航天產(chǎn)品可靠性信息云數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)與方法＊

秦 昳

(西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

在航天產(chǎn)品可靠性工作開(kāi)展過(guò)程中，建立可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)非常重要的工作［1］，但卻沒(méi)有得到足夠的重視。可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，是為了滿(mǎn)足可靠性研究和可靠性設(shè)計(jì)工作所必需的各種數(shù)據(jù)資料的集合體，是可靠性工程師進(jìn)行準(zhǔn)確可靠性設(shè)計(jì)的必要條件［2-3］。在方案論證階段，系統(tǒng)工程師和可靠性工程師要借助于數(shù)據(jù)庫(kù)全面研究現(xiàn)有的同類(lèi)產(chǎn)品或類(lèi)似產(chǎn)品的可靠性、維修性、總結(jié)規(guī)律性，為研制產(chǎn)品提供可靠性模型，選定適當(dāng)?shù)目煽啃粤慷龋⒖煽啃灾笜?biāo)。在設(shè)計(jì)階段，可靠性工程師要利用數(shù)據(jù)庫(kù)全面了解有關(guān)材料，零件、元件和部件的可靠性情況，進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)變成分系統(tǒng)、部件、器件、元件和零件的可靠性指標(biāo)。在設(shè)計(jì)評(píng)審、生產(chǎn)以及產(chǎn)品改進(jìn)中，同樣要利用數(shù)據(jù)庫(kù)去保持或提高產(chǎn)品的可靠性［4］。可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該包括以下3 個(gè)方面的內(nèi)容［5］:第一，來(lái)自科研單位的論文和研究報(bào)告;涉及到可靠性數(shù)學(xué)建模方法，可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)審方法等方面;第二，來(lái)自實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)基地的;涉及到元件、部件和整機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告和鑒定數(shù)據(jù)報(bào)告;第三，來(lái)自使用部隊(duì)及使用方，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究所和產(chǎn)品生產(chǎn)方的故障分析報(bào)告;涉及故障率，有效度、故障模式、維修性等方面。

然而在目前的實(shí)際工作中，由于數(shù)據(jù)的多樣性和多源性，各方面的數(shù)據(jù)都是采用各自獨(dú)立的一套系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件以及相應(yīng)的服務(wù)器和存儲(chǔ)器［6-7］。這種工作模式勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生諸如數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)操作效率低，無(wú)法快速有效的獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和安全機(jī)制無(wú)法統(tǒng)一調(diào)度等方面的缺陷［8］。

因此，文中以關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)為著眼點(diǎn)，研究一種新的數(shù)據(jù)庫(kù)體系架構(gòu)來(lái)適應(yīng)航天產(chǎn)品可靠性信息的復(fù)雜性，海量性和多源性特點(diǎn)。

1 關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)模型

1.1 關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)模型

云數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇不同的數(shù)據(jù)模型，主要包括:鍵/值模型和關(guān)系模型［9-10］。關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)模型引入行組和表組等相關(guān)概念。每個(gè)表仍然表示一個(gè)邏輯關(guān)系，但每個(gè)表都新增加一個(gè)分區(qū)鍵列用來(lái)對(duì)本表進(jìn)行區(qū)分。具有相同分區(qū)鍵類(lèi)型的多個(gè)表的集合稱(chēng)為表組，在同一表組中分區(qū)鍵值相同的行的集合稱(chēng)為行組［11］。如圖1 所示，表1 和表2 各自有一個(gè)分區(qū)鍵列并且數(shù)據(jù)類(lèi)型相同，所以表1 和表2 屬于同一個(gè)表組。在表1 和表2 中分區(qū)鍵值為25 的行共有三行，屬于同一個(gè)行組。圖1 還顯示了表組有不同的數(shù)據(jù)分區(qū)，但同一行組都在一個(gè)分區(qū)中。

1.2 數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)策略

在上述關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)模型中，不論行屬于哪一個(gè)表，只要這些行屬于同一個(gè)行組就會(huì)被分配到同一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)每個(gè)表組包括一個(gè)或多個(gè)行組，這些行組會(huì)分配到不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上［12-13］。而數(shù)據(jù)分區(qū)通常是按照分區(qū)鍵值的范圍進(jìn)行劃分，并且每個(gè)數(shù)據(jù)分區(qū)含有多個(gè)行組，所以每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都將存儲(chǔ)相應(yīng)分區(qū)鍵值區(qū)間內(nèi)的所有行。圖2 描述了關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)方法。當(dāng)客戶(hù)端有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，先向云數(shù)據(jù)管理服務(wù)器請(qǐng)求一段分區(qū)的映射，服務(wù)器應(yīng)答向客戶(hù)端返回;客戶(hù)端得到服務(wù)器的應(yīng)答之后根據(jù)分區(qū)鍵值匹配正確的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，同時(shí)向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)收到客戶(hù)端的請(qǐng)求之后應(yīng)答將數(shù)據(jù)提供給客戶(hù)端。

