浅谈实时数据库系统原理及其应用
孙俊彦 苏州大学计算机科学与技术学院
摘要: 现代的工程和时间关键型应用对数据库的实时性和对数据直接分析和处理的能力要求特别高,单纯的传统关系数据库已经不能满足需要,实时数据库系统(Real Time Database System)就在这种情况下产生和发展.此文从实时数据库系统的产生背景,实时数据库的基本原理和主要技术,实时数据库系统的应用及发展前景来浅谈实时数据库.
前言
数据库的理论与技术发展极其迅速,其应用日益广泛,在当今的信息社会无所不在,尤其是关系数据库在传统数据领域的应用.然而传统数据库必须将数据存入数据库后再进行查找和后续的分析及数据瓦据等对数据的操作. 这种特性决定了传统数据库在现代工程和时间关键性的应用方面显得软弱无力.而且主流关系数据库大多接口定义的很复杂并不容易扩展.
如今数据库的应用已经从传统领域向新的领域发展,如数据通信,电话交换,电力调度等网络管理;电子银行事务,电子数据交换与电子商务,证券与股票交易;交通控制,雷达跟踪,武器制导,实时仿真,作战指挥等军事应用;自动储存,数据实时采集与分析监视等工厂过程.这些应用活动(任务或者事务)具有很强的时间性,要求在规定的时刻和一定的时间内完成处理,而且又要大量共享和控制数据.同时,处理的数据往往是”短暂”的.即这些数据往往具有有效期,过了有效期这些数据将变为无效数据.所以这些数据对数据库和实时处理两者的功能和特征均有需求.既需要大量数据的共享和维护,保持其数据的一致性,又需要实时处理数据的事务.
传统的数据库系统更适合处理稳定且具有长有效期的数据,强调数据的一致性和完整性,并不考虑数据及其处理的时间限制,所以传统数据库并不能完成满足实时应用的需要.传统的实时系统虽然在事务的定时处理方面很强大,但是它一般只针对非常简单的数据结构,并且对数据的组织管理能力较弱.因此只有将数据库技术和实时处理技术无缝集成的实时数据库才能同时支持实时处理和数据完整一致性.
实时数据库系统的基本原理
(1) 实时数据库的定义: 实时数据库就是数据和事务都有显式定时限制的.
系统的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果,而且依赖于该逻辑结果产生的时间.因此,
实时数据库系统 ≠ 数据库系统 + 实时操作系统
(2) 实时数据库的基本特点:
– 数据的时效性
一个数据对象有三个主要属性: 当前值,采样时间,采样频率
– 事务的定时限制
实时数据处理(即实时事务)有定时(定时可以是绝对,相对或周期时间)限制
(3) 实时数据库的功能(RDBMS的功能):
– 一般DBMS具有的基本功能
– 数据状态的最新性,RDBMS需要尽可能保持数据库的状态为不断变化,将数据库
中的数据及时更新为现实世界中采集到的最新数据
– 数据值的时间一致性,保证事务和其读取的数据是一致的
– 事务处理的实时性,确保事务能够被及时处理,使其在限定的时间有效期内被处 理完成.
(4) 实时数据库的技术实现
– 实时数据模型
– 实时数据语言
– 实时事务模型
– 实时事务处理
– 缓冲区管理
– 数据存储管理
– 恢复机制
– 用户及权限管理
– 系统及数据安全管理
– 集群服务器支持,分布式的实现
(5) 实时数据库的功能结构
(6) 实时数据库的层次结构
(7) 实时数据库的结构
(8) 实时数据库的功能模块
– 用户管理模块
– 磁盘文件管理模块
– 任务(进程) 管理模块
– 用户的输入输出模块
– 数据的压缩和解压模块
– 数据的存储和组织管理模块
(9) 实时数据库的设备数据接口
(10) 实时数据库的数据源(数据采集设备)
– DCS
– PLC
– SCADA,HMI
– 各种仪表或数据测量采集工具
– 数据分析工具
– 问题检测工具或工业监控设备
(11) 实时数据库常见的数据接口
– OPC
– DDE,NETDDE
– RS232 422 485
– TCP
– UDP
(12) 实时数据库实现的难点
– 实时性的设计。数据实时性与事务实时性的实现
– 如何在数据库系统和实时性的双重条件下实现并发控制
– 如何开发出简单直接和通用的编程接口
– 如何实现实时数据库的分布式集群处理方式
– 如何使实时数据库能在不同的生产行业之间通用
实时数据库系统的应用
应用实时数据库系统的经济效益是十分显著的。对于现代工业企业，如何能使决策者能随时看到实时的生产数据，以便快速的作出商业决策，是企业能否在信息化竞争中赢得先机的条件。在大型流程行业中石油，石化，化肥，冶金，物流等行业中，其主要的经济效益来自于过程的监控以及对实时变化的过程进行及时的响应，快速的决策。大量使用实时数据库系统进行控制系统监控，系统先进控制和优化控制，并为企业的生产管理和调度，数据分析，决策支持及远程查询提供实时数据服务和多种数据管理功能。特别是对于管理层，利用实时数据库可以对生产过程进行快速准确的分析，以采取正确的管理方法。
