數(shù)字城市控制與集成通信協(xié)議體系結構

摘要 針對數(shù)字城市控制與集成的通信協(xié)議問題，提出了該標準規(guī)范的系統(tǒng)結構，規(guī)范了信息站點中各種資源和服務的外部互操作特性，規(guī)范了系統(tǒng)的應用通信協(xié)議，包括信息站點模型，信息站點中的資源模型、通信模型、服務模型，以及分布式系統(tǒng)的模型，使之能夠有序協(xié)調(diào)工作。

關鍵詞：數(shù)字城市，XML，以太網(wǎng)，控制與集成，信息站點，管控一體化

1. 引言
　　數(shù)字城市的基本內(nèi)涵是利用現(xiàn)代信息技術（包括電腦技術、通信與網(wǎng)絡技術、多媒體技術和GIS/GPS/RS技術等）實現(xiàn)城市中各行業(yè)、各領域的信息化，并將城市中的眾多信息孤島連接起來形成一個整體。繼而以數(shù)字城市為基礎，逐步實現(xiàn)地域數(shù)字化，乃至全國的數(shù)字化。自上世紀末以來，數(shù)字城市已經(jīng)被許多大中城市列為重點發(fā)展方向，逐步在世界范圍內(nèi)形成建設的高潮。
　　在數(shù)字城市的建設中，傳統(tǒng)信息領域的技術及其應用已經(jīng)比較成熟，一般都有較為全面系統(tǒng)的標準與規(guī)范。然而，作為數(shù)字城市中重要的建設基礎與內(nèi)容，控制與集成卻還處于一種較為無序的狀態(tài)，多種標準共存，沒有統(tǒng)一的標準可遵循，系統(tǒng)之間的互聯(lián)和互操作性很差，根本不能滿足數(shù)字城市對信息化的要求，在數(shù)據(jù)信息的可得性方面存在著很多困難，更談不上數(shù)據(jù)信息的可用性問題。
　　以以太網(wǎng)和無線技術為代表的通信技術已經(jīng)在工業(yè)控制、智能建筑等自動化系統(tǒng)中得到廣泛的應用，可以說以太網(wǎng)+TCP(UDP)/IP已經(jīng)成為“事實上”的工業(yè)標準。這解決了系統(tǒng)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的可達性問題。在數(shù)字城市中，控制與集成有其自身的特殊性和行業(yè)應用背景，不能簡單地將信息領域的標準與規(guī)范移植過來。因此，必須根據(jù)該領域的特征與具體應用相結合，制定該應用領域的通信協(xié)議標準規(guī)范，總結出該領域的基本特征、系統(tǒng)框架、模型和技術規(guī)范。
　　國家有關部門組織控制和系統(tǒng)集成標準起草，對數(shù)字城市、智能建筑中控制和系統(tǒng)集成的通信協(xié)議等進行標準規(guī)范建設。本文將提出控制和系統(tǒng)集成的通信協(xié)議的系統(tǒng)結構，從總體上給出該應用領域的系統(tǒng)框架與模型，是該標準規(guī)范的基礎與核心部分。

2. 體系結構
2.1 標準范圍
　　在數(shù)字城市的控制與集成中，核心的基礎設施是一些硬件設備及軟件系統(tǒng)構成的信息站點（單元），它們是各控制管理系統(tǒng)的基本單元，也是信息數(shù)據(jù)的基本處理單元。每個信息站點一方面管理自己內(nèi)部的各種硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源，同時為其它信息站點或用戶提供各種類型的服務。因此，本標準是在國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議TCP/IP傳輸層以上規(guī)范信息站點中各種資源和服務的外部互操作特性，規(guī)范系統(tǒng)的應用通信協(xié)議，使之能夠有序協(xié)調(diào)工作。在此體系結構中，主要包括信息站點模型，信息站點中的資源模型、通信模型、服務模型，以及分布式系統(tǒng)的模型。


