唐 宇

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070 2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

近些年來(lái)，軌道交通行業(yè)迎來(lái)了更加廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇，同時(shí)也面臨著更加嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。產(chǎn)品要得到客戶的認(rèn)可，就必須要快速響應(yīng)市場(chǎng)變化。如何利用信息技術(shù)和控制技術(shù)，提高系統(tǒng)及平臺(tái)的信息化水平，進(jìn)而提高產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，是許多產(chǎn)商當(dāng)前面臨的重要課題。

信息是以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)與傳輸?shù)模獙?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的信息化，數(shù)據(jù)的存取是必不可少的一環(huán),而要提升產(chǎn)品信息化水平，數(shù)據(jù)的存取能力就必須得到保障。在軌道交通行業(yè)，產(chǎn)品信息化水平還有很大的提升空間。而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理速度低，關(guān)系數(shù)據(jù)模型無(wú)法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的處理、存儲(chǔ)與檢索，難以為軌道交通運(yùn)營(yíng)、管理過(guò)程中產(chǎn)生的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供快速的存取服務(wù)。因此，如何面向海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供高效的數(shù)據(jù)存取成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

本文將介紹實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)如何滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存取需求，并根據(jù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)需求提出一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是一種面向海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可用于存儲(chǔ)并管理來(lái)自各種控制系統(tǒng)和總線的設(shè)備狀態(tài)與過(guò)程數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)級(jí)、甚至企業(yè)級(jí)的統(tǒng)一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

除了要滿足經(jīng)典數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)正確性、安全性及可靠性之外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還要滿足一些其他特性。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)需要保證數(shù)據(jù)及事務(wù)的定時(shí)限制，例如一個(gè)更新操作必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成等，這是由于在實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境中，數(shù)據(jù)的價(jià)值會(huì)隨著時(shí)間增加而減小[1]。因此，很多學(xué)術(shù)工作致力于建立模型來(lái)研究事務(wù)的調(diào)度、事務(wù)執(zhí)行時(shí)間預(yù)測(cè)等，以盡量保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。然而市場(chǎng)上很多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品往往并不強(qiáng)調(diào)事務(wù)調(diào)度、執(zhí)行時(shí)間預(yù)測(cè)等特性，往往更關(guān)注吞吐量、數(shù)據(jù)壓縮比等指標(biāo)，因?yàn)楝F(xiàn)代實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)ms級(jí)的操作響應(yīng)，這已經(jīng)能滿足絕大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)用的需求，而過(guò)于復(fù)雜的事務(wù)調(diào)度、時(shí)間預(yù)測(cè)算法反而可能會(huì)影響數(shù)據(jù)庫(kù)操作執(zhí)行效率。

生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)一般包含以下主要特點(diǎn)：

1) 支持分布式數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的來(lái)源包括分布在不同地理位置的大量設(shè)備、傳感器，并能有效兼容多種異構(gòu)的通信協(xié)議。

2) 海量數(shù)據(jù)的高效存取。數(shù)據(jù)庫(kù)在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)并異步將數(shù)據(jù)持久化至磁盤，保證數(shù)據(jù)存取性能；同時(shí)提供壓縮比高的有損壓縮技術(shù)，節(jié)省磁盤空間，能夠在線保存海量歷史數(shù)據(jù)。

3) 支持動(dòng)態(tài)報(bào)警閾值調(diào)整。在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下，數(shù)據(jù)庫(kù)支持在線修改報(bào)警觸發(fā)條件，以便在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)緊急情況。

4) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的整合與發(fā)布。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)配套的數(shù)據(jù)整合工具發(fā)布到符合ODBC標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)及EXCEL電子表格中，支持動(dòng)態(tài)報(bào)表生成，并方便用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)、信息集成。

從妍妍父母的話語(yǔ)得知，妍妍以前一直都很健康，他們也知道妍妍是在裝病找借口，但女兒是他們的心頭肉，他們不愿意勉強(qiáng)妍妍，所以只能給妍妍請(qǐng)假了?？磥?lái)，我得先從妍妍父母做工作。我告訴他們，愛(ài)孩子也應(yīng)該有原則，如果我們不能在開(kāi)學(xué)這個(gè)階段處理好孩子的“上學(xué)恐懼癥”，繼續(xù)這樣一味地妥協(xié)下去，只會(huì)助長(zhǎng)孩子以后遇事逃避的壞習(xí)慣，甚至?xí)绊懞⒆拥娜松?/p>

5) 開(kāi)放的開(kāi)發(fā)接口。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)往往會(huì)為用戶提供完整的數(shù)據(jù)存取編程接口，方便用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