2 航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)構(gòu)建

在可靠性信息數(shù)據(jù)收集的過(guò)程中，數(shù)據(jù)具有區(qū)域性的特點(diǎn)，結(jié)合上述關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)模型特點(diǎn)和存儲(chǔ)方法，文中將按照分區(qū)管理的思路構(gòu)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)。

根據(jù)圖2 描述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，將整個(gè)可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的處理過(guò)程也分為3 個(gè)部分:客戶(hù)端，云服務(wù)器和若干數(shù)據(jù)區(qū)域。下面分別構(gòu)造每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作流程。

2.1 數(shù)據(jù)區(qū)域

每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域包含多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)虛擬機(jī)，一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域可以看做一個(gè)包含許多虛擬機(jī)的虛擬機(jī)組，這樣每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域都可以根據(jù)各自的數(shù)據(jù)量來(lái)動(dòng)態(tài)改變虛擬機(jī)的數(shù)量。通常一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)被分散到若干個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)(虛擬機(jī))中，因此還需要給每個(gè)虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的管理服務(wù)，負(fù)責(zé)交換和監(jiān)控每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)信息。對(duì)于數(shù)據(jù)區(qū)域來(lái)說(shuō)，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都獨(dú)立向外提供SQL 服務(wù)，可以不依賴(lài)于任何一個(gè)其他數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)而存在于平臺(tái)中。結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

在整個(gè)架構(gòu)中，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都具有故障轉(zhuǎn)移，數(shù)據(jù)備份的能力，同時(shí)它們的軟件結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是相同的，是同質(zhì)的，只是物理結(jié)構(gòu)可以不同［14-15］。這樣的設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)云服務(wù)器增加一個(gè)新的業(yè)務(wù)時(shí)，只要有一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)行，那么所有的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都可以運(yùn)行。

2.2 云服務(wù)器

如圖4 所示，整個(gè)可靠性信息平臺(tái)中的云服務(wù)器由服務(wù)層、系統(tǒng)管理模塊、資源管理模塊、安全管理模塊、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)資源模塊5 部分組成。

其中服務(wù)層的主要功能是負(fù)責(zé)給客戶(hù)端提供服務(wù)，包括獲取數(shù)據(jù)庫(kù)連接，返回?cái)?shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行配置和監(jiān)控。系統(tǒng)管理模塊的主要功能是用戶(hù)賬號(hào)的配置和權(quán)限管理，數(shù)據(jù)區(qū)域的映射，多個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的并發(fā)控制和調(diào)度。資源管理模塊的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)修復(fù)程序或屏蔽程序。安全管理模塊的主要功能是保障云服務(wù)的整體安全性，確認(rèn)云服務(wù)的身份。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)資源模塊和各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)相連接，它的主要功能是控制動(dòng)態(tài)的增加或減少數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)。

圖4 云服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Cloud sever system structure

2.3 客戶(hù)端

客戶(hù)端在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)之前，先訪(fǎng)問(wèn)云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，獲得適合與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的某些數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的信息，產(chǎn)生連接描述符，連接相關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)為客戶(hù)端提供SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

綜上所述，航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)如圖5 所示。

3 航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)分析

如圖5 所示，客戶(hù)端和云服務(wù)器之間的傳輸只有控制流而沒(méi)有數(shù)據(jù)，而客戶(hù)端和各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，從而使得整個(gè)平臺(tái)的輸入輸出操作可以并行執(zhí)行，整體性能得到提高。另外云服務(wù)器可以協(xié)調(diào)各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)同步工作，這樣便于進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘工作，提高該平臺(tái)的資源利用率。

在目前可靠性工作中使用的數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)中，所有的數(shù)據(jù)集中在一起，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷變大，數(shù)據(jù)的備份效率越來(lái)越低，數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)不斷變大。而采用文中提出的模型構(gòu)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，當(dāng)數(shù)據(jù)量增加到趨于飽和狀態(tài)時(shí)，可以采用分割的方法，將大的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分割成小的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，整個(gè)平臺(tái)在云服務(wù)器的控制下也可以動(dòng)態(tài)增加新的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，同時(shí)原來(lái)的獨(dú)立備份也可劃分為多個(gè)小的獨(dú)立備份。這樣可以提供高效可靠的備份機(jī)制。

