基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的空間環(huán)境模擬器數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

劉 暢，詹海洋，王 宇，李 娜，顧 苗

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

系統(tǒng)級(jí)的空間環(huán)境模擬器包含真空系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、熱流系統(tǒng)、水平調(diào)節(jié)、污染量測(cè)量等子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，但這些數(shù)據(jù)往往分散在不同的計(jì)算機(jī)和不同的系統(tǒng)平臺(tái)上，其數(shù)據(jù)源相互獨(dú)立，沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。這給試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和試驗(yàn)設(shè)備的集中監(jiān)控帶來了困難[1-2]。

雖然絕大部分工業(yè)控制企業(yè)都有像 Oracle、SQL Server這樣的大型商業(yè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，但大多只是被上層管理，過程控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并沒有達(dá)到實(shí)時(shí)的處理和共享[3-4]。對(duì)于空間環(huán)境模擬器這樣一個(gè)綜合的過程控制系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備控制器及其環(huán)境變量的保存、訪問或更新；對(duì)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或分析形成控制決策；收集系統(tǒng)自身的各種信息并進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷等。如何設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為測(cè)控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口成為環(huán)模設(shè)備研制中的一個(gè)重要課題。

1 Proficy Historian實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)核心基于美國(guó)GE公司的Proficy Historian 3.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。Proficy Historian 3.1作為企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，可以高速采集、歸檔并發(fā)布大量實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)過程信息，在性能、實(shí)用性及功能上都代表了企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)采集和管理的先進(jìn)水平[5]。Proficy Historian 3.1的工作流程可以分為4個(gè)主要組成部分，即采集、管理、歸檔和分析。

1）采集：Proficy Historian 3.1通過其特有的數(shù)據(jù)采集器（data collector）從各分系統(tǒng)中采集相關(guān)數(shù)據(jù)。面向不同的數(shù)據(jù)源，Proficy Historian 3.1提供了不同的數(shù)據(jù)采集器，例如iFIX采集器、OPC（OLE for Process Control，即基于微軟OLE的過程控制通訊接口）采集器和文件采集器等；

2）管理：使用Proficy Historian 3.1的管理器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作，例如配置數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)屬性（采集周期、采集精度、選擇歸檔文件等）；

3）歸檔：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔操作，形成專有的數(shù)據(jù)文件。歸檔數(shù)據(jù)文件可以通過Proficy Historian 3.1解析后供客戶端查詢相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)；

4）分析：主要指各分系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和相關(guān)操作，例如網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)通過SDK編程接口與Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)連接，提取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和發(fā)布，用戶可以通過瀏覽網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)獲取各種試驗(yàn)信息。

2 KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

2.1 軟件架構(gòu)

KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)包含數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布兩個(gè)主要功能模塊：數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要負(fù)責(zé)從各分系統(tǒng)中采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)、歸檔、壓縮，并提供數(shù)據(jù)交互的接口；而網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊的主要功能是讀取數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析發(fā)布，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具備可視化處理的功能。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)軟件架構(gòu)Fig. 1 Software structure of KM7 data management platform

數(shù)據(jù)采集器是Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的數(shù)據(jù)采集模塊，其主要功能是采集各分系統(tǒng)產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊當(dāng)中。由于分系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信接口各不相同，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)接口使用對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器。Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)采集器包括iFIX采集器、OPC采集器和文件采集器。在KM7數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中使用到的數(shù)據(jù)采集器包括iFIX采集器和文件采集器，其中 iFIX采集器是 Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)GE公司iFIX組態(tài)軟件開發(fā)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，它可以將iFIX組態(tài)軟件中的所有過程和報(bào)警數(shù)據(jù)采集到 Historian數(shù)據(jù)庫(kù)中來；文件采集器是Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)面向第三方軟件開發(fā)的一款采集器，它可以將指定格式（.xls格式或.xml格式）的文本數(shù)據(jù)采集到Historian數(shù)據(jù)庫(kù)中。

