9 英文文献 翻译 人机界面 科技类电子 电气 自动化 通信.docx

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9英文文献翻译人机界面科技类电子电气自动化通信

目录

一、外文文献译文3

二、外文文献原文15

一、外文文献译文

应用基于web的网络协议和软件架构,可以为工业提供具有适应性，个性化和移动性特点的人机界面

AlessandroBozzon,MarcoBrambilla,PieroFraternali,PaoloSperoni,andGiovanniToffetti

米兰理工大学，电子与信息系，意大利

{bozzon,mbrambil,fraterna,paolo.speroni,toffetti}@elet.polimi.it

摘要

本文提供了一个创新的结合使用网络标准和软件实施技术的工业设计人机界面（人机界面）系统。

本文描述的是成熟的技术和做法，可基于互联网的架构转移到嵌入式系统。

几种高级功能的实现就是基于这种架构，如应用适应性，界面个性化，远程控制，多渠道的通知。

1介绍

根据当前潮流的人机界面（人机界面在工业自动化领域）的特点，嵌入式的优势是低功率，他有具体标准现场总线或专门接口专门针对工业厂房和自动化监测设备。

商业系统通常依赖于硬件，操作系统，I/O接口，通信协议的执行情况，图形显示管理，和业务逻辑的专有架构。

这种情况主要是由于对成本，表现和可靠性的高度重视，克服了标准体系结构和高质量服务接口的要求。

此外，工业自动化通信协议都没有达到作为办公通信网络，从而进一步证明了专有架构的优势。

然而，互联网和网络上的成功已经开始影响工业人机界面的世界了。

工业用户也开始熟悉的Web界面，图形质量，多媒体内容和功能，如流动性，适应性的特点和个性化的应用。

同时，基于TCP-IP的通信协议和嵌入式操作系统已经开始蔓延在工业自动化领域[6][10]，从而减少了专有架构的需要使企业内部的整合更有吸引力。

在这种情况下，很容易预见一个缓慢但必然统一的人机界面对于工业标准体系结构，标准的通信协议和先进的互动功能的诞生。

我们的工作重点是一个新的分布式软件架构的人机界面系统能够提供诸如个性化，适应性，分布，流动性，多渠道通知，服务设计和办公网络及软件集成等功能，当然还有保持稳健性，可靠性，性能和成本效益等传统的人机界面问题。

该项目被称为ESAMyHMI的科研活动是在米兰理工大学和欧空局ElettronicaSpA公司——一家经营人机界面意大利公司之间进行的合作。

该项目已导致了一种新的人机界面架构，它充分利用了多层Web应用的最先进的结构模式，以部署低成本，工业级的嵌入式硬件，达到了一流先进的人机界面功能。

2.概述工业人机界面市场

工业人机界面产品很少实施创新服务，如远程进入污水处理厂控制，通讯和远程通知。

事实上，人机界面公司似乎钟爱完整性能和良好的进入工业通信标准，即使是这些因素可能与现代的基于Web的架构的创新解决方案不兼容。

即使是人机界面的研发人员似乎提供最创新的内容（并声称其产品具有网络功能的），却仍然在传统架构的框架下，通常只利用单一的应用。

相反，最近的研究[6]显示用户如何越来越朝向寻找一个可以给予具有先进的功能，卓越的图形功能和更好使用的新系列产品：

远程且尽可能远，分布式控制的工业厂房；

远程通知解决方案，即使用户不是在终端面前；

个性化和自动化适应图形用户界面；

整合现有的企业经营流程，系统和设备；

开放的新标准，并在该领域的最佳做法是通过提供低成本的模块化和可扩展性。

SCADA（监控和数据采集）系统，最近推出了一些有趣的创新，但作为首字母缩写表明了，他们的目标是专注于产品能实现了高层次范围的功能运用，并可在一个大的背景下部署运行。

