（控制科学与工程专业论文）工业企业集成信息平台的构建.pdf

浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 摘要 信息化是2 l 世纪全球经济发展和社会进步的强大动力，它深刻地改变着生 产方式，促进产业升级，并成为2 l 世纪的第一次产业革命。以计算机集成制造 理论为指导的工业企业信息化的核心是为企业建立基于网络和数据库等技术的 信息采集，传播和存储平台，使企业运行控制、数据资源服务、监控和管理有效 的统一起来。 集成信息平台运行于e r p 或m r p 系统下层，提供工业现场级的数据服务，其 核心为实时数据库技术。本文以建立集成信息平台为目标，将需求分析作为基础， 在整体框架层次上研究了系统的构架的搭建。而后把实时数据库作为研究重点， 对它的事务处理策略和数据访目机制进行了分析。作为数据服务层软件集，集成 信息平台提供对工业控制标准接口- - o p c 规范的支持，借助第三方开发组件，集 成信息平台中实现了o p c 数据服务器。 在实时数据库系统的结构性研究之外，我们又重点讨论了一些具体的实现技 术，包括历史数据的缓冲访问的方法和压缩存储算法，内存的组织管理模式，事 务的并发控制机制，这些都是影响系统性能的重要因素。以实时数据库软件作为 后台服务程序，以o p c 服务器作为前端访问和显示部分，我们用虚拟控制站同 s u n yt d c s 9 2 0 0 进行了轻负荷连接测试，结果表明系统在功能和稳定性上达到了 预期的目标。 关键词：集成信息平台实时数据库系统文件结构事务调度并发控制 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 a b s t r a c t a st h em o t i v i t yf o rg r o w t ho fe c o n o m ya n dc o m p r e h e n s i v en a t i o n a l s t r e n g t h ，i n f o r m a t i o n i z a t i o nh a sc h a n g e dp e o p l e sl i v e sa n de n f o r c e d i n d u s t r yu p g r a d i n g ，w h i c hl e a dt oaf i r s ti n d u s t r yr e v o l u t i o ni nt h e2 1 t h c e n t u r y t h ek e yp o i n to fi n f o r m a t i o n i z i n gi n d u s t r i a le n t e r p r i s e si st o b u i l dan e t w o r ka n dd a t a b a s eb a s e dp l a t f o r mo fd a t ac o l l e c t i n g ， t r a n s m i t t i n ga n ds t o r i n g ，w h i c hc o u l db r i n gc o n t r o l ，d a t as e r v i c e ， m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ti n t oi n t e g r a t i o n t h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e dt op r o v i d ep l a n td a t a t oe r po rm r ps y s t e m s ，w h i l e ，i t sr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e mt r e a t sw h i t h m o s to fa l lt h eb u s i n e s s i nt h i sa r t i c l e ，w es e tu pt h eg o a lt oc o n t r u c t t h ew h o l ep l a t f o r ma n ds o ，a n a l y z e dt h er e q u i r e m e n t ，a sw e l la ss o f t w a r e a r c h i t e c t u r e t h e nw es t u d i e dt h et r a n s a c t i o ns c h e d u l i n ga n dd a t a a c c e s s i n go fr e a l t i m ed a t a b a s e t ob ead a t as e r v e r ，t h ei n t e g r a t e d i n f o r m a t i o np l a t f o r mw i l la l s oa n s w e