应用此类产品能够给用户带来的主要经济效益为：
1、建立了一个标准的实时数据库平台，为先进控制和优化提供了保证。在流程工业，特别是石化企业，应用先进控制和优化技术以提高企业的效益己成为一种必然的趋势，而实时数据库是先进控制和优化的基础，如果它与其他产品如在线仿真和流程模拟软件一起应用会给企业带来更大的效益。
2、由于实时数据库系统的集成作用，即不仅可以将工厂控制层与管理信息系统集成起来，而且也可以将不同的控制设备如DCS、 PLC等集成起来，使得工厂管理层可以实时地得到来自工厂过程的实时数据，这样就为管理信息系统的开发与应用提供了一个理想的平台，使管理信息系统实时、高效地运行。
3、由于实时数据库系统具有很短的实施周期，用户可以很快地从应用中获得投资的回报，同时Windows 的平台也使系统的安装与维护更加容易。
4、通过对影响过程的运行状态的关键参数的监控，使生产的运行状态保持平稳，当生产状态发生变化时，可以及时地作出反映，避免装置及设备停车，这方面的效益是十分巨大的。
5、通过对影响原材料用量的过程以及公用工程中水、电、汽、风的用量的监测，你可以及时的发现问题，特别是对生产调度人员来说，可以利用实时数据库及时地平衡公用工程及物料供应系统以减少单耗，提高经济效益。
6、优化生产过程，提高产品的产量及质量。
7、你可以利用实时数据优化你的生产过程。生产管理人员以及工艺管理人员可以利用当前的和历史的数据对生产的工艺过程进行在线分析，进一步发现过程运行的规律，及时地调整工艺参数，使过程处于优化状态。同时也可以通过对影响产量及质量的过程参数的监控，达到提高产量及产品质量的目的。你甚至可以根据统计规律对产品的质量数据进行在线分析，预测产品的质量从而达到提高质量的目的。
8、动态地监控生产成本。
9、成本控制人员可以利用实时数据动态地监控生产成本，使成本控制发生在生产过程中，而不是在生产的完成后，以达到降低成本的目的。
10、分析事故原因，你可以利用当前的和长期的历史数据，对事故进行及时的分析，精确地定位事故发生的原因，以避免事故的再次发生。
针对不同的行业不同的生产类型，其采集数据或者处理数据的方式不一定相 同，实时数据库必须留下可编程接口和基本常见的事务处理方式。实时数据库为最终用 户提供了快捷、高效的工厂信息，由于工厂实时数据存放在统一的数据库中，工厂中的 所有人，无论在什么地方都可看到和分析相同的信息，客户端的应用程序可使用户很容 易对工厂级实施管理，诸如工艺改进、质量控制、故障预防维护等。通过实时数据库可 集成产品计划、维护管理、专家系统、化验室信息系统、模拟与优化等应用程序，在业 务管理和实时生产之间起到桥梁作用。
主流的实时数据库系统
(1) AspenTeach InfoPlus.21
(2) OSI PI
(3) HONEYWELL PHD
(4) Surpass CART(Compress And RealTime)
(5) Wonderware InTouch => InSQL
(6) Intellution iFix => iHistorian
(7) 三维力控 ForceControl => PCauto
(8) 北京亚控 组态王
实时数据库系统的前景
目前实时数据库的发展处于刚起步阶段，研究它的人相对较少，但是已经有不少可行的使用理论被发布出来。市场上主流的实时数据库系统已经可以在工业生产上非常完好的使用。随着它的发展，必然会有越来越多的流程型工业企业采用它来采集和分析数据，以便及时对数据进行反映，制定商业决策。这反过来也会对实时数据库的功能和性能提出更高的要求。因此实时数据库的发展还是很有商业应用前景的。不过要注意的是，开发实用的实时数据库系统前必须获得可靠的理论支持，绝大多数实时数据库系统由于其应用特点都非常庞大且带有行业特殊性，开发一个实时数据库系统必须严格按照软件工程的原则进行，其实现和维护都不是一件很容易的事情。
总结
本文浅显简单地从实时数据库的产生背景，实时数据库系统实现的基本原理和主要技术，实时数据库系统的应用与发展前景等方面通俗的介绍了实时数据库，并对它的实现和应用进行了分析。本文多处借鉴其他文献。
参考文献：
[1]黄贤英;李玉桃.基于Linux 的嵌入式实时数据库的设计[J].微计算机信息;2007 年02 期
[2]廖常斌.国产实时历史数据库的发展前途. 力控科技.
[3]庞鹏;胡少凯;王锦. 基于分布式实时数据库构建调度自动化系统 .PLC技术应用200例;2010年7月
[4]实时数据库系统原理. 北京石大赛普科技有限公司
[5]维基百科，Google上的若干文章及博客园里的若干文章