基于MATLAB的遠程信號分析與診斷系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：討論了MATLAB通過WWW實現(xiàn)異地信號分析的原理和關鍵技術，設計了基于MATLAB的機械設備遠程信號分析及遠程故障診斷系統(tǒng)。

關鍵詞：遠程診斷 信號處理 MATLAB軟件 WEB INTERNET

MATLAB語言及其系統(tǒng)是MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學軟件[1]。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理、仿真控制和圖形顯示等于一體，構成了一個方便的、功能強大的、界面友好的用戶環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)平臺，在故障診斷等眾多工程領域有著廣泛的應用[2,3]。

近年來，隨著計算機技術與通信技術的發(fā)展，Internet/Intranet技術已成為遠程信號分析與處理系統(tǒng)開發(fā)的理想平臺，然而，要實現(xiàn)真正意義上的基于WEB的遠程監(jiān)測、分析與診斷，非常困難[4]。本文在基于MATLAB的科學計算與圖形展示功能的Web應用原理討論的基礎上，給出了基于MATLAB實現(xiàn)機械設備遠程信號分析及遠程故障診斷系統(tǒng)的主要功能、實現(xiàn)方式和方法，展示了一種在Iternet/Interanet環(huán)境下實現(xiàn)遠程監(jiān)測、分析與診斷的快速實現(xiàn)方法。

1 MATLAB的WEB應用原理

在MATLAB5.3以上版本的工具箱里，增加了WEB應用工具，通過基于MATLAB的Web應用，能使世界各地的用戶通過Internet將數(shù)據(jù)發(fā)送給MATLAB Web服務器，供助MATLAB強大計算與圖形展示功能，獲得計算結果或相應的圖形結果。

MATLAB的Web應用主要由兩部分組成。一部分是MATLAB Web服務器，負責管理Web應用與MATLAB之間的通訊。它實際上是一個多線程可執(zhí)行的TCP/IP應用程序MATLABserver.exe，是MATLAB應用程序運行的服務器環(huán)境；另一部分是Web服務代理，TCP/IP的MATLAB Web服務器的客戶端，一個可執(zhí)行程序matweb.exe，同時也是Web的CGI擴展，它鈄對MATLAB的請求重新定向到MATLABserver.exe進行處理。其原理結構如圖1所示。

由圖1可知，MATLAB Web應用必須基于某一標準的Web服務環(huán)境。瀏覽器客戶通過TCP/IP協(xié)議請求Web服務器中的文檔，而MATLAB Web服務代理篩選所有的請求，如果是MATLAB Web請求，則將其交由MATLAB Web服務程序處理，否則由標準的Web服務器進行處理。在設備MATLAB Web應用環(huán)境時，MATLAB Web服務代理必須與系統(tǒng)的Web服務器安裝在同一臺機器上，而與MATLAB Web服務程序則可以在同一臺機器中，也可在不同的機器中。

2 建立基于MATLAB的Web應用

建立基于MATLAB的Web應用需要幾個步驟。下面通過實例來說明建立MATLAB Web應用的基本步驟。

2.1 請求MACTLAB Web服務的HTML文檔

請求MATLAB Web服務的HTML文檔主要完成兩方面的功能。一方面是接收瀏覽器用戶的輸入，這與一般的Web應用的處理方法相同，可以通過HTML的表單實現(xiàn)；另一方面是設置一個特殊的標志，將該請求重新定向到MATLAB Web服務代理進行處理，它的實現(xiàn)方法與一般的CGI程序調用方法相。下面是其實例代碼片斷：

form action=“/cgi-bin/matweb.exe”mathod=“POST”target=“outputwindow”>

input type=“hidden”name=“mlmfile”value=“functest”>

該片斷中最關鍵的部分是Form標記的Action屬性的設置及隱輸入框mlmfile（參數(shù)名固定），其值為將在MATLAB Web服務程序中運行的m文件的文件名。另外，為了方便使用，一般可以將瀏覽器窗口分為幾個部分，一部分用于輸入?yún)?shù)和控制，一部分用于顯示運行結果或圖形。

