企业自动化与信息化的实时软件平台与实时数据库

1 引言
当今社会，世界经济全球化趋势导致了世界市场的激烈竞争，同时资源和环保问题的紧迫性对工业生产提出了越来越高的要求，这些推动过程工业不断追求先进控制与优化，充分利用信息和计算机技术，使企业不断增强对市场的应变能力，根据市场需要及时组织和调整生产。充分挖掘生产潜力、提高效率、降低消耗、保护环境等目标，迫切要求实现生产过程和经营过程的整体优化。近年来，采用高可靠、智能化仪表和控制系统，现场总线网络控制系统（Fieldbus Control System，FCS）；开发高级过程控制技术；在各个层次上实现在线优化；推行管理信息系统（Management Information System，MIS），进而开发计算机集成的管理与控制一体化系统，即计算机综合自动化系统（Computer Integrated Processing System，CIPS），已成为发达国家过程工业特别是炼化工业中控制与计算机在线应用的标准发展模式。
从技术角度看，几十年来，流程工业自动化技术获得了很大的发展。从控制系统的体系结构来看，经历了气动、电动、直接数字控制和分布式控制（DCS）四个时代，正在迈向第五个时代，即现场总线网络控制系统（FCS）。它将成为未来普遍采用的结构形式。
在规模上，传统的控制系统可能只有几个到几十个I/O 点或控制回路，而现在，一套DCS控制的I/O点和回路多达几百甚至上千个；系统的控制范围也从传统的基于回路的控制，发展到控制整个装置或生产线，乃至整个企业的协同控制。伴随着控制规模和层次的扩大，控制系统的结构也日益复杂化，一方面，整个控制系统在不同层次上细分；从基础控制、高级过程控制到更高的优化控制。另一方面，控制系统的不同层面之间也要求更加缜密的整合。同时，伴随着控制层次的提升，控制与管理的关系日益密切，在功能上相互渗透。这就是所谓的管控一体化进程。它们在相同的效益指标函数的规范下，逐渐被归入同一个框架中，以实现控制与管理的统一。
在这些以企业经营管理和企业生产管理的紧密集成为目标的大型企业应用软件中，对生产过程的集成、监控、管理是整个应用软件体系的基础和平台。因此，一种能够网络化集成监控所有自动化设备的新型实时监控软件平台已经成为国内外自动化厂商开发的方向。企业自动化与信息化的实时软件平台可以分为实时监控平台软件和信息集成平台软件。
2 企业自动化与信息化的实时软件平台的国内外概况
2.1 工业企业对自动化与信息化的实时软件平台的要求
(1) 集成监控管理现存的和即将应用的自动化控制设备，逐步消除工厂内各不相同的专有技术、网络、协议所产生的不良效果；
(2) 降低自动化系统的总体投资成本，并最大程度的保护在现有自动化系统上的投资；
(3) 满足工厂生产过程控制从单机生产到联网生产的需要，最终提高生产效率和经济效益；
(4) 使全厂实时生产过程信息进入企业内所有的计算机平台，满足企业对生产更深入、更及时地管理；
(5) 提供开放、标准的方式或方法，使先进控制软件（APC）、生产调度软件能够方便的开放；
(6) 统一自动化控制系统的基础设施网络，为将自动化系统最终融入信息管理系统提供条件和可能；
(7) 充分利用网络通讯技术、Internet/Intranet技术，使生产管理人员和现场操作人员能够在任何地方对机器、生产过程乃至工厂生产管理进行远程控制。
现在，国外商品化的实时监控软件正在全力朝这个方向发展，典型的产品有美国Intellution公司的Fix Dynamics软件、WonderWare公司的InTouch软件、以色列PCSoft国际公司的WizConr软件、澳大利亚Citect公司的Citect软件、法国ARC公司的PCVUE32软件等，这些软件大都已经进入中国市场。目前国内的实时监控软件平台已具有相当的基础，而且国产实时监控软件平台在图形界面上已具有相当水平。
在过程控制中，由于各种数字化自动控制系统的广泛应用，已经可以获得大量有关生产过程运行的“海量数据”。但是，这些数据只是各个生产过程的一些细节、片面的信息，并不能从全厂的角度反映产品质量、生产计划执行情况、能源消耗情况。这种存在于企业经营管理系统和自动控制系统之间的信息鸿沟是所有企业在实施资源计划管理系统（ERP）或企业供应链管理系统时所遇到的实际问题。
