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淺談實時數據庫系統原理及其應用
孫俊彥蘇州大學計算機科學與技術學院
摘要:現代的工程和時間關鍵型應用對數據庫的實時性和對數據直接分析和處理的能力要求特別高,單純的傳統關系數據庫已經不能滿足需要,實時數據庫系統(em)就在這種情況下產生和發展.此文從實時數據庫系統的產生背景,實時數據庫的基本原理和主要技術,實時數據庫系統的應用及發展前景來淺談實時數據庫.
前言
數據庫的理論與技術發展極其迅速,其應用日益廣泛,在當今的信息社會無所不在,尤其是關系數據庫在傳統數據領域的應用.然而傳統數據庫必須將數據存入數據庫后再進行查找和后續的分析及數據瓦據等對數據的操作.這種特性決定了傳統數據庫在現代工程和時間關鍵性的應用方面顯得軟弱無力.而且主流關系數據庫大多接口定義的很復雜并不容易擴展.
如今數據庫的應用已經從傳統領域向新的領域發展,如數據通信,電話交換,電力調度等網絡管理;電子銀行事務,電子數據交換與電子商務,證券與股票交易;交通控制,雷達跟蹤,武器制導,實時仿真,作戰指揮等軍事應用;自動儲存,數據實時采集與分析監視等工廠過程.這些應用活動(任務或者事務)具有很強的時間性,要求在規定的時刻和一定的時間內完成處理,而且又要大量共享和控制數據.同時,處理的數據往往是”短暫”的.即這些數據往往具有有效期,過了有效期這些數據將變為無效數據.所以這些數據對數據庫和實時處理兩者的功能和特征均有需求.既需要大量數據的共享和維護,保持其數據的一致性,又需要實時處理數據的事務.
傳統的數據庫系統更適合處理穩定且具有長有效期的數據,強調數據的一致性和完整性,并不考慮數據及其處理的時間限制,所以傳統數據庫并不能完成滿足實時應用的需要.傳統的實時系統雖然在事務的定時處理方面很強大,但是它一般只針對非常簡單的數據結構,并且對數據的組織管理能力較弱.因此只有將數據庫技術和實時處理技術無縫集成的實時數據庫才能同時支持實時處理和數據完整一致性.
實時數據庫系統的基本原理
(1)實時數據庫的定義:實時數據庫就是數據和事務都有顯式定時限制的.
系統的正確性不僅依賴于事務的邏輯結果,而且依賴于該邏輯結果產生的時間.因此, 實時數據庫系統≠數據庫系統+實時操作系統
(2)實時數據庫的基本特點:
–數據的時效性
一個數據對象有三個主要屬性:當前值,采樣時間,采樣頻率
–事務的定時限制
實時數據處理(即實時事務)有定時(定時可以是絕對,相對或周期時間)限制
(3)實時數據庫的功能(RDBMS的功能):
–一般DBMS具有的基本功能
–數據狀態的最新性,RDBMS需要盡可能保持數據庫的狀態為不斷變化,將數據庫 中的數據及時更新為現實世界中采集到的最新數據
–數據值的時間一致性,保證事務和其讀取的數據是一致的
–事務處理的實時性,確保事務能夠被及時處理,使其在限定的時間有效期內被處 理完成.
(4)實時數據庫的技術實現
–實時數據模型
–實時數據語言
–實時事務模型
–實時事務處理
–緩沖區管理
–數據存儲管理
–恢復機制
–用戶及權限管理
–系統及數據安全管理
–集群服務器支持,分布式的實現
(5)實時數據庫的功能結構
(6)實時數據庫的層次結構
(7)實時數據庫的結構
(8)實時數據庫的功能模塊
–用戶管理模塊
–磁盤文件管理模塊
–任務(進程)管理模塊
–用戶的輸入輸出模塊
–數據的壓縮和解壓模塊
–數據的存儲和組織管理模塊
(9)實時數據庫的設備數據接口
(10)實時數據庫的數據源(數據采集設備)
–DCS
–PLC
–SCADA,HMI
–各種儀表或數據測量采集工具
–數據分析工具
–問題檢測工具或工業監控設備
(11)實時數據庫常見的數據接口
–OPC
–DDE,NETDDE
–
–TCP
–UDP
(12)實時數據庫實現的難點
–實時性的設計。數據實時性與事務實時性的實現
–如何在數據庫系統和實時性的雙重條件下實現并發控制
–如何開發出簡單直接和通用的編程接口
–如何實現實時數據庫的分布式集群處理方式
–如何使實時數據庫能在不同的生產行業之間通用
實時數據庫系統的應用
應用實時數據庫系統的經濟效益是十分顯著的。對于現代工業企業，如何能使決策者能隨時看到實時的生產數據，以便快速的作出商業決策，是企業能否在信息化競爭中贏得先機的條件。在大型流程行業中石油，石化，化肥，冶金，物流等行業中，其主要的經濟效益來自于過程的監控以及對實時變化的過程進行及時的響應，快速的決策。大量使用實時數據庫系統進行控制系統監控，系統先進控制和優化控制，并為企業的生產管理和調度，數據分析，決策支持及遠程查詢提供實時數據服務和多種數據管理功能。特別是對于管理層，利用實時數據庫可以對生產過程進行快速準確的分析，以采取正確的管理方法。
