陳寶軍　湯旻安

摘 要：城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)高度集成的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，其目的主要是利用統(tǒng)一的監(jiān)控層硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控對(duì)象集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)主要集成電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、門禁系統(tǒng)（ACS）等子系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩級(jí)管理級(jí)三級(jí)控制的層次和分布式結(jié)構(gòu)，兩級(jí)管理是中央和站級(jí)，三級(jí)控制是中央級(jí)、站級(jí)、字段級(jí)。文章主要針對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流進(jìn)行了探討與分析。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)控；數(shù)據(jù)流；設(shè)計(jì)

1 綜合監(jiān)控軟件平臺(tái)

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要分為系統(tǒng)平臺(tái)層、支撐平臺(tái)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)平臺(tái)層提供不同硬件平臺(tái)、不同的操作系統(tǒng)支持；基本服務(wù)和開(kāi)發(fā)工具支持的平臺(tái)提供了一層系統(tǒng)，為用戶提供第三方接入應(yīng)用系統(tǒng)支持兩開(kāi)發(fā)支持；應(yīng)用層包括FAS、BAS和其他應(yīng)用軟件和仿真培訓(xùn)軟件的用戶。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件作為支撐平臺(tái)層，對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)模塊發(fā)揮至關(guān)重要的作用，而傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在過(guò)程控制應(yīng)用中是非常無(wú)力的，而國(guó)外一些成熟的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)價(jià)格昂貴，可處理的點(diǎn)數(shù)少。為了滿足信息實(shí)時(shí)性、一致性、大容量、大吞吐量要求，必須針對(duì)軌道交通的特點(diǎn)，綜合監(jiān)控、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)自己的實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1 數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)流主要有三個(gè)環(huán)節(jié)：FEP、服務(wù)器、工作站。外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FEP到服務(wù)器后在工作站上顯示；工作站上的操作經(jīng)過(guò)服務(wù)器發(fā)到FEP，然后發(fā)布到外部系統(tǒng)。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集是指數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備至ISCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。如：斷路器的狀態(tài)改變將由系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)遙測(cè)接收。ISCS在控制中心與車站都配有兩臺(tái)服務(wù)器，PSCADA、BAS等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)FEP同時(shí)發(fā)送到2臺(tái)服務(wù)器。

2.1.2 命令下發(fā)流程

控制中心操作員有權(quán)對(duì)車站設(shè)備進(jìn)行控制，控制中心操作員的控制命令無(wú)視目標(biāo)設(shè)備位置，可以直接通過(guò)控制中心FEP發(fā)送至子系統(tǒng)，然后通過(guò)子系統(tǒng)下發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備；或通過(guò)ISCS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車站ISCS服務(wù)器，再通過(guò)車站FEP發(fā)送至子系統(tǒng)，在由子系統(tǒng)將命令下發(fā)給具體執(zhí)行設(shè)備。

2.1.3 數(shù)據(jù)發(fā)布流程

數(shù)據(jù)發(fā)布是指將服務(wù)器處理過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)布至工作站的人機(jī)界面上，向操作員進(jìn)行顯示或產(chǎn)生報(bào)警等功能的過(guò)程。軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，為減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的高效利用。一方面，工作站可主動(dòng)向服務(wù)器“要”數(shù)據(jù)。另一方面，為了保證變化數(shù)據(jù)在人機(jī)界面上的快速反應(yīng)，服務(wù)器也會(huì)對(duì)一些變化數(shù)據(jù)采取“推”的方式，主動(dòng)發(fā)送到工作站。工作站收到這些被“推”來(lái)的數(shù)據(jù)后，如果與當(dāng)前顯示的人機(jī)界面相關(guān)，立即更新人機(jī)界面內(nèi)容；如果無(wú)關(guān)，則直接將這些數(shù)據(jù)丟棄。因此軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)布是采用“推”、“要”相結(jié)合的方式。數(shù)據(jù)發(fā)布包括發(fā)布到HMI和發(fā)布到應(yīng)用程序，而發(fā)布到HMI又包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布到HMI、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布到HMI兩個(gè)方面。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的核心，管理在線運(yùn)行的數(shù)據(jù)。其目標(biāo)是保證實(shí)時(shí)性、一致性、訪問(wèn)的高性能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具有以下功能：