针对这种实际问题，国外软件开发商已经开发成功商品化的信息集成平台软件，专门用于运营决策管理和实时过程控制的信息交换及紧密集成。典型产品有美国OSI公司的PI软件、CamStar System公司的InSite软件、RealtimeInfo公司的InfoLink软件等。现在，这种实际问题已经开始被广大国内企业所认识，国内这方面的研究开发工作也已开始起步。
2.2 实时监控平台软件
作为工业自动化控制设备监视、控制、管理的工具和企业信息管理系统的重要组成部分，实时监控软件平台在工业生产中越来越多地得到应用。表1是国外主要商品化实时监控软件平台的市场销售情况一览表。
大多数国外工业自动化咨询研究、市场调
查公司测算认为，全球工业自动化软件和实时监控软件平台以每年10%～15%的速度增长。中国国内各行业每年的实时监控软件市场的总装机容量已达到20 000套，并以高于国际平均水平的速度快速增长。
国产实时监控软件平台发展十分迅速，与国外产品相比，在市场推广应用方面占有明显的优势：中文本地化软件，国内企业的工程技术人员、管理人员和操作人员使用比较方便；大部分国产监控软件的技术支持和售后服务比国外要好；实时监控软件按照国内企业管理需求和中国人的思维习惯进行设计，适合中国国情；国内实时监控软件价格相对便宜，企业都能接受。因此，拥有自主版权，符合中国国情，具有国际水平的实时监控软件平台的市场前景非常广阔。
2.3 信息集成平台软件
随着企业资源计划管理系统（ERP）、供应链管理系统和工业过程自动化系统的广泛应用，用于它们之间的综合信息集成软件平台的重要作用，必将被广大企业的工程技术人员和企业管理人员所认可。
据不完全统计，美国已有炼油、化工、电力、食品、制药等行业的两万多家企业应用了这种综合集成软件平台。开发这类软件的公司被认为是最热门的软件开发公司。表2给出了一些主要商品化综合集成软件平台的市场销售统计。
国内企业对该类软件的需求将随着企业资源计划管理系统（ERP）、供应链管理系统的应用和自动化控制系统的完善而逐渐增加。预计在近几年内，全国炼油、化工、冶金、电力、制药、造纸、食品等行业，每年至少有300家企业有对综合信息集成平台软件的实施需求，按每套100万元人民币计算，将形成一个产值近3亿元人民币的软件市场，并将逐年增长，可见国内对信息集成软件平台的需求形势喜人。
3 实时数据库是企业自动化与信息化实时软件平台的核心
企业自动化与信息化的实时软件平台的核心技术是实时数据库。实时数据库与一般数据库应用有显著不同的特征。在实时系统中，旧的数据不断被新的数据取代，而当前的控制、决策或调度完全依赖于这些即时数据。所以，它既需要数据库来支持大量数据的共享，维护其数据的一致性，又需要实时处理来支持其事务与数据的定时限制。
传统的应用于流程工业的控制系统只是孤立地针对自身的实时性要求，没有从数据库的角度进行设计，虽然支持任务的定时限制，但它针对的是结构与关系很简单的、稳定不变和孤立的实时数据环境，不涉及维护大量共享数据及它们的完整性和一致性，尤其是时间一致性。其自身只是一个信息“孤岛”，无法在网络环境下协同工作。
实时数据库没有严格的定义。一般认为，实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，系统的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间。
以关系模型为代表的商业数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整性、一致性。其性能目标是高的系统吞吐量和低的代价，而很少考虑有关数据及其处理的定时限制，所以，这种数据库管理系统不能满足网络环境下的实时应用的需要。因此，只有深入研究网络环境下的实时数据库理论和技术，才能在支持时间关键性应用和保证数据一致性、完整性等关键问题上取得突破。基于这个原因，实时数据库被认为是企业自动化与信息化实时软件平台的基础。只有把各个独立的实时应用集成到一个统一的、以数据库为基础的体系化环境中，才可能真正从网络的角度思考整个系统的体系结构。