2.2 MATLAB Web應用的設置

MATLAB Web應用的設置工作主要分為三個方面。第一是安裝Web服務器和瀏覽器，可以選用Microsoft IIS、Netscape NES或Apache Web服務器和IE或NETSCAPE瀏覽器。第二是對MATLAB Web服務器的設置，即配置matlabserver.conf文件，設定當前MATLAB運行的個數(shù)。第三是對MATLAB Web服務代理的設置，即每增加一個MATLAB Web應用，都需要在代理服務的配置文件matweb.conf中增加一項配置。如在html表單中調用的m文件的文件名為functest，相應地，需要在matweb.conf中增加下面的內(nèi)容：

[functest]

mlserver=210.27.64.1

mldir=e:/inetpub/wwwroot/icons

其中mlserver=210.27.64.1指明MATLAB Web服務程序所在機器的IP地址，而下面一行主要是MATLAB工作目錄的設置。

2.3 MATLAB應用程序的開發(fā)

MATLAB應用程序主要具有以下3個方面的功能：

·接收輸入HTML表單中的輸入值；

·調用MATLAB中內(nèi)置的各種函數(shù)進行科學計算或作圖；

·將計算結果放到一個MATLAB結構中；

·調用Htmlrep文件將計算結果或生成的圖形輸出到HTML模板頁面上，并將這些結果返回給最終用戶。

一個典型的MATLAB應用程序代碼如下：

Function PageString=functest(InputSet，OutFile)

cd(InputSet.mldir);

%清除1個小時以膠的舊圖形

wscleanup('f*.jpeg',1);

Fig=figure('visible','off');

%接收輸入值，并進行轉換

startx=str2double(InputSet.startx);

stepx=str2double(InputSet.stepx);

endx=str2double(InputSet.endx);

x=(startx:stepx:endx);

S=InputSet.funcname;

%計算或作圖

plot(x,eval(S));

ylabel('測試')；

title(['**函數(shù)：'S'的圖像**'])；

pos=get(gcf,'position');

pos(3)=380;

pos(4)=310;

set(gcf,'Position',pos,'PaperPosition',[.25 .25 4 3]);

PlotFile=sprintf('f%s.jpeg',InputSet.mild);

drawnow;

wsprintjpeg(Fig,PlotFile);

close（Fig）;

%對輸出模板進行處理，生成輸出HTML文件

templatefile=which('functempate.htm');

if(exist('OutFile','var')= = 1)

s.GraphFileName = [PlotFile];

PageString=htmlrep(s,templatefile,OutFile);

Else

s.GraphFileName=[sprintf ('http://%s/icons/',Input Set.mldir 1)PlotFile];

PageString=htmlrep(s,templatefile);

2.4 顯示運行結果的HTML模板的開發(fā)

在上面的MATLAB應用程序中，最后的結果輸出部分調用了用于輸出的HTML模板functemplate.htm。下面是該文件的部分代碼，其中最重要的部分是標記$......$中包含的變量部分，在MATLAB應用程序中通過函數(shù)htmlrep，使用輸出結構中相應的變量值對這些標記進行替換。

html>body bgcolor=#FFFFFF>

P>nbsp/p>p align=center>

img border=0 src=$GraphFileName$>/p>/body>/html>

3 基于MATLAB的遠程信號分析與診斷系統(tǒng)

MATLAB是信號分析能力很強的開發(fā)平臺，將其與Web服務器結合，經(jīng)過合理的設計，可以比較快地實現(xiàn)遠程信號分析與診斷。圖2是基于MATLAB的遠程信號分析與診斷系統(tǒng)的主頁面，圖3是時頻分析的實例。在開發(fā)該系統(tǒng)時，除上述問題外，主要需要解決以下幾方面的技術問題。

