1 引言 近年來，實(shí)時數(shù)據(jù)庫的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫的重要研究方向之一，在數(shù)據(jù)庫的研究領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。作為工控軟件的關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)時數(shù)據(jù)庫在一些實(shí)時性要求較強(qiáng)的系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。實(shí)時數(shù)據(jù)庫適用于處理不斷更新且快速變化的數(shù)據(jù)，以及具有時間限制的事務(wù)。例如在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，常常需要在幾秒內(nèi)刷新幾千甚至上萬種實(shí)時量和狀態(tài)量，同時，為保持監(jiān)控畫面與現(xiàn)場狀態(tài)的一致性，還需要刷新相應(yīng)的監(jiān)控畫面。這就對實(shí)時數(shù)據(jù)庫的檢索效率提出了更高的要求。 2 影響檢索效率的因素 在實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的存取速度是影響檢索效率的主要瓶頸之一。在對計算機(jī)硬件的性能進(jìn)行分析后可以確定，硬盤的存取速度大致為100Mb/s，如果頻繁的進(jìn)行外存的存取操作，將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。其次是查找表的平均查找長度的影響，在大數(shù)據(jù)量的情況下，如果平均查找長度較大也會成為系統(tǒng)的瓶頸。同時由于數(shù)據(jù)處理的不可預(yù)知性，當(dāng)某個數(shù)據(jù)的處理過程不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成時，還可能使實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)失效或者遺漏一些重要的數(shù)據(jù)及事件，即會引起數(shù)據(jù)處理的滯后甚至沖突。 當(dāng)然，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大容量內(nèi)存已經(jīng)不是設(shè)想而成為事實(shí)。通過擴(kuò)展內(nèi)存可以把所有需要實(shí)時存取的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，而把實(shí)時數(shù)據(jù)庫中用于決策支持的歷史記錄，以及其他的一些派生數(shù)據(jù)（報警記錄、事故記錄等）存放在外存上的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這在一定程度上可以緩解對速度的要求。但內(nèi)存不可能無限制擴(kuò)大，為此必須研究軟件上的方法。 3 基于向量的檢索 3．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時數(shù)據(jù)庫需要保存從各個測控裝置采集上來的數(shù)據(jù)，用于實(shí)時監(jiān)視和現(xiàn)場控制，并對監(jiān)控點(diǎn)的情況進(jìn)行報警和事故的判斷和分析。這些數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)對查找表的平均查找長度有重要的影響。 根據(jù)向量（vector）檢索效率比較高的特點(diǎn)，本文采用了向量來組織這些數(shù)據(jù)，所形成的實(shí)時數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，現(xiàn)場的每個監(jiān)控點(diǎn)是由廠站名稱、監(jiān)控點(diǎn)類型、和監(jiān)控點(diǎn)名稱唯一確定的，每個監(jiān)控點(diǎn)的狀態(tài)則通過多個參數(shù)來描述，這些參數(shù)通常是由現(xiàn)場值、報警標(biāo)志、報警上下限、報警死區(qū)、工作狀態(tài)和一些統(tǒng)計量等組成。 3．2算法的實(shí)現(xiàn) 為了減小平均查找長度,該實(shí)時數(shù)據(jù)庫的排序和檢索可以按照如下算法實(shí)現(xiàn)： 1．廠站名稱的排序和檢索。根據(jù)廠站的數(shù)量一般都相對較少的特點(diǎn)，構(gòu)造如下集合間的映射：map：｛廠站名稱｝ ｛向量下標(biāo)｝其中，廠站名稱為鍵，向量下標(biāo)為值，于是就可由廠站名稱直接得到該向量元素的下標(biāo)，從而查找到該廠站。 2．監(jiān)控點(diǎn)類型和監(jiān)控點(diǎn)名稱的排序和檢索。