研究流程工业环境下的实时数据库需要解决几个根本性的问题：
① 网络环境下实时数据库的设计目标；
② 网络环境下实时数据库的设计方法；
③ 在设计时沿用什么样的原则。
3.1 网络环境下实时数据库的设计目标
确定实时数据库的设计目标是一个根本性的问题，是决定其他问题的哲学前提。
(1) 高可靠性是网络环境下实时数据库的首要设计目标 这是因为这类数据库工作在生产第一线，是过程控制的关键数据平台，一旦发生故障，直接影响到安全生产，所以无论何时可靠性都是第一位的。可靠性表现在它的软件、硬件故障率低，发生故障可以快速恢复到可用状态。并且系统有一定的安全性保证，防止数据遭到破坏。这里讨论的实现高可靠性目标是通过设计坚固的数据库模型和合理的、完备的体系结构得到保证的，并不涉及具体的技术和工程方法。
(2) 实时性是网络环境下实时数据库最重要的性能指标 在网络环境下的底层，系统与各种测量、控制设备直接进行数据交互，这些数据设备的带宽和生产过程的I/O速度要求直接决定了数据库系统的响应速度，只有满足了这种需求，该数据库系统才可能应用于该类生产过程。事实上，实时、高速、较为确定的响应时间也是整个系统性能的关键指标。
(3) 完备的、简单的功能接口和人机交互接口 系统应该具有很强的数据管理和表达能力。实际上这也是数据库实时性能的一部分。因为，如果一个RTDB系统虽然在其内部的实时性很好，但是，其复杂的用户接口难以满足快速响应环境下的人机对话要求，或者用户接口过于薄弱，用户无法快速有效的得到所需的信息。这些实际上都大大损害了整个系统的实时性能。
(4) 数据独立性 保证数据独立性是数据库设计理论的基本课题，应该做到系统数据的存储结构和数据逻辑的变化，尽量不反映到用户模式上来。
(5) 系统可伸缩性是系统实现过程中必不可少的条件 可伸缩性同时也是整个CIPS的要求。整个系统在规模上应该是易于修改的，因为实时数据库不可能一次就完整地建立起来，而是在原有的基础上不断扩充从而完备起来的，此外，数据库的用户和应用情况也会不断发生变化。所以，在设计时应该充分考虑到未来应用接口问题。并且，在修改和扩充后，不应影响原有用户的使用方式，如不必修改和重写原有的应用程序。
3.2 网络环境下实时数据库的设计方法
网络环境下实时数据库设计的困难包括以下两个方面：首先是实时数据库系统与传统的数据库系统有着根本性的不同，这其中有一系列的技术问题要解决。其次，网络环境下的实时数据库与其他环境下的实时数据库有显著的区别。这实际上意味着在体系结构和数据模型等重要方面，网络环境下的实时数据库必须重新设计。
(1) 实时数据库结构模型 目前，一些理论文献通常把实时数据库建立在关系模型上。但是在很多情况下，关系模型的性能却不能满足工业生产的实时性要求。因此，结合流程工业生产的特点，建立真正适合于网络环境下的实时数据库模型是一个重要的理论课题。我们提出一种建立在网状和层次模型上的结构模型，这个模型在我们自行开发的系统中已经实现，并且取得了很好的性能。
(2) 实时数据模型及其语言 事实上，到目前为止研究实时数据库的文献中专门讨论数据建模问题的较少。一般使用传统的数据模型。但是这个模型在网络环境下难以应用，也无法取得很好的效果。原因是在网络环境下，实时数据库中的数据有着鲜明的特点：
① 数据库中的数据往往对应着物理的测量、控制和监测设备，不只是实时性要求高。另一方面在数据组织上，数据与相关联的算法，即数据库事务通常紧密相关，表现出明显的对象特征。
② 设备数据通过复杂的组态关系建立错综复杂的参数连接网络，传统的组态数据库就是用于描述这种蛛网般的连接属性。但实时数据库要求从更广泛的角度看待这个问题。
所以，研究出一种既有对象特征，又能高效描述组态联系的数据模型是非常重要的。
(3) 实时事务的模型与特性 实时数据库下的事务模型更加复杂，可能包含着事务嵌套等。因此，实时事务的结构复杂，事务之间有多种交互行动和同步，存在结构、数据、行为、时间上的相关性以及在执行方面的依赖性。
