工控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)的特點(diǎn)要求全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及生產(chǎn)信息的集成與共享。要滿足上述對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理要求僅靠大量采用集散控制系統(tǒng)（DCS）和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)并不能完全解決問(wèn)題。DCS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力有限，同時(shí)企業(yè)中異構(gòu)的DCS無(wú)法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)共享。而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理速度低，無(wú)法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)高效的存儲(chǔ)。

　　為了解決上述問(wèn)題，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為一個(gè)關(guān)鍵的支撐技術(shù)引入工業(yè)控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，隨時(shí)掌握裝置的運(yùn)行情況，并通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題即時(shí)進(jìn)行處理，使生產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)保持平穩(wěn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還是是連接工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)與企業(yè)上層管理系統(tǒng)的橋梁，企業(yè)可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)平臺(tái)，為經(jīng)營(yíng)決策、計(jì)劃調(diào)度、先進(jìn)過(guò)程控制，質(zhì)量監(jiān)控等分系統(tǒng)提供同一的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

　　2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概念和特點(diǎn)

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（RTDBS）就是其事務(wù)和數(shù)據(jù)都可以有定時(shí)特性或顯式的定時(shí)限制的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏輯結(jié)果，而且還依賴于邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的一致性和執(zhí)行的周期性是重要的目標(biāo)，由于在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中經(jīng)常以固定的時(shí)間周期收集被控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也必須周期性地處理數(shù)據(jù)和作出響應(yīng)；由于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在一些時(shí)限要求嚴(yán)格的場(chǎng)合不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，而內(nèi)存直接尋址是一種具有高速的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式，在技術(shù)上采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)是解決這一問(wèn)題的理想解決方案。

　　整個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)分為駐內(nèi)和留外兩個(gè)部分，駐內(nèi)部分即為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的主體，存儲(chǔ)形式可采用順序結(jié)構(gòu)，B樹(shù)結(jié)構(gòu)或多目錄搜索哈希技術(shù)（散列技術(shù)）。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)定時(shí)進(jìn)行事務(wù)處理，對(duì)超過(guò)一定時(shí)間的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中清除，寫(xiě)到外存數(shù)據(jù)庫(kù)中。外存數(shù)據(jù)庫(kù)即磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)或歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，用于歷史記錄分析，報(bào)表生成答應(yīng)或相關(guān)決策等等。本系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是Microsoft公司的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品SQLServer。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)

　　3.1數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集程序的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)工控系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。Windos提供的定時(shí)器TImer遠(yuǎn)達(dá)不到要求，必須使用精度更高的定時(shí)器來(lái)取代。

　　Windows系統(tǒng)下的多媒體定時(shí)器API函數(shù)timeSetevent和timeKillEvent就能很好的滿足實(shí)時(shí)性的要求。該多媒體定時(shí)器工作在自己的線程內(nèi)，且它的線程優(yōu)先級(jí)（threadprioritylevel）設(shè)定為T(mén)HREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL,這比絕大部分的線程優(yōu)先權(quán)數(shù)值都高，相比工作在用戶界面線程內(nèi)的Timer定時(shí)器來(lái)說(shuō)，它不受消息機(jī)制的影響，能夠達(dá)到很高的定時(shí)精度。它的最高定時(shí)精度能夠達(dá)到1ms,能夠滿足較高實(shí)時(shí)性的要求。

　　3.2內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)指數(shù)據(jù)庫(kù)常駐內(nèi)存及事務(wù)的數(shù)據(jù)存取只涉及內(nèi)存。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)是支持實(shí)時(shí)事務(wù)的一種最佳技術(shù)，其本質(zhì)特征是其“主拷貝”或“工作版本”常駐內(nèi)存，活動(dòng)事務(wù)只與實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)存拷貝交互，顯然，它需要較大的內(nèi)存量。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)可以簡(jiǎn)記為MMDB。MMDB的“工作版本”常駐內(nèi)存，在任何一個(gè)事務(wù)執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有內(nèi)外存間數(shù)據(jù)I/O。這為系統(tǒng)較準(zhǔn)確估算和安排事務(wù)的運(yùn)行時(shí)間、實(shí)現(xiàn)事務(wù)的定時(shí)限制打下了基礎(chǔ)，從而滿足外部事務(wù)應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間和事務(wù)吞吐率的需求。

