多协议转换技术在烟草信息化中的应用

摘要：文章简要的分析了多协议转换系统的组成结构及其特点，着重探讨了在面临不断改变外部环境(条件)下的项目应用活动中，多协议转换系统作为硬件适应工具、学习工具和的主要应用，以及其促进烟草信息化发展方面的作用。

关键字：多协议转换；信号识别；智能自我学习。

中图分类号：TP30文献标识码：B

一、系统背景及意义

随着信息化的发展和科学技术的不断推进，目前市场上对监控设备的需求越来越多，已经成为很多信息化建设项目的一个必要的组成部分，在目前的很多领域和行业都得到广泛的应用，比如智能化楼宇项目，安全监控项目，电力行业、现代农业等等。

市场上也有很多设备生产厂商针对不同的领域和不同的需要设计生产了各种各样的监控设备，诸如温度监控设备、适度监控设备、摄像监控设备、气体监控设备等等。每个厂商针对每一个自己生产的设备都有专门的后台管理软件和数据显示软件，而且几乎每个厂商生产的监控设备即使属于同一类型其数据协议格式也不尽相同，形成了自己的专有数据格式，这对于用户来说影响甚大。比如一个用户，他需要使用多个类型的监控设备，可能每个类型的监控设备由于建设的需要或者建设周期的影响选用了不同厂商的设备，对于他来讲后台管理设备的数量将随着设备的种类和厂商的增加和不断增加，增大了维护难度和管理难度。

协议转换器的开发解决了目前工控市场上存在的一个通病问题，那就是每类设备每个厂家的设备都需要专门的上位机进行管理，这对于拥有多个类型多个品牌的用户来说维护工作量和管理成本将是一个灾难性的后果。

协议转换器很好的解决了这个问题，通过利用协议转换规则将多个类型的设备和多个厂家的设备能够很好的整合在一起，不管最终用户使用了多少监控设备，都可以用一台上位机进行统一的管理和监控，降低了用户的管理成本，提高了管理效率。

二、多协议转换的概念：多协议转换的根本目的是将各个厂商的监控设备和信息采集设备进行串接，并将不同协议封装的各类信息数据通过统一的协议转换规则对数据信息进行解读，并将之转换为统一格式的信息数据传递给后台管理系统，多协议转换技术在实现理念上借助了现在市场上流行的通用网关的概念，并将之深化，形成了自己独特的协议转换理论。

多协议转换系统涉及两个关键技术：基于对象的接口信息模型定义和协议转换识别的框架结构。接口信息模型是改进和提高一个标准网络管理框架的互操作性和不同设备提供商的网络管理系统之间的信息交换能力的关键。对于协议转换的框架结构，本系统利用知识库和规则引擎等技术，屏蔽对象通信的细节，完成对象的注册、定位和激活，请求解释，差错处理，以及操作传送等工作；充分利用分布式处理环境中的公共服务完成网络管理中支持每个信息模型里的对象命名和通知过滤等功能，而不是在每一次使用这些功能时再重新定义接口，使得网络管理信息模型变得更加简单，并且具有互操作性；通过分析多协议适配技术中可能存在的设计模式，不仅总结出各种具体协议的共同特点和一般结构，而且将这些规律内在的思想抽象出来，形成一套可以被重用于转换协议的支撑服务；实现多协议转换跨平台功能，为现代烟草行业的监控系统提供低成本、低维护量的的建设方案提供了坚实的理论基础和丰富的实践经验。

三、多协议转换中相关技术的研究

1.信号标识技术。多协议转换器实际上就是一套信号识别、信号还原、信号管理的综合系统。信号识别的前提是用能够广泛接受的标准进行信号的标识表示，然后才能进行信号的接收和传递。在接收信号的时候，可能存在一台设备接入多个相同监控设备的情况，也可能存在一台设备进入多个类型的监控设备的情况，如何分辨信号的传人端到底是哪台设备也是信号识别技术的一个重点。由于在信号的接收过程中受环境变化的影响和受实际环境的不利因素的影响，信号的衰减和失真在一定程度上是存在的，接收的信号并不能真实的反映客观的信息，需要对接收的信号按照失真因素的影响进行还原才能展示实际情况下的真实变化。

