企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺與實時數(shù)據(jù)庫

1 引言
當今社會，世界經濟全球化趨勢導致了世界市場的激烈競爭，同時資源和環(huán)保問題的緊迫性對工業(yè)生產提出了越來越高的要求，這些推動過程工業(yè)不斷追求先進控制與優(yōu)化，充分利用信息和計算機技術，使企業(yè)不斷增強對市場的應變能力，根據(jù)市場需要及時組織和調整生產。充分挖掘生產潛力、提高效率、降低消耗、保護環(huán)境等目標，迫切要求實現(xiàn)生產過程和經營過程的整體優(yōu)化。近年來，采用高可靠、智能化儀表和控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線網絡控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）；開發(fā)高級過程控制技術；在各個層次上實現(xiàn)在線優(yōu)化；推行管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS），進而開發(fā)計算機集成的管理與控制一體化系統(tǒng)，即計算機綜合自動化系統(tǒng)（Computer Integrated Processing System，CIPS），已成為發(fā)達國家過程工業(yè)特別是煉化工業(yè)中控制與計算機在線應用的標準發(fā)展模式。
從技術角度看，幾十年來，流程工業(yè)自動化技術獲得了很大的發(fā)展。從控制系統(tǒng)的體系結構來看，經歷了氣動、電動、直接數(shù)字控制和分布式控制（DCS）四個時代，正在邁向第五個時代，即現(xiàn)場總線網絡控制系統(tǒng)（FCS）。它將成為未來普遍采用的結構形式。
在規(guī)模上，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)可能只有幾個到幾十個I/O 點或控制回路，而現(xiàn)在，一套DCS控制的I/O點和回路多達幾百甚至上千個；系統(tǒng)的控制范圍也從傳統(tǒng)的基于回路的控制，發(fā)展到控制整個裝置或生產線，乃至整個企業(yè)的協(xié)同控制。伴隨著控制規(guī)模和層次的擴大，控制系統(tǒng)的結構也日益復雜化，一方面，整個控制系統(tǒng)在不同層次上細分；從基礎控制、高級過程控制到更高的優(yōu)化控制。另一方面，控制系統(tǒng)的不同層面之間也要求更加縝密的整合。同時，伴隨著控制層次的提升，控制與管理的關系日益密切，在功能上相互滲透。這就是所謂的管控一體化進程。它們在相同的效益指標函數(shù)的規(guī)范下，逐漸被歸入同一個框架中，以實現(xiàn)控制與管理的統(tǒng)一。
在這些以企業(yè)經營管理和企業(yè)生產管理的緊密集成為目標的大型企業(yè)應用軟件中，對生產過程的集成、監(jiān)控、管理是整個應用軟件體系的基礎和平臺。因此，一種能夠網絡化集成監(jiān)控所有自動化設備的新型實時監(jiān)控軟件平臺已經成為國內外自動化廠商開發(fā)的方向。企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺可以分為實時監(jiān)控平臺軟件和信息集成平臺軟件。
2 企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺的國內外概況
2.1 工業(yè)企業(yè)對自動化與信息化的實時軟件平臺的要求
(1) 集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應用的自動化控制設備，逐步消除工廠內各不相同的專有技術、網絡、協(xié)議所產生的不良效果；
(2) 降低自動化系統(tǒng)的總體投資成本，并最大程度的保護在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)上的投資；
(3) 滿足工廠生產過程控制從單機生產到聯(lián)網生產的需要，最終提高生產效率和經濟效益；
(4) 使全廠實時生產過程信息進入企業(yè)內所有的計算機平臺，滿足企業(yè)對生產更深入、更及時地管理；
(5) 提供開放、標準的方式或方法，使先進控制軟件（APC）、生產調度軟件能夠方便的開放；
(6) 統(tǒng)一自動化控制系統(tǒng)的基礎設施網絡，為將自動化系統(tǒng)最終融入信息管理系統(tǒng)提供條件和可能；
(7) 充分利用網絡通訊技術、Internet/Intranet技術，使生產管理人員和現(xiàn)場操作人員能夠在任何地方對機器、生產過程乃至工廠生產管理進行遠程控制。