　　3.2.1利用內(nèi)存映射文件共享內(nèi)存

　　共享內(nèi)存是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)核心技術(shù)之一。所謂內(nèi)存映射文件，即在內(nèi)存中申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間，將一個(gè)文件與這塊空間相聯(lián)系，再進(jìn)行內(nèi)存映射，這樣，操作文件就有和操作內(nèi)存一樣的效率，幾個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)操作該映射文件，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間在內(nèi)存一級(jí)的高速數(shù)據(jù)交互。當(dāng)采用內(nèi)存映射文件方式時(shí)，Windows對(duì)于再次使用該文件的進(jìn)程不在創(chuàng)建新的映射文件對(duì)象而共享前一段內(nèi)存映射對(duì)象，并將該對(duì)象映射成兩個(gè)地址空間，這種機(jī)制不僅有效地利用了內(nèi)存，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。要在Windows2000下實(shí)現(xiàn)內(nèi)存讀寫(xiě)一級(jí)的數(shù)據(jù)通信效率，唯一的辦法就是使用內(nèi)存映射文件。內(nèi)存映射文件使用方法如下：

　?。?）創(chuàng)建或打開(kāi)文件內(nèi)核對(duì)象

　　創(chuàng)建或打開(kāi)一個(gè)文件內(nèi)核對(duì)象，總要調(diào)用CreateFileCreateFile函數(shù)：HANDLECreateFilePCSTRpszFile-Name,DWORDdwDesirdAccess,DWORDdwShare-Mode,PSECURITY_ATTRIBUTESpsa,DWORDdwCreatiONDisposition,DWORDdwFlags

AndAtributes,HANDLEhTemplateFile），如果CreateFile函數(shù)成功地創(chuàng)建或打開(kāi)指定的文件，便返回一個(gè)文件內(nèi)存對(duì)象地句柄，否則返回INVALID_HANDLE_VALUE。

　　（2）創(chuàng)建一個(gè)文件映射內(nèi)核對(duì)象。

　　調(diào)用CreateFile函數(shù)，可將文件映像的物理存儲(chǔ)器位置告訴操作系統(tǒng)。這時(shí)，必須告訴系統(tǒng)，文件映射對(duì)象需要多少物理存儲(chǔ)器。若進(jìn)行這項(xiàng)操作，可以調(diào)用CreateFileMapping函數(shù)：HANDLECreateFileMapping（HANDLEhFile,PSECURITY_ATTRIBUTESpsa,DWORDfdwProtect,DWORDdwMaximum

SizeHigh,DWORDdwMaximumSizeLow,PCTSTRpszName）。系統(tǒng)創(chuàng)建文件映射對(duì)象，并將用于標(biāo)識(shí)該對(duì)象的句柄返回該調(diào)用線程。如果系統(tǒng)無(wú)法創(chuàng)建文件映射對(duì)象，便返回一個(gè)NULL句柄值。

　　如果內(nèi)存映射共享文件只是為了進(jìn)程間互相傳送信息，而完全沒(méi)有要將其設(shè)置為磁盤(pán)文件的情況下，可以直接在內(nèi)存中定義一個(gè)空間來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。方法很簡(jiǎn)單：在調(diào)用CreateFileMapping函數(shù)時(shí)，設(shè)置（HANDLE）0xFFFFFFFF作為hFile參數(shù)。這樣就告訴系統(tǒng)不映射Windows磁盤(pán)上的內(nèi)容，而只是要Windows把內(nèi)存中一區(qū)域看成文件。

　　（3）將文件數(shù)據(jù)映射到進(jìn)程地地址空間。

　　當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)文件映射對(duì)象后，仍必須讓系統(tǒng)為文件數(shù)據(jù)保留一個(gè)地址空間區(qū)域，并將文件數(shù)據(jù)作為映射到該區(qū)域的物理存儲(chǔ)器進(jìn)行提交。可通過(guò)MapViewOfFile函數(shù)來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)操作：PVOIDMapViewOfFile（HANDLEhFileMappingObject,DWORDdwDesireAddress,DWORDdwFileOffsetHigh,

