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建京理工大学磋士学位论文路婶蓝控系绕结构及基 $ 信息系统设计 摘要 城市路灯照明系统是一个城市的重要基础设施之一。论文以南京理工大学研发 的路灯无线监控系统为背景，熏新规划并设计了路灯监控系统。 深入了解路灯监控系统的构成及其特点是键高和改进路灯监控系统的可靠性的 前提。 本文首先规划了路灯监控系统体系结构，弗从提高系统可靠性的角度出发，设计 了路灯监控系统豹基础信息系统。 路灯监控系统体系结构是描述路灯监控系统的组成以及各个组成部分之间的相 互作用关系。本文对路灯监控系统体系结构进彳子了深入的硬究，详细豹描述了路灯髓 控系统的内在构成规律，为进一步开发和改善路灯监控系统的性能奠定了基础。 基础信息系统豹核心是数据库系绞，在路灯监控系统中起羞关键的作阕，本文分 析了现有路灯监控系统中数掇库设计的不足，引入了容灾系统的思想并设计了本地备 份和远程异她备份策略。 关键诩：路灯监控系统，监控系统体系结构，可靠性，数据库 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 a b s t r a c t c i v i ll i g h 醢i l gs y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fc i t yi n f r a s t r u c t u r e + i nt h i sp a p e r , l i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e mi sr e d e s i g n e db a s e do nt h eo r i g i n a ll i g h t i n gm o n i t o r i n g s y s t e md e v e l o p e db yn a n j i n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w e l l u n d e r s t a n d i n gt h es y s t e ms 曲c t l l r ea n dc h a r a c t e r s o fl i g h t i n g m o n i t o r i n g s y s t e mi st h ep r e c o n d i t i o no fi m p r o v i n g t h es y s t e mr e l i a b i l i t y a r c h i t e c t u r eo fl i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e ra n di n f o r m a t i o n s y s t e mi sd e s i g n e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a r c h i t e c t u r eo fl i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e md e s c r i b e s t h ec o m p o n e n t sa n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s ec o m p o n e n t s i nt h i sp a p e rt h ea r c h i t e c t u r e o fl i g h t i n g m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s o r ys y s t e mi ss t u d i e df i r s t a n dt h e nt h es y s t e ms t r u c t u r ei s d e s c r i b e di nd e t a i l i ti st h eb a s eo ff u r t h e ri m p r o v i n go fl i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m t h ek e yp a r to fi n f o r m a t i o ns y s t e mi st h ed a t a b a s es y s t e ma n dp l a y sv e r yi m p o r t a n t r o l ei nl i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e rt h es h o r t a g eo ft h ed a t a b a s e - d e s i g ni n l i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m a r e a l l a l y z e da n d a n t i - d i s a s t e rd e s i g nm l e sa r ei n v o i c e d k e y w o r d s ：l i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ，a r c h i t e c t u r eo fm o n i m f i n gs y s t e m ， r e l i a b i l i t y , d a t a b a s e i i 1 绪论 1 1 路灯监控系统 道路照明是一个城市基础设施的重要组成部分。