實時數據庫系統方案的設計與實現

摘要:論文在分析實時數據庫系統關鍵技術基礎上，提出針對鐵路信號監控的實時數據庫系統方案框架以及實時數據模型總體設計思路，并根據總體設計思路提出了實時數據庫系統數據模型方案。

關鍵詞:實時數據庫;體系結構;實時數據模型

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7437-02

隨著計算互聯網技術的飛速發展，信息資源的經濟價值和社會價值越來越明顯，建設以數據庫為中心的信息系統和應用系統，對于提高企業的效益、提高工作效率具有重要意義。在這種背景下，實時數據庫成為近年來在數據庫技術全新發展過程中產生并蓬勃發展起來的數據庫領域的一個新分支，實時數據庫的應用領域也在不斷擴展，但目前在實時數據庫的研究文獻中還很少對數據建模問題進行專門研究，論文重點針對實時數據庫系統在鐵路信號監控中應用進行研究，具有一定現實意義。

1 實時數據庫系統關鍵技術

實時數據庫系統是在數據庫技術和實時技術基礎上產生的研究領域，與傳統的數據庫系統有著本質差別，實時數據庫系統主要是利用數據庫技術來解決實時系統中的數據管理問題，并不是在概念、結構和方法上的簡單集成，設計實時數據庫系統主要涉及如下關鍵技術:

1.1 實時數據模型

實時數據庫領域首先要研究解決的主要問題，具體包括:開發實時數據模型，設計允許用戶說明實時數據模型中所含的語義知識的和使用戶能以各種方式使用的實時數據定義和查詢語言、說明“復雜事務”的結構及相互作用的實時事務執行說明語言。通常的層次、網狀和關系模型都不能描述有關時間的信息，當前有兩種修改關系模型以進行實時查詢處理的方法:①使用“近似關系”集。為了查詢的及時評價，需要為各種關系定義其近似關系，再反復地修改近似關系以獲得更接近的結果和更好的查詢響應。②使用關系的“片段網格”以改善查詢處理。

1.2 實時事務模型

在實時數據庫系統中由于實時事務結構更加復雜、事務之間有多種交互，實時事務模型主要為滿足更加復雜的實時事務處理而設計，主要包括嵌套、分裂/合并、合作、通信等事務模型。在實時查詢/事務的接納管理方面，查詢/事務的性能依賴于可以使用的內存量。當有足夠的內存時，絕大多數查詢/事務就可簡單地一次性讀取它們操作的數據，且直接產生所需結果。若給定較少的內存，只要給定的量超過查詢/事務的最小內存需求，大多數事務可以通過一定的數據I/O仍然可以運行。為了幫助事務獲得期望的性能級別與定時限制的滿足，實時數據庫系統需要通過接納比其最少的內存容納事務數更多的事務來提高并發度。

1.3 實時事務處理

主要是針對實時數據庫系統中事務的定時限制，按照事務截止期控制實時數據庫系統中事務的執行順序，確定實時事務的優先級，并按照優先級實現實時事務調度。在實時數據庫系統中，實時事務處理降低了傳統可串行化并發控制的嚴格程度，更加關注數據的實時性，因此，實時事務處理在并發控制方面“放松的可串行化”或“暫緩的可串行化”。

2 面向鐵路信號監控的實時數據庫系統總體方案

本論文結合實際應用需求提出面向鐵路信號監控的實時數據庫系統方案框架，它是適應高技術條件下管理要求，設計實現集成、開放、模塊化的人機界面，與其它商用實時數據庫系統相比，系統在設計過程中忽略了一些不常用的次要功能，注重各功能的模塊化、標準化和開放性，突出了數據采集的實時性、顯示的直觀性、增強了數據分析能力和事務的處理能力，主要包括系統實現方案框架和實時數據模型總體設計思路。

2.1 實時數據庫系統方案框架

面向鐵路信號監控的實時數據庫系統的方案框架主要包括如下三部分，具體如下:

1) 實時數據管理系統:運行于實時數據庫服務器，主要功能是系統進程管理、數據存儲和數據服務。這是整個系統的核心，要求它運行穩定、功能強大、可處理不同類型的數據點，并能對歷史數據進行壓縮進而長久保存。

2) 設備數據接口:用于實時數據庫系統和指揮中心等數據源之間的數據交換。這個設備數據接口要求是多功能、多層次、多服務對象的標準設備數據接口。它不但能和實時數據庫進行數據交換，還要能給關系數據庫提供數據。

3) 實時數據上層應用工具包用于實時數據及歷史數據查詢和分析應用程序。

2.2 實時數據模型總體設計框架

本論文的實時數據模型方案設計主要以劉云生等提出的實時數據模型方案為基礎，結合本系統結構及其功能需求，在傳統數據模型的基礎之上，把時間概念擴展進去，以滿足實時應用的定時限制的要求。本系統實時數據模型總體設計思路如下。