2.2 站點模型
　　信息站點是實際系統(tǒng)中基本的組成單位，每個信息站點各自都是一個相對獨立的系統(tǒng)。在硬件上對應于一定的設備，包含一些基本的物理模塊，如傳感器、控制器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡接口等基本部件；在軟件上，則包含一個能夠獨立自主地運行的應用系統(tǒng)。通常，信息站點的系統(tǒng)結構可以用圖2來表示，主要可以分為六大部分。
1) 首先是基于IP網(wǎng)絡的通信部分，主要負責與其它信息站點和控制系統(tǒng)進行交互通信，實現(xiàn)信息交流和系統(tǒng)控制。
2) 基于簡單對象訪問協(xié)議SOAP的消息傳輸、控制和訪問部分，實現(xiàn)上層的服務與下層的網(wǎng)絡通信的連接，使應用服務成為可能。
3) 服務接口部分，提供標準的應用服務接口，一方面信息站點的所有對外的功能服務都通過標準的服務接口來展現(xiàn)，另一方面，外界通過標準服務接口來訪問和調(diào)用信息站點內(nèi)部的功能，完成一定的任務。每個信息站點都提供幾種基本的通用服務，包括讀(Get)、寫(Set)、通告(Notify)、添加(Add)、刪除(Delete)等服務。外界對服務的訪問是通過下層的SOAP來進行的，并將服務的結果通過SOAP反饋回去。而服務的具體執(zhí)行過程則需要操作和利用信息站點內(nèi)部所包含的資源對象。
4) 控制管理內(nèi)核是信息站點的核心部件，也稱之為中央控制器。它主要具備兩個方面的功能：一是統(tǒng)一管理和調(diào)度信息站點的所有資源，包括信息站點的基本描述、組成對象、安全等對象資源；二是接受外界提交的服務請求，通過調(diào)度和執(zhí)行完成相應的任務，并以服務的形式返回給外界。
5) 信息站點所包含的資源對象部分，是信息站點運行、管理和操作的對象和基礎。主要包括I/O對象、功能模塊對象、基本配置對象等，有的還可能具有集成資源對象，主要適用于系統(tǒng)集成。
6) 另外一塊是信息站點的安全管理部分，它在網(wǎng)絡之上提供基本的安全檢測、驗證、加密、解密等基本管理功能，以保證信息站點軟硬件和數(shù)據(jù)的安全。

圖2. 信息站點的系統(tǒng)結構模型

　　以上就構成一個標準的信息站點系統(tǒng)模型，是一套相對獨立的系統(tǒng)，能夠獨自地完成相應的任務。信息站點的基本運行過程是：
1) 控制管理內(nèi)核自主地運行著，控制、管理和調(diào)度內(nèi)部的基本對象和邏輯對象，并按既定的程序執(zhí)行相應的任務；
2) 當外部通過網(wǎng)絡向信息站點提交請求時，通過SOAP協(xié)議的轉換而調(diào)用標準的服務接口；
3) 標準的服務接口傳遞映射給控制管理器，由控制管理器來調(diào)度相應的對象資源，并執(zhí)行相應的功能模塊，完成指定的任務；
4) 任務執(zhí)行的結果通過標準的服務接口返回，再經(jīng)過SOAP協(xié)議的轉換與封裝，最后通過網(wǎng)絡輸出給外界。
2.3 信息站點的資源模型
　　每個信息站點所包含的資源主要可以分為基本配置對象、資源集成對象、功能模塊對象和I/O對象。圖3給出了信息站點的資源模型。其中基本配置對象包括根對象(Root)、設備對象（Device）、同步對象（Sync）、通告對象（Notify）、服務對象（Service）和安全對象（Security），其中紅色的對象是信息站點必須具備的對象。I/O對象包括其中數(shù)字對象、模擬對象、多態(tài)對象、串行對象等。功能模塊對象包括PID控制、開關控制、算術邏輯運算等功能模塊。集成資源對象主要應用于系統(tǒng)集成，并不是所有信息站點都有的，包括三個方面的集成：資源、過程和信息交換，其中資源集成部分主要包括通信網(wǎng)絡、設備、人員、材料、裝備等資源。
在信息站點的資源構成中，通常一個信息站點必須包含信息站點根對象、設備對象、服務對象、通告對象和同步對象，此外，針對具體的應用，需要包含一些相應的I/O對象、系統(tǒng)集成對象和復雜功能模塊對象。
n 根對象，是所有資源的根，使用信息站點標識來唯一標識每個信息站點。
n 設備對象主要包含信息站點的一些基本信息和描述，如信息站點的標識、物理地址、位置等基本屬性。
n 服務對象主要對信息站點所提供的服務進行描述。
n 通告列表對象中是由一組通告對象所組成，每個通告對象是一個實體，它指明了通告的源端通告內(nèi)容和目標信息站點地址，在邏輯上完成了從源端信息站點的某個資源到目標信息站點的一個連接。
n 同步列表對象則是由一組同步對象所組成，每個同步對象指明了目標信息站點的哪個對象應該跟源端信息站點的哪個對象保持同步，即需要將源端信息站點的某些對象賦予給目標信息站點的指定對象。

