實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其特征

1、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其特征張偉（錦西煉油化工總廠信息中心）摘要數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)的發(fā)展極其迅速，其應(yīng)用日益廣泛，在當(dāng)今的信息社會中，它幾乎無所不 在。以關(guān)系型為代表的三大經(jīng)典（層次、網(wǎng)狀、關(guān)系）型數(shù)據(jù)庫在傳統(tǒng)的（商務(wù)和管理的事務(wù)型）應(yīng)用領(lǐng) 域獲得了極大成功，然而它們在現(xiàn)代的（非傳統(tǒng)）工程和時間關(guān)鍵型應(yīng)用面前卻顯得軟弱無力，面臨著新 的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，由此而導(dǎo)致了實時數(shù)據(jù)庫（Real Time DataBase，RTDB）的產(chǎn)生和發(fā)展。關(guān)鍵詞實時數(shù)據(jù)庫RTDB DCS PLC C/S B/S1引言數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用正從傳統(tǒng)領(lǐng)域向新的領(lǐng)域擴展，如CAD/CAM、CIMS；數(shù)據(jù)通信、電話交 換、電力調(diào)度等網(wǎng)絡(luò)管理；

2、電子銀行事務(wù)、電子數(shù)據(jù)交換與電子商務(wù)；交通控制、雷達(dá)跟 蹤；實時仿真、作戰(zhàn)指揮自動化等等。這些應(yīng)用有著與傳統(tǒng)應(yīng)用不同的特征，一方面，要 維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)；另一方面，其應(yīng)用活動（任務(wù)或事務(wù)）有很強的時間性， 要求在規(guī)定的時刻或一定的時間內(nèi)完成其處理；同時，所處理的數(shù)據(jù)也往往是“短暫” 的，即有一定的有效時間，過時則有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，而當(dāng)前的決策或推導(dǎo)變成無效。所 以，這種應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫和實時處理兩者的功能及特性均有需求，既需要數(shù)據(jù)庫來支持大量 數(shù)據(jù)的共享，維護(hù)其數(shù)據(jù)的一致性，又需要實時處理來支持其任務(wù)（事務(wù)）與數(shù)據(jù)的定時 限制。但是，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)旨在處理永久、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，強調(diào)維護(hù)數(shù)據(jù)的

3、完整性、一致 性，其性能目標(biāo)是高的系統(tǒng)吞吐量和低的代價，而根本不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)及其處理的定時限 制，所以傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）不能滿足這種實時應(yīng)用的需要。而傳統(tǒng)的實時系 統(tǒng)（RTS）雖然支持任務(wù)的定時限制，但它針對的是結(jié)構(gòu)與關(guān)系很簡單、穩(wěn)定不變和可預(yù)報 的數(shù)據(jù)，不涉及維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)及它們的完整性和一致性，尤其是時間一致性。因此， 只有將兩者的概念、技術(shù)、方法與機制“無縫集成”（SeamlessIntegration）的實時數(shù)據(jù) 庫（RTDB）才能同時支持定時和一致性。2關(guān)于實時數(shù)據(jù)庫2.1實時數(shù)據(jù)庫的定義實時數(shù)據(jù)庫是一個用于實時制造過程的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它采集生產(chǎn)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的實時 生產(chǎn)

4、數(shù)據(jù)，進(jìn)行管理和存儲。它在工廠控制層（如DCS, PLC）和管理信息系統(tǒng)之間建立了實 時的數(shù)據(jù)連接，同時也可以作為先進(jìn)控制、動態(tài)仿真、ERP等軟件的支持平臺。實時數(shù)據(jù)庫一般都支持C/S結(jié)構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在各個廠家的實時數(shù)據(jù)庫 都開始支持基于B/S即瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)。實時數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)壓縮的特性，數(shù)據(jù)壓縮 及還原的算法直接影響到數(shù)據(jù)庫的性能和存儲容量。實時數(shù)據(jù)庫又具有事件驅(qū)動、時間驅(qū) 動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的特性，可以依據(jù)不同的時間和事件觸發(fā)一個特定的動作，如執(zhí)行一段程 序、觸發(fā)一個報警事件等。部分?jǐn)?shù)據(jù)庫具備Store&Forward的功能，即在數(shù)據(jù)采集端與數(shù) 據(jù)庫服務(wù)器發(fā)生通信故障時，采