rf o rc a l l sf r o mo p cc l i e n t sb yi t s o w no p cs e r v e rs o f t w a r e ，d e v e l o p e dw i t hat h i r d p a r t ym o d u i e g e s i d e sr e s e a r c h i n go ff r a m e w o r ko ft h er e a l t i m e sd a t a b a s e ，w ek e e p f o c u so n s o m et e c h n i q u e si ns p e c i f i ca sd a t ac o m p r e s s i n g ，b u f f e r m a n a g e m e n t ， m e m o r yo r g a n i z a t i o na n dc o n c u r r e n c yc o n t r 0 1 a l lo ft h o s e i s s u e sa f f e c tt h es y s t e mal o t a tl a s t ，w eh a dat e s to np e r f o r m a n c eo f t h er e a l t i m ed a t a b a s ea sb a c k g r o u n dd a t as e r v e rw h i c hi sc o n n e c t e dt o v i r t u a lw o r ks t a t i o no fs u n yt d c s 9 2 0 0 w es t a r tt h eo p cs e r v e ra sc l i e n t a n dm o n i t o rt og e tar e s u l tt h a tu n d e rl i g h t1 0 a d ，t h er e a l t i m ed a t ab a s e i se x c e l l e n to nd a t as e r v i n ga n dm e e t so u rr e q u i r e m e n to fd e s i g n k e yw o r d s ：i n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r m ，r e a l t i m ed a t a b a s e s y s t e m ， f i l es y s t e mo r g a n i z a t i o n ，t r a n s a c t i o ns c h e d u l i n g ，c o n c u r r e n c y e o n t r 0 1 4 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 第一章绪论 1 1 信息化是经济发展和社会进步的强大动力 信息化是2 1 世纪全球经济发展和社会进步的强大动力，以信息技术引领的工 业革命不仅深刻地改变着生产方式，而且改变着人们的沟通方式，生活方式。信 息化的发展对于发达国家和发展中国家都十分重要，发达国家希望通过信息化战 略保持其经济的持续增长和科技领先优势；而发展中国家则希望依靠信息化战 略，加快经济增长，缩小与发达国家在经济与科技方面的差距。我国作为一个发 展中国家，既要完成工业化这个不可缺失的发展步骤，又要在全球信息化的历史 进程中取得战略性的领先地位，从而在一个时代的起点上与发达国家保持同步。 党的十六大报告指出：“实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。 信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。”。信息化是提高经济发展 速度，保持可持续发展模式，协调人与自然共容关系，从而实现中华民族伟大复 兴的必由之路“1 。 2 1 世纪，以信息技术为核心的信息产业已成为各国新经济增长点，在美国等 发达国家的经济增长中的贡献比例已经达到甚至超过了5 0 。信息产业中的服 务业和制造业相辅相成，互相促进。随着新的信息技术的出现，以其为基础的应 用服务必然带动其相关信息设备制造的发展，而新的硬件设备的发明和更新换代 也会造成相关服务的升级。1 知识、信息、技术作为最重要的生产要素，可以反 复利用，而减轻经济增长对资金、能源的需求，改变了过去通过对劳动力、土地、 或资本的大量投入来带动经济增长的发展模型。信息化的发展提高了对劳动者素 质的要求，减少了单位产品对劳动力的需求，同时要求劳动者有更高的技术水平 和专业知识：信息化还促进了劳动生产率的提高，使社会生产力发生了质的变化。 信息化促进产业结构调整与优化。信息产业能够带动传统产业的结构升级， 促进产业结构的调整和优化。产业结构作为产品结构、劳动力就业结构、外贸进 出口结构等的基础，其状况和发展水平对国家的经济发展有着重大的战略影响。 