現(xiàn)在，國外商品化的實時監(jiān)控軟件正在全力朝這個方向發(fā)展，典型的產品有美國Intellution公司的Fix Dynamics軟件、WonderWare公司的InTouch軟件、以色列PCSoft國際公司的WizConr軟件、澳大利亞Citect公司的Citect軟件、法國ARC公司的PCVUE32軟件等，這些軟件大都已經進入中國市場。目前國內的實時監(jiān)控軟件平臺已具有相當?shù)幕A，而且國產實時監(jiān)控軟件平臺在圖形界面上已具有相當水平。
在過程控制中，由于各種數(shù)字化自動控制系統(tǒng)的廣泛應用，已經可以獲得大量有關生產過程運行的“海量數(shù)據(jù)”。但是，這些數(shù)據(jù)只是各個生產過程的一些細節(jié)、片面的信息，并不能從全廠的角度反映產品質量、生產計劃執(zhí)行情況、能源消耗情況。這種存在于企業(yè)經營管理系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)之間的信息鴻溝是所有企業(yè)在實施資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）或企業(yè)供應鏈管理系統(tǒng)時所遇到的實際問題。
針對這種實際問題，國外軟件開發(fā)商已經開發(fā)成功商品化的信息集成平臺軟件，專門用于運營決策管理和實時過程控制的信息交換及緊密集成。典型產品有美國OSI公司的PI軟件、CamStar System公司的InSite軟件、RealtimeInfo公司的InfoLink軟件等?，F(xiàn)在，這種實際問題已經開始被廣大國內企業(yè)所認識，國內這方面的研究開發(fā)工作也已開始起步。
2.2 實時監(jiān)控平臺軟件
作為工業(yè)自動化控制設備監(jiān)視、控制、管理的工具和企業(yè)信息管理系統(tǒng)的重要組成部分，實時監(jiān)控軟件平臺在工業(yè)生產中越來越多地得到應用。表1是國外主要商品化實時監(jiān)控軟件平臺的市場銷售情況一覽表。
大多數(shù)國外工業(yè)自動化咨詢研究、市場調
查公司測算認為，全球工業(yè)自動化軟件和實時監(jiān)控軟件平臺以每年10%～15%的速度增長。中國國內各行業(yè)每年的實時監(jiān)控軟件市場的總裝機容量已達到20 000套，并以高于國際平均水平的速度快速增長。
國產實時監(jiān)控軟件平臺發(fā)展十分迅速，與國外產品相比，在市場推廣應用方面占有明顯的優(yōu)勢：中文本地化軟件，國內企業(yè)的工程技術人員、管理人員和操作人員使用比較方便；大部分國產監(jiān)控軟件的技術支持和售后服務比國外要好；實時監(jiān)控軟件按照國內企業(yè)管理需求和中國人的思維習慣進行設計，適合中國國情；國內實時監(jiān)控軟件價格相對便宜，企業(yè)都能接受。因此，擁有自主版權，符合中國國情，具有國際水平的實時監(jiān)控軟件平臺的市場前景非常廣闊。
2.3 信息集成平臺軟件
隨著企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）、供應鏈管理系統(tǒng)和工業(yè)過程自動化系統(tǒng)的廣泛應用，用于它們之間的綜合信息集成軟件平臺的重要作用，必將被廣大企業(yè)的工程技術人員和企業(yè)管理人員所認可。
據(jù)不完全統(tǒng)計，美國已有煉油、化工、電力、食品、制藥等行業(yè)的兩萬多家企業(yè)應用了這種綜合集成軟件平臺。開發(fā)這類軟件的公司被認為是最熱門的軟件開發(fā)公司。表2給出了一些主要商品化綜合集成軟件平臺的市場銷售統(tǒng)計。
國內企業(yè)對該類軟件的需求將隨著企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）、供應鏈管理系統(tǒng)的應用和自動化控制系統(tǒng)的完善而逐漸增加。預計在近幾年內，全國煉油、化工、冶金、電力、制藥、造紙、食品等行業(yè)，每年至少有300家企業(yè)有對綜合信息集成平臺軟件的實施需求，按每套100萬元人民幣計算，將形成一個產值近3億元人民幣的軟件市場，并將逐年增長，可見國內對信息集成軟件平臺的需求形勢喜人。
3 實時數(shù)據(jù)庫是企業(yè)自動化與信息化實時軟件平臺的核心
企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺的核心技術是實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫應用有顯著不同的特征。在實時系統(tǒng)中，舊的數(shù)據(jù)不斷被新的數(shù)據(jù)取代，而當前的控制、決策或調度完全依賴于這些即時數(shù)據(jù)。所以，它既需要數(shù)據(jù)庫來支持大量數(shù)據(jù)的共享，維護其數(shù)據(jù)的一致性，又需要實時處理來支持其事務與數(shù)據(jù)的定時限制。
