振华重工新型监控系统的研究与开发

贲道伟，吴明生，于跃

（上海振华重工（集团）股份有限公司智慧集团，上海 200125）

0 引言

随着码头对监控和办公自动化的需求的迫切提升，SCADA（数据采集与监视控制系统Supervisory Control And Data Acquisition，以下简称“SCADA”）系统的功能越来越强，品质要求越来越精，特别是在智能码头领域。振华重工自主开发了一套码头监控系统，其主要功能包括多种控件的支持，二次开发代码，新型操作和皮肤的支持，在智能码头监控系统打开了市场。近年，公司针对客户的需求，新开发了SCADA 3D，岸桥/轮胎吊/桥吊的模块化组件，基于RESTful的分布式监控服务，这些功能的开发大力提升了公司的产品竞争力，进一步的拓展了港机市场。

SCADA 3D完整的开发了一套原生编辑器，兼容原SCADA的数据格式和2D场景，支持了常见的3D技术，如骨骼动画，天空盒，光影效果，满足了工业化场景对性能和效果需求；岸桥/轮胎吊/桥吊的模块化组件，允许用户通过配置一系列的参数配置，无需美术的参与，完成对岸桥/轮胎吊/桥吊常用组件的快速开发；模块化的分布式监控服务允许用户在跨操作系统，跨开发语言，通过RESTful协议，获取分布在网络不同端口的程序的运行状态[1]。

1 SCADA 3D模块

1.1 概述

国内外的最常见的做法是采用游戏引擎Unity，借助于Unity的强大3D功能开发出一套实时监控3D应用。这种做法能快速满足需求，没有技术障碍，而劣势在于，3D应用必须独立运行。ZPMCSCADA3D为了保证3D画面嵌入SCADA应用，另辟蹊径，独立开发了一套完整的3D编辑器和3D嵌入方式。

3D组态化模块作为SCADA的子功能，用户可以选择是否使用。如果使用，简单的拖拽和配置导入的场景，画面将自动识别包含3D控件的画面，自动将画面转化为3D画面。3D组态化模块主要分为两部分：3D场景编辑器和3D场景嵌入原SCADA编辑器[2]。

3D场景编辑器作为一个独立的应用程序，包括主画面，场景节点编辑器，属性编辑器，文件夹窗口，提示窗口等多个窗口，允许用户编辑场景并保存为XML格式的文件。

SCADA将3D场景单个控件的形式集成到SCADA中，在扫描到SCADA中有3D控件后，自动将画面切换到DirectX渲染模式下，摄像头信息在3D控件中给出，和原SCADA兼容，满足了快速开发3D场景的需求。

图1 SCADA3D架构说明图

1.2 3D场景编辑器详细设计

图2 3D场景编辑器的架构

3D场景编辑器是一个独立应用程序，可以在SCADA中启动，也可以通过EXE应用程序启动。编辑器包含了主场景窗口，节点窗口，属性窗口，快捷栏，文件夹窗口，提示窗口。

3D场景编辑器可以打开工程文件中3DScene目录下的XML场景文件。启动时，会读取和SCADA共享的配置文件，打开默认工程。

图3 SCADA 3D编辑器

3D场景编辑器采用了最新理念的编辑器架构，模仿了3D游戏引擎Unity的架构，包含了主场景，树形节点，属性窗口。采用所见即所得的设计理念，对整个场景的编辑结果都可以在主场景窗口中看见。

树形菜单将整个场景用树形菜单编辑，分为文件夹，和3D对象，灯光，广告牌等多种对象。既支持了丰富的对象，也简化了整个场景的管理。添加，删除，拷贝，重命名，移动位置等，大大简化了用户的制作时间。

对场景树的每一个节点，我们都可以在属性窗口中支持，支持编辑位置，旋转，缩放，是否可视等属性。这些属性都可以动态绑定SCADA的数据点。

1.3 3D场景如何嵌入SCADA

图4 3D场景嵌入SCADA架构

3D场景编辑器的输出文件包含一个XML文件，包含所有的场景信息，包括绑定点的信息，而3D模型，贴图文件单独分开保存。

在2DSCADA画面中，拖入3D对象，配置3D对象的场景文件后，画面自动识别，加载XML文件，并转换为3D画面。

1.4 渲染引擎

渲染引擎是3D应用的心脏，决定了渲染速度和画面效果。引擎的架构同样也影响了3D编辑器的架构和嵌入方式。在研究了多个开源引擎后，我们考虑了OGRE，Irrlicht，Godot等三款游戏引擎进行重点考察。