路灯监控系统是城市路灯以及亮 化中一个极其重要的环节。运行可靠、自动化程度高是路灯监控系统的最基本也是最 重要的需求【l 】。 路灯监控系统通过借助通讯网络，将现场节点将观测的数据传输至监控中心，监 控中心计算机分析和处理这些数据，从而获取路灯现场当前工况，并根据情况进行相 应处理，实现对道路路灯的监视与控制【2 l 。 一个城市的道路路灯遍布城市各处，因此，路灯监控系统是广域的分布控制系统。 监控系统由监控中心和分布在路灯现场的控制设备r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 组成， 每个r 1 m 监控一段道路的路灯。 从物理组成上看，监控中心与分布在路灯现场的r t u 构成了路灯监控系统的两 个级：监控级和现场检测控制级；从递阶控制系统的角度，路灯监控系统由现场级、 现场控制级和监控级组，如图1 1 所示。 路灯监控系统这两级间的信息交换有多种方式，主要分为有线方式和无线方式两 种。无线方式又分为利用公共通信基础设施传输数据的g p r s c d m a ( 简称公共网络) 图1 1 路灯监控系统的递阶控制结构图 王 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 以及利用无线电台组建的专用无线网络( 简称专用网络) 。 1 2 路灯监控系统发展状况 城市路灯监控系统目前的发展方向如下： ( 1 ) 引入节能控制 路灯监控系统从最初所赋予路灯现场工况监视和路灯开关控制功能，逐渐演化到 监控+ 节能控制功能。各种节能技术融合到路灯监控系统中，路灯监控系统的功能从 原来单一监控功能，发展到集体监控功能和节能控制于一体的新型路灯监控系统。 ( 2 ) 控制粒度更细化 在传统的路灯监控系统中，一个远程控制单元r t u 所监控的是数十盏甚至数百 盏路灯。随着低压( 2 2 0 v ) 电力载波技术的日益成熟，很多城市的路灯监控引用了 所谓的单灯控制器l c u ( l a m p c o n t r o lu n i t ) 。l c u 安装在每盏路灯灯头处，可以对 每盏路灯进行监控。l c u 采用电力载波方式与r t u 通信，将每盏路灯的工作状况传 递给r t u ，再由r t u 转发到监控中心，监控中心可以确切地知道某盏路灯的工作状 况。 ( 3 ) 监控系统的远程化 新型的路灯监控系统中，监控中心与r t u 直接采用公共基础通信设施 g p r s c d m a 交换信息。由于g p r s c d m a 采用标准的t c p 1 p 协议，这就使路灯监 控系统与i n t e m e t 无缝衔接在一起。路灯监控系统融入到i n t e m e t 后，传统监控系统 中的监控中心的功能被淡化了。因为融入到i n t e r n e t 的路灯监控系统，允许监控人员 在任何时候( a n yt i m e ) 、从任何地方( a n yw h e r e ) 获取路灯现场的工作状况并对其实施 控制4 1 。 1 3 路灯监控系统存在的问题 如1 2 节所述，路灯监控系统正逐渐演化着，系统变得越来越复杂。众多的新兴 技术不断引入路灯监控系统，加剧了系统的复杂性。 采用传统技术的路灯监控系统的体系结构和技术方案已经无法完全适应路灯监控 的演化。目前那些已经实现了的路灯监控系统普遍存在以下问题： 2 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 ( 1 ) 系统可靠性问题 由于新的节能和控制技术以及新的信息交换技术的引入，系统的可靠性的问题日 益突出。最突出地表现在原有的路灯监控系统的体系结构已经无法完全适应和容纳这 些新兴技术的引入。路灯系统的可靠性的本质是运行的可靠性和系统信息的可靠性。 与传统的路灯监控系统相比，新型路灯监控系统要处理的信息量成倍的增长。保证系 统的可靠性是新型路灯监控系统必须解决的首要问题。 ( 2 ) 系统安全性问题 在传统的监控系统中，监控中心与路灯现场的各个r t u 直接采用无线专网方式 交换信息，系统的安全性问题并不是那么突出。当路灯监控系统采用c d m a g p r s 技术并融入i m e m e t 环境后，随之而来的系统的安全性问题就成为路灯监控系统必须 解决的问题。在通过不安全的i n t e m e t 环境时，必须保证路灯监控系统信息的安全性 和完整性，防止信息的丢失和被恶意篡改。 ( 3 ) 系统的可扩展性问题 可以预计，随着控制技术、通信技术和计算机技术的不断发展，将会有更多的新 技术融入到路灯监控系统中；与此同时，用户对路灯监控系统的需求也从“监控向着 “监控+ 管理”的方向发展，这就直接要求新型路灯监控必须保证可扩展性以满足这些 需求【5 】嘲。 1 4 本论文研究目的 本论文重点从提高路灯监控系统运行的可靠性和系统信息的可靠性的角度出发， 对监控系统的结构进行设计和改进，同时对与信息可靠性密切相关的系统的安全性问 题也做了论述。 