6) 時(shí)鐘同步。提供時(shí)鐘同步功能保證數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的時(shí)間一致，避免時(shí)間不一致導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可用于生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)視和報(bào)警。一個(gè)成熟的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)高壓縮比算法可在線存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多年收集的數(shù)據(jù)。因此，用戶既可以瀏覽當(dāng)前生產(chǎn)的實(shí)時(shí)情況，也可回顧生產(chǎn)的歷史情況?？梢赃@么理解，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)就如同飛機(jī)上的“黑匣子”。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可集成ERP、設(shè)備維護(hù)管理、管理信息系統(tǒng)（MIS）、模擬與優(yōu)化等應(yīng)用程序，在業(yè)務(wù)管理和實(shí)時(shí)生產(chǎn)之間起到橋梁作用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化、數(shù)字化管理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)前景極其廣闊，目前已廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力、石化、交通、電信、證券、飛行控制、航空航天、智能建筑、氣象等諸多領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求、潛力較大。

3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取需求

軌道交通綜合監(jiān)控（ISCS）系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)等為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要集成多個(gè)自動(dòng)化專業(yè)子系統(tǒng)，并對(duì)各專業(yè)子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)系統(tǒng)的信息共享及系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)控制功能，提高運(yùn)營(yíng)效率，為實(shí)現(xiàn)軌道交通現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)管理提供信息化基礎(chǔ)。本章主要分析綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存取提出的需求。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取功能主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)共同完成。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)專門用來(lái)提供高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取，是系統(tǒng)運(yùn)行、處理的核心；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)的存取。根據(jù)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的作用來(lái)劃分，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)又可分為參數(shù)庫(kù)與歷史庫(kù)，前者存儲(chǔ)著綜合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行所需的部分參數(shù)，后者則主要存放系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)及追溯用。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是綜合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的核心服務(wù)之一。如圖1所示，一方面，參數(shù)庫(kù)中的參數(shù)內(nèi)容在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)啟動(dòng)時(shí)會(huì)被加載進(jìn)實(shí)時(shí)庫(kù)表中，并且隨著系統(tǒng)運(yùn)行，一些需要保存?zhèn)浞莸膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)被存入歷史庫(kù)中；另一方面，實(shí)時(shí)庫(kù)為界面顯示、交互操作、應(yīng)用處理服務(wù)等提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與其他模塊的交互示意圖Fig.1 Interaction between real-time databases and other modules

保證數(shù)據(jù)存取的響應(yīng)速度。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)主要以內(nèi)存為存儲(chǔ)介質(zhì)，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)介質(zhì)為磁盤。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以提供更快速的操作響應(yīng)，不會(huì)因?yàn)閰?shù)庫(kù)或者歷史庫(kù)的時(shí)耗而影響界面操作以及應(yīng)用處理的響應(yīng)速度。

保證系統(tǒng)可用性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)可獨(dú)立于參數(shù)庫(kù)、歷史庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)；因此，在參數(shù)庫(kù)、歷史庫(kù)不可使用的情況下，綜合監(jiān)控系統(tǒng)依然能在實(shí)時(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)支持下持續(xù)運(yùn)行。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)滿足下列核心功能。

1) 海量數(shù)據(jù)高效的存取。包括監(jiān)控點(diǎn)的屬性信息（名稱、數(shù)據(jù)類型、描述信息、計(jì)量單位、是否保存歷史數(shù)據(jù)等）及監(jiān)控到的數(shù)據(jù)的增刪查改。

2) 與關(guān)系庫(kù)的交互。包括在啟動(dòng)時(shí)從參數(shù)庫(kù)中加載參數(shù)數(shù)據(jù)、將點(diǎn)屬性及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)持久化到歷史庫(kù)。

3) 數(shù)據(jù)的訂閱/發(fā)布。允許其他模塊訂閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)并指定數(shù)據(jù)發(fā)布的條件，具體條件包括有更新即發(fā)布、數(shù)據(jù)絕對(duì)值超過(guò)閾值即發(fā)布以及數(shù)據(jù)的改變值超過(guò)閾值即發(fā)布。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)還需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供一定的二維表結(jié)構(gòu)支持。此外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還需要提供消息處理、連接驗(yàn)證、內(nèi)存管理、日志管理、主從管理等功能，以確保系統(tǒng)完整性、安全性、可靠性、可用性及可擴(kuò)展性。

在非功能屬性上，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)要滿足單點(diǎn)數(shù)據(jù)讀寫響應(yīng)時(shí)間在數(shù)百ms內(nèi)的需求，能夠在線存儲(chǔ)一條典型軌道交通線路所包含數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量，滿足相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新吞吐量需求。