5、集上來的數(shù)據(jù)將會被自動存儲在數(shù)據(jù)采集站的硬盤中，待 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，這樣可以保證歷史數(shù)據(jù)的完整性。2.2國內(nèi)外實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹國內(nèi)最近比較流行的實時數(shù)據(jù)庫有AspenTech Infoplus.21、HoneyWell Uniformance PHD、OSI PI和北京三維天地SuperInfo等。各個實時數(shù)據(jù)庫廠商各有所長，在國內(nèi)均占 有一定的市場份額，都有比較成功的實施案例。AspenTech公司是全球最大的企業(yè)優(yōu)化和供應(yīng)鏈集成方案供應(yīng)商，它的Infoplus.21 實時數(shù)據(jù)庫是AspenTech公司制造套件的核心產(chǎn)品，也是AspenTech眾多應(yīng)用軟件的基礎(chǔ) 平臺。它的

6、特點是數(shù)據(jù)壓縮率高，運行速度快而且穩(wěn)定，但缺乏本地化支持，沒有漢化版 本，這在一定程度上影響了它的市場份額。Infoplus.21具有較強的開放性，并且具備商 品化的軟件與ERP、LIMS等系統(tǒng)進(jìn)行集成。AspenTech公司與微軟的戰(zhàn)略聯(lián)盟使得 AspenTech公司的軟件產(chǎn)品總能與微軟的產(chǎn)品進(jìn)行同步的升級。HoneyWell Uniformance PHD是HoneyWell公司HI-SPEC部門開發(fā)的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品， 它具有的最大優(yōu)勢就是與石化企業(yè)應(yīng)用廣泛的HoneyWell DCS系統(tǒng)進(jìn)行無縫的集成，從早 期的TDC2000到最新的TPS系統(tǒng)，都能通過它自己的API （應(yīng)用程序接口）實

7、現(xiàn)很高效率的 數(shù)據(jù)通信。PHD的運行還需要一個Oracle數(shù)據(jù)庫的支持，所有組態(tài)的信息被放在Oracle數(shù) 據(jù)庫中，因此運行的效率相對Infoplus.21較低一點，對硬件的要求也更為苛刻。OSI公司的PI實時數(shù)據(jù)庫是較早進(jìn)入中國市場的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品之一，PI實時數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)中工位號屬性值的變化以及工位號的增加、刪除和修改都可以在線完成。通過PI的 ProcessBook客戶端軟件可以察看流程圖、趨勢圖。通過PI的DataLink軟件可以在Excel 中直接調(diào)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)。SuperInfo是北京三維天地公司開發(fā)的面向流程業(yè)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是在結(jié)合國內(nèi) 的應(yīng)用特點和借鑒國外優(yōu)秀實時數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)

8、上開發(fā)的具有自主版權(quán)的軟件產(chǎn)品。它的最 大特點就是本土化，而且相對于國外的軟件產(chǎn)品具有相當(dāng)大的價格優(yōu)勢。在與AspenTech 的戰(zhàn)略聯(lián)盟過程中，三維公司開發(fā)了許多比較有價值的數(shù)據(jù)采集程序，并逐漸將其商品 化，成為SuperInfo的一個有機組成部分。3實時數(shù)據(jù)庫與時間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在兩方面與時間相關(guān)：3.1數(shù)據(jù)與時間相關(guān)按照與之相關(guān)的時間的性質(zhì)不同又可分為兩類：數(shù)據(jù)本身就是時間，即從“時間域”中取值，如“日期”，稱為“用戶定義的時 間”，也就是用戶自己知道，而系統(tǒng)并不知道它是時間，系統(tǒng)將毫無區(qū)別地把它像其他數(shù) 據(jù)一樣處理。數(shù)據(jù)的值隨時間而變化，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是對其所服務(wù)的“現(xiàn)實世界”中對象狀