圖3. 信息站點的資源模型

2.4 通信模型
　　基于IP的控制系統(tǒng)是一種分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，以IP通信網(wǎng)絡為基礎，并結合自動化控制現(xiàn)場物理環(huán)境，將若干個分散在現(xiàn)場的設備、小系統(tǒng)以及控制/監(jiān)視設備連接起來，所有設備一起運作，共同完成自動化控制過程和操作中的I/O 數(shù)據(jù)采集和自動化控制?；贗P的分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡控制系統(tǒng)可以用于智能控制、自動化控制、工業(yè)生產(chǎn)制造和過程控制環(huán)境等。
　　基于IP的控制系統(tǒng)提供了一個系統(tǒng)框架，用來描述由基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等網(wǎng)絡連接在一起的物理設備。在基于IP的控制系統(tǒng)中，有三種子網(wǎng)：即基于以太網(wǎng)（IEEE 802.3）、無線局域網(wǎng)（IEEE 802.11）和藍牙（IEEE 802.15）的子網(wǎng)?；贗P的控制系統(tǒng)中的網(wǎng)段可以是相同類型的子網(wǎng)，或者是兩種或三種的結合，支持下以下拓撲結構：
1） 一個或多個基于以太網(wǎng)的IP子網(wǎng)，兼容IEEE 802.3 協(xié)議；
2） 一個或多個基于無線局域網(wǎng)的IP子網(wǎng)，兼容IEEE 802.11 協(xié)議；
3） 一個或多個基于藍牙技術的IP子網(wǎng)，兼容IEEE 802.15 協(xié)議；
4） 基于以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的以上兩種或三種子網(wǎng)組成的混合網(wǎng)段。
　　每個物理設備通過提供一個或多個應用，來執(zhí)行整個系統(tǒng)的一部分工作，應用之間的通信通過IP通信實體實現(xiàn)。
　　通信模型如圖4所示，主要包括三個層次：
(1) 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層
物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸物理通道，并描述了多個設備共享通信信道的一種機制。本標準中采用了IEEE802 系列規(guī)范，即IEEE 802.3、IEEE802.11 和IEEE802.15。
(2) 網(wǎng)絡層和傳輸層
網(wǎng)絡層和傳輸層為應用層提供報文傳輸?shù)钠脚_，本規(guī)范采用UDP（TCP）/IP 協(xié)議集，其中UDP 協(xié)議不需要在通信兩端建立連接和確認，用于實時數(shù)據(jù)通信。而對于實時性要求不高、對傳輸?shù)目煽啃砸蟾叩膽茫墒褂肨CP協(xié)議，也可使用UDP協(xié)議，但需在應用層提供傳輸可靠性保障機制。


