淺談實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理及其應(yīng)用

孫俊彥蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

摘要:現(xiàn)代的工程和時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)性和對(duì)數(shù)據(jù)直接分析和處理的能力要求特別高,單純的傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)不能滿足需要,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(em)就在這種情況下產(chǎn)生和發(fā)展.此文從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的產(chǎn)生背景,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本原理和主要技術(shù),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展前景來淺談實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù).

前言

數(shù)據(jù)庫(kù)的理論與技術(shù)發(fā)展極其迅速,其應(yīng)用日益廣泛,在當(dāng)今的信息社會(huì)無所不在,尤其是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用.然而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)必須將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后再進(jìn)行查找和后續(xù)的分析及數(shù)據(jù)瓦據(jù)等對(duì)數(shù)據(jù)的操作.這種特性決定了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)在現(xiàn)代工程和時(shí)間關(guān)鍵性的應(yīng)用方面顯得軟弱無力.而且主流關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)大多接口定義的很復(fù)雜并不容易擴(kuò)展.

如今數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)領(lǐng)域向新的領(lǐng)域發(fā)展,如數(shù)據(jù)通信,電話交換,電力調(diào)度等網(wǎng)絡(luò)管理;電子銀行事務(wù),電子數(shù)據(jù)交換與電子商務(wù),證券與股票交易;交通控制,雷達(dá)跟蹤,武器制導(dǎo),實(shí)時(shí)仿真,作戰(zhàn)指揮等軍事應(yīng)用;自動(dòng)儲(chǔ)存,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與分析監(jiān)視等工廠過程.這些應(yīng)用活動(dòng)(任務(wù)或者事務(wù))具有很強(qiáng)的時(shí)間性,要求在規(guī)定的時(shí)刻和一定的時(shí)間內(nèi)完成處理,而且又要大量共享和控制數(shù)據(jù).同時(shí),處理的數(shù)據(jù)往往是”短暫”的.即這些數(shù)據(jù)往往具有有效期,過了有效期這些數(shù)據(jù)將變?yōu)闊o效數(shù)據(jù).所以這些數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)處理兩者的功能和特征均有需求.既需要大量數(shù)據(jù)的共享和維護(hù),保持其數(shù)據(jù)的一致性,又需要實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的事務(wù).

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)更適合處理穩(wěn)定且具有長(zhǎng)有效期的數(shù)據(jù),強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的一致性和完整性,并不考慮數(shù)據(jù)及其處理的時(shí)間限制,所以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)并不能完成滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要.傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)雖然在事務(wù)的定時(shí)處理方面很強(qiáng)大,但是它一般只針對(duì)非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且對(duì)數(shù)據(jù)的組織管理能力較弱.因此只有將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和實(shí)時(shí)處理技術(shù)無縫集成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)才能同時(shí)支持實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)完整一致性.

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本原理

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就是數(shù)據(jù)和事務(wù)都有顯式定時(shí)限制的.

系統(tǒng)的正確性不僅依賴于事務(wù)的邏輯結(jié)果,而且依賴于該邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間.因此, 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)≠數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本特點(diǎn):

–數(shù)據(jù)的時(shí)效性

一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象有三個(gè)主要屬性:當(dāng)前值,采樣時(shí)間,采樣頻率

–事務(wù)的定時(shí)限制

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理(即實(shí)時(shí)事務(wù))有定時(shí)(定時(shí)可以是絕對(duì),相對(duì)或周期時(shí)間)限制

(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能(RDBMS的功能):

–一般DBMS具有的基本功能

–數(shù)據(jù)狀態(tài)的最新性,RDBMS需要盡可能保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)為不斷變化,將數(shù)據(jù)庫(kù) 中的數(shù)據(jù)及時(shí)更新為現(xiàn)實(shí)世界中采集到的最新數(shù)據(jù)

–數(shù)據(jù)值的時(shí)間一致性,保證事務(wù)和其讀取的數(shù)據(jù)是一致的

–事務(wù)處理的實(shí)時(shí)性,確保事務(wù)能夠被及時(shí)處理,使其在限定的時(shí)間有效期內(nèi)被處 理完成.

