組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的研究

【摘要】組態(tài)軟件廣泛的應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，決策者如何能夠隨時查看生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，以便快速地做出更為正確的商業(yè)決策，是企業(yè)信息化建設(shè)的重點。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)是很重要的資源，如果不能解決生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時有效傳遞的問題，將無法充分保障決策管理者的投資，以便使企業(yè)獲得最大的利潤?？刂葡到y(tǒng)要求能夠迅速反應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)，具有嚴(yán)格的實時性，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不能實時反映當(dāng)前有效期內(nèi)數(shù)據(jù)的情況，不適合時間關(guān)鍵型的應(yīng)用領(lǐng)域，需要設(shè)計專門的實時數(shù)據(jù)庫來解決這類問題。

【關(guān)鍵詞】組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理歷史數(shù)據(jù)庫

1組態(tài)軟件的研究

組態(tài)軟件是工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的專業(yè)軟件，具有數(shù)據(jù)采集、顯示、控制、通信等功能，是工業(yè)系統(tǒng)的最終實現(xiàn)工具。

組態(tài)軟件的主要功能模塊有提供多種通信協(xié)議的FO模塊，可生成可被調(diào)用工程數(shù)據(jù)文件的組態(tài)配置模塊，供后臺運行使用的實時數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)分析和處理模塊，實時監(jiān)測運行情況的監(jiān)測控制模塊，歷史數(shù)據(jù)處理模塊。

隨著工業(yè)的發(fā)展，組態(tài)軟件的功能也日益增多、增強，數(shù)據(jù)量也不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也越來越復(fù)雜。而數(shù)據(jù)庫技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域中取得巨大成功，帶來巨大的效益。用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來管理、處理組態(tài)軟件中的數(shù)據(jù)成為人們普遍開發(fā)應(yīng)用的課題。但這些數(shù)據(jù)的顯著特點是具有時間特性，且有效時間是短暫的，過時則失效。而以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為代表的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計目標(biāo)則是維護(hù)數(shù)據(jù)的正確性、保證系統(tǒng)的低代價和提供友好的用戶接口。這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對傳統(tǒng)的商務(wù)和事務(wù)型應(yīng)用是非常有效的、成功的，但對于滿足新要求的實時數(shù)據(jù)和實時事務(wù)的應(yīng)用要求卻難以勝任。所以，需要對數(shù)據(jù)庫技術(shù)和實時技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行研究，設(shè)計具有顯式定時限制的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2實時數(shù)據(jù)庫的基本概念

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)RTDBS（Real-Time Database System）是數(shù)據(jù)和事務(wù)都有定時特性或確定的定時限制的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏輯結(jié)果，還依賴于邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時間。實時數(shù)據(jù)庫是用于處理數(shù)據(jù)不斷變化的系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理不受時間影響的持久性數(shù)據(jù)具有很大的差別，這包含了對短暫有效數(shù)據(jù)的定時存取。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)目的在于處理永久性效據(jù)，其設(shè)計與開發(fā)強調(diào)維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性、一致性，提高系統(tǒng)的吞吐量和降低系統(tǒng)成本代價，不考慮與數(shù)據(jù)及其處理相關(guān)聯(lián)的定時限制，因而傳統(tǒng)的商務(wù)型和管理事務(wù)型DBMS不能滿足這種實時應(yīng)用的需求。因此，只有將數(shù)據(jù)庫與實時系統(tǒng)兩者的概念、技術(shù)、方法與機制集成在一起的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)才能同時支持定時性和一致性要求，以適用新型領(lǐng)域的應(yīng)用。

從數(shù)據(jù)庫的角度看，一個過程控制系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成:被控系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在實時數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的值隨時依外部環(huán)境狀態(tài)的變化而頻繁地改變，一個數(shù)據(jù)值只在一定的時間內(nèi)是有效的，許多事務(wù)又只能使用有效數(shù)據(jù)。設(shè)計事務(wù)調(diào)度策略時，事務(wù)的時間約束是一個重要的因素，時間要求苛刻的事務(wù)，在不影響實時數(shù)據(jù)庫一致性的前提下，應(yīng)該盡早的調(diào)度運行。對于實時數(shù)據(jù)庫中的每一個數(shù)據(jù)對象，有內(nèi)部一致性、外部一致性和相互一致性三個特征。為了使事務(wù)滿足它們的時效性，應(yīng)當(dāng)將事務(wù)的時間信息加入到調(diào)度中來，事務(wù)越緊急應(yīng)越早的投入運行。一個實時數(shù)據(jù)對象和非實時對象之間的主要差別就在實時數(shù)據(jù)對象存在一個數(shù)據(jù)有效的時間范圍，超出這個時間范圍，數(shù)據(jù)的效用將降低。