9、態(tài)的 描述，對象狀態(tài)發(fā)生變化則引起數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)值的變化，因而與數(shù)據(jù)值變化相聯(lián)的時 間可以是現(xiàn)實對象狀態(tài)的實際時間，稱為“真實”或“事件”時間（現(xiàn)實對象狀態(tài)變化的 事件發(fā)生時間），也可以是將現(xiàn)實對象變化的狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)值 變化的時間，稱為“事務(wù)時間”（任何對數(shù)據(jù)庫的操作都必須通過一個事務(wù)進(jìn)行）。實時 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出數(shù)據(jù)也是實時數(shù)據(jù)，與之相聯(lián)的時間自然是事務(wù)時間。3.2實時事務(wù)有定時限制典型的就是其“截止時間”。對于RTDB，其結(jié)果產(chǎn)生的時間與結(jié)果本身一樣重要，一 般只允許事務(wù)存取“當(dāng)前有效”的數(shù)據(jù)，事務(wù)必須維護(hù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的“事件一致性”。另外，外部環(huán)境（現(xiàn)實世界）的反應(yīng)時

10、間要求也給事務(wù)施以定時限制。所以，RTDB系 統(tǒng)要提供維護(hù)有效性和事務(wù)及時性的設(shè)施。4實時數(shù)據(jù)庫的特征RTDB的特征主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)和事務(wù)的定時限制上，下面分別介紹：RTDB的數(shù)據(jù)特征在RTDB中，數(shù)據(jù)隨外部環(huán)境狀態(tài)的變化而快速變化，其值只在一定的時間內(nèi)是“流 行”的，過時則無效了，故系統(tǒng)除了維護(hù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)部狀態(tài)（數(shù)據(jù)值）的正確性、相容性 外，還必須同時維護(hù)內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境實際狀態(tài)的一致性，以及數(shù)據(jù)用來決策或推導(dǎo)新 數(shù)據(jù)時在時間上的相互一致性。RTDB中的一個數(shù)據(jù)對象d由三個分量組成（dv，dtp，devi），它們分別為d的當(dāng)前 值、采樣時間、外部有效期（外部現(xiàn)實對象狀態(tài)變化的時間間隔），有效期

11、即自dtp算起 dv有效的時間長度。對于RTDB中的每一 d，有內(nèi)部一致性、外部一致性和相互一致性特 征。外部一致性和相互一致性都是關(guān)于時間的，故統(tǒng)稱時間一致性。既是內(nèi)部一致又是時 間一致的數(shù)據(jù)才是正確的。RTDB的事務(wù)特征由于實時任務(wù)往往有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互之間的聯(lián)系，傳統(tǒng)的“原子的、平淡的數(shù)據(jù)庫操 作序列”的事務(wù)概念及模型對實時事務(wù)不適合。RTDB事務(wù)表現(xiàn)出了許多不同的特征。定時可以是絕對、相對或周期時間。RTDB的定時性一方面由數(shù)據(jù)的時間一致性引起， 此時它往往取周期或定期性限制的形式，如“每5秒取樣一次”、“7 : 00數(shù)據(jù)寫入關(guān)系 數(shù)據(jù)庫”等；定時性的另一根源是對現(xiàn)實世界施加于系統(tǒng)的反應(yīng)時間的要求，這時它典型 地取施加于非周期事務(wù)的截止時間限制的形式，如“若溫度低于1000度，則在5秒內(nèi)加大 瓦斯量或渣油量”。定時性包含兩方面的含義：定時限制即事務(wù)的執(zhí)行有顯式的時限，如指定的開始時間、截止時間等，它要求RTDB 必須有時間處理機制。定時正確性即事務(wù)能按指定的時間要求正確執(zhí)行，它要求權(quán)衡定時限制與數(shù)據(jù)一致性 要求等多方面因素，提供合適的調(diào)度與并發(fā)控制算法。5實時數(shù)據(jù)庫的作用RTDB無縫地集成了數(shù)據(jù)庫與定時性，在對數(shù)據(jù)庫能力和實時處理技術(shù)兩者均有要求的 各種領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景，對多種工程或