摘 要：目前國內采用的大規模油氣管道SCADA系統都是國外廠商提供和實施的，研發大型國產油氣管道SCADA系統軟件，對我國的能源安全有著重要意義。為此，設計了一種國產化的適用于大規模油氣管道SCADA的跨平臺人機界面，其設計思路是分層的架構設計、一體化的數據訪問和展示；并重點論述了人機統一展示、圖模庫一體化、設備拓撲著色、腳本管理等關鍵技術以及人機界面的總體結構、軟件層次結構。人機界面包括人機控制臺、人機應用層和服務接口層，其中控制臺負責實現界面集成管理功能，人機應用以插件方式集成到系統中，通過服務接口層的服務代理與后臺服務進行交互。該系統已應用于某大型油氣管道調控中心，使用效果表明：該系統采用分層設計、分布式部署和管理、一體化訪問和展示，實現了管道運營情況、設備狀態、報警等信息的統一集中展示，畫面標準、易用、美觀，為調度員和維護人員全景監控油氣管道的運行狀況提供了有力的支撐。
關鍵詞：人機界面 油氣管道 SCADA系統 國產化 統一管理 圖模庫一體化 拓撲著色 腳本 插件
Design and implement of cross-platform human-machine interface in an oil and gas pipeline SCADA system
Abstract：At present，most domestic large-scale oil and gas pipeline SCADA systems are provided and implemented by foreign nlanufacturers．Concerning the national energy security，it is of great value in developing sucb SCADA systems made in China．In view of this，we developed a cross platform human machine interface for a large scale pipeline SCADA system，adopting hierarchical archi tecture and integrated access and presentation of data and using essential technologies such as display integration，graphics model and database integration，equipment topology colorin9，script management，etc．Human machine interface(HMI)includes human-machine console，human-machine application layer and the service interface layer．The console integrates and manages the screens．The applications are integrated as plug ins while using a service agent in an interface layer to interact with background services．With hierarchical design，distributed deployment and management，and integrated access and display adopted in a case history of a certain large oil and gas pipeline transportation center，this HMI system successfully presented pipeline operation，equipment status and alarm information in a unified scheme with standard，easy-to-use，pleasing-to-the-eye graphics on the panels，while efficiently supporting users to achieve the full-view monitoring of oil and gas pipelines．
