摘要：通過對現有普遍監控系統的圖形系統的架構的分析，指出其在圖形對象與領域實體數據的連接關系上簡單映射關系中的不足之處，提出以元圖形和基礎領域實體為前提的圖形對象與領域實體的新型映射模式，力圖以此模式建立通用監控圖形系統架構，滿足開發物聯網無處不在的監視與控制系統的需要。

關鍵詞：物聯網，通用監控圖形系統架構，元圖形，基礎領域實體

一、引言

通用的圖形系統有很多，但它們不適于監控系統的原因是因為監控系統雖然顯示為圖形，它卻代表的是數據，即圖形化的數據。然而，我們看到的圖形，也是有數據的，比如矩形就有長和寬，但是這種數據是圖形的參數，其集合和圖形是等效的，在特定的展現平臺上，我們可以認為：圖形=參數集合，這些參數還不是我們所謂的數據。在監控系統中，我們所謂的數據是展現監控對象（比如電力設備）的運行狀態的特征值，一般電力系統設備的四遙就是這種數據。圖形化的監控系統的任務就是使用圖形方式展現監控對象的運行狀態并控制其行為。因此圖形處理成了監控系統的關鍵子系統之一。圖形處理的任務主要有兩個任務：以圖形方式反映監控對象特征值；在監視之前，用圖形方式進行圖形的定義（一般稱圖形組態）。特征值由別的子系統處理，交由圖形子系統使用。

由于監控圖形系統的特殊性，形成了很多風格不同的監控系統。從比較簡單的Excel表格顯示煤礦瓦斯濃度，到GE的DCS組態系統，不同的系統雖然目的相同，但監控規模，圖形化程度都不相同。近年來，隨著物聯網的發展，監控圖形系統的運用將會越來越多，因為物聯網終端用戶對圖形界面的體驗肯定會超過數據表格界面，這可以從Windows替代DOS操作系統時就得到了驗證。

比較典型的整個監控系統的架構如下：

通訊層：負責對監控對象進行數據采集，使用RS233、RS485、RJ45等介質通過MODEBUS、TCP/IP等通訊協議將反映監控對象運行特征值的測量和控制數據進行獲取，交給數據層做進一步處理。

數據層：負責接收通訊層的數據，根據數據的意義，做規定的處理。數據越限、虛遙信等一些新的次生數據將會產生。它還會提供共享通道（數據轉發、服務接口發布等）。

展現層：就是本文要討論的圖形處理子系統。它負責將數據層的數據已圖形方式展現出來。從數據流的角度來看，它是將數據層的數據轉變成圖形對象的一系列屬性參數集。

但是，一個展現層可以使用不同的數據層，不同的展現層可以使用同一個數據層。這種情況也存在于通訊層，它會形成如下的網狀結構：

由于所有展現層、數據層、通訊層之間都是同構的，為了分析的方便，一般采用簡化如下形式表示：

如果數據層不進行數據處理，展現層不使用圖形對象而使用Excel表格，就變成了最簡單的監控系統，如下：

二、當前圖形系統的普遍架構

由于物聯網的迅猛發展，數據層也朝著分布式、云計算發展，數據即服務（Daas）研究在正確的時間將正確的數據傳送到正確的位置。對應圖形系統的架構如下：

數據獲取（DataObjectAccess）：通過WCF、OPC等不同數據存取方式實現統一的數據對象存取。數據對象與應用領域一致，比如電力領域的IEC61970。

數據映射（RuleofDataTranslate）：抓取領域數據轉換到圖形對象參數集的轉換規則，決定了圖形系統對數據的使用方式。

圖形展示（ShapePresentation）：使用圖形對象呈現領域對象。呈現的方式有SVG、WPF、Silverlight（SVL）、HTML等多種方式，有的適合網絡應用，有的適合桌面應用。這里領域對象是里，呈現出的圖形對象是表。

可以看到不論數據獲取、數據映射、圖形展示均是在領域實體的支撐下才有意義。那么領域實體為什么如此重要呢？

三、分析

首先，數據是領域實體的屬性的反映。電力斷路器的通過電流，水管中的水壓和流速，火災預警器中的煙霧濃度和測量點的溫度，都是反映相關監控對象的屬性，雖然它可以由多個測量設備測量到。離開了領域實體，這些數據便沒有了實際物理意義。從邏輯上看，這些數據按照領域實體進行組織。D=m（E），D——數據集合，E——領域實體集合，m——組織關系。

另一方面，圖形也是領域實體的反映。電力母線、水管減壓閥，處于火災預警級別中的房間等圖形同樣是反映相關監控對象的屬性。同樣的電力母線，有細有粗，有不同的顏色表示不同的電壓等級。離開了領域實體，這些圖形同樣沒有了實際的物理意義。所以，從邏輯上看，這些圖形按照領域實體進行組織。G=g（E），G——圖形對象集合，E——領域實體集合，g——圖形數據運算。