DOWRDdwFileOffsetLow,SIZE_TdwNumberOfBytesToMap）；當(dāng)一個(gè)文件視圖映射到進(jìn)程的地址空間中時(shí)，必須規(guī)定兩件事。首先，必須告訴系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件中哪個(gè)字節(jié)該作為視圖中的第一個(gè)字節(jié)來(lái)映射?？捎胐wFileOffsetHigh和dwFileOffsetLow參數(shù)來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)操作。其次，必須告訴系統(tǒng)，數(shù)據(jù)文件有多少字節(jié)需要映射到地址空間。可使用dwNumberOfBytesToMap參數(shù)來(lái)設(shè)定。

　　（4）從進(jìn)程的地址空間中撤銷文件數(shù)據(jù)的映像。

　　當(dāng)不需要保留映射到你的進(jìn)程地址空間區(qū)域中的文件數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)調(diào)用下面的函數(shù)來(lái)釋放：

　　BOOLUnmapViewOfFile（PVOIDpvBaseAddress）。

　?。?）關(guān)閉文件映射對(duì)象和文件對(duì)象。

　　若要關(guān)閉文件映射對(duì)象和文件對(duì)象，只需要兩次調(diào)用CloseHandle函數(shù)。

　　3.2.2內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)

　　由于數(shù)據(jù)庫(kù)存放在內(nèi)存中，不再像普通數(shù)據(jù)庫(kù)那樣作為大量磁盤(pán)文件的集合，而是內(nèi)存中可直接尋址的數(shù)據(jù)。內(nèi)存直接尋址，是目前訪問(wèn)速度最快的存儲(chǔ)設(shè)備，從而能夠滿足高度實(shí)時(shí)性的要求。從工業(yè)以太網(wǎng)得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)應(yīng)用程序處理后，將其引入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)工控自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，在工控自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)操作最多的是根據(jù)工位名等進(jìn)行的精確查詢、更新，如每秒鐘可能有成千上萬(wàn)個(gè)工位需要更新其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。所以，散列技術(shù)將是工控系統(tǒng)中內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)存取算法的首選。

　　構(gòu)造散列函數(shù)需要考慮計(jì)算散列函數(shù)所需要的時(shí)間（包括硬件指令的因素），過(guò)于復(fù)雜的散列函數(shù)將影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。構(gòu)造散列函數(shù)的方法很多，常用的有直接定址法、平方取中法、折疊法、保留余數(shù)法。其中保留余數(shù)法是一種最簡(jiǎn)單、也最常用的構(gòu)造散列函數(shù)的方法，它不僅可以對(duì)關(guān)鍵字直接取模，也可以在折疊、平方取中等運(yùn)算后取模。另外，關(guān)鍵字的選擇將影響散列函數(shù)的均勻性，盡可能使關(guān)鍵字經(jīng)過(guò)散列函數(shù)得到一個(gè)隨機(jī)的地址，以便使一組關(guān)鍵字的散列地址均勻分布在整個(gè)地址區(qū)間中，從而減少?zèng)_突。構(gòu)造散列函數(shù)需要考慮一下兩個(gè)問(wèn)題：（1）如何構(gòu)造使節(jié)點(diǎn)“分布均勻”；（2）一旦發(fā)生沖突，用什么方法解決。綜上考慮，我們采用雙重散列技術(shù)。首先雙重散列所產(chǎn)生的探測(cè)序列能夠查找整個(gè)散列表，但選取的輔助散列函數(shù)g（k）必須與M互素。其次，雙重散列可以產(chǎn)生Θ（m2）種探測(cè)序列，使得處理碰撞時(shí)，選取空位置更加隨機(jī)，選取合理的輔助散列函數(shù)將使得散列表很少產(chǎn)生堆積。如果M是素?cái)?shù)，且h（k）=kmodM,則我們可以設(shè)g（k）=1+（kmod（M-1））；但由于M-1是偶數(shù)，因而命名g（k）=1+（kmod（M-2））將更好。這就提示我們選擇M使得M和M-2好像1021和1019這樣的“孿生素?cái)?shù)”。