*面向?qū)ο?、具有設(shè)備的概念、支持圖模一體化；

*分布式結(jié)構(gòu)，便于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)的增減；

*可跨平臺(tái)，支持所有主流的操作系統(tǒng)；

重建在線數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不能丟失；

*確保數(shù)據(jù)庫(kù)一致性；

*確保系統(tǒng)的安全；

*支持SQL語(yǔ)言。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)、告警、事件日志等數(shù)據(jù)，但讀寫頻率較低。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)化和擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員的能力，提供了簡(jiǎn)單、靈活然而功能強(qiáng)大的XQL查詢引擎，產(chǎn)生內(nèi)存內(nèi)的訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需要信息的快速檢索。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具有以下功能：

*可跨平臺(tái)，支持多種主流廠商的硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng)平臺(tái)；

*支持各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，如TCP/IP、SPX/IPX、X.25、SNA、NetBIOS、ANSI/ISO SQL-92等協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)；

*數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伸縮性；數(shù)據(jù)庫(kù)能夠在SMP系統(tǒng)中配置生成多個(gè)引擎，能夠綁定CPU給用戶和應(yīng)用程序；

*具有良好的開(kāi)放性，支持異種數(shù)據(jù)庫(kù)的互訪；

*支持分布式事務(wù)及兩階段提交功能；

*在網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)冗余復(fù)制；多個(gè)復(fù)制模式（如一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及雙向復(fù)制），支持基于事務(wù)日志的復(fù)制，保證復(fù)制事務(wù)完整性；

*數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)參數(shù)允許進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，不須重啟系統(tǒng)；可對(duì)高速緩存進(jìn)行命名管理并且與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象綁定；

*隨著快速的并發(fā)訪問(wèn)操作，并發(fā)控制是穩(wěn)定的和可靠的，并支持多進(jìn)程和多線程；

*具有在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下對(duì)大容量數(shù)據(jù)的并行、壓縮備份功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)核心模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的核心模塊設(shè)計(jì)為三個(gè)模塊，即點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理。

2.3.1 點(diǎn)管理模塊

點(diǎn)（記為point）是一個(gè)獨(dú)特的表示不同的數(shù)據(jù)流，如電壓和電流值，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，溫度計(jì)的數(shù)量等。任何可測(cè)量的設(shè)備屬性都可以定義為“點(diǎn)”。點(diǎn)類型主要包括數(shù)字量和模擬量。在軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)字量的變化較低，仿真的頻率較高，因此對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析主要是模擬的。

“point”是一個(gè)18位字符串，獨(dú)特的身份，稱它為標(biāo)簽。單點(diǎn)信息一般包括點(diǎn)標(biāo)簽、類型、單位、描述、死時(shí)間值、是否保存歷史數(shù)據(jù)、B+樹(shù)根節(jié)點(diǎn)等。所有的“點(diǎn)”信息是一組點(diǎn)，所有在內(nèi)存中。

點(diǎn)管理主要是指對(duì)點(diǎn)表的維護(hù)，包括點(diǎn)的增加、刪除、修改信息的點(diǎn)、點(diǎn)的快速搜索等。點(diǎn)是數(shù)據(jù)管理的基本單位，各種操作的數(shù)據(jù)都是以點(diǎn)進(jìn)行的。因此，快速的點(diǎn)查詢對(duì)提高系統(tǒng)的性能有著重要意義。實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)采用哈希表索引方法進(jìn)行點(diǎn)查詢，可以快速查找指定的信息點(diǎn)。

2.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是最近一段時(shí)間的一個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)值，它是時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。每個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄都有一個(gè)時(shí)間戳，并記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間。一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄包括四個(gè)組成部分，如標(biāo)簽、時(shí)間戳、狀態(tài)、值等。

根據(jù)數(shù)據(jù)集成的交通監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，即數(shù)字、模擬、數(shù)字模擬特性變化緩慢，變化很快，為了更好地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為歷史數(shù)據(jù)，采用雙緩沖方法的設(shè)計(jì)，即：