OGRE引擎开源，但是结构复杂，不利于修改底层代码。Godot功能强大，但是是独立EXE应用，不利于作为子功能嵌入SCADA中。而Irrlicht代码清晰，结构简单，完美支持了MFC的嵌入。经过多方面的考量，我们采用了Irrlicht引擎。

该引擎很好的支持了光影，水面特效，天空盒，骨骼动画。底层代码也非常友好，杰出地支持了MFC和底层对新数据格式的支持。

2 岸桥/轮胎吊/轨道吊的模块化组件

2.1 基本设计原理

岸桥/轮胎吊/轨道吊本质上是一个封装过的图形组合组件，我们在原有的图形组合组件基础上加入了参数配置，让程序根据参数配置通过代码修改子图形的大小，位置，动画等常规信息。

2.2 模态化的优点

采用模块化，我们抛弃了原来每个岸桥/轮胎吊/轨道吊模型美术辅助，开发人员配合的工作模式，允许开发人员自行搭建模块，使原本繁复的工作流程变得简单化，释放了员工的工作量[3]。①可以方便工程人员快速开发组件；②无需美术人员的参与。

2.3 模态化的缺点

模态化组件存在基础功能修改麻烦，上手难等缺点。由于工程不需要反复变动，整体来看利大于弊。①如有基础功能变动，需要在代码中修改，费时费力；②参数较多，使用需要熟悉各个参数。

3 基于RESTful API的分布式监控服务

3.1 RESTful API概述

网络应用程序，分为前后端两部分。当前的发展趋势，就是前端设备层出不穷。因此，必须有一种统一的机制，以便不同的前端设备与后端进行通信。这导致API构架的流行。RESTful API就是目前较为成熟的互联网应用程序的API设计理论。REST（Representational State Transfer）表述性状态转换，REST指的是一组架构约束条件和原则，支持分布式架构[4-5]。

3.2 RESTful API的优点

简单地来说REST它是一种使用URL来定位资源，使用HTTP请求描述操作的Web服务规范。基于RESTful API的分布式监控系统有以下优点：①前后端分离，和前端无关；②支持多种操作系统，支持多种语言；③完备的软件支持方案，支持Swagger Editor在线编辑，便于API的共享。

3.3 分布式监控的具体实现

图5 分布式监控架构

3.3.1 服务器

工程设计了两个dll（C#版和C++版）嵌入到各个子系统中，为客户端提供统一的REST服务，以下是服务端dll的接口：

（1）Start启动监控程序，参数端口号。

（2）Stop关闭监控程序。

（3）C++设置/获取四种类型的自定义属性：SetFloat GetFloat；SetBoolean GetBoolean；SetInt GetInt；SetString GetString。

（4）C#设置/获取自定义属性：GetObject SetObject

程序员可以启动一个监控程序，并向监控程序写关键字和对应的值。并且程序默认提供了CPU和内存的使用情况[6-7]。

3.3.2 客户端

我们采用SwaggerEditor编辑器，为客户端提供如下接口：

图6 监控服务接口

①Read选择性浏览部分参数返回数据；②ReadAll浏览遍历所有参数和值；③Browse浏览遍历所有参数，不返回值。

Swagger可以将接口保存为JSON格式文件，方便用户提取，储存。

4 结语

在信息化、智能化的时代，用户的需求层出不穷，只有不断满足客户的需求，企业才能在竞争日益激烈的现在站稳脚步。国外相同的产品价格一直居高不下，国内的产品不能满足码头客户的需求，在这种背景下，ZPMCSCADA应用而生，ZPMCSCADA致力于解决码头用户的智能监控需求，为振华的硬件服务保驾护航。

本文描述了振华在SCADA方面的最新的成果,为振华在激烈的市场竞争中站稳脚跟：嵌入式的SCADA3D模块，将3D画面和2D画面集成在一起，做到一体化岸桥/轮胎吊/轨道吊的组件模块化，提升了开发人员的开发效率基于RESTful的分布式监控系统，跨系统，跨平台进行软件监控ZPMCSCADA致力于成为国内顶级的工业组态软件，为企业的长期发展和布局做准备。同时也为行业内其他的SCADA软件提供借鉴作用，一同推动国内组态软件的共同进步。