Historian數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集器安裝在每個(gè)分系統(tǒng)的上位控制計(jì)算機(jī)上，采集器隨分系統(tǒng)上位控制軟件啟動(dòng)，依靠網(wǎng)絡(luò)將各分系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中。Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、歸檔、壓縮等操作，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊與報(bào)表生成工具Excel Add-in提供數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。

每名學(xué)生都必須參加出科考核，考核內(nèi)容包括病史詢問、體格檢查、病歷書寫及技能操作。除病歷書寫外其他項(xiàng)均由總住院醫(yī)師負(fù)責(zé)考核，病歷書寫由總住院醫(yī)師協(xié)助主治醫(yī)師實(shí)施考核。在考核中，總住院醫(yī)師應(yīng)關(guān)注每名學(xué)生的成績(jī)，給出客觀、真實(shí)的評(píng)價(jià)，指出學(xué)生存在的問題，并給予相應(yīng)指導(dǎo)；同時(shí)對(duì)于學(xué)生做得好的方面，給予表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)，真正做到以考促學(xué)。4重視實(shí)習(xí)生反饋意見，不斷改進(jìn)教學(xué)方法

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊是數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的一個(gè)重要客戶端，它從數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中讀取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為圖形、表格等可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊是一套 BS（browser-server）架構(gòu)的軟件，依靠以太網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)客戶端進(jìn)行通訊，用戶通過 IE瀏覽器登陸網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)，查看試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊根據(jù)不同的用戶權(quán)限提供相應(yīng)的服務(wù)，例如面向管理級(jí)的用戶權(quán)限可以瀏覽網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的所有頁(yè)面；而面向數(shù)據(jù)監(jiān)視的用戶只能瀏覽實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)頁(yè)面。

在Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中，包含一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)表生成工具（Excel Add-in）。Excel Add-in工具是一個(gè)簡(jiǎn)易版的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊，使用該工具可以通過微軟Office Excel工具快速生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表，但需要用戶熟悉Excel中的VB腳本編程，同時(shí)Excel Add-in工具也不具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊所擁有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算分析能力。安裝Excel Add-in工具后用戶可以根據(jù)需要在Excel中使用VB腳本定制自動(dòng)化報(bào)表，報(bào)表可以從Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)中快速檢索數(shù)據(jù)，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，例如求平均值、最大值和最小值等。

2.2 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

KM7空間環(huán)境模擬器包含真空、熱沉、低溫、數(shù)采、熱流、水平調(diào)節(jié)和污染量測(cè)量等系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理、現(xiàn)場(chǎng)控制、信息傳輸各部分安全獨(dú)立，采用自下而上的分層系統(tǒng)解決方案，并同時(shí)采用安全可靠的隔離技術(shù)。如圖2所示，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層：控制層，信息層，管理層。

圖2 KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig. 2 Network structure of KM7 Data management platform

1）控制層：面向底層各分系統(tǒng)，如過程控制（真空、低溫）系統(tǒng)、熱沉測(cè)溫、外熱流模擬、污染測(cè)量、水平調(diào)節(jié)等。各分系統(tǒng)通過中心交換機(jī)連接到數(shù)據(jù)服務(wù)器上，向數(shù)據(jù)服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)信息；

2）信息層：主要包含兩個(gè)服務(wù)器，即數(shù)據(jù)服務(wù)器和發(fā)布服務(wù)器，以及一些客戶端（現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)視計(jì)算機(jī)）。數(shù)據(jù)服務(wù)器是Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的硬件載體，它負(fù)責(zé)接收控制層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和壓縮；發(fā)布服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的硬件載體，它主要負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)服務(wù)器中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化編輯后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；

3）管理層：主要面向頂層的管理級(jí)用戶，管理級(jí)用戶通過登陸網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊運(yùn)行流程

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的運(yùn)行可以分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)讀取兩個(gè)流程，以下分別介紹這兩個(gè)流程的運(yùn)行和控制步驟。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程是指數(shù)據(jù)采集器從各分系統(tǒng)中采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到Proficy Historian數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中進(jìn)行壓縮、歸檔等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖Fig. 3 Data storage flow chart