2.信号转换技术。在烟草行业应用领域内工控监控设备已经应用了很多年，并且根据实际的业务需要在烟草行业应用系统中有多个厂商的设备投入了运行，这就造成了监控的困难。每个厂商的每个类型的设备都有专门的数据打包格式，都需要专门的协议解析器来进行数据解读，即使是同类型设备，由于生产厂商的不同数据打包格式也不一致，随着烟草行业的应用不断扩展，对于最终使用人员来说后台管理和后台监控将变得越来越繁琐和复杂，管理和维护极为不便。协议信号转换技术就是为解决这个问题而设立的。信号转换技术利用对打包数据格式的重新定义将各种协议的监控设备数据转换成统一格式的协议向后台传输，理论上后台管理人员只需要一台电脑即可实现对各种监控设备的数据监控。

3.智能自我学习技术。目前市场上特别是烟草行业的监控设备随着用户需求的变化种类也变得越来越多，同一类型的监控设备也有不同的厂家在生产更新，数据协议格式也变得越来越多，如何在不增加或不更改设备的情况下让协议转换器能够接入更多种类更多品牌的设备是智能自我学习技术所有解决的问题。智能自我学习技术让协议转换器能够通过协议规则的识别在不更改协议转换器内部构造的情况接入和识别更多新设备的能力。

4.图像还原技术。由于受到客观环境的影响，很多监控拍摄装置的拍摄条件并不符合标准摄像的要求，拍摄的图片在质量上也达不到相应的指标要求，图片存在失真的情况。为了保证用户有效的掌握实际状况，图像还原技术解决了图片失真的情况，利用环境影响参数的模型将失真的图片还原成近似真实的图像质量。

在烟草行业的应用领域内，很多拍摄环境受到实际工作条件的限制(例如烤房)往往使得拍摄效果很不理想，很多图片存在失真的情况，造成了控制人员和管理人员判断的失误，图像还原技术很好的解决了这个问题，利用图像还原模型和图像还原技术分析了造成图像失真的各种因素，并尽可能的复原真实的照片，为管理者和监控人员对真实情况作出准确的判断提供依据。

四、烟草信息化建设中的应用实例

多协议转换系统实际上就是一套信号识别、信号还原、信号管理的综合系统。信号识别的前提是用能够广泛接受的标准进行信号的标识表示，然后才能进行信号的接收和传递。在接收信号的时候，可能存在一台设备接入多个相同监控设备的情况，也可能存在一台设备进入多个类型的监控设备的情况，如何分辨信号的传入端到底是哪台设备也是信号识别技术的一个重点。由于在信号的接收过程中受环境变化的影响和受实际环境的不利因素的影响，信号的衰减和失真在一定程度上是存在的，接收的信号并不能真实的反映客观的信息，需要对接收的信号按照失真因素的影响进行还原才能展示实际情况下的真实变化。

多协议转换系统是站在地州一级烟草公司的角度对公司内部目前监控设备多样、监控系统相互独立的问题而设计的，考虑到烟草信

息化的实际情况，多协议转换系统采用软硬件结合的方式进行实现，具体的实现内容包括以下几个部分：

监控数据的实时展示：对于前方监控设备实时采集回来的数据系统经过协议转换规则形成统一的输出格式传递给后台管理机，管理机会在后台自动生成实时数据的表格和图形，以供监控人员和后台管理人员查看。同时，管理机将实时数据存储在后台数据库中，以利于监控人员和管理人员日后进行查看。

监控数据的历史曲线展示：对于前方的各类监控设备(例如温度监控器、湿度监控器)采集回来的数据，综合管理软件平台采用数据集中存储管理的方式将数据存储在后台的数据库中，当用户想查询某类设备或者某个监控区域内的监控数据时，仅需输入想查看的时间范围和监控区域代码即可查看当时情况下的监控数据和监控曲线。

监控设备的控制管理：综合管理软件平台通过协议接口和SDK包对前方的各种类型的监控设备进行调用和管理，通过协议接口可以对前方的监控设备进行调控，包括调整各种运行参数和运行动作等。由于使用了集中控制技术，平台可以帮助后台管理人员和监控人员通过统一的管理页面实现对多个类型设备的集中控制，无需向以往那样对每类设备需要单独的管理机进行控制，极大节约了管理成本，提高了管理人员的工作效率。

新增协议管理：当用户的监控设备发生变化时(例如新增加了监控设备或更改了设备厂商)，设备的驱动即数据打包协议也就发生了变化，此时协议转换器是无法识别此类设备采集的数据的，新增协议管理就是为了解决此类问题所设置的。

