张立新，郑飂默，李 锁

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院沈阳计算技术研究所 高档数控国家工程研究中心，沈阳 110168；3.沈阳高精数控智能技术股份有限公司，沈阳 110168)

多地域数控系统可靠性数据远程传输方案的设计与实现*

张立新1,2，郑飂默2,3，李 锁2,3

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院沈阳计算技术研究所 高档数控国家工程研究中心，沈阳 110168；3.沈阳高精数控智能技术股份有限公司，沈阳 110168)

数控系统作为各类数控机床的控制中枢，被称为机床的灵魂和大脑，它的可靠性已成为制约我国高档数控机床发展的重要因素，装备制造行业发展迫切要求准确客观地测定国产数控系统可靠性并找出差距。为了实现国产数控系统可靠性测试，针对多地域数控系统的可靠性数据的远程传输方案进行了设计，提出了本地存储转发系统、可靠传输链路、中央数据处理中心相结合的完整传输体系。其中本地存储转发系统利用WebService通信实现了实时性数据的高效传输，利用socket通讯技术实现了视频数据的高效传输；设计的可靠传输链路采用宽带与无线网络相结合的形式并配置VPN设备保证了可靠性数据传输的安全性；中央数据处理中心采用数据总线、数据接入、实时处理、数据访问四个子系统相结合的设计形式实现了数控系统的运行状态的监控与运行数据的分析处理。

可靠性数据；存储转发系统；WebService

0 引言

数控技术是众多先进制造技术中最核心的技术，由于可靠性方面的差距，缺少权威的可靠性第三方测试评价，影响国内重要行业用户的信心，本论文的研究目的是：建立一套能够适应不同网络环境的软硬件平台进行数控现场与第三方的远程通信，实现多地域数控现场可靠性数据的远程传输，为国产数控系统可靠性第三方测试提供技术支持。数控系统的可靠性第三方测试在国外已经形成了一个相对完成的体系，受到高度的重视。然而在国内却处于刚刚起步的阶段，尚没有一个完整的体系规范，还处于针对单地域特定数控系统的本地可靠性测试阶段，因此国家在2015年提出了“国产高档数控系统可靠性第三方测试及可靠性增长研究”这一课题，选取专项支持研发的国产典型高档数控系统产品，开展第三方、长时间、多地域可靠性运行状态监控及实测数据采集工作。本论文以成熟的WebService和socket通讯为基础，采用云、端的技术架构并配置可靠传输链路，实现了多地域数控系统可靠性数据的远程传，同时建立高效的云端服务平台对接收的数据进行处理，为数控系统可靠性第三方测试提供了技术支持。本研究还可以应用在一些涉及到数控系统数据远程传输的生产实际当中。因此本研究对于国产数控系统的可靠性评价、发展我国数控系统具有重要意义。

1 可靠性数据远程传输方案总体架构

多地域数控系统可靠性数据远程传输主要目标是将分布在不同地区、不同网络中的数控机床的监控数据进行汇聚，全部传输到云端数据中心，由云端数据中心进行数据的转发、存储、分析。总体采用端+云的技术架构，如图1所示，端由被监控的分布式数控系统构成，云端数据中心由服务器集群构成，采用 SaaS 应用模式。

构建由传送服务器和中央数据采集服务器、传输信道、VPN设备组成的可靠性数据传输设备；数据传输链路将以技术成熟的Internet网络为主要数据链路，以无线链路为辅助传输链路，实现数据传输链路的可靠、稳定；配置VPN设备，以虚拟的私有网络方式进行数据传输，防止数据泄露；数据采集端与数据存贮中心之间的数据传输采用成熟的Web服务技术，对于实时采集数据，由中央数据采集服务器以服务的形式提供，采集端的数据传送服务器通过服务请求的方式将数据传输到中央数据采集服务器中；对于事件激发的数据访问，由传送服务器以服务的形式提供，中央数据采集服务器通过服务请求方式获取该类数据。

图1 总体传输方案结构图

2 本地传送服务器设计

多地域的数控系统运行过程中会产生两类数据：实时性数据与监控视频。因此传输的数据流会分为两类：其中 Socket 通信用于支撑端的视频数据的上传，视频数据的传输采用云发起、端响应的模式，需要时上传，以节省不必要的网络和存储开销。设备的工况数据属于低频、小的实时性数据，采用WebService进行通信，该数据采取的端周期性上报、云被动接收的模式。云端对收到的工况数据进行分发、存储，根据需要进行实时展示，对视 频数据进行转发、展示。

2.1 实时性数据

实时性数据包括：WebService通信控制消息和具体的实时数据(数控设备信息、配置数据、运行状态、诊断数据)。为了保证实时性数据传输的高效、可靠，从以下几个方面对WebService通讯进行了改进：

