能量管理系统服务子系统WebS的设计

薛蕾

（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

在能量管理系统中，服务子系统WebS是1个极其重要的子系统。电力系统软件规划者人为地将能量管理系统划分并要求部署在3个安全分区中[1]。其中Ⅰ区作为实时运行信息区，安全要求级别最高。Ⅲ区作为安全级别更低的安全区域，部署服务子系统WebS，进行信息的发布以及与其他非实时应用的信息交互。从1990年代开始，各个能量管理系统都已具备各自的Web服务功能，并且不断发展。期间对如何设计与开发好服务子系统WebS发生过多次的技术争论，实现方法在各具体产品中也有相当大的区别，其展现效果也有巨大的差异。这些方法大都由于当时的计算机技术，包括通信技术、浏览器技术等的限制，都或多或少地存在一些缺陷。近年来，先进的计算机技术不断涌现，技术环节的衔接手段与方法也在不断改进，为改进能量管理系统服务子系统WebS的设计提供了可能。

1 WebS的架构模式

1.1 基于C/S模式下的Web架构

基于C/S模式的Web客户端采用各种高级语言进行编写，编译后通过文件发布服务将程序发布并更新到客户端。用户直接使用发布到客户端的执行程序进行浏览与操作。Web的信息发布功能可根据要求灵活配置，比如图形浏览、曲线查询、告警浏览、报表查询等功能均可通过Web的更新发布机制提供给客户端。如图1所示，Web服务器上需要部署基本的网页发布服务、实时数据服务、历史数据服务和网络通信服务等基本服务程序。Web客户端通过网页发布机制将相关程序和资源缓存到本地，再通过主网页提供相关模块的链接进行程序的调用。由于客户端直接采用现有的图形程序进行部署，所以原有的实时数据服务、历史数据服务、告警查询服务等都可以直接使用。

图1 基于C/S模式的Web架构

1.2 基于B/S模式下的Web架构

基于B/S模式的Web架构与基于C/S模式的Web架构不同，其主要利用浏览器对脚本语言的支持能力，实现浏览器与服务器之间的HTTP请求与响应，将大量的应用逻辑处理放在服务器端进行处理。相对于C/S模式而言是一个非常轻量级的客户端展示方式。

B/S模式下最简单的Web应用程序模型为同步模型，即输入数据，发送页面到服务器，等待响应，如图2所示。这里存在着2个基本的问题：一是必须等待服务器的响应；二是服务器不能发起更新。

图2 基于B/S模式的Web同步模型

为此，异步模型则更加吸引人。在异步模型中，应用程序不会让所有的客户端操作响应都回到服务端去处理，而是部分变化由客户端处理，部分响应由服务端处理的技术方法。这个模型中所交互的网页即不是所有信息的全集，也不是仅有显示的部分页面，在使用过程中，只有包含新信息的用户界面元素才会被更新，其余部分都保持不变。这就意味着不需要发送全部的信息，不需要长时间等待响应，如图3所示。

图3 基于B/S模式的Web异步模型

1.3 Web架构模式选择

基于C/S模式的服务子系统WebS可以实现作为一个服务子系统WebS所要实现的各项基本功能要求，包括图形浏览、告警查询、报表浏览等功能。而且由于采用实时系统的应用程序直接作为Web客户端程序发布，其功能非常的强大且交互性强。但是基于C/S结构的方式有明显的缺点。

（1）客户端需要下载。对于每一个客户端，都需要下载客户端程序和相关的配置与图形文件到本地。这一过程会导致一些问题：①下载时间长；②对磁盘空间有要求，在某些系统上需要500 MB甚至1 GB以上的空间；③磁盘上的文件一旦下载，清除困难，导致存在垃圾文件；④可能存在安装失败的情况，异常处理复杂。

（2）程序更新复杂。任何的修改都需要向客户端进行发布，部分发布就有可能带来匹配问题

（3）客户端软件冲突。当同一客户端浏览多个Web服务器可能会发生客户端软件冲突。

（4）对浏览器安全策略有要求。由于需要允许下装控件，要求浏览器降低安全权限和可信站点进行配置，不符合安全防护的功能要求，同时也要求使用Web客户端的使用者需要手动的进行操作，增加了技术支持人员的工作量。

（5）网络设备需要维护。网络上要开放数个通信端口以供应用程序通信。而由于系统中网络结构往往比较复杂，跨越多个交换机和路由器的情况时有发生，一旦出现访问异常，很难确定是问题原因。且随着安全防护要求的不断增加，开放的端口越少越好。

（6）对网络带宽要求比较高。由于使用客户端程序直连，为加快操作与交互的速度，大量初始信息会提取到客户端进行逻辑分析，而非最终的结果发布，导致对网络带宽的要求增加。

