實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在智能建筑管理系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：隨著管理要求的不斷提高，智能建筑管理系統(tǒng)對(duì)信息實(shí)時(shí)性的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)不能滿足實(shí)際使用的需求。為此，本文通過分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)——數(shù)據(jù)及事務(wù)的定時(shí)限制，提出在智能建筑管理系統(tǒng)中引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與OPC通信等幾個(gè)數(shù)據(jù)庫子模塊的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)基于子系統(tǒng)平等方式集成的實(shí)時(shí)智能建筑管理系統(tǒng)，以協(xié)助提高用戶的管理水平及效率。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；智能建筑管理系統(tǒng)；實(shí)時(shí)事務(wù)管理；OPC

中圖分類號(hào)：TU24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

智能建筑管理系統(tǒng)是信息時(shí)代和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的重要產(chǎn)物，作為一個(gè)典型的分布式系統(tǒng)，其具體任務(wù)就是在物理上集成各子系統(tǒng)信息，集中監(jiān)視各子系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)，執(zhí)行集中管理控制指令，向數(shù)據(jù)庫提供各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖像信息，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)功能，并且協(xié)調(diào)優(yōu)化各系統(tǒng)的運(yùn)行，從而為建筑物提供安全、舒適、方便的生活條件和高效的工作環(huán)境，并保證其運(yùn)行維護(hù)管理的經(jīng)濟(jì)性和智能化。

1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是維護(hù)數(shù)據(jù)的絕對(duì)正確性、保證系統(tǒng)的低代價(jià)、提供友好的用戶接口。這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的商務(wù)和事務(wù)型應(yīng)用是有效的、成功的，然而，它不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用，這關(guān)鍵在于它不考慮與數(shù)據(jù)及事務(wù)相聯(lián)的定時(shí)限制，其系統(tǒng)的性能指標(biāo)是吞吐量和平均響應(yīng)時(shí)間，而不是數(shù)據(jù)及事務(wù)相聯(lián)的定時(shí)限制，調(diào)度與處理決策根本不理各種實(shí)時(shí)特性。與之相反，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)首先是對(duì)事務(wù)定時(shí)限制的滿足，其基本原則是：寧要部分正確而及時(shí)的信息，也不要絕對(duì)正確但過時(shí)的信息。系統(tǒng)性能指標(biāo)是滿足定時(shí)限制的事務(wù)的比率，它要求必須確保硬實(shí)時(shí)事務(wù)的截止期，必要時(shí)寧肯犧牲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與一致性。軟實(shí)時(shí)事務(wù)滿足截止期的比率相對(duì)較高，但要100%滿足截止期很難或幾乎不可能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的時(shí)間摘要：隨著管理要求的不斷提高，智能建筑管理系統(tǒng)對(duì)信息實(shí)時(shí)性的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)不能滿足實(shí)際使用的需求。為此，本文通過分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)——數(shù)據(jù)及事務(wù)的定時(shí)限制，提出在智能建筑管理系統(tǒng)中引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與OPC通信等幾個(gè)數(shù)據(jù)庫子模塊的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)基于子系統(tǒng)平等方式集成的實(shí)時(shí)智能建筑管理系統(tǒng)，以協(xié)助提高用戶的管理水平及效率。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；智能建筑管理系統(tǒng)；實(shí)時(shí)事務(wù)管理；OPC

中圖分類號(hào)：TU24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A限制是通過事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計(jì)算的邏輯結(jié)果，還同時(shí)依賴于邏輯結(jié)果的產(chǎn)生時(shí)間。\"實(shí)時(shí)\"意在用戶可施加所要求的時(shí)間限制，并能通過系統(tǒng)的時(shí)間識(shí)別與處理機(jī)制來處理并保證或盡可能地保證滿足與各種活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間限制。