傳統(tǒng)的應用于流程工業(yè)的控制系統(tǒng)只是孤立地針對自身的實時性要求，沒有從數(shù)據(jù)庫的角度進行設計，雖然支持任務的定時限制，但它針對的是結構與關系很簡單的、穩(wěn)定不變和孤立的實時數(shù)據(jù)環(huán)境，不涉及維護大量共享數(shù)據(jù)及它們的完整性和一致性，尤其是時間一致性。其自身只是一個信息“孤島”，無法在網絡環(huán)境下協(xié)同工作。
實時數(shù)據(jù)庫沒有嚴格的定義。一般認為，實時數(shù)據(jù)庫就是其數(shù)據(jù)和事務都有顯式定時限制的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)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所產生的時間。
以關系模型為代表的商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)旨在處理永久、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，強調維護數(shù)據(jù)的完整性、一致性。其性能目標是高的系統(tǒng)吞吐量和低的代價，而很少考慮有關數(shù)據(jù)及其處理的定時限制，所以，這種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不能滿足網絡環(huán)境下的實時應用的需要。因此，只有深入研究網絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫理論和技術，才能在支持時間關鍵性應用和保證數(shù)據(jù)一致性、完整性等關鍵問題上取得突破?；谶@個原因，實時數(shù)據(jù)庫被認為是企業(yè)自動化與信息化實時軟件平臺的基礎。只有把各個獨立的實時應用集成到一個統(tǒng)一的、以數(shù)據(jù)庫為基礎的體系化環(huán)境中，才可能真正從網絡的角度思考整個系統(tǒng)的體系結構。
研究流程工業(yè)環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫需要解決幾個根本性的問題：
① 網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫的設計目標；
② 網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫的設計方法；
③ 在設計時沿用什么樣的原則。
3.1 網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫的設計目標
確定實時數(shù)據(jù)庫的設計目標是一個根本性的問題，是決定其他問題的哲學前提。
(1) 高可靠性是網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫的首要設計目標 這是因為這類數(shù)據(jù)庫工作在生產第一線，是過程控制的關鍵數(shù)據(jù)平臺，一旦發(fā)生故障，直接影響到安全生產，所以無論何時可靠性都是第一位的。可靠性表現(xiàn)在它的軟件、硬件故障率低，發(fā)生故障可以快速恢復到可用狀態(tài)。并且系統(tǒng)有一定的安全性保證，防止數(shù)據(jù)遭到破壞。這里討論的實現(xiàn)高可靠性目標是通過設計堅固的數(shù)據(jù)庫模型和合理的、完備的體系結構得到保證的，并不涉及具體的技術和工程方法。
(2) 實時性是網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫最重要的性能指標 在網絡環(huán)境下的底層，系統(tǒng)與各種測量、控制設備直接進行數(shù)據(jù)交互，這些數(shù)據(jù)設備的帶寬和生產過程的I/O速度要求直接決定了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的響應速度，只有滿足了這種需求，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)才可能應用于該類生產過程。事實上，實時、高速、較為確定的響應時間也是整個系統(tǒng)性能的關鍵指標。
(3) 完備的、簡單的功能接口和人機交互接口 系統(tǒng)應該具有很強的數(shù)據(jù)管理和表達能力。實際上這也是數(shù)據(jù)庫實時性能的一部分。因為，如果一個RTDB系統(tǒng)雖然在其內部的實時性很好，但是，其復雜的用戶接口難以滿足快速響應環(huán)境下的人機對話要求，或者用戶接口過于薄弱，用戶無法快速有效的得到所需的信息。這些實際上都大大損害了整個系統(tǒng)的實時性能。
