實時數據庫的結構與核心技術分析

許萬晨

大慶油田信息技術公司物聯網分公司，黑龍江大慶 163000

在當前數據環境之下，網絡和計算機數據技術的深入發展與應用，成為了推動工業環境安全以及控制體系朝向縱深延展的重要力量。進一步體現在過程控制中，就是以組態軟件作為突出代表的監督與控制體系的建立，而在這樣的體系中，實時數據庫的應用發揮著至關重要的價值。

1 實時數據庫的結構分析

實時數據庫在組態軟件環境中，與歷史數據庫以及其他告警、趨勢曲線分析等一同作用，形成最為核心的數據庫體系。進一步對相應的應用需求展開分析，可以發現實時數據庫所面臨的核心問題，在于如何通過自身工作效率的提升，實現數據呈現的實時特征，并且同時確保數據在多個上位機端呈現的一致性和準確性。從功能的角度看，實時數據庫作為工業控制系統中關鍵的數據管理與共享體系，除了必須要求能夠有效地面向各種下位機現場數據的采集，為應用程序提供統一穩定的數據平臺以外，還應當不斷深入數據的存儲和管理工作細節，關注數據的處理效率和一致性鎖定等環節。除此以外，必要的開放性也是組態體系的必然要求，標準化的接口和更好的兼容特征，同樣成為實時數據庫未來發展的必然要求。

在這樣的需求環境之下，一個典型的實時數據庫結構參見圖1。

圖1 典型的實時數據庫結構圖

在整個系統中，虛線框內為數據庫核心，其兩端分別與數據采集和服務接口相連。其中數據采集接口進一步與數據前端，諸如分布式控制系統（DCS，Distributed Control System）以及可編程邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller）和相關工作現場的儀表設備等。而服務接口則進一步與應用系統保持聯系，主要是工業控制用的各類程序，諸如工控組態、實時優化以及各種數據統計和顯示軟件等。同時應用程序通過服務接口模塊間接調用包括告警、顯示以及現場控制等相關組態功能部分，實現具體的職能。

2 實時數據庫的核心技術分析

對于實時數據庫的實現技術體系而言，實時性、容錯性以及穩定性都是其必須要做到的重要特征，為了保證這些特征的實現，在實時數據庫體系中涉及到多個方面的核心技術，包括組件化的模塊設計、被動式內核結構等，但是對于實時數據庫而言，最為核心和關鍵的技術，仍然是高效的數據存取技術。

高效數據存取技術，在實時數據庫系統中表現為一個技術簇，其中包括多個方面，快速位號檢索、訪問同步及數據共享、高速數據讀寫等技術，是其中的突出表現。多項技術共同保證整個實時數據庫體系的高效特征。

快速位號檢索主要用于實現在海量位號中快速定位指定目標。在實際對于數據進行讀取的時候，大量外圍業務和應用會對存取位號提出頻繁要求，并且CPU的工作能力會因此而被占用。在工控領域中，通常采用字符串作為位號，但是這進一步加劇了處理速度的問題。因此實時數據庫為每個組態位號分配一個ID，用以實現高速檢索。同時實時數據庫系統采用了雙索引結構，主索引數據結構為平衡二叉樹，以ID作為標志，并且葉節點為指向位號實例的指針；副主索引的數據結構為可擴展線性數組，以位號的索引號作為數組下標，數組單元內容為指向位號實例的指針。通過這樣的機制，結合ID的回收利用機制，實現對于位號的快速檢索。

在工控環境中，實時數據庫必然會面臨大量的并發訪問，如何有效處理這些并發訪問，確保及時反映，也是實時數據庫面臨的重要問題之一。與此同時，大量的數據更新，同樣也是對于實時數據庫的一種并發訪問需求體現，同樣需要有所響應，并且還需要進一步將更新的數據結果反饋給應用領域。對此，實時數據庫負責數據服務的內核模塊采用了COM的MTA模式，對于多客戶端的并發訪問能夠實現有效支持。并且實時數據庫還會依據數據源對位號展開分組，并且組內持有共享鎖，可以實現數據的同步與鎖定，避免因為大量訪問和讀寫而造成的數據混亂。

高速數據讀寫同樣是支持實時數據庫高速運行的核心技術之一。在讀寫的過程中，必然存在有必要的數據量需要留駐在內存環境中，但是內存本身的物理容量又限制了其留駐數據的總量。針對此種情況，實時數據庫系統會考察不同數據的訪問頻率，以數據挖掘的總體思路來實現頻繁訪問數據的內存策略，并且進一步為了提升歷史數據的存取效率，采用對應的組態緩沖技術，不斷實現存取速度的優化。

3 結論

實時數據庫對于工控工作環境而言意義重大，其工作效率更是成為眾多技術中的核心問題。實際工作中唯有時時關注技術發展，切實分析實際環境需求，才能選擇良好的策略，推動整個組態軟件體系的發展。

[1]王荃，壘壹，李福中.工控組態軟件實時數據庫系統的設計與實現[J].計算機應用，2000，27（3）.

[2]周東球.先進控制軟件系統實時數據庫的設計[J].微計算機信息，2003，19（10）.