（7）对服务器性能要求比较高。由于每一个客户端的登陆、浏览都要消耗服务器一些资源，导致服务器的负载较高。因此C/S客户端方式支持的在线人数不多。

①志愿助人服务：门诊服务中心、门诊各楼层志愿者负责协助病人自助挂号、缴费、打印化验单；急诊分诊处志愿者负责维护医疗工作秩序；门诊B超室志愿者负责协助医务人员登记，分流引导病人及家属到相应就诊楼层和诊室检查。②志愿关怀服务：积极为残疾、老年、体弱、行动不便及其他特需病人、外国友人等提供诸如搀扶、陪同、轮椅、拐杖、平车协助的优质服务；帮助危重症、老年、体弱病人办理住院手续并陪送至病房；主动、热情地为病人及家属提供指路、引导服务。③志愿环卫服务：维持安静、清洁、整齐、安全、良好的医院环境；协助护工清理病人就诊途中的分泌物、排泄物、呕吐物等，为病人提供舒适、优质的医疗服务。

正是由于基于C/S模式的服务子系统WebS存在着种种的缺陷，新的服务子系统模式的研究就显得十分重要。需要解决的问题：（1）下载内容尽量少，甚至零下载，即不落地的Web；（2）开放端口尽量少，最好只开放标准的8000端口；（3）服务器资源占用量尽量少，允许更多的访问用户；（4）客户端对服务器的访问相对独立，即一个客户端可浏览多个Web服务器上的内容；（5）客户端是免维护的。

而基于B/S模式的服务子系统WebS正好在这方面具有得天独厚的优势。其客户端包含HTML页面和嵌入的脚本，这些内容是不落地的；正常浏览仅需开发一个标准的HTML端口（8000）或一个指定发布端口；服务器可以采用Servlet容器支持并发的页面访问，效率极佳；客户端对服务器的访问完全对立，一个客户端可以任意浏览多个Web服务器的内容，而且客户端是免维护的。但是基于B/S模式的服务子系统WebS依赖HTML页面的展现和嵌入的脚本处理能力，其功能和交互特性与C/S模式下的客户端相比要逊色不少。

2 异步模型构架技术方案

如前所述，基于B/S模式的Web构架较基于C/S模式的Web构架具备很多的优势，而W3C发布的SVG语言规范，以及异步模式技术Ajax（Asynchronous JavaScript and XML）为构建这种架构的服务子系统提供了技术支撑。基于这一思考，研究设计基于B/S模式的适合电力能量管理系统使用的服务子系统WebS架构方案。在本方案中，SVG/XML是信息的主要载体，而HTTP服务器的搭建与Ajax技术的使用则是本设计方案的主要研究内容。

基于B/S模式的Web异步模型有3个重要的环节，如图4所示。（1）Web服务器侧的HTTP服务器的搭建与服务提供；（2）浏览器侧的展示技术。（3）异步脚本通信与页面更新。

图4 基于B/S模式的服务子系统WebS构架

2.1 浏览器展示技术

SVG的开放性、高效性、灵活性、可扩展性和可交互性等多方面特性使其具备了成为该系统中承载模型与图形表达以及交互展示的能力[2]。SVG将矢量图形的表达技术引入，使SVG文件很小，下载浏览更加便捷，而且采用客户机本地解释生成图形的方式，既充分利用了客户机的资源，又减轻了服务器端的负担，可以解决网络瓶颈问题[3-5]。由于SVG是解释性语言，所以在浏览时遇上很大的图形文件，可以以图形元素为单位，接收多少，显示多少，类似与JPEG的渐进显示。SVG/XML既是一种语言，也是一种技术。作为一种语言，它具有易读、可校验、方便修改等特性；作为一种技术，它为计算机领域提供了一种标准化的信息载体，方便地进行信息的共享与交互[6，7]。加之大量业界厂商对SVG/XML作为主流格式的文本载体进行支持，大大扩展并提高了其解析能力、校验能力、传输能力。

2.2 异步脚本通信设计

服务子系统WebS利用Ajax完成请求发送并取回必需的数据，并在客户端采用JavaScript处理来自服务器的响应。因为在服务器和浏览器之间交换的数据大量减少，应用响应得更快。同时很多的处理工作可以在发出请求的客户端机器上完成，所以Web服务器的处理时间也减少了。此方案的最大优点，就是能在不更新整个页面的前提下维护数据。这使得WebS的客户端更为迅捷地回应用户动作，并避免了在网络上发送那些没有改变过的信息。

服务子系统WebS利用JavaScript来传递用户界面上的数据到服务端并获取结果。XMLHttpRequest对象用来响应通过HTTP传递的数据，一旦数据返回到客户端就可以立刻使用DOM将数据修改到基于SVG的网页上。XMLHttpRequest对象在大部分浏览器上已经实现而且拥有一个简单的接口允许数据从客户端传递到服务端，但并不会打断用户当前的操作。使用XMLHttpRequest传送的数据可以是任何格式，而在本文的研究设计中采用了基于XML的SVG数据格式。