(4) 數(shù)據(jù)獨立性 保證數(shù)據(jù)獨立性是數(shù)據(jù)庫設計理論的基本課題，應該做到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲結構和數(shù)據(jù)邏輯的變化，盡量不反映到用戶模式上來。
(5) 系統(tǒng)可伸縮性是系統(tǒng)實現(xiàn)過程中必不可少的條件 可伸縮性同時也是整個CIPS的要求。整個系統(tǒng)在規(guī)模上應該是易于修改的，因為實時數(shù)據(jù)庫不可能一次就完整地建立起來，而是在原有的基礎上不斷擴充從而完備起來的，此外，數(shù)據(jù)庫的用戶和應用情況也會不斷發(fā)生變化。所以，在設計時應該充分考慮到未來應用接口問題。并且，在修改和擴充后，不應影響原有用戶的使用方式，如不必修改和重寫原有的應用程序。
3.2 網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫的設計方法
網絡環(huán)境下實時數(shù)據(jù)庫設計的困難包括以下兩個方面：首先是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有著根本性的不同，這其中有一系列的技術問題要解決。其次，網絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫與其他環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫有顯著的區(qū)別。這實際上意味著在體系結構和數(shù)據(jù)模型等重要方面，網絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫必須重新設計。
(1) 實時數(shù)據(jù)庫結構模型 目前，一些理論文獻通常把實時數(shù)據(jù)庫建立在關系模型上。但是在很多情況下，關系模型的性能卻不能滿足工業(yè)生產的實時性要求。因此，結合流程工業(yè)生產的特點，建立真正適合于網絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫模型是一個重要的理論課題。我們提出一種建立在網狀和層次模型上的結構模型，這個模型在我們自行開發(fā)的系統(tǒng)中已經實現(xiàn)，并且取得了很好的性能。
(2) 實時數(shù)據(jù)模型及其語言 事實上，到目前為止研究實時數(shù)據(jù)庫的文獻中專門討論數(shù)據(jù)建模問題的較少。一般使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。但是這個模型在網絡環(huán)境下難以應用，也無法取得很好的效果。原因是在網絡環(huán)境下，實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)有著鮮明的特點：
① 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)往往對應著物理的測量、控制和監(jiān)測設備，不只是實時性要求高。另一方面在數(shù)據(jù)組織上，數(shù)據(jù)與相關聯(lián)的算法，即數(shù)據(jù)庫事務通常緊密相關，表現(xiàn)出明顯的對象特征。
② 設備數(shù)據(jù)通過復雜的組態(tài)關系建立錯綜復雜的參數(shù)連接網絡，傳統(tǒng)的組態(tài)數(shù)據(jù)庫就是用于描述這種蛛網般的連接屬性。但實時數(shù)據(jù)庫要求從更廣泛的角度看待這個問題。
所以，研究出一種既有對象特征，又能高效描述組態(tài)聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型是非常重要的。
(3) 實時事務的模型與特性 實時數(shù)據(jù)庫下的事務模型更加復雜，可能包含著事務嵌套等。因此，實時事務的結構復雜，事務之間有多種交互行動和同步，存在結構、數(shù)據(jù)、行為、時間上的相關性以及在執(zhí)行方面的依賴性。
實時數(shù)據(jù)庫中的事務有多種定時限制，其中最典型的是事務截止期，系統(tǒng)必須能讓截止期更早或更緊急的事務較早地執(zhí)行，換言之，就是能控制事務的執(zhí)行順序。同時，又需要基于截止期和緊迫度來標明事務的優(yōu)先級，然后按優(yōu)先級進行事務調度。所以，需要開發(fā)新的并發(fā)控制標準和實現(xiàn)技術。
(4) 數(shù)據(jù)存儲與緩沖區(qū)管理 盡管這是一個應用技術，但是在實際的實現(xiàn)過程中卻是非常重要的，直接關系著實時系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)庫的操作受I/O限制，其I/O的時間延遲及其不確定性對實時事務是難以接受的。因此，RTDB中數(shù)據(jù)存儲的一個主要問題就是如何消除這種延遲及其不確定性，這需要底層的內存數(shù)據(jù)庫支持，因而內存緩沖區(qū)的管理就顯得更為重要。這里所說的內存緩沖區(qū)除內存數(shù)據(jù)庫外，還包括事務的執(zhí)行代碼及其工作數(shù)據(jù)等所需的內存空間。此時的管理目標是高優(yōu)先事務的執(zhí)行不應因此而受阻，它要解決以下問題：
