基于實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)的空間環(huán)境模擬器數(shù)據(jù)管理平臺

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)、污染量測量等子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都會產(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算機和不同的系統(tǒng)平臺上，其數(shù)據(jù)源相互獨立，沒有形成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。這給試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和試驗設(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)庫管理系統(tǒng)，但大多只是被上層管理，過程控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)并沒有達到實時的處理和共享[3-4]。對于空間環(huán)境模擬器這樣一個綜合的過程控制系統(tǒng)，需要實現(xiàn)對各種設(shè)備控制器及其環(huán)境變量的保存、訪問或更新；對輸入信號數(shù)據(jù)進行存儲或分析形成控制決策；收集系統(tǒng)自身的各種信息并進行系統(tǒng)故障診斷等。如何設(shè)計一種高效、穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)共享平臺，為測控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口成為環(huán)模設(shè)備研制中的一個重要課題。

1 Proficy Historian實時數(shù)據(jù)庫

KM7數(shù)據(jù)管理平臺核心基于美國GE公司的Proficy Historian 3.1實時數(shù)據(jù)庫。Proficy Historian 3.1作為企業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫平臺，可以高速采集、歸檔并發(fā)布大量實時的現(xiàn)場過程信息，在性能、實用性及功能上都代表了企業(yè)級實時/歷史數(shù)據(jù)采集和管理的先進水平[5]。Proficy Historian 3.1的工作流程可以分為4個主要組成部分，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的管理器可以對數(shù)據(jù)進行管理操作，例如配置數(shù)據(jù)點的相關(guān)屬性（采集周期、采集精度、選擇歸檔文件等）；

3）歸檔：對數(shù)據(jù)進行歸檔操作，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)庫中的數(shù)據(jù)進行分析和相關(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)庫連接，提取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析和發(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)頁實時獲取各種試驗信息。

2 KM7數(shù)據(jù)管理平臺

2.1 軟件架構(gòu)

KM7數(shù)據(jù)管理平臺包含數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布兩個主要功能模塊：數(shù)據(jù)庫模塊主要負責從各分系統(tǒng)中采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進行存儲、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)庫模塊中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進行分析發(fā)布，使試驗數(shù)據(jù)具備可視化處理的功能。數(shù)據(jù)管理平臺的軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 KM7數(shù)據(jù)管理平臺軟件架構(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)庫模塊當中。由于分系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的通信接口各不相同，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)接口使用對應的數(shù)據(jù)采集器。Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫提供的數(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)庫針對GE公司iFIX組態(tài)軟件開發(fā)的一個數(shù)據(jù)采集器，它可以將iFIX組態(tài)軟件中的所有過程和報警數(shù)據(jù)采集到 Historian數(shù)據(jù)庫中來；文件采集器是Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫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)庫中。

Historian數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集器安裝在每個分系統(tǒng)的上位控制計算機上，采集器隨分系統(tǒng)上位控制軟件啟動，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)庫中。Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲、歸檔、壓縮等操作，同時為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊與報表生成工具Excel Add-in提供數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。

每名學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均由總住院醫(yī)師負責考核，病歷書寫由總住院醫(yī)師協(xié)助主治醫(yī)師實施考核。在考核中，總住院醫(yī)師應關(guān)注每名學生的成績，給出客觀、真實的評價，指出學生存在的問題，并給予相應指導；同時對于學生做得好的方面，給予表揚和鼓勵，真正做到以考促學。4重視實習生反饋意見，不斷改進教學方法

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊是數(shù)據(jù)管理平臺的一個重要客戶端，它從數(shù)據(jù)庫模塊中讀取關(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)限提供相應的服務(wù)，例如面向管理級的用戶權(quán)限可以瀏覽網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的所有頁面；而面向數(shù)據(jù)監(jiān)視的用戶只能瀏覽實時/歷史數(shù)據(jù)頁面。

在Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫軟件中，包含一個數(shù)據(jù)報表生成工具（Excel Add-in）。Excel Add-in工具是一個簡易版的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊，使用該工具可以通過微軟Office Excel工具快速生成試驗數(shù)據(jù)報表，但需要用戶熟悉Excel中的VB腳本編程，同時Excel Add-in工具也不具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊所擁有的強大數(shù)據(jù)計算分析能力。安裝Excel Add-in工具后用戶可以根據(jù)需要在Excel中使用VB腳本定制自動化報表，報表可以從Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫中快速檢索數(shù)據(jù)，也可以對數(shù)據(jù)進行一些簡單的計算，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)和污染量測量等系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理、現(xiàn)場控制、信息傳輸各部分安全獨立，采用自下而上的分層系統(tǒng)解決方案，并同時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)、熱沉測溫、外熱流模擬、污染測量、水平調(diào)節(jié)等。各分系統(tǒng)通過中心交換機連接到數(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)場數(shù)據(jù)監(jiān)視計算機）。數(shù)據(jù)服務(wù)器是Proficy Historian 3.1數(shù)據(jù)庫軟件的硬件載體，它負責接收控制層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并進行存儲和壓縮；發(fā)布服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的硬件載體，它主要負責從數(shù)據(jù)服務(wù)器中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，進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用戶，管理級用戶通過登陸網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器，對試驗系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行遠程監(jiān)控。