Keywords：human machine interface(HMI)，oil gas pipeline，supervisory control and data acquisition system(SCADA)，display in tegration，graphics model and database integration，topology colorin9，script，plug in
監控與數據采集系統(Supervisory Control and Data Acquisition System，SCADA)近幾年來在我國油氣管道調度中得到了一定程度的發展[1-7]。本文參考文獻[2]指出了長輸管線SCADA將向智能監測控制發展。目前國內大多油氣管道SCADA系統軟件都是國外廠商提供和實施的，使我國在此領域形成了對國外產品和技術的依賴[2-4]，但因其設計和開發基本上都是10余年前完成的，在系統的應用結構、應用功能、網絡安全性等方面不能滿足我國油氣管道快速發展的需要，對我國的能源安全構成潛在威脅。為此，迫切需要研發跨平臺的人機界面接口(human machine inter face，HMI)，提供人機畫面瀏覽、系統組態、操作控制、應用界面、維護診斷等功能。
在人機界面設計方面，有研究者提出需要采取以人為本的人機界面設計思想[8]。本文參考文獻[9]給出一種人機界面組件的組裝方法和基于組件組裝的系統設計方法，以實現目標系統的快速構建。在工業控制領域，有眾多基于組態軟件開發的監控系統[10]，可快速實現較為簡單的監控功能，但在人機界面功能豐富性、應用功能擴展方面有較大的局限性。本文參考文獻[11]對過程控制系統中的人類因素進行了分析，進行了人機交互設計研究。另外在電力調度自動化中對基于可縮放矢量圖形(Scalable Vector Graphics，SVG)格式的圖形描述已有一定研究[12-13]。
針對當前油氣管道監控的人機界面存在的不具有源代碼級或二進制級跨平臺特性、圖形描述采用私有格式與其他系統交換困難、對地理信息系統的支持不夠、缺少對油氣輸送方向和油品混油界面跟蹤的功能等方面問題，提出了一種基于面向服務體系結構(service-oriented architecture，SOA)的人機界面，對人機界面的設計思路、體系結構、關鍵技術進行了論述，為油氣管道監控系統的國產化提供了有益經驗。
1 人機界面設計思路
綜合分析應用需求和考慮系統未來發展，系統在總體架構上遵循分層設計、分布式部署和管理、一體化訪問和展示的設計開發思路。
1.1 系統架構上進行分層設計
系統的架構設計按照分層的原則進行設計，包括硬件和操作系統、支撐平臺(即基礎平臺)、人機界面和應用。支撐平臺提供基本的數據存儲和管理、節點管理、應用切換、集成總線等資源管理功能。人機界面通過支撐平臺的服務接口為各個應用提供統一展示。
l．2 系統采用一體化訪問和展示
對應用和人機界面提供統一的數據服務和API接口來訪問系統的數據、圖形、模型、文件等資源，進行系統應用集成和展示，各類應用以插件方式集成到系統中，通過統一的人機界面，進行系統內多套油氣管線各種數據的展示，實現油氣管道SCADA系統配置、監視與控制。
2 關鍵技術
所設計的人機界面的關鍵技術包括人機統一展示、圖模庫一體化、油氣流動與拓撲著色和腳本管理。
2.1 人機統一展示技術
人機界面是油氣管道SCADA系統中的重要組成部分之一，提供人機交互畫面、系統組態、監視控制、Web應用等功能。
油氣管道SCADA系統采用分布式部署，每個子系統負責多條管道的監視和控制。人機統一展示將這些分屬于不同子系統的管道數據在同一幅畫而中進行展示。
人機統一展示包括數據的定義和匯總兩個部分。數據定義是在畫面編輯時執行，通過在畫面編輯器中引入子系統的概念，統一展示畫面中定義的管道數據必須說明其所屬的SCADA子系統；數據匯總在畫而瀏覽時執行，畫面瀏覽器在展示畫面時通過分析畫面中管道數據所屬的SCADA子系統名稱獲取數據，匯總之后再進行綜合展示。畫面瀏覽器通過新研發的跨系統訪問服務和應用的功能，分析各管道所屬的子系統去連接相應的服務并獲取數據。
HMI的客戶端通過遠程服務訪問代理實現本地服務、遠程服務的適配代理，通過資源定位服務，獲得提供數據、畫面等的各種人機服務位置，各種人機服務可分布在多套獨立部署的SCADA系統中，從而實現一套SCADA系統的HMI客戶端可作為其他SCADA系統的人機界面，并且各套SCADA系統可使用公共的HMl客戶端。具體實現機制如圖l所示。服務請求者通過本地的服務代理和其他系統的遠程服務代理，獲取其他子系統的畫面和數據。
2.2 圖模庫一體化技術