（1）為每一個(gè)“point”建立一個(gè)比較大的緩存（如100記錄的緩存），記為cache_1。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不能直接進(jìn)入B+樹(shù)，但根據(jù)名字直接寫入到相應(yīng)的cache_1點(diǎn)；當(dāng)數(shù)存儲(chǔ)在cache_1最大記錄，統(tǒng)一包裝到B+樹(shù)。單元點(diǎn)到海量存儲(chǔ)，大大降低了寫B(tài) +樹(shù)的數(shù)量，降低了樹(shù)的高度，增加了寫和查詢速度，并得到了一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可以進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)壓縮。在一些特殊情況下（如50萬(wàn)點(diǎn)），你可以打開(kāi)一個(gè)一定規(guī)模的max_cache1緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)滿，然后轉(zhuǎn)移到cache_1新點(diǎn)，對(duì)于那些指出，長(zhǎng)時(shí)間不使用的內(nèi)存使用LRU置換算法。由于數(shù)字量的緩慢變化，模擬量變化快，所以模擬量更頻繁訪問(wèn)的cache_1。但比例數(shù)字集成流量監(jiān)控系統(tǒng)，和一個(gè)相對(duì)小的數(shù)目的模擬系統(tǒng)，允許max_cache1尺寸接近模擬*sizeof的數(shù)量的情況下（cache_1），具有很高的命中率。

（2）根據(jù)內(nèi)存的大小，為每個(gè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)比較小的緩存，記為cache_2，確保所有點(diǎn)的cache_2可以放入內(nèi)存。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)的cache_2緩存對(duì)應(yīng)點(diǎn)第一，當(dāng)記錄數(shù)cache_2存儲(chǔ)達(dá)到上限，然后寫cache_1。設(shè)置緩存cache_2的目的也是提高速度。由于慢的數(shù)量的變化（一天可能只有幾個(gè)數(shù)據(jù)），較小的高速緩存的數(shù)量是足夠的，以應(yīng)付很長(zhǎng)一段時(shí)間。通過(guò)cache_2批量處理，大大減少了訪問(wèn)cache_1數(shù)量，也降低了節(jié)目的數(shù)量訪問(wèn)磁盤的寫入速度提高。

雙緩沖技術(shù)是為每一個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)比較大的和小的存儲(chǔ)緩沖區(qū)。一個(gè)小的緩沖區(qū)總是在記憶；和緩沖可以轉(zhuǎn)移到內(nèi)部和外部存儲(chǔ)之間轉(zhuǎn)移，使用LRU置換算法。緩存技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)庫(kù)處理歷史數(shù)據(jù)的性能，然后可以支持更多的點(diǎn)。

2.3.3 歷史數(shù)據(jù)管理

當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出一定的周期時(shí)，即存儲(chǔ)在磁盤中的歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)可以優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)，并為失效分析提供了有力的工具。使用B+樹(shù)來(lái)組織文件數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。由于在工作組的順序，B+樹(shù)有一個(gè)良好的效率，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)處理是時(shí)間序列數(shù)據(jù)。當(dāng)一組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)，它將它存儲(chǔ)在一個(gè)B+樹(shù)中。每一個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)時(shí)間作為索引的B+樹(shù)，B+葉節(jié)點(diǎn)是一組歷史數(shù)據(jù)壓縮包。為了保持長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)，在有限的存儲(chǔ)空間，利用赫夫曼壓縮算法的設(shè)計(jì)，分別對(duì)數(shù)字時(shí)間戳壓縮，從而大大減少了占用的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁盤空間。當(dāng)您需要查詢一個(gè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，首先滿足壓縮包的條件，以便讀取時(shí)間，以便讀取內(nèi)存，然后在內(nèi)存中提取，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，返回給用戶。

參考文獻(xiàn)

[1]魏曉東.城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[2]南京南瑞集團(tuán)內(nèi)刊.RT21-ISCS軟件應(yīng)用書[Z].

[3]劉佳寶，梁奕，陳天浩.RT21-ISCS綜合監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市軌道交通研究，2012（1）.

[4]張寶廣，隋國(guó)棟，李海鋒.城市軌道交通工務(wù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2010（1）.

[5]錢笑宇，張彥武.工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005（1）.