实时数据库中的事务有多种定时限制，其中最典型的是事务截止期，系统必须能让截止期更早或更紧急的事务较早地执行，换言之，就是能控制事务的执行顺序。同时，又需要基于截止期和紧迫度来标明事务的优先级，然后按优先级进行事务调度。所以，需要开发新的并发控制标准和实现技术。
(4) 数据存储与缓冲区管理 尽管这是一个应用技术，但是在实际的实现过程中却是非常重要的，直接关系着实时系统的性能。传统的磁盘数据库的操作受I/O限制，其I/O的时间延迟及其不确定性对实时事务是难以接受的。因此，RTDB中数据存储的一个主要问题就是如何消除这种延迟及其不确定性，这需要底层的内存数据库支持，因而内存缓冲区的管理就显得更为重要。这里所说的内存缓冲区除内存数据库外，还包括事务的执行代码及其工作数据等所需的内存空间。此时的管理目标是高优先事务的执行不应因此而受阻，它要解决以下问题：
① 如何保证事务执行时，只存取内存数据库，即其所需数据均在内存（因而它本身没有I/O）。
② 如何给事务及时分配所需缓冲区。
③ 必要时，如何让高优先级事务抢占低优先级事务的缓冲区。因此，传统的管理策略也不适用，必须开发新的基于优先级的算法。
(5) 灾难恢复是提高系统可靠性的重要技术保证 在实际生产过程中，灾难恢复的意义尤其重要，但是在CIPS环境下的实时数据库中灾难恢复显得异常复杂。这是因为：
① 大多数与外界设备通讯的实时事务是不可逆的，所以，传统的还原机制是无意义的，要求建立新的补偿、替代策略。
② 恢复过程影响处于活跃状态的事务，使有的事务超截止期，这对硬实时事务是不能接受的。
③ 实时数据库中的数据不一定总是永久的，为了保证实时限制的满足，也不一定是一致和绝对正确的，而有的是短暂的，有的是暂时不一致或非绝对准确的。
因此，必须开发新的恢复技术与机制，应考虑到时间与资源两者的可用性，以确定最佳恢复时机与策略，而不致太损害事务实时性的满足。
3.3 实时数据库设计沿用的原则
总之，实时数据库的研究需要做大量的理论研究和实际工作。在整个过程中，有两个重要原则：
① 简单性原则 事实上，简单明了的结构模型、数据模型、事务模型是实现整个系统实时性和可靠性的重要保证。
② 适应性原则 在研究过程中，充分考虑到流程工业的特点，同时，始终对实时数据库在整个系统中的位置和作用有明确的认识，只有这样，才可能最大程度地提高实时数据库的性能。一个必须避免的误区是：设计出一个面面俱到，却又性能平庸的系统。
3.4 CIPS实时数据库的性能评价算法
一个实时数据库设计的好坏需要一个定量的性能评价方法。“性能评价”是指逻辑数据库结构的性能分析。另外，在实际应用中，也需要这样一种方法评测系统的实际性能，以便对系统进行性能参数整定。常用的是逻辑记录访问（Logical Record Access, LRA）计算法，简称LRA算法。它是T. Teorey 和 J. Fry于1980年提出的。LRA方法最初是被设计用来对网状和层次模型进行比较和评价的一种方法。
在执行一个应用程序时需要访问的每个记录类型的记录数，成为逻辑记录访问数（即LRA数）。在计算处理频率时，LRA数表征了数据库的访问情况。下面讨论LRA方法的具体过程。
① LRA数的计算
LRA是指单位时间内所有应用需要访问记录的总数。设LRAij是第i个应用对记录类型j访问的记录数，F是单位时间内执行应用i的次数。则：
这里，M是数据库中应用的总数，N是数据库中记录类型的总数。
② 传输量的计算
每个应用i的传输量用TRVOLi表示，单位是字节，单位时间内总的传输量是：
其中RECSIZE表示逻辑记录类型j的一个记录所占的空间。
③ 存储空间计算
存储空间由两部分组成：数据空间和指针空间。
数据空间（DSTOR）的计算如下：
其中，数据空间用字节表示；NRECj 是数据库中记录类型j的记录总数。
指针空间（PTRSTOR）的计算如下：
其中，指针空间用字节表示；PS是指针的大小，NPTRj是记录类型j平均用到的指针个数。
4 结语
综上所述，企业自动化与信息化的实时软件平台市场前景非常广阔；而实时数据库是企业自动化与信息化的实时软件平台的基础，它的性能在很大程度上决定了整个系统的可用性。系统地研究网络环境下的实时数据库理论和技术需要做大量的工作，不仅仅是在理论方面，更重要的是理论结果能经得起实践的检验。