　　3.2.3實(shí)時(shí)事務(wù)調(diào)度

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)各個(gè)部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為公共區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)要同時(shí)進(jìn)行下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示刷新、歷史數(shù)據(jù)存盤(pán)、事件報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)控制等事務(wù)。其調(diào)度模型如圖1所示，所有事務(wù)都要進(jìn)行并行處理。

　　實(shí)時(shí)事務(wù)調(diào)度是一個(gè)較復(fù)雜的算法問(wèn)題，考慮到時(shí)間限制，其調(diào)度策略可分為三類：①優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法；②時(shí)間片輪算法；③多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法。而實(shí)時(shí)事務(wù)調(diào)度一般都是圍繞事務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的，在只有一個(gè)CPU的機(jī)器上，將CPU時(shí)間按照一定的優(yōu)先級(jí)分配給各個(gè)事務(wù)，定期處理某一事務(wù)而不會(huì)使某一事務(wù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可用多線程編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種并行控制，實(shí)時(shí)調(diào)度各類事務(wù)。本系統(tǒng)就采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，其優(yōu)先權(quán)分配策略采用最大密度事務(wù)付給最高優(yōu)先權(quán)。本系統(tǒng)中除了控制事務(wù)和數(shù)據(jù)采集事務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高外，其他數(shù)據(jù)處理類型事務(wù)的緊迫性和定時(shí)性要求相對(duì)較低，因此，本系統(tǒng)對(duì)不同類型的事務(wù)分配不同的優(yōu)先權(quán)，以最大限度地提高系統(tǒng)的性能。

　　3.3多線程編程技術(shù)的引入

　　在工控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的設(shè)置時(shí)間間隔進(jìn)行保存，對(duì)發(fā)生事故的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行事故追憶等，這些功能若全部由一個(gè)線程來(lái)完成，會(huì)因資源沖突等問(wèn)題而影響處理效率。為此，我們采用了多線程編程技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)由通信線程、報(bào)警處理線程、寫(xiě)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)線程、圖形顯示線程、實(shí)時(shí)曲線顯示線程和主界面線程等。

　　撰寫(xiě)多線程程序的一個(gè)最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題就是：如何讓一個(gè)線程和另一個(gè)線程合作。這引出了一個(gè)非常重要的問(wèn)題：同步。所謂同步是指進(jìn)程、線程間相互通信時(shí)避免破壞各自數(shù)據(jù)的能力。在本系統(tǒng)中，我們引入了“讀者-寫(xiě)者”模型，在該模型中，有多個(gè)讀者和多個(gè)寫(xiě)者，以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)為臨界資源進(jìn)行同步訪問(wèn)。其中通信線程、寫(xiě)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)線程為“寫(xiě)者”線程，報(bào)警處理線程、圖形顯示線程、實(shí)時(shí)曲線顯示線程為“讀者”線程。“讀者-寫(xiě)者”模型的讀寫(xiě)操作限制如下所示：①寫(xiě)-寫(xiě)互斥：不能有兩個(gè)寫(xiě)者同時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作；②讀-寫(xiě)互斥：不能同時(shí)有一個(gè)線程在讀，而另一個(gè)線程在寫(xiě)；③讀-讀允許：可以有一個(gè)或多個(gè)讀者在讀[7]。這樣，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)線程之間的相互協(xié)調(diào)來(lái)工作，可以避免因循環(huán)檢測(cè)而浪費(fèi)系統(tǒng)效率，比較好地解決了各線程訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)之間的同步問(wèn)題。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的一個(gè)分支，在工業(yè)控制過(guò)程中，其開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，使得它對(duì)生產(chǎn)過(guò)程信息的集成發(fā)揮著重要的作用，有著及其廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了在工業(yè)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能、特點(diǎn)和事務(wù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)多媒體定時(shí)器、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多線程及其同步技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的分析和研究，給出了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，證明該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)，取得了令人滿意的效果。