圖模庫一體化依托畫面編輯器實現，摒棄傳統的以單一設備元件為基本單位作圖入庫的做法，采用以多個基本圖素組合成的圖形模板作為作圖基本操作單元的方法，可以更好地維護錄入數據的完整性，使用戶可以一次性錄入大量數據信息。
圖模庫一體化功能包括人機圖形編輯和模型維護服務兩部分，人機圖形編輯負責必要的事件觸發和基本信息的錄入，模型維護服務負責接收人機圖形編輯器請求，完成模型信息的處理。
將有關聯的各元件組合在一起，并且用連接線連接起來，就組成一個圖形模板。為了將圖形模板作為一個整體來操作，各個元件問在模板內建立關聯關系，并將此關聯關系保存為庫模版，使用庫模板可以更好地維護錄入數據的完整性，使用戶可以一次性錄入大量數據信息。
數據字典是對數據的數據項、數據結構、數據關聯、處理邏輯的描述。記錄了各個設備模型需要維護的數據庫信息，如設備對象及其屬性以及這些對象之間的關聯關系。畫面保存時，將畫面的網絡拓撲信息填入數據庫，網絡拓撲以畫面中設備的連接關系為依據構建。
圖模庫一體化功能數據流程如下：
1)通過圖素編輯器形成基本設備元件。
2)通過圖模板編輯形成圖模板。
3)通過庫模板編輯形成庫模板。
4)圖庫模板綁定。
5)利用畫面編輯器，通過圖庫模板繪制畫面，形成圖形文件。
6)通過填庫服務和數據字典錄入模型數據信息。
7)通過導庫服務將模型導入離線實時數據庫。
8)通過發布服務，將圖形文件發布到服務器，將離線庫中內容發布到在線庫。
庫模板即模板模型定義圖形模板內各個元件的關聯關系。使用庫模板可以更好地維護錄人數據的完整性，使用戶可以一次性錄人大量數據信息。
2．3 油氣流動和設備拓撲著色技術
油氣管道均需要表示介質的流動方向動畫最示。油氣在管道內由管壓大的站場向管壓小的站場方向流動，此管壓差通過管道的高程、壓力和密度進行計算得到。人機界面沒計了管道組件，由液柱和管道組成，以立體效果圖展示。液柱以動態流動的方式展示了油氣的流向，液柱的流向即油氣輸送的方向，液柱不流動表明此刻管道停止了輸送。
設備拓撲主要是對于油氣管道中相連的設備之間的連接關系進行描述，用于對由多個設備構成的回路進行判斷或計算。拓撲著色主要是依據拓撲計算結果對不同的設備以及設備之間的連接線(設備之間的連接關系)進行不同的著色。設備的不同顏色代表設備的不同狀態。
畫面編輯器首先對管道沒備進行圖素化處理，建立設備對象與圖素的對應關系，形成管道的圖形模型，再對設備間的連接關系進行抽象，形成管道邏輯連接圖。通過圖素的對象化，將抽象的圖素與數據庫中設備的外觀、位置等屬性進行關聯。
管道圖形化之后，由畫面瀏覽器負責實現油氣管道SCADA系統人機界面的拓撲著色。當畫面瀏覽器啟動并完成畫面文件的加載和解析后，組織畫面中的圖素信息，按照訪問協議訪問后臺服務。畫面瀏覽器收到返回的查詢結果后，根據設備投運狀態、管網連接關系，分析并計算出設備和管線的拓撲著色結果，設置顏色、刷新條件等屬性，通知圖形繪制引擎進行繪制著色。
拓撲著色應用包括：全局著色、管線著色、注入點追蹤著色。
1)全局著色。全局著色首先對設備按照實時狀態進行著色；其次對管道進行著色，依據管網的連接關系，對管網進行連通狀態分析，管道按照兩端所連設備的狀態和介質壓力進行著色。全局著色可以幫助用戶了解站場關閥、線路緊急截斷閥誤關閉、泵站停泵等管線停輸的狀況。
2)管線著色。管線著色是用戶指定設備，對該設備所在的管線及管線上的所有設備進行著色，著色范圍、設備狀態判定、管道連通性判定都限定在指定設備及其所在管線范圍。
3)油品注入點追蹤著色。注入點追蹤著色是對于用戶指定的設備，向其上游方向進行搜索，直至搜索到油品注入點，并根據搜索路徑對相關設備和管道進行著色。
2．4 腳本管理技術
通過在畫面中定義腳本，可擴展人機界面的功能。通過腳本可實現油氣管道SCADA系統的數據獲取、數據展示、設備控制等基本功能。
腳本主要實現：
1)腳本編輯編輯器功能，實現腳本內容的復制、粘貼、撤銷、重做、查找、替換、java關鍵字變色等基本編輯功能。
2)語法檢查功能。
3)腳本存儲管理功能，支持正常存儲和容錯存儲功能。
4)腳本解釋器功能。系統提供腳本解釋器，實現腳本內容解釋執行。
腳本內容在畫面編輯器中編輯，并同圖形信息一起保存至圖形文件中，并在畫面瀏覽器中執行。在畫面瀏覽器加載圖形時，自動解析嵌人在其內部的腳本內容。腳本的執行依賴于外部條件觸發，當畫面瀏覽器監聽到某個事件發生時，自動觸發執行該事件對應的腳本，實現特定的邏輯功能。
3 設計與實現
3．1 人機界面總體結構
人機界面(即HMI)軟件架構按照分層原則進行設計。客戶端自上而下分為人機控制臺、人機應用層和服務接口層。
1)人機控制臺是用戶使用人機界面的初始界面，用戶通過控制臺的登錄功能進入系統后使用各類人機應用；同時控制臺還負責子系統中各類人機應用的管理，主要包括應用的注冊、激活和卸載。