论文以南京理工大学研发的路灯无线监控系统为基础，首先规划了路灯监控系统 体系结构，并从提高系统可靠性的角度出发，设计了路灯监控系统的基础信息系统。 ( 1 ) 规划路灯监控系统的总体结构与组成。 ( 2 ) 在路灯与亮化监控系统中，基础信息的核- t l , 是数据库。监控系统中的数据 库存储着系统运行所必须的监控原始信息以及系统运行过程中所采集的现场状态和 控制信息。因此，单一数据库的健壮性在路灯与亮化监控系统中尤为重要。针对此问 题，设计系统的数据库部分，包括实体联系图的设计和关系模式的转换。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 ( 3 ) 如果应用程序对数据库的依赖程度很大，一旦数据库损坏，应用程序就无 法正常运转，实时数据无法存储和管理。路灯监控系统中也存在这样的问题。针对此 问题，设计系统的数据库访问方案，将a d o n e t 技术用于该系统，在一定程度上降低了 应用程序对数据库的依赖性，提高了系统信息的可靠性。 ( 4 ) 路灯监控系统必须2 4 小时x 3 6 5 天运行，也就是长期运行。由此，系统的 可靠性和安全性尤为重要。因为基础信息的核心是数据库，所以信息的安全性和可靠 性问题这就是数据备份，灾难后数据恢复问题。针对此问题，设计路灯监控系统的本 地备份和远程备份方案。 通过本文的设计工作，保证路灯监控系统的单一数据库的健壮，实现了数据库的 本地和远程备份以及断开式数据访问，在很大程度上提高系统的可靠性。 1 5 小结 本章分析了路灯监控系统的发展状况以及现有系统存在的问题，阐述了本论文的 研究目的，最后重点说明了本人的主要工作。 4 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 路灯监控系统总体结构 路灯监控系统体系结构描述路灯监控系统的组成以及各个组成部分的精确交换 关系。为了更好的适应路灯监控系统发展的要求，路灯监控系统结构中重点考虑了系 统的可靠性和安全性。 2 1 总体结构设计 路灯监控系统是一个递阶控制( 层次控制) 系统，如图2 1 所示， 远程监控，监督远程数据备份 指。f 状杏还原jf 备份 路灯监控 l 控制命令l+ jl 现场工况 现场参量捡钡i ，控制 路灯现场 图2 1 总体结构层次图 在上图所示的层次结构中最显著的特点是增加了“远程监控监督”和“远程数据备 份”功能层。添加这个功能层的主要目的是借助i n t e m e t 技术，将监控系统与诸如生产 管理，调度这样的更高功能层集成m 。 远程监控借助i n t e r n e t 技术了解路灯监控系统的工作状况和路灯现场的工作状 态。 远程备份借助i n t e m e t 技术对数据库进行异地备份，提高了系统的可靠性。 5 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 1 1 现场控制级与监控级之间的信息交换 ( 1 ) 控制命令：从监控级到现场控制级，由路灯监控系统执行现场开关灯作业。 如：群空开关灯、部分群空开关灯、单点开关灯等。 ( 2 ) 现场状态：也称为实时工况，从现场控制级到监控级，上传现场工作状态。 如：检测到的三相电压、电流、开关灯状态，故障报警等。 ( 3 ) 现场检测，控制级和监控级之间的信息交换采用自定义的数据格式协议。 2 1 2 监控级与远程监控，监督之间的信息交换 ( 1 ) 状态：指监控系统状态和路灯现场状态的集合，由路灯监控级到远程监控 级。 ( 2 ) 指令：指作业指令，即路灯开关计划和临时应急开关指令。由远程监控级 到路灯监控级。 ( 3 一) 路灯监控级和远程监控级之间的信息交换需要借助无线网络。 2 1 3 监控级与远程数据备份 ( 1 ) 备份：由路灯监控级到远程数据备份，实现监控中心数据库中的数据向远 程备份系统的数据库备份的过程。 ( 2 ) 还原：即恢复，由远程数据备份到路灯监控级，实现在监控中心数据库毁 坏时，由远程备份系统向监控中心传送重要数据信息的过程。 ( 3 ) 路灯监控级和远程数据备份之间的数据交换需要借助网络。由于数据在网 络间传输的安全性问题就比较突出，所以应采用适当的技术来保证数据传输的安全 性。在路灯监控系统中采用搭建虚拟专用网的方案和采用公钥，密钥的方案来保证数 据传输的安全性，这部分设计在第五章中详细介绍。 2 2 监控层设计 监控层实现路灯监控的核心功能，其可靠性尤为重要。通常，路灯监控中心完成 监控级的功能【8 1 。主要包括：开关灯作业的编辑与执行，故障诊断与故障报警。 6 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 监控层设计的目的是通过提高服务器、监控机的性能和采用适当的数据访问方式 来提高系统可靠性的。 2 2 1 路灯监控系统监控中心的结构 1 、采用无线专用网络的系统结构 监控中心由通信处理，监控计算机、监控计算机、数据服务器构成唧。监控计算机 与数据服务器之间采用传统的客户机，且匣务器( c ，s ) 计算模式。 图2 2 采用无线电台专用网络的系统结构图 服务器存储系统的开关灯作业和现场工作状况的各种信息。 通信处理监控机连接无线电台，通过无线电台囱r t u 站点发送开关灯作业指令， 并接收r t u 站点上传的现场工作状况数据。 