數(shù)據(jù)讀取流程是指數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶端從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖、表等形式呈現(xiàn)給用戶。數(shù)據(jù)讀取流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取流程圖[審稿1]Fig. 4 Data query flow chart

2.4 數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳送采用數(shù)據(jù)采集器—服務(wù)器模式的構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)冗余。當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)中斷等原因引起數(shù)據(jù)采集器與服務(wù)器通訊故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集器將自行在本地計(jì)算機(jī)的預(yù)留內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)存存滿時(shí)將會(huì)自動(dòng)在硬盤中存儲(chǔ)，并生成一個(gè)緩存文件。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)正常時(shí)，數(shù)據(jù)采集器將未發(fā)送的數(shù)據(jù)一并打包發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。另外，一個(gè)數(shù)據(jù)源可以對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)據(jù)采集器，當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)故障時(shí)，其他數(shù)據(jù)采集器將自動(dòng)開始數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)采集器-服務(wù)器的冗余架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集器-服務(wù)器冗余架構(gòu)Fig. 5 Data collector vs. data server redundancy

在數(shù)據(jù)采集器端可以進(jìn)行 N級(jí)冗余設(shè)計(jì)，即一個(gè)數(shù)據(jù)源對(duì)應(yīng) N個(gè)數(shù)據(jù)采集器，所有數(shù)據(jù)采集器將組成一個(gè)故障切換“鏈”。采集器的切換基于以下兩種情況：

1）采集器狀態(tài)標(biāo)簽（collector status）。當(dāng)采集器狀態(tài)標(biāo)簽值為“Unknown”時(shí)，將切換數(shù)據(jù)采集器；

2）N s后無數(shù)據(jù)變化。當(dāng)用戶設(shè)置了此功能選項(xiàng)后，如果數(shù)據(jù)在N s（用戶設(shè)置）后無變化，則切換數(shù)據(jù)采集器。

KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)采用二級(jí)冗余，數(shù)據(jù)采集器可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，即切換數(shù)據(jù)采集器后不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器-服務(wù)器結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)保證了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。

3 調(diào)試及試驗(yàn)應(yīng)用

為了驗(yàn)證 KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)是否合理、運(yùn)行是否穩(wěn)定，對(duì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共進(jìn)行了3次聯(lián)合調(diào)試。

1）模擬數(shù)據(jù)源：測(cè)試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)的通訊、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)采集能力；

2）KM7設(shè)備空載聯(lián)合調(diào)試（無試驗(yàn)件）：驗(yàn)證在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)；

3）KM7設(shè)備有載聯(lián)合調(diào)試（搭載試驗(yàn)件）：驗(yàn)證在型號(hào)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)量的處理能力，及軟件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。

通過3次聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證了KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足整星試驗(yàn)服務(wù)能力。

目前KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)已交付使用，為KM7設(shè)備各分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互接口，并將各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合后統(tǒng)一存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)程序模塊隨服務(wù)器開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)，不需要用戶進(jìn)行任何配置或操作，只需要管理員定期維護(hù)，提取數(shù)據(jù)并清理硬盤空間。

KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的一個(gè)重要功能是將KM7各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合后集中發(fā)布，通過網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布至遠(yuǎn)程客戶端，使用戶在一臺(tái)計(jì)算機(jī)或大屏幕上可以監(jiān)視KM7所有分系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。此外，數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)采用 web頁(yè)面的發(fā)布方式，客戶端不需要安裝任何軟件，通過IE瀏覽器鍵入服務(wù)器網(wǎng)址即可登陸網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)Fig. 6 Web-based data visualization system

4 結(jié)束語

KM7數(shù)據(jù)管理平臺(tái)首次在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)級(jí)環(huán)模設(shè)備研制中引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)概念，將KM7設(shè)備各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合后統(tǒng)一存儲(chǔ)、壓縮、歸檔、發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分散采集、統(tǒng)一集中管理的運(yùn)行模式。通過KM7空載聯(lián)合調(diào)試驗(yàn)證了數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)真實(shí)有效。采用集散式的設(shè)計(jì)方式提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足工程需要，實(shí)際應(yīng)用中極大地減少了試驗(yàn)操作人員的工作量。

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