改进1：在传输之前，对实时性数据利用GZIP方式进行压缩；对压缩后的消息，采用基于XML消息申请与回应的WebService进行具体实时数据传输，具体核心压缩代码如下：

ByteArrayOutputStream outputStream()=null;

Try{

outputStream=new

java.io.ByteArrayOutputStream();

m_scriallizer.save((IXMLSerializabl)in

putObject,outStream);

return Compress.gzip(outputSteram);

}catch(Exception e){,};

改进2：借助WebService信令与数据隔离的模型使用SOAP消息形式将压缩后的WebService通信控制消息传输给中央数据采集服务器。

改进3：Internet环境下，不考虑目标对象的种类，soap消息便能实现不同对象间的传送。其优势十分明显。WebService性能的良好与否最重要在于soap消息序列化的情况，消息在端之间传送时，大量的时间都给予了序列化的过程。以下是关键的序列化环节：

(1)遍历基于参数的数据格局；

(2)以xml模式下的ASCII方式来体现贮存的数值；

(3)把体现的数值形式复制到缓冲器中；

(4)使用互联网传输其中信息。

借助贮存表对SOAP消息序列化算法进行完善，在已经被序列化的soap消息和序列化方式的帮助下，减少序列化的重复过程、降低工作任务。这种方法的实现需要在经历了已经储备序列化消息的查询之后，也就是说，对于已经储备的序列化消息，会查看是否有能够契合待序列化消息的内容，查询结果有三种：完全匹配、部分匹配、不匹配。针对不同的查询结果采取完全序列化和部分序列化操作。

每当客户端发送soap消息之前，都要按照特定的顺序审核是否有符合顺序的对象，既要进行配型，如果不能进行配型，就需要由序列化器按照特定的顺序排列起来，进行相应的序列修改在发送。具体的运算过程如下图:

图2 运算过程结构图

2.2 视频数据

当中央数据采集服务器提出请求时采用Socket通信上传视频数据，具体为：采用基于Node.js架构、支持跨平台以及多种链接方式自动切换的Socket.IO实现视频数据传输；采用UDP与TCP相结合的形式进行视频数据上传。

3 可靠性数据传输链路的设计

(1)有线与无线链路相结合：建立宽带与无线相结合的传输链路，确保在某些地区没有宽带覆盖的情况下可以利用4G无线上网卡实现无线连接，保证可靠性数据传输的高效可靠。

(2)配置VPN设备：通过采用带有VPN功能的包过滤路由器、配置防火墙来确保可靠性数据传输的数据安全，主要通过以下几个措施进行配置网络防火墙。

操作1：关闭除用于Web通信的80端口以外的其他端口;

操作2：建立准许外出和进入的地址过滤政策;

操作3：封锁ping请求;

操作4：关闭IP源路由来阻止网络攻击。

同时采用隧道技术在公用IP网络上建立一个逻辑的点对点的链接、采用加解密技术对经过隧道传输的数据进行加密，在Internet上组建企业用户虚拟网；还用于当为无线传输时，采用网络秘钥交换协议对传送服务器和中央数据采集服务器之间的通讯数据进行数据加密。

4 中央数据采集服务器设计

云数据中心具有工况监控服务，由开放数据平台服务作为其他上层应用系统的数据源系统，对外提供基于 Restful 软件架构模式的多维度数据查询接口。在此数据服务的基础上，上层应用提供可视化的、基于Web的数据访问、实时监控界面。所有数据访问提供用户访问控制机制，确保用户数据在云端隔离。

为了保证数据传输云平台数据处理和转发的高效、可靠，从系统结构上将软 件分为4个子系统，如图3所示。

中央数据采集服务器包括4个子层：数据接入子层负责与传送服务器进行稳定可靠的大并发数据传输；数据总线子层对从传送服务器接收到的数据进行并发写入与缓存；实时处理子层对缓存的数据进行高性能的实时计算，并对计算后的数据以流的形式提供给数据访问子层；数据访问子层利用流数据对用户提供可视化与开放数据平台服务。

图3 中央服务器体系结构图

4.1 数据接入子系统

数据采集系统是一个 TCP Server和 WebService Server的集成服务软件，基于TCP/IP 协议和多线程和非阻塞式接收机制开发，可以提供高性能、并发的数据接收能力。云端数据接入层基于业界主流的 Mina 网络通信应用框架，提供了一个通过 Java NIO 在不同的传输协议上(例如 TCP/IP 和 UDP/IP)抽象的事件驱动的异步API。系统能够支撑客户端与云服务端进行稳定可靠的、大并发的数据传输。

4.2 数据总线子系统

数据总线子系统对外提供高性能、可靠的数据转发和缓存能力，实现跨主机跨网络的不同系统间的数据交互能力。作为数据总线层，分布式消息队列提供“发 布/订阅”的通信机制，支持数据一对多的生产和消费，通过SDK集成对其他子系统提供数据生产和消费API。

