組態(tài)軟件實(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)。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(shí)時(shí)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(rùn)。控制系統(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(shí)時(shí)性，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不能實(shí)時(shí)反映當(dāng)前有效期內(nèi)數(shù)據(jù)的情況，不適合時(shí)間關(guān)鍵型的應(yīng)用領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)專門的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來解決這類問題。

【關(guān)鍵詞】組態(tài)軟件實(shí)時(shí)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(chǎng)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(shí)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(tái)運(yùn)行使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)分析和處理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)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(qiáng)，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(diǎn)是具有時(shí)間特性，且有效時(shí)間是短暫的，過時(shí)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(jì)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(jià)和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)用是非常有效的、成功的，但對(duì)于滿足新要求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)事務(wù)的應(yīng)用要求卻難以勝任。所以，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫技術(shù)和實(shí)時(shí)技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)具有顯式定時(shí)限制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本概念

實(shí)時(shí)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(shí)特性或確定的定時(shí)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(shí)間。實(shí)時(shí)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(shí)間影響的持久性數(shù)據(jù)具有很大的差別，這包含了對(duì)短暫有效數(shù)據(jù)的定時(shí)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(jì)與開發(fā)強(qiáng)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(jià)，不考慮與數(shù)據(jù)及其處理相關(guān)聯(lián)的定時(shí)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(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。因此，只有將數(shù)據(jù)庫與實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩者的概念、技術(shù)、方法與機(jī)制集成在一起的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)才能同時(shí)支持定時(shí)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(gè)過程控制系統(tǒng)由三個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的值隨時(shí)依外部環(huán)境狀態(tài)的變化而頻繁地改變，一個(gè)數(shù)據(jù)值只在一定的時(shí)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(jì)事務(wù)調(diào)度策略時(shí)，事務(wù)的時(shí)間約束是一個(gè)重要的因素，時(shí)間要求苛刻的事務(wù)，在不影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫一致性的前提下，應(yīng)該盡早的調(diào)度運(yùn)行。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，有內(nèi)部一致性、外部一致性和相互一致性三個(gè)特征。為了使事務(wù)滿足它們的時(shí)效性，應(yīng)當(dāng)將事務(wù)的時(shí)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(yùn)行。一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象和非實(shí)時(shí)對(duì)象之間的主要差別就在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象存在一個(gè)數(shù)據(jù)有效的時(shí)間范圍，超出這個(gè)時(shí)間范圍，數(shù)據(jù)的效用將降低。

3組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來提升計(jì)算機(jī)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(yùn)行在內(nèi)存中，然后針對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性。

數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指從數(shù)據(jù)庫的概念模型出發(fā)，設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)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(jì)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(shí)現(xiàn)無關(guān)。因此，在數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)一步考慮數(shù)據(jù)在實(shí)際數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)平臺(tái)下的具體存儲(chǔ)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(tái)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(shí)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(diǎn)，使用場(chǎng)合不同。MyISAM數(shù)據(jù)表類型的特點(diǎn)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(duì)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(diǎn)，歷史數(shù)據(jù)庫選擇MyISAM表類型，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫選擇HEAP表類型。

在實(shí)時(shí)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(duì)于分析數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制比較方便。

組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)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(shí)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(shí)間限制。事務(wù)根據(jù)緊迫性要求分為兩類，一類是實(shí)時(shí)事務(wù)，另一類為非實(shí)時(shí)事務(wù)，由兩個(gè)事務(wù)隊(duì)列來管理。當(dāng)事務(wù)請(qǐng)求到來的時(shí)候，先根據(jù)事務(wù)的性質(zhì)將事務(wù)分配到這兩個(gè)隊(duì)列中，形成兩個(gè)調(diào)度序列。在事務(wù)執(zhí)行時(shí)候，通過設(shè)定優(yōu)先級(jí)管理模塊優(yōu)，把實(shí)時(shí)事務(wù)隊(duì)列中的事務(wù)投入運(yùn)行。

結(jié)束語

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)理論和具體實(shí)現(xiàn)在國(guó)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(jì)一個(gè)完整的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論前提下，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的普遍性概念和設(shè)計(jì)思路入手，分析了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的功能需求。針對(duì)過程控制領(lǐng)域?qū)M態(tài)軟件提出的實(shí)時(shí)性要求，通過采用自主開發(fā)的實(shí)時(shí)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(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，從而發(fā)揮兩個(gè)數(shù)據(jù)庫的各自優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性的要求。