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

–實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型

–實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)語(yǔ)言

–實(shí)時(shí)事務(wù)模型

–實(shí)時(shí)事務(wù)處理

–緩沖區(qū)管理

–數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

–恢復(fù)機(jī)制

–用戶及權(quán)限管理

–系統(tǒng)及數(shù)據(jù)安全管理

–集群服務(wù)器支持,分布式的實(shí)現(xiàn)

(5)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能結(jié)構(gòu)

(6)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)

(7)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)

(8)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能模塊

–用戶管理模塊

–磁盤文件管理模塊

–任務(wù)(進(jìn)程)管理模塊

–用戶的輸入輸出模塊

–數(shù)據(jù)的壓縮和解壓模塊

–數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和組織管理模塊

(9)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)備數(shù)據(jù)接口

(10)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源(數(shù)據(jù)采集設(shè)備)

–DCS

–PLC

–SCADA,HMI

–各種儀表或數(shù)據(jù)測(cè)量采集工具

–數(shù)據(jù)分析工具

–問題檢測(cè)工具或工業(yè)監(jiān)控設(shè)備

(11)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)常見的數(shù)據(jù)接口

–OPC

–DDE,NETDDE

–

–TCP

–UDP

(12)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)

–實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與事務(wù)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)

–如何在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)性的雙重條件下實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制

–如何開發(fā)出簡(jiǎn)單直接和通用的編程接口

–如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式集群處理方式

–如何使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)能在不同的生產(chǎn)行業(yè)之間通用

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)，如何能使決策者能隨時(shí)看到實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便快速的作出商業(yè)決策，是企業(yè)能否在信息化競(jìng)爭(zhēng)中贏得先機(jī)的條件。在大型流程行業(yè)中石油，石化，化肥，冶金，物流等行業(yè)中，其主要的經(jīng)濟(jì)效益來自于過程的監(jiān)控以及對(duì)實(shí)時(shí)變化的過程進(jìn)行及時(shí)的響應(yīng)，快速的決策。大量使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)監(jiān)控，系統(tǒng)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制，并為企業(yè)的生產(chǎn)管理和調(diào)度，數(shù)據(jù)分析，決策支持及遠(yuǎn)程查詢提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和多種數(shù)據(jù)管理功能。特別是對(duì)于管理層，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析，以采取正確的管理方法。

應(yīng)用此類產(chǎn)品能夠給用戶帶來的主要經(jīng)濟(jì)效益為：

1、建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，為先進(jìn)控制和優(yōu)化提供了保證。在流程工業(yè)，特別是石化企業(yè)，應(yīng)用先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)以提高企業(yè)的效益己成為一種必然的趨勢(shì)，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是先進(jìn)控制和優(yōu)化的基礎(chǔ)，如果它與其他產(chǎn)品如在線仿真和流程模擬軟件一起應(yīng)用會(huì)給企業(yè)帶來更大的效益。

2、由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的集成作用，即不僅可以將工廠控制層與管理信息系統(tǒng)集成起來，而且也可以將不同的控制設(shè)備如DCS、PLC等集成起來，使得工廠管理層可以實(shí)時(shí)地得到來自工廠過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這樣就為管理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，使管理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效地運(yùn)行。

3、由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有很短的實(shí)施周期，用戶可以很快地從應(yīng)用中獲得投資的回報(bào)，同時(shí)Windows的平臺(tái)也使系統(tǒng)的安裝與維護(hù)更加容易。

4、通過對(duì)影響過程的運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，使生產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)保持平穩(wěn)，當(dāng)生產(chǎn)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以及時(shí)地作出反映，避免裝置及設(shè)備停車，這方面的效益是十分巨大的。

