城市轨道交通综合监控系统中数据库软件模块的设计与分析

陈宝军　汤旻安

摘 要：城市轨道交通综合监控系统是一个高度集成的综合自动化监控系统，其目的主要是利用统一的监控层硬件平台和软件平台实现对各监控对象集中监控和管理，系统主要集成电力监控系统（PSCADA）、火灾报警系统（FAS）、机电设备监控系统（BAS）、门禁系统（ACS）等子系统，该系统采用两级管理级三级控制的层次和分布式结构，两级管理是中央和站级，三级控制是中央级、站级、字段级。文章主要针对综合监控系统中数据库软件的设计、数据流进行了探讨与分析。

关键词：综合监控；数据流；设计

1 综合监控软件平台

城市轨道交通综合监控系统软件平台主要分为系统平台层、支撑平台层和应用层。系统平台层提供不同硬件平台、不同的操作系统支持；基本服务和开发工具支持的平台提供了一层系统，为用户提供第三方接入应用系统支持两开发支持；应用层包括FAS、BAS和其他应用软件和仿真培训软件的用户。数据库软件作为支撑平台层，对综合监控系统从现场采集的大量数据进行数据存储、数据分析、数据查询以及数据转发等。

2 数据库设计

综合监控系统中数据库模块发挥至关重要的作用，而传统的关系数据库在过程控制应用中是非常无力的，而国外一些成熟的实时历史数据库价格昂贵，可处理的点数少。为了满足信息实时性、一致性、大容量、大吞吐量要求，必须针对轨道交通的特点，综合监控、设计和开发自己的实时、历史数据库。

2.1 数据流设计

软件平台的数据流主要有三个环节：FEP、服务器、工作站。外部系统数据经过FEP到服务器后在工作站上显示；工作站上的操作经过服务器发到FEP，然后发布到外部系统。

2.1.1 数据采集流程

数据采集是指数据从现场设备至ISCS系统的数据流。如：断路器的状态改变将由系统通过数据遥测接收。ISCS在控制中心与车站都配有两台服务器，PSCADA、BAS等子系统的数据通过FEP同时发送到2台服务器。

2.1.2 命令下发流程

控制中心操作员有权对车站设备进行控制，控制中心操作员的控制命令无视目标设备位置，可以直接通过控制中心FEP发送至子系统，然后通过子系统下发给现场执行设备；或通过ISCS网络发送至车站ISCS服务器，再通过车站FEP发送至子系统，在由子系统将命令下发给具体执行设备。

2.1.3 数据发布流程

数据发布是指将服务器处理过的数据发布至工作站的人机界面上，向操作员进行显示或产生报警等功能的过程。软件在设计时，为减少不必要的数据传输，保证网络带宽的高效利用。一方面，工作站可主动向服务器“要”数据。另一方面，为了保证变化数据在人机界面上的快速反应，服务器也会对一些变化数据采取“推”的方式，主动发送到工作站。工作站收到这些被“推”来的数据后，如果与当前显示的人机界面相关，立即更新人机界面内容；如果无关，则直接将这些数据丢弃。因此软件平台的数据发布是采用“推”、“要”相结合的方式。数据发布包括发布到HMI和发布到应用程序，而发布到HMI又包括实时数据发布到HMI、历史数据发布到HMI两个方面。

2.2 数据库功能设计

实时数据库：

实时数据库是整个系统处理实时数据的核心，管理在线运行的数据。其目标是保证实时性、一致性、访问的高性能。实时数据库应具有以下功能：

*面向对象、具有设备的概念、支持图模一体化；

*分布式结构，便于实时数据库节点的增减；

*可跨平台，支持所有主流的操作系统；

重建在线数据库时，现有的数据不能丢失；

*确保数据库一致性；

*确保系统的安全；

*支持SQL语言。

历史数据库

历史数据库主要用于存储采样数据、告警、事件日志等数据，但读写频率较低。数据库的设计目标是优化和扩展数据库应用程序开发人员的能力，提供了简单、灵活然而功能强大的XQL查询引擎，产生内存内的访问结构，实现对所需要信息的快速检索。历史数据库应具有以下功能：

*可跨平台，支持多种主流厂商的硬件平台及操作系统平台；

*支持各种网络通信协议，如TCP/IP、SPX/IPX、X.25、SNA、NetBIOS、ANSI/ISO SQL-92等协议、标准；

*数据库系统应具有良好的伸缩性；数据库能够在SMP系统中配置生成多个引擎，能够绑定CPU给用户和应用程序；

*具有良好的开放性，支持异种数据库的互访；

*支持分布式事务及两阶段提交功能；

*在网络上的异构数据库之间的数据冗余复制；多个复制模式（如一点对多点、多点对一点、点对点以及双向复制），支持基于事务日志的复制，保证复制事务完整性；

*数据库服务器系统参数允许进行动态设置，不须重启系统；可对高速缓存进行命名管理并且与数据库对象绑定；

*随着快速的并发访问操作，并发控制是稳定的和可靠的，并支持多进程和多线程；

*具有在联机状态下对大容量数据的并行、压缩备份功能。

2.3 数据库核心模块设计

数据库的核心模块设计为三个模块，即点管理、实时数据管理和历史数据管理。

2.3.1 点管理模块

点（记为point）是一个独特的表示不同的数据流，如电压和电流值，开关的状态，温度计的数量等。任何可测量的设备属性都可以定义为“点”。点类型主要包括数字量和模拟量。在轨道交通综合监控系统中，数字量的变化较低，仿真的频率较高，因此对历史数据的分析主要是模拟的。