2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在智能建筑管理系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在智能建筑管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為IBMS系統(tǒng)集成的關(guān)鍵。IBMS系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的操作包括并發(fā)的多用戶查詢操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新操作。一般來說，一萬個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的值的刷新必須在0.5秒內(nèi)完成才能滿足工程上的需要，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到達(dá)客戶端的時(shí)延一般也不能超過一秒。所以數(shù)據(jù)庫的必須提供緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和高效的空間利用率以及各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)操作的高速執(zhí)行。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊、歷史數(shù)據(jù)庫模塊以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與OPC客戶端的通信模塊。它為集成系統(tǒng)和下層子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信提供高速通道，是智能建筑系統(tǒng)集成的核心。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)向上接受監(jiān)控中心的控制指令，準(zhǔn)確迅速地傳遞給各個(gè)子系統(tǒng)，達(dá)到控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的目的；向下數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從現(xiàn)場控制網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，執(zhí)行用戶定義的子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，保存歷史數(shù)據(jù)。

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與Web客戶端的數(shù)據(jù)通信接口。其功能是為瀏覽器端的頁面表現(xiàn)提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)客戶端(訪問、操作人員)下發(fā)的控制命令和事件記錄。這里可以借助基于Socket的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器，提供客戶端與服務(wù)器之間的可靠無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交互方式采用面向連接的TCP/IP流式套接字，通信雙方接收數(shù)據(jù)通過多次握手完成，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?shù)據(jù)由操作功能信息碼和操作數(shù)據(jù)信息兩部分組成。接收方首先讀取操作功能信息碼，再根據(jù)操作功能信息碼確定下一步讀取操作中的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)大小，以完成讀取操作數(shù)據(jù)信息，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴２僮鞴δ苄畔⒋a的各字段值由交互雙方的操作類型決定。操作類型劃分為客戶端注冊(cè)、客戶端注銷、客戶端用戶登錄、客戶端用戶退出、信息點(diǎn)同步、分發(fā)狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收控制指令。操作數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1數(shù)據(jù)包封裝圖例

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器把更新的數(shù)據(jù)主動(dòng)提供給客戶端，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心部分，在智能建筑集成系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫基于對(duì)象方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用從上至下包容的方式：包含系統(tǒng)類對(duì)象、子系統(tǒng)類對(duì)象、設(shè)備類對(duì)象和點(diǎn)類對(duì)象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫類對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫類的層次結(jié)構(gòu)圖

目前，在Windows環(huán)境的組態(tài)軟件中I/O接口驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換一般都是利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換協(xié)議(DDE)來實(shí)現(xiàn)的。由于DDE為基于消息的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳送過程需要處理多條消息，數(shù)據(jù)交換效率會(huì)受到影響。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，這里提出了利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)和全局共享內(nèi)存技術(shù)來建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思想，并通過給用戶提供一套接口標(biāo)準(zhǔn)--實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫接口，來實(shí)現(xiàn)OPC Client及用戶程序和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫間的高速數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫接口由一組API函數(shù)組成，包括創(chuàng)建點(diǎn)、刪除點(diǎn)、設(shè)置點(diǎn)屬性、讀取點(diǎn)屬性等功能，OPC Client和各個(gè)用戶模塊可以直接訪問數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)具有全面的開放型和二次開發(fā)功能。

如圖3，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，OPC Client和分發(fā)服務(wù)器之間通過內(nèi)存映射實(shí)現(xiàn)全局共享內(nèi)存。OPC Client通過內(nèi)存映射獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)對(duì)象的指針，完成寫，讀，修改配置參數(shù)以及對(duì)數(shù)據(jù)的操作，包括添加、刪除對(duì)象。由于系統(tǒng)包含的點(diǎn)對(duì)象的數(shù)量龐大，需要使用hash表來記錄點(diǎn)名與點(diǎn)對(duì)象的地址。本系統(tǒng)采用靜態(tài)分配桶(hash鏈表長度)結(jié)合拉鏈的方法構(gòu)造hash鏈表。拉鏈即將所有關(guān)鍵字為同義詞的結(jié)點(diǎn)鏈接在同一個(gè)單鏈表中。hash表的結(jié)構(gòu)如圖4所示，縱向的為靜態(tài)桶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，橫向的為hash node節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖4 hash鏈表以及hash node的結(jié)構(gòu)