針對監(jiān)控點(diǎn)類型和監(jiān)控點(diǎn)的名稱的數(shù)量相對都比較大的特點(diǎn)，采用hash表對它們進(jìn)行排序。為了提高地址計算的效率，用直接定址法來構(gòu)造哈希函數(shù)，采用鏈地址法來處理沖突。首先根據(jù)初始的數(shù)據(jù)確定哈希表的長度，一般情況下為了減少沖突，可以生成一個空向量使該向量的長度大于初始數(shù)據(jù)的長度，然后由給定的哈希函數(shù)和沖突處理函數(shù)把相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)類型或監(jiān)控點(diǎn)的名稱映射到向量的各個元素中。如果該向量表已經(jīng)裝滿，只需要在該向量尾部中添加一個元素把新增的數(shù)據(jù)填充到該元素中，然后把該元素的下標(biāo)放到鏈地址表中。 3．監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)的排序和檢索。電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中每個監(jiān)控點(diǎn)對應(yīng)現(xiàn)場中的一個裝置，所以監(jiān)控點(diǎn)需要一些參數(shù)來反映該裝置的狀態(tài)，一般情況下，監(jiān)控點(diǎn)的參數(shù)個數(shù)都不會太多。根據(jù)順序存儲和順序檢索在數(shù)據(jù)量比較少時，效率比較高的特點(diǎn)，采取順序存儲和順序檢索的方法來實(shí)現(xiàn)。并且根據(jù)檢索頻率來動態(tài)調(diào)整參數(shù)的位置，使檢索頻率高的參數(shù)位于向量的前部，檢索頻率低的參數(shù)位于向量的后部。 4．多線程技術(shù)的引入 在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實(shí)時的更新，能夠根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)視、現(xiàn)場模擬，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的設(shè)置的時間間隔進(jìn)行保存，發(fā)生事故的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行事故追憶等。如果這些功能全部由一個線程來完成，會因資源沖突等問題而影響處理效率。為此，我們采用了圖2所示的多線程結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)有通信線程、報警處理線程、寫歷史庫線程、寫磁盤線程、顯示監(jiān)控線程和主界面線程組成。 通信線程主要負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場的通信。現(xiàn)場的各個測控裝置把采集來的數(shù)據(jù)送到各個端口，通信線程實(shí)時的掃描各個端口，通過各種規(guī)約轉(zhuǎn)換把現(xiàn)場采集來的生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)或用戶能夠理解的熟數(shù)據(jù)送到實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，必要時把生數(shù)據(jù)也一同送到實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，同時接受顯示監(jiān)控線程傳來的各種控制和調(diào)節(jié)命令，并通過相應(yīng)的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換為測控裝置能夠識別的數(shù)據(jù)，送到底層裝置中去執(zhí)行。通信線程還負(fù)責(zé)把需要保存的現(xiàn)場生數(shù)據(jù)、通信模塊的系統(tǒng)信息和故障信息寫入一緩沖區(qū)隊(duì)列中，交由另一線程來處理。 報警處理線程主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時掃描、報警和事故的判斷和處理。該線程由通信線程觸發(fā)，處理過程由圖3報警處理流程圖所示，當(dāng)有數(shù)據(jù)寫入實(shí)時數(shù)據(jù)庫時就觸發(fā)該線程。為了防止報警和事故事件的遺漏，用全局變量 NoProccessCount來記錄在一個實(shí)時數(shù)據(jù)庫的掃描周期中現(xiàn)場值已經(jīng)改變但未被處理的點(diǎn)數(shù)，用來bNew標(biāo)志該點(diǎn)的現(xiàn)場值在該掃描周期中是否被改變。當(dāng)通信線程寫實(shí)時數(shù)據(jù)庫時，置相應(yīng)點(diǎn)的bNew標(biāo)志為改變狀態(tài)，并把 NoProccessCount增1。