① 如何保證事務執(zhí)行時，只存取內存數(shù)據(jù)庫，即其所需數(shù)據(jù)均在內存（因而它本身沒有I/O）。
② 如何給事務及時分配所需緩沖區(qū)。
③ 必要時，如何讓高優(yōu)先級事務搶占低優(yōu)先級事務的緩沖區(qū)。因此，傳統(tǒng)的管理策略也不適用，必須開發(fā)新的基于優(yōu)先級的算法。
(5) 災難恢復是提高系統(tǒng)可靠性的重要技術保證 在實際生產過程中，災難恢復的意義尤其重要，但是在CIPS環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫中災難恢復顯得異常復雜。這是因為：
① 大多數(shù)與外界設備通訊的實時事務是不可逆的，所以，傳統(tǒng)的還原機制是無意義的，要求建立新的補償、替代策略。
② 恢復過程影響處于活躍狀態(tài)的事務，使有的事務超截止期，這對硬實時事務是不能接受的。
③ 實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不一定總是永久的，為了保證實時限制的滿足，也不一定是一致和絕對正確的，而有的是短暫的，有的是暫時不一致或非絕對準確的。
因此，必須開發(fā)新的恢復技術與機制，應考慮到時間與資源兩者的可用性，以確定最佳恢復時機與策略，而不致太損害事務實時性的滿足。
3.3 實時數(shù)據(jù)庫設計沿用的原則
總之，實時數(shù)據(jù)庫的研究需要做大量的理論研究和實際工作。在整個過程中，有兩個重要原則：
① 簡單性原則 事實上，簡單明了的結構模型、數(shù)據(jù)模型、事務模型是實現(xiàn)整個系統(tǒng)實時性和可靠性的重要保證。
② 適應性原則 在研究過程中，充分考慮到流程工業(yè)的特點，同時，始終對實時數(shù)據(jù)庫在整個系統(tǒng)中的位置和作用有明確的認識，只有這樣，才可能最大程度地提高實時數(shù)據(jù)庫的性能。一個必須避免的誤區(qū)是：設計出一個面面俱到，卻又性能平庸的系統(tǒng)。
3.4 CIPS實時數(shù)據(jù)庫的性能評價算法
一個實時數(shù)據(jù)庫設計的好壞需要一個定量的性能評價方法?！靶阅茉u價”是指邏輯數(shù)據(jù)庫結構的性能分析。另外，在實際應用中，也需要這樣一種方法評測系統(tǒng)的實際性能，以便對系統(tǒng)進行性能參數(shù)整定。常用的是邏輯記錄訪問（Logical Record Access, LRA）計算法，簡稱LRA算法。它是T. Teorey 和 J. Fry于1980年提出的。LRA方法最初是被設計用來對網狀和層次模型進行比較和評價的一種方法。
在執(zhí)行一個應用程序時需要訪問的每個記錄類型的記錄數(shù)，成為邏輯記錄訪問數(shù)（即LRA數(shù)）。在計算處理頻率時，LRA數(shù)表征了數(shù)據(jù)庫的訪問情況。下面討論LRA方法的具體過程。
① LRA數(shù)的計算
LRA是指單位時間內所有應用需要訪問記錄的總數(shù)。設LRAij是第i個應用對記錄類型j訪問的記錄數(shù)，F(xiàn)是單位時間內執(zhí)行應用i的次數(shù)。則：
這里，M是數(shù)據(jù)庫中應用的總數(shù)，N是數(shù)據(jù)庫中記錄類型的總數(shù)。
② 傳輸量的計算
每個應用i的傳輸量用TRVOLi表示，單位是字節(jié)，單位時間內總的傳輸量是：
其中RECSIZE表示邏輯記錄類型j的一個記錄所占的空間。
③ 存儲空間計算
存儲空間由兩部分組成：數(shù)據(jù)空間和指針空間。
數(shù)據(jù)空間（DSTOR）的計算如下：
其中，數(shù)據(jù)空間用字節(jié)表示；NRECj 是數(shù)據(jù)庫中記錄類型j的記錄總數(shù)。
指針空間（PTRSTOR）的計算如下：
其中，指針空間用字節(jié)表示；PS是指針的大小，NPTRj是記錄類型j平均用到的指針個數(shù)。
4 結語
綜上所述，企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺市場前景非常廣闊；而實時數(shù)據(jù)庫是企業(yè)自動化與信息化的實時軟件平臺的基礎，它的性能在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)地研究網絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫理論和技術需要做大量的工作，不僅僅是在理論方面，更重要的是理論結果能經得起實踐的檢驗。