3 實時數據庫系統數據模型方案

針對實時數據庫系統的數據采集、存貯、管理、查詢、分析、處理等關鍵功能，系統對“實時性”和“準確性”的要求非常嚴格，為此實時數據模型的操作應該包括時間關系代數操作、數據的時間一致性限制、事件及事務的時間限制等關鍵因素。實時數據模型主要包括如下三個部分:一組對象及其結構、一組操作和一組(關于對象與操作的)約束，其中的約束與傳統數據模型相比更突出地包括時間限制，即:(1)定義實時數據對象及其結構集合(RTDO);(2)定義施加于RTDO的一般數據操作和時間關系代數操作(RTOP);(3)定義對于RTDO和RTOP的完整性與一致性限制及實時限制(RTC)。

3.1 RTDO實時數據對象

實時數據對象包含如下三種類型:映像對象(IMO)、導出對象(DEO)和常量對象(COO)。映像對象是被實時寫入實時數據庫的RWO(現實世界中的對象)值的數據對象，即一個IMO就是一個RWO在特定時刻的映像。導出對象(DEO)是經過事務的執行，通過一組IMO和/或其他數據對象計算得到。常量對象(COO)可以看作實時數據庫的對象，也可以不是實時數據庫對象。如果是實時數據庫對象，COO可當作實時數據的特例，不隨時間而改變，時標為系統初建時刻(設為t0)，有效期的上限為“當前”(tc)。

基于以上分析，從實時數據對象的角度設計實時數據庫Trss:設CYO(VO，ti)表示在時刻ti對現實世界中可變對象集合VO的采樣操作;F(CO)表示對現實世界中常量對象CO的一次性取值，VO和CO都是RWO的子集。DO表示一個數據對象的集合，它是實時數據庫Trss的子集;JSC(DO)表示對DO的計算操作;IMOn表示當前映像對象集，IMO1，IM02……IMOn-1表示數據庫的存儲映像對象集。

Trss={IMO， DEO， COO};

IMO={IMO1， IMO2，...IMOn};

IMOi=CYO(VO，ti)， VO?哿RWO，(I=1，2，...n);

COO=F(CO)，CO?哿RWO;

DEO=JSC(DO)，DO?哿Trss

其中COO表示對時間不變的對象的集合，IMO表示映像對象的集合，DEO表示導出對象的集合。

3.2 RTOP時間關系代數操作

關系代數是關系數據操縱語言的一種傳統表達方式，它是由關系的運算來表達查詢的。基于Trss系統的需求設定了選取、投影、差、并四種時間關系代數操作。

時間選取:為選取針對屬性和/或有效期指定的滿足條件F的數據對象。F可以是關于屬性值的傳統表達式，也可以是關于有效期VI的時間條件表達式，或兩者都包括。被選取的數據對象的值和有效期均不變。

時間投影:為選取由A指定的屬性值和/或有效期VI，構成一個新的關系。若A中未指定VI則其結果對象均為常量對象，否則結果對象中具有相同值的對象可進行時間歸并。對有效期VI的投影等價于返回各對象O的有效期的函數VI(0)。

時間差:具有相同值但有效期不一定相同的對象。設R，S為兩個數據對象集，其時間差P=R-S定義為:對于R中的任一Xi，僅當S中有Xj使得xi=xj，且VI(xi)屬于VI(xj)時，xj不屬于P;否則xj屬于P，此時VI(xi)=VI(xi)-VI(xj)。

時間并:兩個具有相同值和不同有效期的數據對，還需要維護有不同有效期而有同樣值的IMO對象的完整性，在實際應用過程中，主要通過引入“時間歸并”操作來實現。

3.3 RTC時間限制

數據的時間一致性:實時數據庫Trss是相應現實世界的直接映像，Trss實時反映現實世界狀態的任何變化，并實現對現實世界的實時表示。數據對象的時標足夠接近真實時間，使數據庫的狀態能反應現實世界的“當前”狀態。如果數據對象的時間在當前時間的某個指定閾值范圍內，實時數據庫Trss中該對象與外部一致。

事件的時間限制:對于Trss系統中的各種實時應用活動總是由一事件來觸發和標志，即每一活動有一與之相聯的事件，因此，施加于活動(事務)的某些實時限制來自于事件的限制。實時事務由事件驅動，事務的定時限制有的則表現為相聯事件的限制。

4 結束語

論文提出了鐵路信號監控的實時數據庫的體系結構，基于實時數據庫的功能需求提出了實時數據模型的設計思想，根據設計思想，對實時數據模型進行設計，體現出了實時數據模型不同于傳統數據模型的突出特點，在模型上加上了時間概念，包括數據的時標、事件的時間限制。

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