4 面向綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案

當(dāng)前商用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)均為閉源軟件，客戶只能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)暴露的API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，而不能自主修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的特性。另外，購(gòu)買商用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的價(jià)格不菲，例如對(duì)于一個(gè)擁有5 000監(jiān)測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)，主流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)PI的報(bào)價(jià)為10萬(wàn)美金左右，而軌道交通領(lǐng)域中，一個(gè)車站的數(shù)據(jù)收集點(diǎn)個(gè)數(shù)就不止5 000，一條軌道交通線路包含的各種監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)則往往是數(shù)十萬(wàn)級(jí)的。如果依賴市場(chǎng)上的商業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建綜合監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)導(dǎo)致巨大的成本開(kāi)銷。因此，自主研發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以為企業(yè)節(jié)約軟件成本。此外，鑒于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品還有為企業(yè)創(chuàng)造利潤(rùn)的價(jià)值。另一方面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是基礎(chǔ)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)分支，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的核心服務(wù)之一，自主研發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以提升企業(yè)在信息技術(shù)、工業(yè)控制領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

為節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間成本，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)主要以內(nèi)存為存儲(chǔ)介質(zhì)提供數(shù)據(jù)的存取服務(wù)，不支持關(guān)系數(shù)據(jù)模型。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于存取效率高、性能好，缺點(diǎn)在于功能相對(duì)比較單一。根據(jù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的需求，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊框如圖2所示。

對(duì)于這些模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)需要基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)添加或修改的功能主要包括（按模塊劃分）：

1) 消息監(jiān)聽(tīng)模塊：將添加數(shù)據(jù)訂閱接口以支持與數(shù)據(jù)值相關(guān)的訂閱規(guī)則；

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊框圖Fig.2 Functional modules of real-time databases

2) 消息發(fā)送模塊：支持向關(guān)系庫(kù)發(fā)送加載數(shù)據(jù)、持久化數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，支持點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)布；

3) 存取引擎模塊：在更新點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，支持將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；

4) 數(shù)據(jù)持久化模塊：支持將緩存的點(diǎn)數(shù)據(jù)持久化到歷史庫(kù)中；

5) 數(shù)據(jù)加載模塊：支持將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、點(diǎn)屬性、點(diǎn)的歷史值等數(shù)據(jù)從參數(shù)庫(kù)、歷史庫(kù)中獲取；

6) 訂閱/發(fā)布模塊：支持一定的與數(shù)據(jù)值相關(guān)的訂閱規(guī)則，包括設(shè)定點(diǎn)數(shù)據(jù)值閾值、點(diǎn)數(shù)據(jù)值變動(dòng)閾值等；當(dāng)更新的點(diǎn)數(shù)據(jù)值滿足規(guī)則時(shí)，會(huì)將點(diǎn)數(shù)據(jù)值發(fā)布給訂閱者；

7) 內(nèi)存管理模塊：可清理緩存的歷史數(shù)據(jù)；

8) 日志管理模塊：支持與實(shí)時(shí)庫(kù)業(yè)務(wù)相關(guān)的日志管理，日志會(huì)記錄應(yīng)用報(bào)警、參數(shù)加載、數(shù)據(jù)持久化等信息；

9) 主從管理模塊：采用主從的方式保存數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障。

另外，為使客戶端連接到實(shí)時(shí)庫(kù)服務(wù)，還需要為應(yīng)用程序提供客戶端庫(kù)?？蛻舳藥?kù)需要提供的功能主要有：

1) 管理、維護(hù)與實(shí)時(shí)庫(kù)的連接，包括建立、維護(hù)、關(guān)閉與服務(wù)器的連接，出現(xiàn)連接故障時(shí)會(huì)自動(dòng)重連，在主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)可連接到備用服務(wù)器等；

2) 管理與實(shí)時(shí)庫(kù)的讀寫請(qǐng)求的傳輸，并支持?jǐn)?shù)據(jù)操作的批量提交以提升系統(tǒng)吞吐量；

3) 若應(yīng)用程序希望以操作二維數(shù)據(jù)表的方式存取數(shù)據(jù)，客戶端庫(kù)需實(shí)現(xiàn)對(duì)二維數(shù)據(jù)操作的降維及恢復(fù)，包括將對(duì)二維表的數(shù)據(jù)操作轉(zhuǎn)換為對(duì)一維特定格式字符串的操作及其逆轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)閷?shí)時(shí)庫(kù)采用了高效的鍵值數(shù)據(jù)模型來(lái)存取數(shù)據(jù)而不是傳統(tǒng)的二維表模型。為同時(shí)保證應(yīng)用程序操作數(shù)據(jù)的便利性及實(shí)時(shí)庫(kù)處理數(shù)據(jù)的高性能，客戶端庫(kù)需要支持對(duì)二維數(shù)據(jù)操作與對(duì)字符串操作的相互轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)束語(yǔ)

如何利用信息化技術(shù)提升產(chǎn)品信息化水平，以提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力是工業(yè)領(lǐng)域中諸多企業(yè)所面臨的重要問(wèn)題。作為信息的儲(chǔ)存及傳播的載體，數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)成為各方關(guān)注的重點(diǎn)，而傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中難以滿足數(shù)據(jù)高效存取的需求。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，一種能夠快速存取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，則能夠很好地滿足該類需求。本文根據(jù)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)所提出的需求，分析形成了一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。