由此，可以認為，數據和圖形是領域實體的兩個方面，猶如硬幣的正反兩面。當然，數據的領域實體化工作在圖形處理子系統之外已經完成，圖形處理子系統需要關注的是圖形的領域實體化工作。其實質便是圖形對象與領域實體的對應關系，比如，電力變壓器圖形怎樣與電力系統中的電力變壓器設備相對應。反映成數學關系就是：G=g（m-1（E）），由于領域實體在某個發展階段是有限的，所以m和g關系是有限的，自然g.m-1就是有限的，G集合就是有限集合。這里的領域實體是一種理論抽象，根據領域關注度的不同，其抽象的模型也不相同（IEC為了適應更多的電力應用，抽象了一個龐大的電力領域實體模型）。重點是在領域模型確定的情況下，圖形對象怎樣對應領域實體。

領域實體有個特點，它會體現領域的一個或者多個特征，比如，一個電力三繞組變壓器會體現初級、次級1、次級2的電流、電壓等特征。三繞組變壓器包含三個電力繞組，每個繞組有時一個電力實體，包括電力電壓等特征。每個繞組接到一個電壓等級之中，每個電壓等級現可能還接有斷路器、接地快關等設備。這些設備共同組成了實際的電力系統。雖然，這個系統反映到圖形系統中任然是抽象的系統，但這樣圖形展示的實體集合小于或者等于數據表示的實體集合，圖形展示就是完備的。因此，領域模型將與圖形展示集合一一對應，這樣，圖形的表現力才能完全覆蓋領域模型。

正式在這種思路下，才出現了領域圖形符號的標準（比如，電力圖形符號的標準），而且，在這種標準中，領域實體的圖形符號可能由多個子符號表示。很顯然，相比較用點線面表示一切的通用圖形系統，領域元圖形的概念更接近于實際情況。其與領域實體的對應關系也更簡單。由此出現了一種新的圖形系統的架構如下：

元圖形體現了領域實體的某一方面圖形特征，可以認為領域圖形有多個領域元圖形構成。由于領域業務的發展受到整個科技發展的限制，元圖形的增加意味著領域業務的重要發展，其增加更加緩慢，當然，主要的還是元圖形的類別是基本有矩（標準）可循的，最重要的是元圖形的數量少，組合出的領域實體數量龐大，表現力豐富。

四、新架構的優勢

相比以前的架構，由于采用了元圖形，實體屬性到元圖形的映射更容易做到完備。而圖形展示由于是元圖形的組合可以再與圖形的基礎上擴展圖形類別而對其他模塊沒有任何影響，特別地，將圖形的定義放到配置文件中，便可以實現靈活的圖形擴展。這意味著，圖形符號是可換的，同時意味著，圖形的展示是對組合元圖形的展示，只要元圖形的描述是標準的，展現就是標準的。當然對不同的展現技術平臺，實現方式是有差異的。這是需要注意的。如下：

可以看到矩形和園的定義是邏輯上的，因為在Silverlight中沒有園，但在用Silverlight界面展現圖形時作對應的翻譯就行了，這種關系是固定的。這樣，元圖形的定義在不受圖形展現所采用技術的約束了。

這還不是最主要的優勢，元圖形對應基礎領域實體，如果要更換領域，需要更換的是元圖形、數據映射、數據獲取，這樣圖形系統就成了通用的監控圖形系統了！

更換元圖形是簡單的，對于使用配置文件的系統來說就是換文件，對于固化的程序來說就是換模塊。更換數據獲取的工作也不復雜，對不同的數據層而言，換一套不同的接口就行了。只要替換得當，與圖形與數據獲取相匹配是容易實現的。可是換數據映射的話就不是簡單的事了。在以前的系統架構中，實體屬性數據與圖形對象屬性對應轉換，而在新的架構中，實體屬性數據并不與圖形對象數據直接對應轉換，而是要通過基礎實體領域實體和與圖形類別的對應轉換規則的約束進行規范，這就比以前的架構復雜得多。

好在這一領域已經有好多研究成果和工具可以使用了。專家系統、推理機等人工智能（ArtificialIntelligence）的工具就是其中較好選擇。

五、結論

由此，可以看到，由于人工智能的應用，監控圖形系統可以更換圖形系統、元圖形、數據映射，數據獲取，實現通用的監控圖形系統。目前，在系統所涉及的數據獲取、數據映射、元圖形、圖形展示上，都有現成的技術和工具可以使用，最大的問題是，沒有一個整合的系統或者工具出現，而現實有呼喚這種通用的見監控圖形系統的出現。實現的辦法就是整合現有的SVG、元圖形、轉換規則描述、數據實體描述等多種技術，形成領域可以自由更換的圖形系統。這樣的圖形系統必將在以云服務為基礎的物聯網上得到極大的應用，甚至，可能會進入到千家萬戶。

六、展望

整合各種技術產生的通用的監控圖形系統可以提供一個實用的終端用戶系統，但它還不足以提供一個簡單，易用的系統。如果以目標來導向的話，終端用戶使用類自然語言描述監控圖形系統的目標更能為大眾所接受。比如，把“1#煙霧報警器”按照“自然光”格式顯示到“監控頁面5”的“100,100”位置，以最快的速度更新數據，報警采用“工廠預設方式”。這樣的系統更加智能，也更易于大眾的使用。隨著物聯網的發展，該系統一定能大行其道。

如果在加入數據服務端推送[6]，則可以代理服務器空閑的情況下，進行數據處理層的數據收集，能夠最大限度地改進監控圖形的更新速度。

作者信息：曾明昌，目前主要研究方向：SOAP系統架構，電力監控系統圖形處理。