(3) 應用層
主要包括兩大部分：
n 基于XML的消息傳遞，即所有的應用服務消息都是采用XML格式進行數(shù)據(jù)封裝與交換。本規(guī)范選擇SOAP協(xié)議作為XML消息傳遞協(xié)議。SOAP（Simple Object Access Protocol ）簡單對象訪問協(xié)議是在分散或分布式的環(huán)境中交換信息的簡單的協(xié)議，是一個基于XML的協(xié)議，它包括四個部分：SOAP封裝(envelop)，封裝定義了一個描述消息中的內(nèi)容是什么，是誰發(fā)送的，誰應當接受并處理它以及如何處理它們的框架；SOAP編碼規(guī)則，用于表示應用程序需要使用的數(shù)據(jù)類型的實例；SOAP RPC表示，表示遠程過程調(diào)用和應答的協(xié)定；SOAP綁定，使用底層協(xié)議交換信息。
n 基于XML的服務描述。WSDL(Web Service Description Language)是基于 XML 的服務描述的真正標準。這是支持可互操作的 Web 服務所需的最小標準服務描述。WSDL 定義了服務交互的接口和結構。要指定業(yè)務環(huán)境、服務質量和服務之間的關系，我們還需要另外的描述。WSDL 文檔可以由其它服務描述文檔來補充，從而描述 Web 服務的這些更高級的方面。
　　圖4中描述的通信協(xié)議棧模型提供了互操作性，它使控制系統(tǒng)服務能夠利用現(xiàn)有的因特網(wǎng)基礎結構。這將使進入普遍存在的環(huán)境的成本非常低。靈活性并不會因為互操作性需求而有所降低，因為我們可以為選擇性和增值的技術提供另外的支持。這種協(xié)議棧模型確立了保證一致性和互操作性的技術。
2.5 服務模型
　　SOAP 是一種簡單的、輕量級的基于 XML 的機制，用于在網(wǎng)絡應用程序之間進行結構化數(shù)據(jù)交換。圖5展示了 XML 消息傳遞（即 SOAP）和網(wǎng)絡協(xié)議如何組成服務體系結構的基礎。
　　網(wǎng)絡節(jié)點在基于 XML 消息傳遞的分布式計算中扮演提供者和請求者的角色的基本要求是構建、解析 SOAP 消息的能力（或兩者），以及在網(wǎng)絡上通信的能力（接收、發(fā)送消息，或兩者）。