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊運行流程

數(shù)據(jù)庫模塊的運行可以分為數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)讀取兩個流程，以下分別介紹這兩個流程的運行和控制步驟。

數(shù)據(jù)存儲流程是指數(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)庫軟件中進行壓縮、歸檔等操作。數(shù)據(jù)存儲流程如圖3所示。

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

數(shù)據(jù)讀取流程是指數(shù)據(jù)庫的客戶端從數(shù)據(jù)庫中查詢讀取相關(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

數(shù)據(jù)管理平臺的數(shù)據(jù)傳送采用數(shù)據(jù)采集器—服務(wù)器模式的構(gòu)架，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)冗余。當由于網(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，數(shù)據(jù)采集器將自行在本地計算機的預留內(nèi)存中存儲數(shù)據(jù)，當內(nèi)存存滿時將會自動在硬盤中存儲，并生成一個緩存文件。當網(wǎng)絡(luò)通訊恢復正常時，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)庫服務(wù)器。另外，一個數(shù)據(jù)源可以對應多個數(shù)據(jù)采集器，當某個數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)故障時，其他數(shù)據(jù)采集器將自動開始數(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)采集器端可以進行 N級冗余設(shè)計，即一個數(shù)據(jù)源對應 N個數(shù)據(jù)采集器，所有數(shù)據(jù)采集器將組成一個故障切換“鏈”。采集器的切換基于以下兩種情況：

1）采集器狀態(tài)標簽（collector status）。當采集器狀態(tài)標簽值為“Unknown”時，將切換數(shù)據(jù)采集器；

2）N s后無數(shù)據(jù)變化。當用戶設(shè)置了此功能選項后，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)管理平臺采用二級冗余，數(shù)據(jù)采集器可以實現(xiàn)無縫切換，即切換數(shù)據(jù)采集器后不會丟失任何數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器-服務(wù)器結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計保證了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。

3 調(diào)試及試驗應用

為了驗證 KM7數(shù)據(jù)管理平臺的設(shè)計是否合理、運行是否穩(wěn)定，對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共進行了3次聯(lián)合調(diào)試。

1）模擬數(shù)據(jù)源：測試數(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（無試驗件）：驗證在設(shè)備運行狀態(tài)下數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的各項技術(shù)指標；

3）KM7設(shè)備有載聯(lián)合調(diào)試（搭載試驗件）：驗證在型號試驗中數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量的處理能力，及軟件長時間運行的穩(wěn)定性。

通過3次聯(lián)合調(diào)試，驗證了KM7數(shù)據(jù)管理平臺設(shè)計合理，運行穩(wěn)定可靠，滿足整星試驗服務(wù)能力。

目前KM7數(shù)據(jù)管理平臺已交付使用，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。數(shù)據(jù)庫程序模塊隨服務(wù)器開機自動運行，實時采集各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)，不需要用戶進行任何配置或操作，只需要管理員定期維護，提取數(shù)據(jù)并清理硬盤空間。

KM7數(shù)據(jù)管理平臺的一個重要功能是將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)布至遠程客戶端，使用戶在一臺計算機或大屏幕上可以監(jiān)視KM7所有分系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(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)管理平臺首次在國內(nèi)系統(tǒng)級環(huán)模設(shè)備研制中引入實時數(shù)據(jù)庫概念，將KM7設(shè)備各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合后統(tǒng)一存儲、壓縮、歸檔、發(fā)布，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分散采集、統(tǒng)一集中管理的運行模式。通過KM7空載聯(lián)合調(diào)試驗證了數(shù)據(jù)管理平臺設(shè)計合理，運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)真實有效。采用集散式的設(shè)計方式提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且各項技術(shù)指標均滿足工程需要，實際應用中極大地減少了試驗操作人員的工作量。

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[1] 門昱, 王璐, 陳金剛, 等. 航天器AIT數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計與應用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(5): 458-461

[2] 閆少光, 門昱, 周彬文, 等. 衛(wèi)星真空熱試驗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2006, 23(4): 201-204

[3] Jisu Oh, Kyoung-Don Kang. An approach for real-time database modeling and performance management[C]//13thIEEE Real-time and Embedded Technology and Applications Symposium, 2007

[4] Kyoung-Don Kang, Jisu Oh, Sang H Son. Feedback control of a real database system performance[C]// Real-time Systems Symposium, 2007

[5] GE Fanuc Automation. Proficy historian development technical training manual[G], 2004

[6] GE Fanuc Automation. Proficy real-time information portal technical training manual[G], 2004