它们通常部署在高端设备（电脑和功能强大的嵌入式系统）和代表着人机界面市场。

在其他市场的行业，创新一直是依靠主要供应商（例如，西门子），他们一直致力于在提高传统人机界面应用程序提供的功能和代表过去几年的水平。

Sm@rtAccess[15]例如，允许分配超过三站最大的工业设备控制的技术开发。

其运作，虽然这种是基于是简单广播的显示界面的仪器，它能够直接连接到其他设备的客户。

这种方式的带宽需求超过一个典型的互联网连接能力。

Progea[16]提出通过远程功能和基于Web的体系结构提供更加创新的解决方案。

运行在WindowsXP电脑的Progea服务器应用程序，它可以远程控制设备通过一个支持互联网JVM（Java虚拟机）连接的标准Web浏览器。

即使如此强大，但这种方法仍然缺乏提供便携式解决方案，因为不同的实现工具提供了不同的平台。

3新颖的人机界面解决方案的要求

从工业人机界面的市场可看到了工业自动化终端软件,硬件架构的典型的办公和基于Web的应用程序缓慢但稳定进化走向一体化，以达到更高的可用性和界面和更方便的工业自动化解决方案的灵活性和企业信息系统的互操作性的灵活性。

这个目标需要分类功能和传统的人机界面解决方案模块，部署了分布式系统的模块化和他们,它利用互联网的开放标准和多层Web应用程序的架构模式。

该MyHMI项目旨在设计、实施和评估一个分布式人机界面平台，可没障碍地在本地和远程访问，可以很容易地集成企业信息和通信技术基础设施。

基于MyHMI设计的基础要求的主要功能和非功分别列于表1和表2。

表1功能需求

功能需求

动态组态

该组织和人机界面的外观应该不难，有线，除了动态配置的条款数量和类型的控制变量，页面布局，显示的数据，等等

用户登录名和访问控制

用户应该统一地确定，基于一个成功可靠的认证。

获准进入该系统

个性化

用户应该可以自定义的接口的图形性能，并将其参数保存在一个配置文件里。

接口适应

用户界面可通过声明性规则的方法自动调整适合的不同设备屏幕。

警报管理政策

该系统根据具体政策应向用户提供警报通知机制

功能限制

该人机接口系统，生产者应当能够对特定终端禁用选定功能，已达到可调整产品商业价值的特点。

报告

日志数据报告可在不同的格式制作，允许远程可视化，调度和打印。

表2非功能需求

非功能需求

网络

拓扑

该系统可支持独立的网络架构，局域网，有线网络和无线网络接入。

客户服务器之间的通讯应该充分利用HTTP协议，为了达到防火墙的兼容性

软件结构

该软件是基于标准的操作系统。

客户端应用程序应该运行在一个标准的Web浏览器，并应自动在不同规模的屏幕上调整分辨率，服务器应用程序应运行在一个标准的动态Web架构上。

外观

该接口利用设备无关的移交技术（即XHTML，SVG，闪光）。

可扩展超文本标记语言

性能

页面数据的刷新性能可媲美脱机的人机界面系统（每秒刷新10个数据）。

4MyHMI架构

在本节中，我们概述了MyHMI框架设计的主要特色。

该平台的整体架构是MyHMI如图1所示：

人机界面功能通常是嵌入连接到控制系统的终端，成为划分为一个客户服务器结构，实施链接互联通信网络，其中包括一个以太网骨干网连接，用来连接HMI设备和一个用于连接到控制装置一套现场总线协议。