监控机作为通讯监控机的备份设备，在通讯监控机发生故障时接替其工作。 2 、采用g p r s c d m a i n t e r n e t 的系统结构圈。 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 监控中心 图2 3 采用g p r s c d m a i n t e r n e 玎的系统结构图 从图中可以看出，在使用g p r s ，c d m a ，斟1 e r n e t 的系统结构中有一台网络服 务器。监控中心通过网络服务器借助i n t e r n e t 向r t u 站点发送指令信息。r t u 站 点检测到的现场工作状况数据也借助i n t e r n e t 发送给网络服务器，再由监控机进 行处理。 以上两种设计方案的监控中心均采用双机备份方式，一台为主监控机，一台为辅 监控机，当主监控机出现严重故障时，辅监控机可以很快地切换为主监控机担任监控 工作，从而提高了系统的可靠性。 为了提高系统的安全性，系统外的计算机通过拨号方式进入系统，采用加密查询 方式访问系统中的各类实时和历史数据。 3 、采用单服务器的数据流向 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 d b m s 图2 4 采用单服务器的数据流向图 辅监控 由上图可知数据流向的过程为：r t u 站点将现场状态信息发所到主监控机，主 监控机再将现场状态信息发送到数据服务器，数据服务器将现场状态信息存储到数据 库中，完成一次数据存储。监控机下次能从数据服务器中读取相关信息。 在此过程中，主监控机和辅监控机都可从数据库中读取信息，但是辅监控机和主 监控机没有直接联系。在这种情况下，辅监控机无法检测到主监控机的工作状况，因 而在主监控机出现故障时，无法及时的与主监控机切换，这就存在一定的宕机时间， 造成一部分数据的丢失。如果在下发开关灯作业的时刻宕机，监控站点不能收到开关 灯命令，会影响正常的开关灯。 为了克服这一缺点，我们通过两台监控机之间的心跳线来检测主监控机是否正常 运行，详见图2 1 0 。 4 ，采用单服务器的指令流向 9 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 图2 5 采用单服务器的指令流向图 由上图可知指令流向的过程为：r t u 站点向主控机请求作业计划( 如开关灯时 间) ，主监控机从数据库中检索作业计划并返回到主监控机，然后发送给r t u 站点执 行作业命令。 在数据的指令流向图中，没有任何元素与辅监控机相连，可见指令信息的请求与 下发都与辅监控机无关。 由数据的指令流向图和数据流向图可见两台监控机之间的区别与联系： ( 1 ) 区别：主监控机与数据库之间不仅有数据的传输还有指令信息的传输，辅 监控机与数据库之间只有数据的传输。 ( 2 ) 联系：辅监控机可从数据库中读取数据，与主监控机组成备份系统。提高 系统的可靠性。 i o 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 5 、监控中心采用单一服务器的结构所存在的问题 主监控棚 辅监控胡 数据库 图2 6 单一服务器与监控机的关系图 ( 1 ) 监控机之间的快速切换t a - 3 题。即在主监控机出现故障时，辅监控机如何快 速接替主监控的功能。 ， ( 2 ) 由图所知，监控中心两台监控机直接与数据服务器进行交换，本身没有直 接的联系。这种结构使两台服务器过分依赖于服务器，在服务器出现故障时，路灯监 控系统裁无法进行正常运行。为了进一步提高系统的可靠性，主要从提高服务器本身 的性能和降低监控机对服务器的依赖性两个角度进行改进。 2 2 2 路灯监控系统监控中心的结构改进设计 1 、改进后的系统结构 l l 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 监控中心 图2 7 改进后的系统结构图 为了保证系统的可靠运行，主要由两方面的改进： ( 1 ) 采用服务器的互备提高服务器本身的性能。 ( 2 ) 采用断开式数据访问技术降低监控机对服务器的依赖。 具体介绍见第三章。 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 、服务器备份方案的设计 具有鲁份功能的量 务器 9 两 舀 备份服务嚣 l 9 图2 8 具有备份功能的服务器与监控机之间的关系图 该结构采用两台服务器作为冗余备份，在主服务器出现故障时，备份服务器可以 接替主服务器的工作，实现了两个服务器之间的备份和还原。监控机由对单一服务器 的依赖转变为对具有备份功能的服务器的依赖，即使有一台服务器出现故障，整个系 统还能继运行。 这种方案切实提高了服务器本身的性能，从而提高了系统的可靠性。服务器的两 种备份方案在第三章中详细介绍。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 3 、改进后的数据访问方案一 d b m s 图2 9 改进后的数据访问流程图( 一) 辅监控 为了降低监控机对服务器的依赖性，路灯监控系统采用断开式的数据访问方法， 具体实现方法的设计在第四章中进行介绍，在此只论述其数据流向。 ( 1 ) 数据传送过程： 现场工况信息由r t u 发送给主监控机，主监控机将数据传送给服务器，两台服 务器进行互备份，辅监控机可以访问主服务器。 ( 2 ) 采用断开式技术的信息读取过程：初始阶段数据库与监控机建立连接，将 开关作业等基本信息存入监控机的磁盘中，并将其转换为x m l 格式，断开连接，此 时监控机具备最基本的控制功能。 两台服务器的冗余备份以及断开式数据访问技术的应用，增强了服务器本身的性 能，降低了监控机对服务器的依赖，从而提高了整个系统的可靠性。 1 4 南京理工大学颂士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 4 、改进后的数据访问方案= 监控中心与监控站点的信息和指令的传输主要是通过主监控机完成的。我们采用 如下方案实现对主监控机工作状态的检测。 图2 1 0 改进后的数据访问流程图( 二) 此方案主要从减少宕机时间的角度进行结构的改进。 使两台没有直接联系的服务器成为实时联系的整体。备份服务器通过“心跳线” 来判断主监控机的工作状态。 所谓“心跳，指的是主辅监控机之间按照一定的时间间隔发送信号，表明各自的 运行状态。一旦1 0 跳”信号表明主监控机发生故障，及时进行监控机的切换【“。 这种方案的采用，在一定程度上减少了宕机时间，提高了系统的可靠性。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 3 现场控制级与监控层信息交换协议设计 现场控制级由分布在城市各条道路上的r t u 构成。r t u 实时检测路灯现场状态 并执行来自监控层的控制指令。 2 3 1 现场控制级结构 r t u 的输入通道要采集现场的电压、电流信号以及交流接触器的开关状态。内 2 1 1 路灯监控系统电器连接图 部采用最新型的时钟芯片，使其内部时钟能够可靠运行。软件上输入天文台提供的季 节变化天象表，根据当地的纬度值，自动计算当天的开关灯时间，使其能准确地开关 灯。 其中盯表示电压互感器，c t 表示电流互感器，j c 表示交流接触器，z k 表示开 关。 城市路灯照明系统由电力变压器将高压供电电源降至3 8 0 伏线电压或2 2 0 伏相电 压的市电，并在输入的总路上利用电压互感器p t 和电流互感器c t 对a 、b 、c 三相 的相电压和相电流进行测试。一个路灯监控系统可以拥有多个监控站点，每一个监控 站点都有自己的编号。 4 1 6 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 同时，根据实际需要从总路上分出l - - 4 个大的支路( 图示为2 个支路) ，由r t u 站点控制电路导出的儿- - j 4 触点分别控制4 个交流接触器的闭合状态。由交流接触 器控制各路灯的开关供电。开关灯时间符合开关灯规律。交流接触器的指令由r t u 站点控制。 大支路允许分出l 一2 个小支路，这样每个r t u 站点最多可以分出8 个小支路， 按l 一8 对其进行编号，分别称为第一支路、第二支路、第八支路。在每条支 路上安装电流互感器来测试该支路的电流值。 互感器输出的模拟量通过a d 转换变为数字量，与开关灯状态等参数一起存入 总站的缓存中。这些信息可以通过无线电台、g p r s 或g s m 模块发送给主控中心【l ”。 路灯监控系统从最初所赋予路灯现场工况监视和路灯开关控制功能，逐渐演化到 2 1 2 带有节能控制的路灯监控系统的电器连接图 监控+ 节能控制功能，是为了适应路灯发展的要求，因而需要在路灯监控系统中引入 节能环节。 1 7 南京理工大学硕士掌位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 3 2 现场控制级与监控级之间信息交换协议 数据交换协议设计的目的在于以“标准的格式和“标准的语义”规范控制级与现场 控制级之间的交换行为在这两个级间可以采用通信方式有多种选择，标准的级间通 信协议可以保证这个两个级之间的交互方式与通信方式无关，或者说，对于这两个间 而言，级间的通信方式是透明的n 2 l 。 2 4 小结 本章通过对多种结构方案进行设计和分析，主要通过以下几点来提高系统的可靠 性： ( 1 ) 采用两台监控机的互备份的结构。 ( 2 ) 采用本地和异地备份结构提高服务器的可靠性。其具体实现结构在第三章 和第五章中逐一论述。 ( 3 ) 提出了将断开式的数据访问技术用于该系统的思想，降低了监控机对数据 服务器的依赖。断开式访问技术的实现将在第四章中论述。 在设计过程中提出并解决了以下问题： ( 1 ) 解决了两台监控机切换时的宕机问题。 ( 2 ) 提出了两台服务器的切换问题，该问题的解决方案在第四章中介绍。 ( 3 ) 提出了数据传输的安全性问题，该问题的解决方案将在第五章中介绍。 此外，在电路设计中采用了节能控制电路以适应路灯监控系统的节能化的发展趋 势。 1 8 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 3 路灯监控系统数据库的设计 单一数据库本身的健壮性是路灯系统可靠性的基础，数据库的本地和异地备份是 路灯系统可靠性的保证。数据库设计是信息系统开发和建设中的核心技术，关系数据 库结构设计质量的好坏，直接影响管理信息系统中各个处理过程的性能和质量。 本系统数据库的设计目标是：确保单一数据库的健壮性，方便数据库本地和异地 备份。 3 1 路灯监控系统数据设计基本约束条件 3 1 1 基本设计方法 保证数据库中的数据的完整性和一致性，是一个健壮数据库的基本前提。 