2.3 动态更新网页画面

前端展示的图形页面选择SVG作为嵌入对象，在载入静态画面后，需要结合实际应用系统的数据变化进行网页画面的动态更新。如前所述，其数据请求由JavaScript脚本函数通过XMLHttpRequest对象组织发出，当数据返回后，数据的刷新依赖则是文档对象模型DOM来完成。

DOM可以看作是一组应用程序接口API，它把HTML文档、XML文档等看成一个文档对象，在接口里面存放的是对这些文档操作的属性和方法的定义，若编程语言实现了这些属性和方法，就可以对文档对象中的数据进行存取，并且利用程序对数据进行进一步的处理。由于DOM是基于信息层次的，因而DOM被认为是基于树或基于对象的。通过DOM接口，应用程序可以是任何时候范围XML文档中的任何一部分数据。SVG也是基于XML的，所以与DOM也有着密切的关系。

服务子系统WebS即通过操纵SVG DOM来与SVG图形进行交互。当浏览器利用DOM载入了SVG文件后，就会在内存中按照SVG DOM构造一棵节点树。通过遍历DOM树，可以获取画面的请求数据集，并通过异步数据访问进行实时数据的获取。在数据返回后，利用DOM将解析的数据内容逐个的更新修改节点树上的相应节点，实现画面数据的动态刷新、状态着色、电气岛着色等展示功能，让静态的图形动起来。具体流程如图5所示。在这一过程中，所有的软件操作都是基于内存中的DOM节点树，原始的SVG文件不会发生任何变化。

图5 SVG数据转换流程

2.4 数据刷新服务

对动态数据(如：量测量等)的处理，可以利用DOM（文档对象模型）接口操纵SVG文档来实现数据的动态刷新。通过脚本语言定时调用文档对象模型的接口，获得画面上所有元素及其属性和属性值，通过DOM方式将整个XML表述的SVG格式的图形文件映射到内存中。内存中每个对象中属性值的变化可以通过订阅机制向服务端定制。

例如开关设备的动态变化可以通过JavaScript脚本来实现。（1）申明g_svgDoc为SVG的文档对象，g_svgRoot为根节点；（2）定位到指定的节点；（3）修改use节点的属性，引用该节点的不同状态。

类似的，动态数据也可以进行修改。（1）申明g_svgDoc为SVG的文档对象，g_svgRoot为根节点；（2）定位到指定的节点；（3）修改文本节点的值。通过这些步骤就可以简单地表达对指定节点进行的修改。

数据的获取则是实现的另一个关键。目前采用了Ajax技术来实现。比如上述SVG文件可以通过如下步骤来获取数据。（1）创建Ajax请求对象；（2）将所有的key_id信息拼接起来字符串方式发送给SvgDataServlet程序。数据信息的请求发给服务器端的 Java Servlet程序 （SvgDataServlet）， 该程序在doPost方法中负责解析请求，并进一步将key_id通过CORBA发送给后台服务获取系统数据，数据获取之后返回给Web客户端，客户端收到结果之后自动调用回调函数进行数据的刷新。以上的处理流程如图6所示。

图6 数据刷新的处理流程

3 结束语

本文针对基于C/S模式与基于B/S模式构架进行服务子系统WebS的搭建进行优缺点比较，发现实现一套基于B/S模式架构的服务子系统WebS显得尤为重要。且利用多种计算机技术提出并实现了一套完整的基于B/S模式架构的设计方案。首先，对服务子系统WebS的系统架构进行分析，并对几种常用的系统设计模式进行比较，提出了基于B/S模式架构实现服务子系统WebS的设计方案。其次，通过选取Servlet容器技术搭建HTTP服务，以W3C标准SVG作为前端展示语言与格式，并利用Ajax技术实现客户端与服务器的通信，从而建立浏览器与服务器之间的异步访问模型。最后，结合异步访问模型，建立服务子系统WebS的服务实现机制，对前端展示所必须的数据刷新服务、事件响应等进行了详细的研究设计。

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[4]李亚平，姚建国，黄海峰，等.SVG技术在电网调度自动化系统中的应用[J].电力系统自动化，2005，29（23）：80-82.

[5]刘 啸.基于XML的SVG应用指南[M].北京：北京科海电子出版社，2001.

[6]石东源，卢炎生，王星华，等.SVG及其在电力系统软件图形化中的应用初探[J].继电器，2004，32(16）：37-40.

[7]刘遵雄，况志军，高玉柱.基于SVG的电力图形系统的实现[J].继电器，2005，33(21)：69-73.

[8]阿斯利森，舒 塔.Ajax基础教程[M].金 灵译.北京：人民邮电出版社，2006.