4.1.一般设计的选择

该系统的设计必须解决的几个问题，按要求。

在这一节，我们给出解决方案的总结。

4.1.1分布模型的演示和业务逻辑。

该体系结构设计已经运用先进的解决方案的状态处理了模块化实施和给予关注点分离。

我们通过了一个丰富的网络接口模式扩大了传统客户端组成的网络架构，从而避免了服务器计算的一些客户端。

业务层仍然位于服务器端，包含了控制政策，而显示层实现在客户端。

它的责任是建设为人类监理接口和用户用户对话的管理。

图1MYHMI体系的整体结构

4.1.2人性化解决方案

其中一个最具有挑战性的要求是提倡使用强大的兼容性平台。

我们使用是人性化是基于分组，这分组假设用户是可以按角色酚类的，并且考虑到了该分组层次的大部分人性化规则。

剩下的细节性的人性化规则可以应用于个别用户，但是我们可能会假设这些用户的数量和复杂程度都是有限制的。

这个解决方案可以实现高效率的人性化系统的需要与降低计算复杂性的需要两者之间的权衡和取舍。

4.1.3链接

客户端和服务器之间的通信是采用HTTP（仿真）应答通过HTTP请求响应的手段。

客户端提交请求后，用户互动，经其内部时钟产生超时。

请求提交悬而未决服务器，直到一对控制系统的状态出现更新情况。

在这种情况下，服务器发送响应到客户端，用以模拟一个基于事件的消息交换。

4.1.4个性化制定

一些具体的决定必须采取有关如何以及在何处应用和个性化的界面以适应规则。

个性化和适应性规则可以采用存储和管理两个办法：

1.编码规则为XML文件：

个性化规则是由离线配置工具以XML格式的产生的。

这些规则是在运行时解析和解释是通过一个通用的代码。

他能产生一个预期的通用接口。

该方法的一个方式为了个性化解析和适应性规则处理不同问题可以制定若干具体组成部分。

（例如，用户界面，报警配置，等等）

2.在代码中嵌入的规则：

这个解决方案包括在配置时产生和编译一个具有特定个性化和适应规则针对开发项目的源代码。

其结果是在一个二进制代码中嵌入所有规则就能执行得非常快，因为不需要存取文件或规则库。

我们采用客户端和服务器端规则计算：

一个混合的方法就是其中一部分的规则适用于服务器端而其余的适用于客户端。

我们应用在客户端的规则影响了用户界面和一般情况下客户端的问题。

这一部分，出于性能方面的原因，规则被以二进制代码形式存储在客户端应用程序。

反过来，我们通过了服务器端的服务器配置有关规则的适用。

在这种情况下，该规则已被编码为XML文件和被服务器组件解析。

4.1.5访问外部变量

通过一个单一的集中服务器,受控制系统的状态对“人机接口”系统可见的：

所有的客户端调用一个中央服务器，作为网关和提供关于设备状态的数据。

对状态能被单入口点检测的小系统来说，这个方案是可以接受的。

一个替换物通过服务器或者代理伺服器访问受控制的系统：

每个客户端总是调用相同的服务器，但是多个服务器可以定位在设备上来访问受控制系统的不同部分。

通过询问需要的信息传达给原服务器客户端调用的服务器可以作为一个代理伺服器，实际上这存在接入点至需要的数据栏。

对单服务器架构，我们采用第一个解决方案，但是我们使用第二个方案以防复杂的配置。

不管怎样，我们决定避开客户端同时直接调用信息组或者多个服务器。

4.2服务器的设计

该服务器是通过专有的沟通协议，作为为中间人人机界面接口和其他服务器进行通信的TCP/IP网络以及现场总线连接异构的设备之间作用。

该服务器管理连接到外地（通过一个OPC服务器模块[1]或类似的接口）和缓冲区的字段数据（在数据服务器模块）成为传递到基于TCP/IP连接的客户。

客户可以部署在两种配置：

本地服务器的节点（从而提供了一个集成终端接口）或在一个单独的远程终端连接到服务器通过一个TCP/IP网络。

该服务器管理有四种类型的客户端请求：

初始化请求，新的一页请求，数据刷新请求和事件触发处理。

初始化和新的一页请求可能需要计算服务器端个性化的规则，他的处理是通过基于身份请求终端和用户身份服务器提出请求的；页面数据刷新请求只涉及到客户机的运送原始数据和提供服务快