5、通過對(duì)影響原材料用量的過程以及公用工程中水、電、汽、風(fēng)的用量的監(jiān)測(cè)，你可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，特別是對(duì)生產(chǎn)調(diào)度人員來說，可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及時(shí)地平衡公用工程及物料供應(yīng)系統(tǒng)以減少單耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

6、優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量。

7、你可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)化你的生產(chǎn)過程。生產(chǎn)管理人員以及工藝管理人員可以利用當(dāng)前的和歷史的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)的工藝過程進(jìn)行在線分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)過程運(yùn)行的規(guī)律，及時(shí)地調(diào)整工藝參數(shù)，使過程處于優(yōu)化狀態(tài)。同時(shí)也可以通過對(duì)影響產(chǎn)量及質(zhì)量的過程參數(shù)的監(jiān)控，達(dá)到提高產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的目的。你甚至可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量從而達(dá)到提高質(zhì)量的目的。

8、動(dòng)態(tài)地監(jiān)控生產(chǎn)成本。

9、成本控制人員可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地監(jiān)控生產(chǎn)成本，使成本控制發(fā)生在生產(chǎn)過程中，而不是在生產(chǎn)的完成后，以達(dá)到降低成本的目的。

10、分析事故原因，你可以利用當(dāng)前的和長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)事故進(jìn)行及時(shí)的分析，精確地定位事故發(fā)生的原因，以避免事故的再次發(fā)生。

針對(duì)不同的行業(yè)不同的生產(chǎn)類型，其采集數(shù)據(jù)或者處理數(shù)據(jù)的方式不一定相 同，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)必須留下可編程接口和基本常見的事務(wù)處理方式。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為最終用 戶提供了快捷、高效的工廠信息，由于工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，工廠中的 所有人，無論在什么地方都可看到和分析相同的信息，客戶端的應(yīng)用程序可使用戶很容 易對(duì)工廠級(jí)實(shí)施管理，諸如工藝改進(jìn)、質(zhì)量控制、故障預(yù)防維護(hù)等。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可 集成產(chǎn)品計(jì)劃、維護(hù)管理、專家系統(tǒng)、化驗(yàn)室信息系統(tǒng)、模擬與優(yōu)化等應(yīng)用程序，在業(yè) 務(wù)管理和實(shí)時(shí)生產(chǎn)之間起到橋梁作用。

主流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

(1).21

(2)OSIPI

(3)

(4)()

(5)=>InSQL

(6)=>

(7)三維力控=>PCauto

(8)北京亞控組態(tài)王

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的前景

目前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展處于剛起步階段，研究它的人相對(duì)較少，但是已經(jīng)有不少可行的使用理論被發(fā)布出來。市場(chǎng)上主流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已經(jīng)可以在工業(yè)生產(chǎn)上非常完好的使用。隨著它的發(fā)展，必然會(huì)有越來越多的流程型工業(yè)企業(yè)采用它來采集和分析數(shù)據(jù)，以便及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反映，制定商業(yè)決策。這反過來也會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能和性能提出更高的要求。因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展還是很有商業(yè)應(yīng)用前景的。不過要注意的是，開發(fā)實(shí)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)前必須獲得可靠的理論支持，絕大多數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由于其應(yīng)用特點(diǎn)都非常龐大且?guī)в行袠I(yè)特殊性，開發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照軟件工程的原則進(jìn)行，其實(shí)現(xiàn)和維護(hù)都不是一件很容易的事情。

總結(jié)

本文淺顯簡(jiǎn)單地從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生背景，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理和主要技術(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展前景等方面通俗的介紹了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)它的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用進(jìn)行了分析。本文多處借鑒其他文獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃賢英;李玉桃.基于Linux的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息;2007年02期

[2]廖常斌.國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展前途.力控科技.

[3]龐鵬;胡少凱;王錦.基于分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng).PLC技術(shù)應(yīng)用200例;2010年7月

[4]實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理.北京石大賽普科技有限公司

[5]維基百科，Google上的若干文章及博客園里的若干文章