當(dāng)報警處理線程觸發(fā)后，首先在實(shí)時庫中查找到該點(diǎn)， 使NoProccessCount減1，置bNew為未改變狀態(tài)，進(jìn)行報警和事故判斷。如果發(fā)生報警或事故則進(jìn)行相應(yīng)的處理，并把報警信息或事故追憶值寫入相應(yīng)的緩沖區(qū)隊(duì)列中，由另一線程來處理。然后判斷NoProccessCount是否為０。如果為０表示實(shí)時數(shù)據(jù)庫中沒有要處理的點(diǎn)，該線程等待直到下一次被觸發(fā)。否則掃描下一個監(jiān)控點(diǎn)，判斷該點(diǎn)的bNew是否處于改變狀態(tài)。若是，使bNew設(shè)為未改變狀態(tài)，NoProccessCount減1，進(jìn)行報警和事故判斷。如果發(fā)生報警和事故進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后判斷NoProccessCount的值。循環(huán)執(zhí)行以上步驟，直到被結(jié)束事件觸發(fā)，該線程結(jié)束。 寫歷史庫線程主要負(fù)責(zé)把實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定時地保存到外存數(shù)據(jù)庫中。在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，允許用戶自定義歷史庫數(shù)據(jù)，即用戶可以定義要保存的狀態(tài)變化量和測量值以及保存的時間間隔。在實(shí)現(xiàn)時為提高效率，我們將所有需要保存歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)控點(diǎn)信息構(gòu)成一個鏈表，在該鏈表中歷史庫接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)為： struct HistoryNode｛ string stationName; string typeName; string pointName; time_t startTime; double intervalTime; struct HistoryNode ＊next; ｝ ; 其中：stationName為該點(diǎn)的廠站名稱，typeName 為該點(diǎn)的類型，pointName為該點(diǎn)的名稱，startTime為上一次存入歷史庫的時間，intervalTime為寫入歷史庫的時間間隔。寫歷史庫線程實(shí)時對鏈表進(jìn)行掃描，方法是：對鏈表中的每一個點(diǎn)，首先取系統(tǒng)時間與startTime比較，如果系統(tǒng)時間和startTime之差大于intervalTime，說明該點(diǎn)的寫歷史庫周期已到，這時由stationName、typeName、pointName構(gòu)成索引在檢索實(shí)時數(shù)據(jù)庫，得到該點(diǎn)的值，并將其寫入相應(yīng)緩沖區(qū)隊(duì)列中，然后由寫磁盤線程寫入外存數(shù)據(jù)庫，否則掃描下一個節(jié)點(diǎn)。 顯示監(jiān)控線程主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場實(shí)時模擬和現(xiàn)場控制。現(xiàn)場中的每個點(diǎn)在模擬畫面中都有相應(yīng)的映像，該線程定時掃描畫面中每個映像點(diǎn)，根據(jù)映像點(diǎn)的廠站名稱、監(jiān)控點(diǎn)類型、監(jiān)控點(diǎn)名稱查找實(shí)時數(shù)據(jù)庫，得到該模擬點(diǎn)的值，并根據(jù)該值來改變畫面上模擬點(diǎn)的狀態(tài)或顯示該值。 主界面線程主要負(fù)責(zé)用戶的在線設(shè)置工作。該線程把用戶自定義的一些信息如歷史庫數(shù)據(jù)定義、報警允許定義、報警上下限定義等寫入實(shí)時數(shù)據(jù)庫中。同時還負(fù)責(zé)各種線程的管理工作。 寫磁盤線程主要負(fù)責(zé)把緩沖區(qū)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)寫入外存，對于緩沖區(qū)隊(duì)列的讀寫引入了生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型，參見圖4。在該模型中分別有一個生產(chǎn)者（RP）和一個消費(fèi)者（WP）兩個緩存池，其中通信進(jìn)程、報警處理線程、寫歷史庫線程為生產(chǎn)者，寫磁盤線程為消費(fèi)者，同一時刻對同一個緩存池的生產(chǎn)者和消費(fèi)者要互斥地訪問。開始時，由生產(chǎn)者即通信進(jìn)程、報警處理線程、寫歷史庫線程其中之一，負(fù)責(zé)先將兩個緩存池都充滿，當(dāng)兩個緩存池都寫滿后，如果系統(tǒng)中還有新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，則擴(kuò)大第二個緩沖池。