2)人機應用層由子系統中的各個應用組成，主要包括各種組態應用、集成開發環境、圖形瀏覽器、系統配置管理、事故追憶界面、報警界面、實時庫庫管理界面等功能模塊。各應用采用插件技術進行開發，可以實現動態加載和卸載，因此保證了人機界面良好的功能擴展性。
3)服務接口層提供了各類應用與后臺服務交互的接口，主要包括實時庫接口、關系庫接畫面刷新服務接口、事件服務接口、權限服務接口、文件服務接口等。服務接口層實現了應用對服務的透明性訪問。
人機界面采用客戶／服務器模式，客戶端與服務器之間的數據交互過程通過集成服務總線實現。客戶端中的各類應用提供用戶使用系統的圖形界面，應用接受用戶操作請求，通過服務層接口訪問支撐平臺(即基礎平臺)服務，在收到服務結果后將其用圖形界面的形式展現給用戶。支撐平臺服務部署在多臺服務器上，為人機界面訪問相關數據和應用提供服務。支撐平臺服務可訪問保存在實時庫、關系庫、文件中的數據或通過消息總線發送、接收消息。
人機界面結構示意圖如圖2所示。圖2中列出了人機界面和支撐平臺服務的各組成部分及其之間的層次關系。
3．2 人機界面邏輯層次架構
人機界面軟件邏輯層次架構中定義了若干個層，包括：控制臺(HMIConsole)層、控制臺服務(HMIConsole Service)層、人機應用(App)層、服務接口(Service)層。
1)控制臺和控制臺服務包括控制臺的相關功能，其中控制臺層包含菜單(Menu)、工具欄(ToolBar)等界面功能。
2)控制臺服務層包含權限管理(PrivManager)、應用管理(AppManager)、界面管理(UIManager)等功能，分別負責用戶登錄、應用管理和界面管理。
3)人機應用層包括了系統中的各類應用。
4)服務接口層又分為代理(Agent)和通用功能(Utility)兩部分：代理層提供各類人機應用使用的服務接口；通用功能提供I／O和任務運行功能。
人機界面中的應用以插件方式集成到系統中，控制臺負責實現界面集成管理功能。人機應用通過服務接口層的服務代理與后臺服務進行交互，服務代理提供了訪問后臺服務的接口，其主要功能是接收人機應用的服務請求并將請求通過服務總線發送給后臺服務，然后接收服務應答并返凹給人機應用。服務代理屏蔽了訪問服務的細節，使應用元需關心服務的具體部署信息以及訪問過程，因此有很好的服務訪問透明性。
4 應用及其效果
該系統在某油氣管道調控巾心投入使用，實現了人機交互畫面、系統組態、操作控制等功能。人機界面顯示的效果如圖3所示。
該人機界面在以下方面取得了突破：
1)人機界面采用Java語言實現，具有良好的跨平臺性。
2)Web展示和人機客戶端使用同一套圖形、同一套圖形引擎程序，避免在Web瀏覽時圖形轉換帶來的圖形失真。
3)人機界面與后臺系統的通信采用3層架構，人機客戶端通過后臺系統提供的服務獲取實時數據、歷史數據、發送接收消息。客戶端只需要部署人機程序，無需部署數據庫，即可完成各項人機交互功能。此“瘦客戶”人機模式，大大降低了人機工作站配置要求，節省了投資。
4)人機界面采用組件化設計思想，各類組件可實現即插即用，體系架構靈活，擴展性強，新功能可以快速集成到人機系統中。
5)人機界面可實現基于瓦片格式的地理圖展示，地理圖包括行政區域圖、地形圖，油氣管網以地理圖為背景繪制。
6)人機界面采用圖庫模一體化設計，在畫面編輯的同時完成模型的建立，使維護工作便捷、快速，極大地減輕了用戶的維護工作量。
7)人機瀏覽采用多窗口、多主題的顯示界面，有利于各類相關信息的集成娘示。通過將相關畫面組織成不同的多主題窗口，實現關聯信息的集中展示，既能瀏覽管道監控的全局信息，又能查看流量、閥門等細節信息，達到運行監控概覽信息和細節信息一覽無余的效果。
8)設計了標準圖形描述規范，描述了元素、基本繪圖元素、油氣管道圖形元素等特性。基于此圖形規范，存儲的圖形文件可以在不同油氣管道公司、站場和調度中心之間進行數據共享和交換，提高了圖形文件的復用性。
5 結論
1)利用Java技術和圖形圖像技術，研究并設計了一種人機界而方案，開發了一個油氣管道SCADA系統跨平臺人機交互軟件，通過工程實踐證明了該設計方案的可行性。
2)人機界面適用于調控中心與站控的臨控應用場景，實現管道運營設備狀態、報警等信息的集中顯示，以及畫面的標準化、易用性、美觀性，為調度員和維護人員全景臨控油氣管道的運行狀況提供了有力的支撐。
3)今后人機界面將向信息可視化、展示方式與地理信息融合等方向發展。
參考文獻
[1]屈彥.川東地區天然氣生產SCADA系統的優化改造[J].天然氣工業，2011，31(11)：88-92.