数据总线子系统采用较为成熟的分布式消息队列框架 Apache KAFKA，如图4所示。

图4 数据总线子系统结构图

Apache KAFKA 是分布式发布-订阅消息系统。它是一种快速、可扩展的系统。设计内在就是分布式、分区和可复制的提交日志服务。数据总线系统通过内存缓存的方式，通过并发写入，每秒可以支持百万级的数据条目写入。

4.3 实时处理子系统

多地域可靠性数据传输云平台是一个包括数据采集、接收、缓存、实时处理、存储、检索等复杂子系统构成的综合系统。系统具有数据量大、数据处理的实时性要求高、并发性强的特点。针对客户端实时上传的数据，云端软件要进行高性能的实时计算，需要一套高性能的流式处理系统。本系统基于Storm作为基础流数据处理平台进行实现和扩展。Storm是开源的分布式容错实时计算系统，目前被托管在GitHub上，遵循Eclipse Public License 1.0。Storm为分布式实时计算提供了一组通用原语，可被用于“流处理”之中，实时处理消息；Storm也可被用于“连续计算”(continuous computation)，对数据流做连续处理，在计算时就将结果以流的形式输出给用户；它还可被用于“分布式 RPC”，以并行的方式执行运算。

4.4 数据访问子系统

数据访问系统作为开放数据服务平台，为监控系统等上层应用服务提供高性能、大并发、实时与非实时的多样化数据查询功能。该系统对下层统一多数据源访问，对上层提供透明的数据访问接口。系统对外提供数据查询接口，作为数据源供其他上层应用系统访问调用。

数据访问子系统采用 Java 开发，基于 Spring框架构建轻量级高鲁棒性的J2EE应用系统。Spring是一个开源框架，是为了解决企业应用程序开发复杂性而创建的。框架的主要优势之一就是其分层架构，分层架构允许您选择使用哪一 个组件，同时为J2EE应用程序开发提供集成的框架，如图5所示。

图5 Spring框架结构图

Spring 框架的功能可以用在任何J2EE服务器中，大多数功能也适用于不受管理的环境。 Spring 的核心要点是：支持不绑定到特定J2EE服务的可重用业务和数据访问对象。毫无疑问，这样的对象可以在不同J2EE环境(Web 或 EJB)、独立应用程序、测试环境之间重用。组成Spring框架的每个模块(或组件)都可以单独存在，或者与其他一个或多个模块联合实现。

5 试验与结论

通过本地服务器的系统设计、传输链路的设计、中央数据采集服务器的设计，建立了一整套完善的软硬件体系适应多地域数控系统可靠性数据的高效传输，为国产数控系统可靠性第三方测试提供了技术支持。同时在实验室环境下通过对软件的测试能够实现可靠性数据在本地与中央服务器进行数据交互、能够对数控系统实施远程监控、并对数控系统运行状态进行分析与故障远程诊断。实验测试数据如图6、图7所示。

图6 数控系统运行状态监控图

图7 数控系统运行状态分析图

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(编辑李秀敏)

DesignandImplementationofRemoteTransmissionSchemeforReliabilityDataofMultiAreaNumericalControlSystem

ZHANG Li-xin1,2，ZHENG Liao-mo2,3，LI Suo2,3

(1. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2. National Engineering Research Center for High-end CNC，Shenyang Institute of Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110168，China)

The CNC system as the central control of various types of CNC machine tools, machine tool is called the soul and brain, its reliability has become an important factor restricting the development of high-end CNC machine tools in our country, the development of equipment manufacturing industry requires accurate determination of the reliability of domestic CNC system and find out the gap. In order to realize the reliability of domestic CNC system testing, aiming at the remote transmission system reliability data of multi regional numerical control system is designed, a complete transmission system of local storage forwarding system, reliable transmission link, the combination of the central data processing center. Including local store-and-forward system using WebService communication to achieve the efficient real-time data transmission, using socket communication technology to realize the effective transmission of video data; Design of reliable transmission link in the form of combination of broadband and wireless network and configure the VPN equipment to ensure the reliability of data transmission security; The central data processing center adopts the data bus, data access, real-time processing, data access four subsystem implements the design of combining the operation of the CNC system according to the analysis of the monitoring and operation of processing.

reliability data; store-and-forward system; WebService

TH166;TG659

：A

1001-2265(2017)09-0080-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.021

2016-11-16；

：2016-12-08

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项国产高档数控系统可靠性第三方测试及可靠性增长研究(2016ZX04004006)

张立新(1990—)，男，黑龙江绥化人，中国科学院沈阳计算技术研究所硕士研究生，研究方向为计算机应用技术，(E-mail)345304745@qq.com。