新增协议管理为管理人员提供了一个操作建议的驱动编写界面，界面操作类似于计算器按钮的操作方式，后台管理人员无需经过专业训练也无需掌握太多计算机知识即可实现新协议的开发，当新协议编写好后由后台管理人员通过平台发送到相应的协议转换器上，此时协议转换器即可实现对新增设备的识别，也可获取相应设备所采集的数据信息。

自我学习系统：自我学习系统是多协议转换系统的一个核心子系统，自我学习系统利用知识库的原理进行构建，并在知识库中存储了已知协议模式的识别模式，识别途经以及识别方法外，还存储了对未知协议格式的模糊识别模式和判断匹配方式。

在进行知识识别和知识匹配过程中，目前最通用的方法就是采取类似于规则引擎和推理机混合的方式进行实现，规则引擎是这一功能实现的基础和重点。在自我学习系统中，其协议识别的工作原理是这样实现的：在协议识别中首先定义推理引擎，引擎包括三个部分：模式匹配器(Pattern Marcher)、议程(Agenda)和执行引擎(Execu-tion Engine)。推理引擎通过决定哪些规则满足事实或目标，并授予规则优先级，满足事实或且标的规则被加入议程。模式匹配器决定选择执行哪个规则，何时执行规则；议程管理模式匹配器挑选出来的规则的执行次序；执行引擎负责执行规则和其他动作。

其次在推理引擎中定义推理算法，在多协议转换系统中我们采用了RATE算法来对实现推理的过程，其具体定义如下：(1)将初始数据(fact)输入Working Memory。(2)使用Pattern Marcher比较规则库(rule base)中的规则(rule)和数据(fact)。(3)如果执行规则存在冲突(conflict)，即同时激活了多个规则，将冲突的规则放入冲突集合。(4)解决冲突，将激活的规则按顺序放入Agenda。(5)使用执行引擎执行A-genda中的规则。重复步骤2至5，直到执行完毕所有Agenda中的规则。

在实际的多协议转换系统中，规则引擎内部工作流程是按照如下思想进行实现的：规则引擎从队列管理器中依次接收信息元，然后依规则的定义顺序检查信息元所带规则集中的规则。规则引擎检查第一个规则并对其条件过滤器求值，如果值为假，所有与此规则相关的动作皆被忽略并继续执行下一条规则。如果第二条规则的过滤器值为真，所有与此规则相关的动作皆依定义顺序执行，执行完毕继续下一条规则。该信息元中的所有规则执行完毕后，信息元将被销毁，然后从队列管理器接收下一个信息元。在这个过程中并未考虑两个特殊动作：放弃动作(Discard Action)和包含动作(Include Action)。放弃动作如果被执行，将会跳过其所在信息元中接下来的所有规则，并销毁所在信息元，规则引擎继续接收队列管理器中的下一个信息元。包含动作其实就是动作中包含其它现存规则集的动作。包含动作如果被执行，规则引擎将暂停并进入被包含的规则集，执行完毕后，规则引擎还会返回原来暂停的地方继续执行。这一过程将递归进行。

联机和脱机的管理：在与主机联网的时候，可实时接受来自主机的指令，执行相应的操作，也能将采集到的数据和图像实时传送到主机。当主机关闭或网络出现问题是，设备可按既定的规则自动运行，将采集到的数据和照片保存在设备的存贮器中，待与主机联机后，将数据上传。

五、结语：利用多协议转换技术解决了中国烟草信息系统中监控部分产品多样，难于统一管理，管理维护费用高昂的现象，受客观原因和建设规划等影响造成的专网系统强过横向网系统的现象，解决了各个监控系统之间的管理隔绝问题。通过多协议转换技术能够帮助烟草企业实现将现存的网络结构、硬件拓扑结构和综合信息结构统一起来，协同动作；同时可以帮助烟草行业对各种监控信息系统进行调整和优化，不仅体现了近期的局部效益，从而体现了烟草行业信息化的长远整体效益。

参考文献

[1]周洪波著，《物联网-技术、应用、标准和商业模式》.北京电子工业出版社，2010.7.

[2]杜春雷著，《ARM体系结构与编程》.北京清华大学出版社，2005.2.

[3]冈萨雷斯著，阮宇智阮秋琦译.《国外电子与通信教材系列数字图像处理(第2版)》，电子工业出版社.2007.8.