以上的結(jié)構(gòu)建立了點(diǎn)名與點(diǎn)內(nèi)存地址的一個(gè)映射，這樣通過點(diǎn)名就可以查詢到點(diǎn)的內(nèi)存地址，即點(diǎn)對(duì)象指針。系統(tǒng)采用time33的hash算法，定義點(diǎn)名變量str，取hash初值為5381。核心代碼為：

hash+=(hash＜＜5)+(*str++)；

用掩碼取結(jié)果的有效位，得到最終的hash值。

在多線程訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的情況下必須要考慮沖突的解決問題。系統(tǒng)采用對(duì)數(shù)據(jù)加鎖的方式，即訪問數(shù)據(jù)必須先獲得鎖再進(jìn)行操作。該算法構(gòu)造一個(gè)和hash靜態(tài)桶數(shù)組一樣的一個(gè)BOOL型記錄鎖數(shù)組，訪問時(shí)通過點(diǎn)名經(jīng)過hash函數(shù)運(yùn)算得到一個(gè)key及對(duì)應(yīng)桶數(shù)組的位置。得到key后判斷鎖數(shù)組對(duì)應(yīng)位置的BOOL型變量是否為0(沒其他線程訪問)，如果為0則改為1(這個(gè)操作過程須為原子操作)，如果為1(其他線程正在操作數(shù)據(jù))則放棄剩余時(shí)間片，等到下個(gè)時(shí)間再判斷是否鎖已經(jīng)開了，循環(huán)一段時(shí)間如果還沒有開則放棄此次操作報(bào)警。經(jīng)過測試，拉鏈長度16229靜態(tài)桶，插入10000個(gè)隨機(jī)字符串，最大拉鏈長度為7，一個(gè)記錄鎖最多鎖住7個(gè)點(diǎn)，函數(shù)調(diào)用總時(shí)間不超過1.4秒。

（3）歷史數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)使用SQL Server作為歷史數(shù)據(jù)庫的開發(fā)平臺(tái)。歷史數(shù)據(jù)庫用于記錄、保存和查詢各種報(bào)警和操作事件、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障情況。系統(tǒng)采用時(shí)間片結(jié)合緩沖區(qū)鏈表的方法將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)庫。具體實(shí)現(xiàn)辦法是：緩沖區(qū)維護(hù)一個(gè)300條數(shù)據(jù)的鏈表，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫不斷將已更新的數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)。一旦緩存區(qū)滿或經(jīng)過了一個(gè)時(shí)間片，系統(tǒng)就將緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)追加到歷史數(shù)據(jù)庫里面。這樣做的好處是能防止斷電丟失緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)且能提高數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與OPC的通信

OPC是OLE for Process Control的縮寫。顧名思義，OPC是一種利用微軟的COM/DCOM技術(shù)來達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定。基于OPC技術(shù)的接口是一種有效的手段，能夠?qū)崿F(xiàn)各異構(gòu)子系統(tǒng)的無縫連接，從而快捷有效地把已有建筑子系統(tǒng)融合起來，組成智能建筑系統(tǒng)集成。

OPC協(xié)議采用Client/Server體系。應(yīng)用程序作為OPC接口中的Client方，硬件驅(qū)動(dòng)程序作為OPC接口中的Server方。OPC Client通過讀取配置文件，加載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫DLL并且打開內(nèi)存映射文件獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)象的指針。

結(jié)束語

本文提出了基于子系統(tǒng)平等的智能建筑管理系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與OPC的通信幾個(gè)子模塊進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)。基于流式套接字的分發(fā)服務(wù)器保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒂行院图皶r(shí)性；動(dòng)態(tài)鏈接庫和全局共享內(nèi)存技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；hash表在點(diǎn)名和點(diǎn)的內(nèi)存地址之間建立了快速有效的映射關(guān)系；子系統(tǒng)平等方式集成的特點(diǎn)以及OPC技術(shù)的運(yùn)用使得各個(gè)異構(gòu)子系統(tǒng)之間的無縫集成成為可能，解決了系統(tǒng)集成的伸縮性問題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳立定，李文兢，胥布工，面向智能建筑集成管理系統(tǒng)的輕量級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)[J]低壓電器，2007.10.