QU Yan.Optimization and modification of a SCADA sys-tem for natural gas production in the eastern Sichuan Basin[J].Natrual Gas Industry,2011,31(11):88-92.
[2]楊潞鋒，楊進峰，陳明，等.長輸管線SCADA系統的應用現狀和前景[J].中國水運：學術版，2007，7(4)：127-129.
YANG Lufeng, YANG Jinfeng, CHEN Ming,et al.The present application situation and the prospect of SCADA system in long-distance pipeline[J].China Water Transport:Academic Version,2007,7(4):127-129.
[3]劉成龍，劉大興，魯軍，等．長呼天然氣管道的SCADA系統應用與探討[J]．石油化工應用，2009，28(3)：79-80．
LIU Chenglong，LIU Daxing，LU Jun，et al．Application and discuss of Changhu oil gas pipeline SCADA[J]．Petrochemical Industry Application，2009，28(3)：79-80．
[4]董春紅，石中鎖．天然氣輸氣站站控SCADA系統[J]．天然氣工業，2005，25(2)：149-l51．
DONG Chunhong，SHI Zhongsuo．Natural gas transmission station control SCADA system[J]．Natural Gas Industry．2005，25(2)：149-l51．
[5]王金柱，王澤根，張丙辰，等．基于SCADA和GIS的油氣調控運行系統[J]．油氣儲運，2011，30(12)：902-906．
WANG Jinzhu，WANG Zegen，ZHANG Bingchen，et al．Oil gas dispatch control operation system based on SCADA and GIS[J]．Oil arid Gas Storage and fransPortation，20ll,30(12)：902-906．
[6]王文平．SCADA系統在長輸油氣管道系統中的應用[J]．電子元器件，2012，14(11)：51-55．
WANG Wenping．Application of SCADA system in long distance transportation oil gas pipeline[J]．Electronic Components，2012，l4(11)：51-55．
[7]李桂成．新一代油氣管網SCADA系統設計方案及標準化研究[J]．石油化工自動化，2008，44(5)：1-5．
LI Guicheng．The research into the design and standardization of the new generation oil and gas transportation pipeline network SCADA system[J]．Automation in Petro Chemical Industry，2008，44(5)：l-5．
[8]李天科．以人為本的人機界面沒計思想[J]．計算機工程與設計，2005，26(5)：l228-1229．
LI Tianke．Design thinking oriented hunlan in human computer interface[J]．Computer Engineering and Dcsign，2005，26(5)：1228-1229．
[9]王紅藝，李冠峰，吳慶濤，等．一種人機界面組件組裝方法的研究[J]．河南科技大學學報：自然科學版，2011，32(1)：33-36．
WANG Hongyi，LI Guanfeng，WU Qingtao，el al．Assembly method of human computer interface component[J]．Journal of Henan University of Science＆．Technology：Natural Science Edition，20ll，32(1)：33-36．
[10]王曉遠，杜靜娟，齊利曉，等．基于工業組態軟件winCC的化工工業監控系統[J]．化工自動化及儀表，2006，33(5)：41-43
WANG Xiaoyuan，DU Jingjuan，QI Lixiao，et al．Supervision control system of chemical industry based on WinCC[J]．Control and Instruments in Chemical Industry．2006．33(5)：41-43．
[11]FRIEDHELM N，PETER N，INGA M．Human factors in process control systems：The design of human machine interraces[J]．Safety Science，2006，44(1)：5-26．
[12]黃縉華，趙強．基于開放標準的電力系統圖數模一體化研究[J]．現代電力，2010，27(6)：73-78．
HUANG Jinhua，ZHAO Qiang．Research on integration of graphic，data and model based on open standards[J]．Modern Electric Power，2010，27(6)：73-78．
[13]黃縉華．基于SVG的電力系統圖庫模一體化的研究與實現[D]．北京：華北電力大學，2011．
HUANG Jinhua．Study and implement of power system graphics and database integration based on SVG[D]．Beijing：North China Electric Power University，2011．
本文作者：祁國成 沈國輝 陳鵬 程大闖 孟鑫
作者單位：中國石油北京油氣調控中心
南京南瑞集團公司
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