反之，當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)處理能力下降或不足的情況時(shí)，同樣可以采用分割的方式以老換新，提高數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的處理能力，完成平穩(wěn)的平臺(tái)升級(jí)。此外，由于各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)庫(kù)是同構(gòu)的，所以便于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)業(yè)務(wù)的互通和置換，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)高效統(tǒng)一。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)模型下的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)策略，構(gòu)建航天產(chǎn)品可靠性信息云數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

2)通過(guò)對(duì)該云數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)的分析，驗(yàn)證了構(gòu)建方法的有效性。為提高當(dāng)前可靠性信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)擴(kuò)充，數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，業(yè)務(wù)部署和安全管理能力提供技術(shù)思路。

References

［1］ 傅浩杰，王美清.面向航天產(chǎn)品的可靠性信息管理系統(tǒng)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(12):27 -33.FU Hao-jie，WANG Mei-qing.Research on the reliability information management system for aerospace products［J］. Manufacturing Automation，2014，36(12):27 -33.

［2］ 蘇永芝，陳景鵬.航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)施設(shè)備可靠性工作研究［J］.裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，25(2):56 -59.SU Yong-zhi，CHEN Jing-peng.Research on the reliability of spaceflight launch site’s facilities and equipment［J］.Journal of Equipment Academy，2014，25(2):56 -59.

［3］ 盧明章，李云峰，楊志剛，等.基于測(cè)試數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期貯存裝備可靠性評(píng)估［J］. 失效分析與預(yù)防，2014，9(1):58 -60.LU Ming-zhang，LI Yun-feng，YANG Zhi-gang，et al.Reliability assessment of storage long-term equipment based on testing data［J］.Failure Analysis and Prevention，2014，9(1):58 -60.

［4］ 陳 炘，劉清菊.分布式數(shù)據(jù)庫(kù)同步節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法研究與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(12):407 -310.CHEN Xin，LIU Qing-ju. Research and simulation of distributed database synchronization node optimization method［J］.Computer Simulation，2013，30(12):407 -310.

［5］ Pramote Kuachroen. Combination of data masking and data encryption for cloud database［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，3 253(571):617 -620.

［6］ 吳 楠.城市部件信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(5):614 -619.WU Nan. Design of municipal component information management system database［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(5):614 -619 .

［7］ Sherif Sakr. Cloud-hosted database:technologies，challenges and opportunities［J］. Cluster Computing，2014，17(2):487 -502.

［8］ Pluzhnik，Evgeniy V，Nikulchev，Evgrny V. Use of dynamical systems modeling to hybrid cloud database［J］.International Journal of Communications，Network and System Sciences，2013，6(12):550 -512.

［9］ 冀汶莉，李向軍，戴 旭. 基于云計(jì)算SaaS 模式OA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(5):607 -613.JI Wen-li，LI Xiang-jun，DAI Xu.Design and implementation of OA system by SaaS mode based on cloud computing［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(5):607 -613.

［10］青 欣，胥光輝，戢 瑤，等.云數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23(5):37 -41，46.QING Xin，XU Guang-hui，JI Yao，et al.Research of application of cloud database［J］. Computer Technology and Development，2013，23(5):37 -41，46.

［11］劉桂蘭，王書(shū)海.云數(shù)據(jù)庫(kù)體系架構(gòu)研究分析［J］.河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30(2):75 -80.LIU Gui-lan，WANG Shu-hai. Research into the cloud database architecture［J］.Journal of the Hebei Academy of Sciences，2013，30(2):75 -80.

［12］馬 莉，李樹(shù)剛，肖 鵬，等.云計(jì)算環(huán)境下煤礦應(yīng)急管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(5):596 -601.MA Li，LI Shu-gang，XIAO Peng，et al.Massive data storing technique of coal mine energy management in cloud computing［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(5):596 -601.

［13］林子雨，賴(lài)永炫，林 琛，等.云數(shù)據(jù)庫(kù)研究［J］.軟件學(xué)報(bào)，2012，23(5):1 148 -1 166.LIN Zi-yu，LAI Yong-xuan，LIN Chen，et al.Research on cloud databases［J］.Journal of Software，2012，23(5):1 148 -1 166.

［14］梁亞婷，楊振宏，屈利偉.基于多源異構(gòu)信息融合的煤礦冒頂事故預(yù)報(bào)技術(shù)［J］. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(1):78 -83.LIANG Ya-ting，YANG Zhen-hong，QU Li-wei. Mine roof fall prediction technique based on multi-source information fusion［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(1):78 -83.

［15］吳天魁，王 波，顧基發(fā)，等.基于模糊綜合評(píng)判與故障樹(shù)法的震壓造型機(jī)故障診斷［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(3):368 -372.WU Tian-kui，WANG Bo，GU Ji-fa，et al.Fault diagnosis of jolt squeezing machine based on fuzzy comprehensive evaluation and fault tree method［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(3):368-372.