3組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，我們希望利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來解決實時系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題。提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實時性有很多行之有效的好辦法，改善系統(tǒng)的硬件配置，使用經(jīng)過專門設(shè)計的計算機系統(tǒng)來提升計算機整體性能，提高數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)處理的速度，使數(shù)據(jù)庫運行在內(nèi)存中，然后針對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理算法可以極大的改善數(shù)據(jù)庫的處理效率，提高系統(tǒng)的實時性。

數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是指從數(shù)據(jù)庫的概念模型出發(fā)，設(shè)計表示為邏輯模式的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計與DBMS采用的數(shù)據(jù)模型（如關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型）密切相關(guān)。MysQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是從于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的，關(guān)系數(shù)據(jù)庫是按照二維表組織和存儲的相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系（表）的集合，關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式是關(guān)系模式的集合。

數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計只是規(guī)定了數(shù)據(jù)庫中存放的應(yīng)用數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，這種邏輯結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫的具體物理實現(xiàn)無關(guān)。因此，在數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，需要進(jìn)一步考慮數(shù)據(jù)在實際數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)平臺下的具體存儲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存取方式，即數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)。

將與平臺無關(guān)的描述數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)系模式轉(zhuǎn)換為所選定的具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）可支持的基本關(guān)系表以完成數(shù)據(jù)庫邏輯模式的實現(xiàn)。選擇或配置基本關(guān)系表的文件組織形式。MySQL5中有三種主要的表類型：MyISAM、InnoDB和HEAP，這三種類型各有特點，使用場合不同。MyISAM數(shù)據(jù)表類型的特點是成熟、穩(wěn)定和易于管理，存取率非常高、占用空間比較少，數(shù)據(jù)記錄的提取和恢復(fù)工作比其他的數(shù)據(jù)表容易；InnoDB表功能比較完善，但是占用空間量相對大很多；HEAP數(shù)據(jù)表只存在于內(nèi)存中，所以數(shù)據(jù)的存取速度非常快。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的特點，歷史數(shù)據(jù)庫選擇MyISAM表類型，實時數(shù)據(jù)庫選擇HEAP表類型。

在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，事務(wù)分類方法有很多種，從事務(wù)處理數(shù)據(jù)的方式上來劃分，可以分為:只讀、只寫和更新事務(wù)。這種分類方法對于分析數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制比較方便。

組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫是一個軟實時系統(tǒng)，對于事務(wù)截止期（deadiine）的限制并不是非常嚴(yán)格。事務(wù)調(diào)度的目標(biāo)是當(dāng)并發(fā)度高、負(fù)載大的時候，讓最重要的一類事務(wù)先滿足截止期的要求，并盡量滿足多數(shù)事務(wù)的時間限制。事務(wù)根據(jù)緊迫性要求分為兩類，一類是實時事務(wù)，另一類為非實時事務(wù)，由兩個事務(wù)隊列來管理。當(dāng)事務(wù)請求到來的時候，先根據(jù)事務(wù)的性質(zhì)將事務(wù)分配到這兩個隊列中，形成兩個調(diào)度序列。在事務(wù)執(zhí)行時候，通過設(shè)定優(yōu)先級管理模塊優(yōu)，把實時事務(wù)隊列中的事務(wù)投入運行。

結(jié)束語

實時數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)理論和具體實現(xiàn)在國內(nèi)外都還處在不成熟階段，沒有統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計一個完整的實時數(shù)據(jù)庫還有許多方面需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)與研究。

組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫具有重要的基礎(chǔ)性作用，在充分學(xué)習(xí)和研究實時數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論前提下，從實時數(shù)據(jù)庫的普遍性概念和設(shè)計思路入手，分析了實時數(shù)據(jù)庫的功能需求。針對過程控制領(lǐng)域?qū)M態(tài)軟件提出的實時性要求，通過采用自主開發(fā)的實時數(shù)據(jù)庫和成熟的傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式來存儲和管理數(shù)據(jù)，從而發(fā)揮兩個數(shù)據(jù)庫的各自優(yōu)點。

實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計能顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比基于磁盤的數(shù)據(jù)庫有更高的存取效率，滿足組態(tài)軟件實時性的要求。