　　通常，在 Web 應用程序服務器中運行的 SOAP 服務器將執(zhí)行這些功能。另外，我們也可以使用在 API 中封裝這些功能的特定于編程語言的運行庫。應用程序與 SOAP 的集成可以通過使用四個基本步驟來實現(xiàn)：
1) 在圖5中，服務請求者的應用程序在①創(chuàng)建一條 SOAP 消息。這條 SOAP 消息是調(diào)用由服務提供者提供的 Web 服務操作的請求。消息主體中的 XML 文檔可以是一個 SOAP RPC 請求，也可以是一個服務描述中所描述的以文檔為中心的消息。服務請求者將此信息和服務提供者的網(wǎng)址一起提供給 SOAP 基礎結構（例如一個 SOAP 客戶機運行時）。SOAP 客戶機運行時與一個底層網(wǎng)絡協(xié)議（例如 HTTP）交互，然后在網(wǎng)絡上將 SOAP 消息發(fā)送出去。
2) 網(wǎng)絡基礎結構在②將消息傳送到服務提供者的 SOAP 運行時（例如一個 SOAP 服務器）。SOAP 服務器將請求消息路由到服務提供者的 Web 服務。如果應用程序需要，SOAP 運行時負責將 XML 消息轉換為特定于編程語言的對象。這個轉換由消息中可以找到的編碼模式所控制。
3) Web 服務負責處理請求信息并生成一個響應。該響應也是一條 SOAP 消息。響應的 SOAP 消息在③被提供給 SOAP 運行時，其目的地是服務請求者。在 HTTP 上的同步請求／響應的情況中，聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的底層請求／響應本質用于實現(xiàn)消息傳遞的請求／響應本質。SOAP 運行時將 SOAP 消息響應發(fā)送到網(wǎng)絡上的服務請求者。
4) 響應消息在④由服務請求者節(jié)點上的聯(lián)網(wǎng)基礎結構接收。消息會經(jīng)過整個 SOAP 基礎結構；可能會將 XML 消息轉換為目標編程語言中的對象。然后，響應消息被提供給應用程序。
　　本示例使用了請求／響應傳送基本原理，這種原理在大多數(shù)分布式計算環(huán)境中都很常見。請求／響應交換可以是同步的，也可以是異步的。其它傳送基本原理，如單向消息傳遞（無響應），通知（推動式響應）以及發(fā)布／訂閱，也可能用到 SOAP。
　　信息站點的基本服務有六種，使用六中服務原語來表示：
1) GET (讀節(jié)點)：客戶端用戶使用讀屬性服務請求一個信息站點中某個對象的一個屬性值。本服務允許讀訪問信息站點對外的任何一個節(jié)點對象的任何屬性。
2) SET (寫節(jié)點)：客戶端用戶使用寫屬性服務修改一個信息站點中某個對象的一個屬性值。本服務本質上允許寫訪問任何一個節(jié)點對象的任何屬性，不論對象是否標準對象。
3) RESPONSE(響應)：對Get，Set，Add，Delete等服務請求的回應。
4) NOTIFY (將節(jié)點通告至目標站點)：通告操作主要完成一個消息的通告，當某個事件發(fā)生，或者一個對象的某個屬性發(fā)生變化時，向預訂該類通告的用戶(信息站點)發(fā)送該通告信息，這類通告信息并不需要預訂用戶的回應和確認。
5) ADD (向站點增加節(jié)點)：客戶端用戶使用添加列表元素服務向一個具有列表的對象的屬性添加一個或者多個列表元素。DELETE (刪除站點的節(jié)點)：客戶端用戶使用刪除列表元素服務從一個具有列表的對象的屬性中刪除一個或者多個列表元素。上述幾種基本服務的時序如圖6所示。


2.6 分布式控制系統(tǒng)模型
　　分布式的控制系統(tǒng)模型如上圖所示。在物理上，分布式控制系統(tǒng)由一組分布在不同位置的多個物理設備所組成，所有設備都通過一定的物理通信網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等）互連起來，形成一個整體互聯(lián)的系統(tǒng)。每個設備都是一個相對獨立的物理系統(tǒng)，能夠完成一定的功能，提供各種類型的服務。
在邏輯上，分布式控制系統(tǒng)則由多個應用(子系統(tǒng))所組成，每個應用分布在一個或者多個設備上，由這些設備的相應的對象組合而成，每個設備中的對象包括一些邏輯對象、I/O對象、功能模塊對象等。圖中每個虛線框即表示一種應用，應用中對象之間的連線是一種邏輯上的連接，可以是通告對象或者同步對象，這些對象被添加到設備的通告列表對象或者同步列表對象中，并通過具體的設備間的服務和通信來完成的。圖7給出了分布式控制系統(tǒng)模型的示意圖。



3. 結語
　　數(shù)字城市已經(jīng)在世界范圍內(nèi)成為發(fā)展建設的高潮，控制與集成是數(shù)字城市中的重要組成部分。在控制與系統(tǒng)集成領域中，為解決數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)、可達性和可用性，必須對數(shù)據(jù)信息的通信進行統(tǒng)一規(guī)范。本文針對數(shù)字城市控制與集成的通信協(xié)議問題，提出了該標準規(guī)范的系統(tǒng)結構，規(guī)范了信息站點中各種資源和服務的外部互操作特性，規(guī)范了系統(tǒng)的應用通信協(xié)議，使之能夠有序協(xié)調(diào)工作。有關這一管控一體化協(xié)議體系的的更多內(nèi)容將在后續(xù)的文章中陸續(xù)給以介紹。

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