数据库的设计方法有多种，如：i d e f l x ，实体联系图等，路灯监控系统采用实 体联系图和关系模型来保证数据库的一致性和完整性，进而保证其健壮性。 在实体联系图中，我们描述了实体集、属性以及实体集之间的联系，实体联系图 中的联系可以涉及两个以及两个以上的实体。实体集的成员称为实体。 用表格数据来表示实体和实体间联系的模型叫关系模型。其设计目的是把概念结 构转换成所选择的d b m s 支持的数据模型；对各关系进行规范化处理、评价、修正。 关系模型是数据模型中最为常用的一种模型，它把事物问的关系看成是一个= 维表 1 3 1 。 3 1 2 路灯监控系统必须满足的条件 ( 1 ) 现场信息实时存储。现场信息列表如下： 各个r t u 站点的电压。 各个r t u 站点的电流。 开关灯状态。 亮灯率。 现场故障报警。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 已编辑的开关作业计划。 己执行的开关作业计划。 标准开关灯时间。 ( 2 ) 所有数据长期保存。 ( 3 ) 数据库作为备份的中心，应考虑并发性冲突。 ( 4 ) 各种统计报表。 ( 5 ) 实现数据库互备份。 ( 6 ) 实现数据库之间的快速切换。 3 2 路灯监控系统数据库的设计 数据库的设计必须满足其约束条件，方便数据库的互备份。 3 2 1 实体联系图的设计 它的设计原则是应该具有最小的数据冗余。 实体联系图有三个主要部分： ( 1 ) 实体集：实体是实体集的成员，每一类实体可以代表一类数据的集合。 ( 2 ) 属性：描述实体某个特征的值。 ( 3 ) 联系：两个或多个实体集之间的联系“4 1 。 参照路灯监控系统的约束条件，确定如下实体集：监控站点( 以后称为总路) 、 交流接触器支路、小支路、开关灯规律、线路故障和亮灯率。 3 2 2 1 总路 总路主要采集三相电压和总路电流，这些信息反映总路的整体概况，这些信息是 以下分析亮灯率和故障统计的必要条件。 总路的属性包括：簋整缠墨、站点位置、三相电压、总路电流。 3 2 2 2 交流接触器支路 交流接触器控制各路灯的开关供电。开关灯时间符合开关灯规律。 2 0 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 交流接触器支路的属性包括：盍杰蹬缠曼，上层站点编号。 3 2 2 3 小支路 小支路采集支路电流信息，这些电流值反映出支路的亮灯状况和故障状况。是故 障统计的必要条件。 小支路的属性包括：尘塞路缠曼、支路电流、上层支路编号。 3 2 2 4 开关灯作业计划 开关灯主要是根据日出和日落的时间来确定的，所以一年当中每天的开关灯时间 是不一致的。 其属性包括：旦塑( 月、日) 、开灯时间、关灯时间。 3 2 2 5 线路故障 在任何系统中，故障统计都是很重要的一环，路灯监控系统也步例外，如何及时 有效的发现故障，反馈故障和排除故障是系统可靠运行和安全性的保障。 1 、远程控制终端有如下几类故障。 ( 1 ) 系统停电 检测到三相电压值v a 、v b 、v c 同时为0 。 ( 2 ) 电压缺相 检测到三相电压值中至少有一相为0 。 ( 3 ) 电压，电流超上限 实测值大于某比例的额定值时为超上限。 ( 4 ) 电压，电流超下限 实测值低于某比例额定值的情况为超下限。 ( 5 ) 异常关灯 开灯状态下检测到支路电流为0 的故障。 ( 6 ) 异常开灯彳 、 关灯状态下检测到支路电流不为0 的故障峒 l 2 1 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 2 、路灯监控系统软件故障或r t u 板、数据收发模块( 无线电台、g p r s 、g s m 等) 硬件故障。 对应于路灯监控系统，可能的软件故障有白天非人为的异常开灯、夜晚非人为的 异常关灯等等。这两种故障较之上面提到的故障，发生的几率虽然小，但是对于一个 成熟的监控系统，不应该小觑。 3 、其他故障 该种故障最主要的现象是系统停机。究其原因，主要包括：数据损坏、硬件，软 件超负载、人为失误、系统维护、病毒或其它恶意攻击等。这些类型的故障属于偶然 性故障，其发生基本没有规律刀。 这些故障都以电压和电流的形式反馈给监控中心。 综上所述，其属性应包括：遂瞳名鏊、三相电压、电流、发生时间。 3 2 2 6 亮灯率 根据实测电流值与理论值的计较可以得出该路线的亮灯率。 其属性包括：旦筮、实际电流、额定电流。 3 2 2 7 理想状态下的实体联系图 针对单一服务器的路灯监控系统，其数据库设计多采用自增长字段来对重复数据 进行分辨，但是，自增长字段在进行数据库的备份和恢复之后，就不再是自增长字段， 失去了自增长功能。所以在有双服务器冗余备份的路灯监控系统中，数据库设计避免 采用自增长字段 1 8 1 。为了适应路灯监控系统的发展现状，路灯监控系统多采用数据 库备份的方法来提高其可靠性，在此只针对具有双服务器路灯监控系统的数据库进行 设计。 理想状况下，交流接触器线路与总路线路，支路线路与交流接触器线路的链接方 式为一一对应。所以有如下的实体联系图。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 图3 1 理想状况下的实体联系图 3 2 2 8 实际的实体联系图 实际连接中，交流接触器线路与总路线路，支路线路与交流接触器线路的链接方 式可能出现不一致的链接方式，因此，为了有效的检测线路故障的原因，应对线路链 接方式做详细说明。