如图2所示，服务器分为两大类成分边界：

一方是控制系统，由不同的设备组成，双方沟通通过工业（如Modbus总线，现场总线等...）和网络协议（如TCP/IP协议）和从原受控环境输送数据。

另一边是用户，支持与同一个客户端用户界面控制系统互动。

图2MYHMI体系结构的高层架构

作为一个中间设备，服务器已能处理具有挑战性的任务，如各种：

（一）管理和协调涉及用户，可能执行临时数据处理和汇总;之间的数据流；

（二）保证了在不同节点的状态信息同步;（三）提供确保万无一失执行用户的命令一个安全可靠的服务。

该服务器的内部组织已设想到提高模块化，可扩展，组件重新使用和性能。

在图3和图4中，我们可以找出三个服务器内部结构宏组件的：

1.外界面版管理

2.控制界面管理

3.用户界面管理

服务器子组件对管理现场设备通信负责同时提供抽象和模块化，并且忽略其他组件的物理特征，拓扑和协议。

与外地的互动是通过一个标准的OPC客户机/服务器模块，从而增加了另一种级别抽象（和模块）的系统。

图3MYHMI体系中的服务结构：

外界面版管理，控制界面管理

控制界面管理处理所有相关的用户命令管理，内容个性化功能，以及适应性。

由于允许多个用户与系统互动和用户界面的内容是直接关系到用户设备和授权的，这就需要特设的数据结构和操作能够遵守的性能，可扩展性，并发性和可靠性要求。

为了应对这种需求，控制界面管理的内部组织依靠正交模块负责与外界面版管理沟通管理。

图4MYHMI体系中的服务结构：

控制界面管理，用户界面管理

每当客户端连接到系统，专用通信缓冲区分配给它，和为了客户端填满的最初值需要建立当前的系统状态查看。

最后用户界面管理是组件授权协调和同步与客户的互动；因为MyHMI依赖于网络架构，用户界面管理是在其网络版本兼容模式2（MVC2已知）[5]上，根据模型视图控制器（MVC）设计模式[4]组织的。