然后把第一個緩沖池交給寫磁盤線程，并通知它可以讀取數(shù)據(jù)了，這是寫磁盤線程開始把第一個緩沖池的數(shù)據(jù)寫入外存中。當(dāng)寫磁盤線程讀完一個緩存池后，把該緩沖池交給生產(chǎn)者線程，并通知生產(chǎn)者線程，該緩存池已空可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)了，然后，等待第二個緩沖池可讀時把該緩沖池中的數(shù)據(jù)寫入外存。這樣輪流的進(jìn)行讀寫，使得通信進(jìn)程、報警處理線程、寫歷史庫線程對數(shù)據(jù)的操作都是在內(nèi)存中進(jìn)行，可以大大提高處理的效率。 整個系統(tǒng)通過各個線程之間的相互協(xié)調(diào)來工作，各線程之間利用事件來觸發(fā)，可以避免因循環(huán)檢測而浪費(fèi)系統(tǒng)效率。 4．結(jié)束語 與現(xiàn)存的實(shí)時數(shù)據(jù)庫的檢索方法相比，本文提出的兩種方法在減小表的平均查找長度和提高數(shù)據(jù)處理的速度方面取得了較好的效果。例如在文獻(xiàn)【15】和【16】中實(shí)時數(shù)據(jù)庫的存儲形式采用的是Ｂ-樹結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)。假定實(shí)時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)項(xiàng)的個數(shù)為n，平均查找長度ASL。采用順序查找的方ASL=（n+1）/2；B-樹結(jié)構(gòu)的平均查找長度 ，其中m為B-樹的階數(shù)。 而利用采用本文介紹的檢索方法時，在廠站名稱的檢索中，ASL=1；監(jiān)控點(diǎn)類型和監(jiān)控點(diǎn)的名稱的檢索中， ASL=1+α/2<=1.5（α<=1）。 在筆者開發(fā)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，我們綜合運(yùn)用了上述方法。經(jīng)測試該實(shí)時數(shù)據(jù)庫在IBM APTIVA （Pentium III 550,128M內(nèi)存，Windows 2000 Server）服務(wù)器上運(yùn)行，當(dāng)現(xiàn)場超過五千個監(jiān)控點(diǎn)現(xiàn)場，數(shù)據(jù)通過串口以9600比特率與實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信可達(dá)到的性能指標(biāo):與文獻(xiàn)【17】中三維力控的實(shí)時數(shù)據(jù)庫性能指標(biāo)相比較如表1所示。 參考文獻(xiàn) 1 王荃，金海東，李福中。工控組態(tài)軟件實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 計算機(jī)應(yīng)用 2000，1，6 2 劉云生， 易嵐，余利平。 一個實(shí)時數(shù)據(jù)模型。小型微型計算機(jī)系統(tǒng) 2000，5 3 湯子瀛，哲鳳屏，湯小丹。計算機(jī)操作系統(tǒng)。西安電子科技大學(xué)出版社 2001，8，1 4 嚴(yán)蔚敏，吳偉民。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)出版社1999，7 5 Stanley Lippman等著， 潘愛民譯。 C++ Primer 。中國電力出版社 2002，5 6 DLG107-92, 500kv變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定，中國電力出版社，1992 7 DLG 5002-91,地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)程，中國電力出版社，1991 8 DLG5002-92,電力系統(tǒng)調(diào)度自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)程，中國電力出版社，1992 9 DL476-92 電力系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議，中國電力出版社，1992 10 楊玲.。實(shí)時數(shù)據(jù)庫概述，冶金自動化, 1996 ，3 11 談竹奎。一種遠(yuǎn)動系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成，電力自動化設(shè)備，2002，1 12 周步祥，余小文。實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理軟件的集成策略，計算機(jī)工程，1995，3 13 J. 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