在这种情况下，我们设计了如下的实体联系图。 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 图3 2 实际状况下的实际实体联系图 3 2 2 关系模型的设计 由实体联系图到关系模型的转换包括两个部分 ( 1 ) 将实体转换为关系模型。 ( 2 ) 将实体间的联系转换为关系模型1 研 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 1 、将理想状况下的实体转换为关系 表3 1 理想状况下的实体，关系表 实体名对应的关系 星堕绳曼、站点位置、a 相电压、b 相电压、c 相电压、a 相电流、b 相 总路 电流、c 相电流 交流接触器支路 童堕堡呈、上层站点编号、位置 支路 塞堕盈呈、a 相电流、b 相电流、c 相电流，上层路线编号、 开关灯规律 旦塑、开灯时间、关灯时间 丝睦名签、a 相电压、b 相电压、c 相电压、a 相电流、b 相电流、c 相 线路故障 电流、故障发生时间 亮灯率 旦翅：实际电流，额定电流 2 ，将实际状况下的实体转换为关系 表3 2 实际状况下的实体关系表 实体名对应的关系 望堕堡呈、站点位置、a 相电压、b 相电压、c 相电压、a 相电流、b 相 总路 电流、c 相电流 裹整绳曼、上层站点编号、位置、a 相线路上层链接方式、b 相线路上 交流接触器支路 层链接方式，c 相线路上层链接方式 支路 童整缠呈、a 相电流、b 相电流、c 相电流，上层路线编号、 a 相线路上层链接方式、b 相线路上层链接方式、c 相线路上层链接方式 开关灯规律 旦塑、开灯时间、关灯时间 墼瞳名整、a 相电压、b 相电压、c 相电压、a 相电流、b 相电流、c 相 线路故障 电流、故障发生时间 亮灯率 旦! 址实际电流、额定电流 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 将理想状况下的每一联系转换为关系 表3 3 理想状况下的联系关系表 联系名联系实体主键 对应的关系 、 总路表 总路总路编号 总路编号、支路编号、 交流接触器支路 童堕绳墨 站点位置， 交流接触器支路塞瞪童整绳曼： 交流接触器支路表 支路小支路编号 小支路编号、 开关灯时间表 开关灯规律 旦塑 日期、支路编号、 交流接触器支路支路编号 开灯时间、关灯时间 总路故障线路故障 筮堡刍整 故障名称、总路编号、 统计袭 总路 星竖绩量 故障发生时间 交流接触器支路故障 线路故障故障名称故障名称，支路编号， 统计表 交流接触器支路支路编号故障发生时间 支路赦障线路故障故障名称故障名称、支路编号、 统计表支路支路编号 故障发生时间 亮灯率+ 总路 篮整绳量 望堕绳曼、旦趔， 统计表 亮灯率 旦塑 额定电流、总路电流 4 、将实际状况下的每一联系转换为关系 表3 4 实际状况下的联系关系表 联系名 联系实体 主键对应的关系 总路编号、支路编号、 总路表 总路 篮整缠墨 站点位置、 a 相线路上层链接方式、 交流接触器支路 墓整绳呈 b 相线路上层链接方式、 c 相线路上层链接方式 支路编号、小支路编号、 交流接触器支 交流接触器支路 墓堕绳曼 a 相线路上层链接方式、 路表 支路 尘塞竖缉呈 b 相线路上层链接方式、 c 相线路上层链接方式 开关灯规律 旦塑 日期、支路编号、 开关灯时间表 交流接触器支路 塞整堡呈 开灯时间、关灯时间 2 6 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 联系名联系实体 主键 对应的关系 总路故障线路故障 筮堕垒叠 故障名称、总路编号、 统计表总路 整整缦墨 故障发生时间 交流接触器支 线路故障 故障名称故障名称，支路编号。 路故障统计表 交流接触器支路 塞堕绫曼 故障发生时间 支路故障线路故障 故障名称故障名称、支路编号、 统计表支路 塞整蕴曼 故障发生时同 亮灯率 总路 望整堡曼 筮整绳呈、旦璺、额定电流、 统计表 亮灯率 旦塑 总路电流 3 3 路灯监控系统数据库的备份 通过3 2 节的实体联系图和关系模型的设计保证了路灯监控系统单一数据库的健 壮性，以下备份方案是在单一数据库健壮的基础上进行设计的。设计目标是：完成数 据库快速、安全、全面的备份，提高数据库系统的可靠性和一致性。 3 3 1 基于局域网的数据库备份方案 数据库备份分为本地备份和异地备份两种基本方法。本地备份既将本地服务器上 的数据库备份到本机的磁盘或者磁带机上，异地备份是将本地服务器的数据库通过网 络的方式备份到与服务器互联的另外台计算机。本地备份及异地备份为数据库系统 提供了一个双重保险的备份方案捌。本节着重介绍数据库的本地备份，异地备份将在 第五章详细介绍。 数据库的备份分为完全备份和增量备份等方法，完全备份是对系统上每个文件的 备份，它所用时间长，对磁盘消耗的比例大；增量备份则是对最后一次备份后有变化 的文件进行备份，它所用的时间较短。从数据全面性的角度来考虑，应当每天使用完 全备份，但这中方案耗资大，时间长，所以我们选用完全备份与增量备份相结合的方 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 圭盟撕 辅监控机 数据库 数据库 图3 3 基于局域网的数据库备份示意图 本方案采用了s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库操作系统的备份功能。