3.1 原始數(shù)據(jù)的提交

用戶原始數(shù)據(jù)的提交主要有兩種方式。一種是專用數(shù)據(jù)的提交，主要是為安裝有本中心開發(fā)的RB21和RB20的用戶服務的。在RB21和RB20中，其監(jiān)測網(wǎng)絡中有專門的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)庫結構與遠程分析與處理中心的ORACIE8I數(shù)據(jù)庫基本是一致的，可以使用專用的數(shù)據(jù)提交程序。另一種是通用數(shù)據(jù)的提交，是為普通用戶準備的。這又分為兩種情況，一是已知原始數(shù)據(jù)的提交，它按照遠程分析中心給定的數(shù)據(jù)格式提交；二是未知數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)的提交，采用時域或頻域機械圖像的方式提交，這主要是為現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲格式不明的測試系統(tǒng)準備的。具體的提交方法采用以下三種方式：

（1）FTP方式：FTP是建立在TCP/IP協(xié)議基礎上的文件傳輸協(xié)議，系統(tǒng)為注冊用戶提供基于FTP的數(shù)據(jù)提交方式，用戶通過登錄遠程診斷中以后FTP服務器，可以用類似資源管理器的方式直接提交監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）Email方式：Email是目前應用比較廣泛的郵件協(xié)議，用戶可以通過中心的Email提交原始數(shù)據(jù)，不過通過這種方式提交數(shù)據(jù)需要一定的時間延滯。

（3）Socket方式：Socket是建立在傳輸層協(xié)議（主要是TCP和UDP）上的一種套接字規(guī)范，可以通過Delphi的Internet控件，即服務器端組件TserverSocket和客戶端組件TclientSocket進行編程，實現(xiàn)基于TCP/IP的Socket網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 安全問題的解決

由于Internet網(wǎng)絡的開放性與共享性導致了遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的安全性受到嚴重影響。如何保證網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的安全，服務雙方職責的明確和身份確認是遠程診斷研究必須解決的課題。遠程監(jiān)測與診斷服務中的安全性需求可以分為以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)的保密性 用于防止非法用戶進入系統(tǒng)及合法用戶對系統(tǒng)資源的非法使用；通過對一些敏感的數(shù)據(jù)文件進行加密來保護系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，防止除接收方之外的第三方截獲數(shù)據(jù)及即使獲取文件也無法得到其內(nèi)容；

（2）數(shù)據(jù)的完整性 防止非法用戶對進行交換的數(shù)據(jù)進行無意或惡意的修改、插入，防止交換的數(shù)據(jù)丟失等；

（3）數(shù)據(jù)的不可否認性 對數(shù)據(jù)和信息的來源進行驗證，以確保數(shù)據(jù)由合法的用戶發(fā)出；防止數(shù)據(jù)發(fā)送方在發(fā)出數(shù)據(jù)后又加以否認；同時防止接收方在收到數(shù)據(jù)后又否認曾收到過此數(shù)據(jù)及篡改數(shù)據(jù)；

（4）數(shù)據(jù)的公正性 用具有獨立法律地位的認證機構或合同確認服務雙方職責和義務。

目前遠程診斷中心解決安全性問題主要采用兩方面的措施。一方面采用用戶注冊的方法，將用戶分為五個安全等級，為他們分配特定的權限和口令；另一方面采用數(shù)字簽名技術，用戶提交的數(shù)據(jù)和申請，中心生成的診斷報告，均經(jīng)過數(shù)字簽名。

3.3 遠程分析與診斷功能的設計

作為遠程信號分析與故障診斷中心，系統(tǒng)的功能應盡可能豐富和強大，應該比現(xiàn)場監(jiān)測與分析系統(tǒng)提供更為先進和新穎的功能。因此本中心提供頻譜分析、相關分析、時序分析、小波分析、小波包分析、時頻分析、機械圖像分析以及遠程智能診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的主頁面如圖2所示。此外，對于委托的遠程信號分析與診斷，遠程信號分析與診斷中心必須生成正式的分析報告，經(jīng)過數(shù)字簽名后，送達委托人。

從上面的論述中不難知道，基于Matlab的遠程信號分析與診斷是一種比較簡快速的遠程分析與診斷系統(tǒng)的開發(fā)方法，它能充分利用Matlab強大的信號分析和工程計算能力，開發(fā)出功能強大的遠程信號分析與診斷系統(tǒng)。同時，它還能充分發(fā)揮Matlab平臺良好的擴展性，以及對硬件和數(shù)據(jù)庫的操作性，實現(xiàn)更高級的功能。