4.3客户端服务器交互设计

要考虑的一个重要方面，当处理网络架构是由客户端用于与服务器通信（HTTP）的通信协议的不对称性。

只有客户能够履行请求到服务器，而相反则不行。

这限制妨碍了最优化的相互作用，因为客户不能跟新的事件（新变量值的服务器通知，指示，报警器），但需要定期调用服务器以检索更新的信息。

现代的Web应用程序开始发掘了双向沟通机制和推动技术的杠杆作用，提高Web服务器的积极性。

根据4.1.3节中所述的结果，我们采用一个模拟的回调方法。

这种方法通常依赖于HTTP/1.1中不间断连接（见[17]）。

持续连接利用XMLHTTP请求的概念[18]和其他类似机制，从服务器检索从而不必更新整个页面的信息。

多亏这些技术，客户可以建立一个连接始终可用的服务器从用户的互动上独立发送数据。

不幸的是，持续连接对于服务器是很昂贵的管理，这种做法不符合低消耗概念设备，像MyHMI使用的。

沟通的缓冲机制在CIM实施从查询审核上看有助于克服的弊端。

图5客户端服务器分布式系统数据更新过程

图5将一个字段变量的值更新系统化一个简化为“生命周期”。

当客户端执行其轮换查询程序之后，UIM首先从以前的客户端的请求检查，然后告知CIM在缓冲区的新值。

如果没有通知发生，UIM就设置一个时间溢出和等待新的数据存储到缓冲区：

如果丢失的数据变得可用之前超时过期，整个缓冲区以批量方式迅速处理客户端;要不然；UIM关闭轮询周期，并返回一个空的响应。

由于缓冲和批量数据传输，对客户要求的数量急剧下降。

此外，数据的变化需要通报只一些客户端，从而对减少通信信道拥塞，提高可扩展性，因此，提高整体系统的性能。

4.4客户端设计

客户层在MyHMI结构中的主要作用是管理数据显示和用户对话。

为了避免对一个特定的技术依赖，我们制作了一个高层次的设计，可以实现在不同的渲染环境所设计的内部组件分布在图6所示：

客户端应用程序包含一个外部应用程序，在浏览器环境内执行。

外部程序（在客户端脚本语言编写）是独立于浏览器的图形引擎和利用了MVC的组织。

该模型包含业务对象的接口（例如，数据变量，趋势监视器）而在视图包括工具和介绍物业的移交技术管理则是通过移交技术（例如，小工具，用来显示数据的变量，一种趋势，或输入控制）。

外部程序还管理一个内部时钟，用于服务器自动触发请求的系统状态刷新;接收服务器响应，外部程序更新内部数据变量包括自动刷新注册业务对象和相关的部件，此数据为中心的方法只允许重新刷新受影响的部件，最大限度地减少计算量和更好地运行。

图6从高层次考虑的客户端设计

5执行

本节介绍我们的经验和对实施拟议MyHMI解决方案中运行的原型评估。

感谢开源的Modbus模拟器，我们模拟了一个牛奶装瓶厂的逻辑和数据流，由大约20控制变量组成，如牛奶罐的液位和温度，状态和自动输送带的速度等。

5.1服务器端实现

我们使用微软WindowsCE4.2[3]，和其内置的技术：

Web发布结构依靠的ISAPI+httpd的后台程序，

所有的模型和业务逻辑组件已经发展成为微软的COM对象和我们的MVC架构控制器部分已实施作为一个ISAPI的DLL

在一个运行时组件（称为OPC客户端）基于OPC数据访问定制接口规范3.0再加上一个OPC服务器版本2.5.15基础下，已取得与外地的连接。

由于OPC结构下，我们可以提高与外地更层次的交流，因此，开发一个原型，几乎所有的工业领域协议兼容。

5.2客户端实现

为客户端执行计划由于MyHMI项目目标环境的限制已经受到严重影响。

因此要为服务器端实现作出的选择，我们选择利用本地浏览器的WindowsCE和为了视觉呈现扩展插件。

市场上已经预见有很多最具创新性和强大的技术，考虑到的功能像：

（一）可用性，灵活性和解决方案的可移植性的作业系统和HMI终端开；

（二）矢量图形支持和容易适应不同的屏幕分辨率;（三）脚本语言提供个性化的软件；（四）互动性和实用性的特点。

我们考虑了诸如SVG[2]，AdobeFlash[14]和基于微软产品解决方案的技术，所开发的客户端原型包括所有的部件需要显示设备的数值.（例如，计量系统，报警指示灯，传送带，转速表，仪表等）并执行用户命令（例如，启动/重新启动和紧急按钮，输入域，等）。

部件的设计根据关注点分离的理念：

每一个部件是发展成为独立的对象，分别由两个主要模块组成：

•业务逻辑，封装了无论是性能和组件的行为模式；

•该图形表示，这是分开设计的，与著名的皮肤概念为基础的方法。

感谢新的部件设计和先进的渲染引擎所提供的闪存，原型能够实现比通常的人机界面系统有更加完善的接口，无论在图形外观方面还是在业务逻辑上（例如，参见图7实时输送机模拟器）。

图7MYHMI动画接口原型

6相关工作

从要求，发展趋势，以及当前技术发展机会，嵌入式系统是被普遍认可的[6]。

一些早期的作品存在，描述了Web环境技术如何应用到工业人机界面[7]概述了一些可能的办法如何使用XML和Java去定义和配置接口。

然而，我们的经验得出了，如果使用了嵌入式操作系统的低功率设备，应用该普通技术性能方面可以改善。

（例如，[其他工程8]，[10]）探索整合基于客户端之间通信的传统的现场总线与以太网解决方案，而不是提出一个全面的基于Web的体系结构，为了信息能从外地网络传到办公类网络，它们提供了网关的接口。