在监控中心采用两 台计算机进行服务器的互备份。其中一台为主服务器，一台为备份服务器。服务器之 间用局域网相连。当主服务器出现故障的时候，备份服务器可以暂时接替主服务器的 工作，保证系统正常运行。 表3 5 备份方案表 备份时间备份方式 2 4 小时增量备份 一周 一 完全备份 具体备份过程如下： ( 1 ) 初始化。 主监控机第一次以完全数据库备份文件传送至辅监控机。 在w i n d o w sn t 界面开始处打开程序菜单，选择s q ls e r v e re n t e r p r i s em a n a g e r 窗口，选择服务器组，双击d a t a b a s e 图标展开数据库，选中需要备份的数据库 l u d e n g b a s e ，点击工具栏中t o o l s ，在t o o l s 窗1 2 选b a c k u pd a t a b a s e ，展开s q l s e r v e r - - l u d e n g b a s e ，在d e s t i n a t i o n 栏内选择备份路径。第一次完全备份结束。 ( 2 ) 例行的数据库备份，备份文件传送，数据库恢复。 南京理工大学硕士学位论文路灯监控系统结构及基础信息系统设计 在完成初始化以后，主监控机与辅监控机之间进行例行的增量数据库备份以及每 周进行一次完全数据库备份。 ( 3 ) 根据实际情况确定备份时间每天的2 3 ：0 0 。 。、 3 3 2 基于集群技术的数据库备份方案 集群技术是一种鏊堡鲑结金的较高容错应用方案 路灯监控系统采用由两台服务器系统和一个外接共享磁盘阵列柜组成的数据库 备份方案。 主监控机辅监控机 ： 服务嚣 服务嚣 ： l 一j 图3 4 基于集群技术的数据库备份示意图 在该方案中，整个系统的数据是通过磁盘阵列集中管理和数据备份的。作业计划 和现场工作状况信息存放在外接共享磁盘阵列中，主服务器与备份服务器虽然具有独 立的操作系统与独立的数据服务，但是数据存放在同一个外部磁盘整列设备上。主服 务器与备份服务器的数据服务同步，主服务器与备份服务器之间有心跳监测，一旦备 份服务器发现主机心跳停止，立即接管主服务器。接管过程没有宕机时间。 与基于局域网的数据库备份方案比较，采用基于集群技术数据库备份方案有以下 特点： ( 1 ) 不需要复杂的备份计划，便可以实现数据的备份。 ( 2 ) 耗资大。 ( 3 ) 宕机时间少。 另外，基于网络的数据库备份在灾难发生时需要工作人员进行服务器的切换。而 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 基于集群技术的数据库备份方案不存在切换问题，对于监控机来说，两台服务器和外 接磁盘阵列是一个整体。 路灯监控系统可以根据具体情况选择采用哪种数据库备份方案。 3 3 3 本地数据库的还原 建立数据库备份系统的最主要的目的是在主服务器损坏后的数据库恢复问题，数 据库备份是数据库还原的基础，只有对数据库进行全面一致的备份，才能在灾难发生 后更好的实现数据库的恢复。 针对基于s q ls e r v e r 2 0 0 0 的数据库备份方案，可采用s q ls e r v e r 2 0 0 0 本身的恢 复功能实现数据库的本地恢复。 针对基于集群技术的数据库备份方案，作业计划和现场工作状况信息的统计数据 存放在外接共享磁盘阵列中，某一个服务器出现故障不影响数据的存储，所以数据恢 复比较简单。 3 4 小结 本章首先通过对理想状态下和实际情况下的数据库的设计保证了单一服务器的 健壮性，然后通过两种数据库备份方案的设计实现了数据安全、可靠的备份和恢复， 解决了服务器的切换问题。因而从单一数据库的健壮和系统数据库的备份从两方面保 证了路灯监控系统的可靠性。 南京理工大学硕士学位论文 路灯监控系统结构及基础信息系统设计 4 路灯监控系统中的数据访问 路灯监控系统的数据访问是针对监控系统进行设计的，数据访问是指监控机对数 据服务器进行的访问。 数据访问最基本的要求有三点： ( 1 ) 保证数据的完整性。 ( 2 ) 保证数据的一致性。 k ( 3 ) 实现并发控制与事物处理网。 4 1 设计基本原则 数据访问有两种最基本的访问原则： ) ( 1 ) 持续性连接访问。 2 ( 2 ) 断开式阵发连接访问旺8 1 4 1 1 持续性连接访问 持续性连接访问是指在系统运行的整个过程中，应用程序与数据库一直保持连 接，从数据库中读取开关灯作业指令，并将处理好的现场工作状况的数据传送到服务 器。 以下技术都可实现持续性的连接访问： ( 1 ) o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 。用它可以访问各种数据库，在 w i n d o w s 环境中可以通过o d b c 控制面板管理o d b c 连接。 ( 2 ) d a o ( d a t ea c c e s so b j e c t ) 。利用d a o 可直接访问m c r o s o f ta c c e s s 数据 库，如果是非a c c e s s 数据库，它可以通过a c c e s s j e t 数据库引擎来访问其o d b c 数 据源来实现数据访问。 ( 3 ) a d o ( a c t i v exd a t ao b j