统和协同办公系统均采用单机部署,满足功能测试的需求。从投资回报率的角度出发,仿真平台服务器的处理能力可以比生产中心低一些,例如数据库服务器的CPU和内存数量按照生产数据库的50% 来配置[11]。
3.2.3 网络资源配置设计
同生产系统一致,仿真平台也跨越数据网视频VPN及信息内网,但处于与生产系统不同的子网段。生产端到灾备端采用双FCo IP(基于IP的光纤通道)设备单链路连接模式。考虑系统数据量不大,因此数据复制链路建议与其他业务系统复制链路公用,可复用FCo IP链路连接用于数据复制。会议管理系统仿真平台逻辑架构如图5 所示。
在生产中心发生灾难的情况下,仿真平台需要接管应用系统,因此需要与生产中心保持应用同步。应用同步的内容包括应用程序包、应用驱动包及应用配置参数文件[12]。仿真平台建成后,生产中心的版本更新、补丁升级和配置修改等变更将同步在仿真平台实施,实现生产中心和仿真平台应用版本的同步。并通过重新部署应用的方式,实现仿真平台应用的初始同步。
3.2.4 DNS配置改造
在正常运行状态下,用户通过域名系统(Domain Name System,DNS)访问生产环境的会议管理系统,以及其他外围接口系统。仿真平台建设前各应用均将地址写在配置文件中,但在应用级灾备阶段,系统切换到仿真平台后相应的业务地址发生变化,将造成部分业务无法正常使用。因此,需要对运行与统一权限平台、网管系统、协同办公系统等关键外围系统间接口的服务器进行改造,将IP地址访问方式更改为域名解析方式。
4 结语
为满足大型会议电视系统验证测试及仿真运行的需求,本文从大型电力企业会议电视系统的现状入手,提出了开发性能测试软件及软终端模拟2 种搭建会议电视系统仿真环境的方案,重点从存储资源配置、服务器资源配置、网络资源配置及DNS配置改造4 个方面详细阐述了会议管理系统应用级灾备建设方案,解决了会议管理系统生产环境发生灾难时,应用无法快速恢复的问题。当灾难发生后,可将会议管理系统从生产中心切换至仿真平台运行,有效提升了会议电视系统的安全防御水平。
摘要：随着大型会议电视系统的深化应用及其业务功能的不断扩展,系统的升级、改造相应增多,需要研究建立会议电视系统仿真平台,满足系统验证测试、仿真运行的需求。文章首先分析了电力企业会议电视系统的现状,提出了开发性能测试软件及软终端模拟2种搭建会议电视系统仿真测试环境的方案,重点介绍了会议管理系统仿真平台架构模型,以及存储、服务器、网络资源规划及DNS配置改造等关键技术点。经实施验证,当灾难发生时,可实现会议管理系统仿真平台快速接管故障系统,确保公司会议管理系统的连续运行。
关键词：仿真平台,会议管理系统,灾备,配置
参考文献
[1]王浩.国家电网公司电视会议系统推广使用项目可行性研究报告[R].2013.
[2]聂庆节,缪骞云,马悦皎.一种GoldenGate灾备系统中灾备数据快速验证方法[J].电力信息化,2013,11(1):60-65.NIE Qing-jie,MIAO Qian-yun,MA Yue-jiao.A rapid data validation method for the goldengate disaster recovery system[J].Electric Power Information Technology,2013,11(1):60-65.
[3]吴其斌,周春磊,刘延东,等.信息系统灾难备份技术综述[J].国土资源信息化,2011(1):12-15.WU Qi-bin,ZHOU Chun-lei,LIU Yan-dong,et al.Review of disaster backup and recovery technology for information systems[J].Land and Resources Informatization,2011(1):12-15.
[4]于宁斌.IBM UNIX&Linux:AIX 5L系统管理技术[M].北京:电子工业出版社,2005.
[5]张艳,李舟军,何德全.灾难备份和恢复技术的现状与发展[J].计算机工程与科学,2005,27(2):107-110.ZHANG Yan,LI Zhou-jun,HE De-quan.The status and development of disaster recovery technology[J].Computer Engineering and Science,2005,27(2):107-110.
[6]Oracle.Oracle goldengate veridata administration guide version3.0[R].2011.
[7]Oracle.Oracle goldengate veridata v3.0 release notes[R].2011.
[8]盛玮琦.基于Oracle Dataguard的数据灾备技术[J].信息系统工程,2010(6):42,77.SHENG Wei-qi.Data disaster recovery technology on oracle dataguard[J].Information System Engineering,2010(6):42,77.
[9]岳峻松,张磊,聂庆节,等.灾备数据恢复的验证方法[J].电力信息化,2013,11(2):28-31.YUE Jun-song,ZHANG Lei,NIE Qing-jie,et al.Discussion of verification methods for disaster recovery data[J].Electric Power Information Technology,2013,11(2):28-31.
[10]SARIN S.Oracle数据库管理员技术指南[M].钟鸣,孙登峰,译.北京:机械工业出版社,2001.
[11]安徽南瑞继远软件有限公司.国家电网公司一体化电视会议管理系统概要设计[R].2013.