这些方法并不充分发挥网络接口可以提供的潜力（例如，在丰富的接口条件，适应性和个性化），因为服务器端的软件架构没有足够的支持。

此外,为了运行的先进的远程接口他们通常涉及到办公室的PC平台。

服务导向，代理人为导向，和分布式对象架构（[9],[11]）基于Web和XML为基础的技术也探索了，但其成果仍处于发展的初期阶段和通常需要强大的硬件支持。

有若干围绕概念为开放式体系结构控制器的研究活动开展了[12]，重点是软件解决方案，包括提供尽可能多的可移植性和开放任何一种装置尽可能还有操作系统。

他们的目的是学习最佳混合的编程语言，和发展架构还有框架给予的灵活性。

他们往往依赖于网络技术为他们开启可用性和可移植性，但他们不应用任何努力去增加功能和服务。

最后，另一个类别工程，类似[13],提供根据实际应用环境提出基于互联网的解决方案的经验报告，但不能将其结果推广一般架构去处理所有人机界面问题。

我们就目前研究的贡献只是一个轻量级基于Web的软件体系结构，技术功能，如浏览器的标准定义，Web服务器和图形，可以履行的（网络）的嵌入式系统，提供最先进的网络，包括个性化，多设备适应性和远程通知，不需要像officePCs笨重硬件平台。

7结束

在这篇文章，我们已显示人机界面系统可以从在尖端网络技术和最佳做法获得改进。

这项工作组织可分4个步骤：

市场和文献分析;按新Web启用人机界面解决方案的需求定义;设计一个证明了概念研究中的应用情况;和发展客户端和服务器应用程序进行测试的可靠性和MyH的解决方法。

市场分析当前

未解决的突出问题，影响人机界面的市场，因而，针对下一代的人机界面的功能和要求设置提出解决方案。

我们工作的结果包括在一个高度可配置的架构，它灵活性，普及和专用化可以被视为一个可依托的人机界面解决方案，

今后的工作将包括一些结构优化和先进的功能（短信，远程登录，性能测试等）。

8答谢

我们要感谢欧空局ElettronicaS.p.A.的工作人员提出的宝贵意见和反馈还有协同工作。

特别感谢对斯特凡诺隆戈尼（研发部门）和他的团队，以及马里奥科伦坡（首席执行官）。

二、外文文献原文

ApplyingWeb-basedNetworkingProtocolsandSoftwareArchitecturesforprovidingadaptivity,personalization,andremotizationfeaturestoIndustrialHumanMachineInterfaceApplications

AlessandroBozzon,MarcoBrambilla,PieroFraternali,PaoloSperoni,andGiovanniToffetti

PolitecnicodiMilano,DipartimentodiElettronicaeInformazione,Italy

{bozzon,mbrambil,fraterna,paolo.speroni,toffetti}@elet.polimi.it

Abstract

ThispaperproposesaninnovativeuseofamixofnetworkingstandardsandsoftwareimplementationtechnologiesforthedesignofindustrialHumanMachineInterface（HMI）systems.Wedescribehowwellknowntechnologiesandpracticescanbetransferredfrominternet-basedarchitecturestoembeddedsystems.Severaladvancedfeaturescanbeachievedthankstothisarchitecture,suchasapplicationadaptivity,interfacepersonalization,controlremotization,andmulti-channelnotification.

1.Introduction

ThecurrentstatusofHMI（HumanMachineInterface）inthefieldofindustrialautomationischaracterizedbyapredominanceofembeddedlowpowerdevicesthatareinterfacedwithproprietaryorstandardfieldbusesspecificallydevisedfortheindustrialplantmonitoringandautomation.

Commercialsystemstypicallyrelyonproprietaryarchitecturesforthehardwa