“point”是一个18位字符串，独特的身份，称它为标签。单点信息一般包括点标签、类型、单位、描述、死时间值、是否保存历史数据、B+树根节点等。所有的“点”信息是一组点，所有在内存中。

点管理主要是指对点表的维护，包括点的增加、删除、修改信息的点、点的快速搜索等。点是数据管理的基本单位，各种操作的数据都是以点进行的。因此，快速的点查询对提高系统的性能有着重要意义。实时历史数据库采用哈希表索引方法进行点查询，可以快速查找指定的信息点。

2.3.2 实时数据管理

实时数据是最近一段时间的一个点的瞬时值，它是时间相关的数据。每个实时数据记录都有一个时间戳，并记录实时数据的采样时间。一个实时数据记录包括四个组成部分，如标签、时间戳、状态、值等。

根据数据集成的交通监控系统的特点，即数字、模拟、数字模拟特性变化缓慢，变化很快，为了更好地实时数据转化为历史数据，采用双缓冲方法的设计，即：

（1）为每一个“point”建立一个比较大的缓存（如100记录的缓存），记为cache_1。数据库服务器接收实时数据，不能直接进入B+树，但根据名字直接写入到相应的cache_1点；当数存储在cache_1最大记录，统一包装到B+树。单元点到海量存储，大大降低了写B +树的数量，降低了树的高度，增加了写和查询速度，并得到了一组数据点，也可以进行有效的数据压缩。在一些特殊情况下（如50万点），你可以打开一个一定规模的max_cache1缓冲区。当缓冲区满，然后转移到cache_1新点，对于那些指出，长时间不使用的内存使用LRU置换算法。由于数字量的缓慢变化，模拟量变化快，所以模拟量更频繁访问的cache_1。但比例数字集成流量监控系统，和一个相对小的数目的模拟系统，允许max_cache1尺寸接近模拟*sizeof的数量的情况下（cache_1），具有很高的命中率。

（2）根据内存的大小，为每个点设置一个比较小的缓存，记为cache_2，确保所有点的cache_2可以放入内存。实时数据来的cache_2缓存对应点第一，当记录数cache_2存储达到上限，然后写cache_1。设置缓存cache_2的目的也是提高速度。由于慢的数量的变化（一天可能只有几个数据），较小的高速缓存的数量是足够的，以应付很长一段时间。通过cache_2批量处理，大大减少了访问cache_1数量，也降低了节目的数量访问磁盘的写入速度提高。

双缓冲技术是为每一个点建立一个比较大的和小的存储缓冲区。一个小的缓冲区总是在记忆；和缓冲可以转移到内部和外部存储之间转移，使用LRU置换算法。缓存技术大大提高了数据库处理历史数据的性能，然后可以支持更多的点。

2.3.3 历史数据管理

当实时数据超出一定的周期时，即存储在磁盘中的历史数据。历史数据可以优化企业的生产，并为失效分析提供了有力的工具。使用B+树来组织文件数据的实时历史数据库。由于在工作组的顺序，B+树有一个良好的效率，并存储在数据库中的历史数据所产生的实时数据，所以数据处理是时间序列数据。当一组实时数据过期时，它将它存储在一个B+树中。每一个点都有一个时间作为索引的B+树，B+叶节点是一组历史数据压缩包。为了保持长期的历史数据，在有限的存储空间，利用赫夫曼压缩算法的设计，分别对数字时间戳压缩，从而大大减少了占用的历史数据存储的磁盘空间。当您需要查询一个点的历史数据时，首先满足压缩包的条件，以便读取时间，以便读取内存，然后在内存中提取，恢复原始数据，返回给用户。

参考文献

[1]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].电子工业出版社，2005.

[2]南京南瑞集团内刊.RT21-ISCS软件应用书[Z].

[3]刘佳宝，梁奕，陈天浩.RT21-ISCS综合监控系统中实时历史数据库的设计与实现[J].城市轨道交通研究，2012（1）.

[4]张宝广，隋国栋，李海锋.城市轨道交通工务管理数据库的设计[J].城市轨道交通研究，2010（1）.

[5]钱笑宇，张彦武.工业实时数据库的研究与设计[J].计算机工程，2005（1）.