應用此類產品能夠給用戶帶來的主要經濟效益為：
1、建立了一個標準的實時數據庫平臺，為先進控制和優化提供了保證。在流程工業，特別是石化企業，應用先進控制和優化技術以提高企業的效益己成為一種必然的趨勢，而實時數據庫是先進控制和優化的基礎，如果它與其他產品如在線仿真和流程模擬軟件一起應用會給企業帶來更大的效益。
2、由于實時數據庫系統的集成作用，即不僅可以將工廠控制層與管理信息系統集成起來，而且也可以將不同的控制設備如DCS、PLC等集成起來，使得工廠管理層可以實時地得到來自工廠過程的實時數據，這樣就為管理信息系統的開發與應用提供了一個理想的平臺，使管理信息系統實時、高效地運行。
3、由于實時數據庫系統具有很短的實施周期，用戶可以很快地從應用中獲得投資的回報，同時Windows的平臺也使系統的安裝與維護更加容易。
4、通過對影響過程的運行狀態的關鍵參數的監控，使生產的運行狀態保持平穩，當生產狀態發生變化時，可以及時地作出反映，避免裝置及設備停車，這方面的效益是十分巨大的。
5、通過對影響原材料用量的過程以及公用工程中水、電、汽、風的用量的監測，你可以及時的發現問題，特別是對生產調度人員來說，可以利用實時數據庫及時地平衡公用工程及物料供應系統以減少單耗，提高經濟效益。
6、優化生產過程，提高產品的產量及質量。
7、你可以利用實時數據優化你的生產過程。生產管理人員以及工藝管理人員可以利用當前的和歷史的數據對生產的工藝過程進行在線分析，進一步發現過程運行的規律，及時地調整工藝參數，使過程處于優化狀態。同時也可以通過對影響產量及質量的過程參數的監控，達到提高產量及產品質量的目的。你甚至可以根據統計規律對產品的質量數據進行在線分析，預測產品的質量從而達到提高質量的目的。
8、動態地監控生產成本。
9、成本控制人員可以利用實時數據動態地監控生產成本，使成本控制發生在生產過程中，而不是在生產的完成后，以達到降低成本的目的。
10、分析事故原因，你可以利用當前的和長期的歷史數據，對事故進行及時的分析，精確地定位事故發生的原因，以避免事故的再次發生。
針對不同的行業不同的生產類型，其采集數據或者處理數據的方式不一定相 同，實時數據庫必須留下可編程接口和基本常見的事務處理方式。實時數據庫為最終用 戶提供了快捷、高效的工廠信息，由于工廠實時數據存放在統一的數據庫中，工廠中的 所有人，無論在什么地方都可看到和分析相同的信息，客戶端的應用程序可使用戶很容 易對工廠級實施管理，諸如工藝改進、質量控制、故障預防維護等。通過實時數據庫可 集成產品計劃、維護管理、專家系統、化驗室信息系統、模擬與優化等應用程序，在業 務管理和實時生產之間起到橋梁作用。
主流的實時數據庫系統
(1).21
(2)OSIPI
(3)
(4)()
(5)=>InSQL
(6)=>
(7)三維力控=>PCauto
(8)北京亞控組態王
實時數據庫系統的前景
目前實時數據庫的發展處于剛起步階段，研究它的人相對較少，但是已經有不少可行的使用理論被發布出來。市場上主流的實時數據庫系統已經可以在工業生產上非常完好的使用。隨著它的發展，必然會有越來越多的流程型工業企業采用它來采集和分析數據，以便及時對數據進行反映，制定商業決策。這反過來也會對實時數據庫的功能和性能提出更高的要求。因此實時數據庫的發展還是很有商業應用前景的。不過要注意的是，開發實用的實時數據庫系統前必須獲得可靠的理論支持，絕大多數實時數據庫系統由于其應用特點都非常龐大且帶有行業特殊性，開發一個實時數據庫系統必須嚴格按照軟件工程的原則進行，其實現和維護都不是一件很容易的事情。
總結
本文淺顯簡單地從實時數據庫的產生背景，實時數據庫系統實現的基本原理和主要技術，實時數據庫系統的應用與發展前景等方面通俗的介紹了實時數據庫，并對它的實現和應用進行了分析。本文多處借鑒其他文獻。
參考文獻：
[1]黃賢英;李玉桃.基于Linux的嵌入式實時數據庫的設計[J].微計算機信息;2007年02期
[2]廖常斌.國產實時歷史數據庫的發展前途.力控科技.
[3]龐鵬;胡少凱;王錦.基于分布式實時數據庫構建調度自動化系統.PLC技術應用200例;2010年7月
[4]實時數據庫系統原理.北京石大賽普科技有限公司
[5]維基百科，Google上的若干文章及博客園里的若干文章
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