信息产业是渗透型产业，具有扩散性和带动性，通过信息的流通和反馈，带动传 统产业的调整升级，甚至使一些衰退的产业重新焕发活力。信息化对于传统产业 浙江大学工学硕士学位论文 信患科学与工程学院控制理论与工程 的作用有：改造传统产品，加快产品升级换代；改造传统设备，提高技术水平； 改造传统工艺，加快生产过程自动化；改善经营管理。 信息化推动经济的可持续发展。发展和环境之闯的平衡是发展中国家的追求 e l 标。2 0 世纪的工业发展绝大部分处在一种高投入，高污染的模式之下，牺牲环 境换取经济发展成了普遍的现象。终于，人们意识到地球只有一个，可持续发展， 维持人与自然的平衡关系成了本世纪的主题。信息化可以大大减少资塬消耗和环 境污染，有利于经济可持续发展。信息技术在很大程度上减少不可再生资源的消 耗，例如以网络为核心的无纸化办公，以及电子邮件系统和无线通信系统对传统 信件和通信方式的替代使得纸张得到了大量的节约，减少了对木材的需求。信息 技术使得自然资源、资本资源、人力资源与社会资源都得到不同程度的节约，使 自然持续性、经济持续性和社会持续性彼此结合。全球范围内网络的建立和应用 更是在高教的信息传播和检索上、使我们能够提前预知可能存在的问题，及时发 现现实的问题，迅速处理危机问题，并不断促进创新和超越。 信息化正在全球范围内从各方面推动着社会的发展。我国目前正处在工业化 中期，工业增长方式是粗放型的，加快我国的工业企业信息化建设是我国经济发 展的重要任务，也是我们整个自动化行业的历史责任。 1 2 工业企业信息化 信息化从根本上改变着人们的生产方式和生活方式，对传统产业的渗透和再 造对国民经济的发展有着巨大影响。作为经济活动基本单元的工业企业，信息化 改变企业内部信息流通的方式，使企业管理方式由粗放型向集约型转变；有利于 生产资源的合理配置：促进调整产业结构和产品结构；有利于降低能源消耗，推 动可持续发展：并降低资本消耗，减少企业发展对资金的依赖等。对于一个企业， 信息化可以提高工业企业的创新能力，改变企业的运营方式和管理模式，增强企 业的核心竞争力。全球经济一体化的趋势和我国市场经济发展的要求使得我国工 业企业推进自身信息化成为刻不容缓的当务之急。 1 2 1 工业企业信息化的概念和内容 企业信息化有两方面的内容，一是指充分运用现代信息技术，改造生产工艺 企业信息化有两方面的内容，一是指充分运用现代信息技术，改造生产工艺 新江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 实现生产过程自动化；改进信息系统，实现知识管理网络化；改变营销手段，实 现商务运营电子化。二是改善企业经营观念，实现管理方式系统化，企业信息化 的本质是加强企业的“核心竞争力”。 信息化包括数字化、网络化、智能化、集成化等多方面的技术，将这些技术 应用于工业企业的产品设计、生产过程、供应链管理、信息沟通，决策支持，提 高工业企业的生产效率和产品质量，加快工业企业对市场的快速反应速度，增强 工业企业产品的快速更新换代能力，这就是工业企业信息化的基本内容。工业企 业信息化的最终目的是提高企业的竞争能力和确立其竞争优势。 1 2 2 工业企业集成信息平台技术 工业企业信息化往往是基于c i m s ( 计算机集成制造系统) 理论的。c i m s 是一 羊孛组织、管理与运行企业生产的理论，它借助计算祝硬软件，综合运用现代管理 技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程 中有关入、技术、经营管理三要素及萁信息流与物流有机的集成并优化运行，以 实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。工业企业集成信息平 台是一个支持系统应用开发，应用集成和应用系统运行的信息平台。其最终目的 是，不仅提供面向c i m s 的完整的工业企业数据流，而且集成工业现场的控制方案， 以便能为不同的生产企业和不同产品类型的c i m s 开发提供更好的集成运行支撑 环境。 工业企业集成信息平台是个支持复杂信息环境下c i m s 应用开发和系统集 成运行的软件平台。它基于制造业信息特征，在异构分布环境( 操作系统、网络、 数据库) 下提供透明、致的信息访问和交互手段，对其上运行的应用工具进行 管理，为应用提供服务，支持c i 瞒信息环境下各特定领域应用工具的集成。 1 2 3 工业企业信息化在我国的发展现状 我国工业企业信息化的发展起步晚，基础差，总的情况并不尽如人意。作为 工业企业信息化的重要内容，西方制造业管理思想的精华，m r p ( 制造资源计划) 8 0 年代初就已引入我国，有近千家企业采用了m r p i i ，但取得成效的寥寥无几。 国家8 6 3 计划的主题项耳乏c i m s ( 计算机集成卷4 造系统) ，经过多年在企业中的 9 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 实旌虽然取得了一些经验但产生的综合效益远远不能达到人们的预期。我国 工业企业的信息化建设与发达国家有很大一段距离，主要原因是工业企业的管理 人员、工程技术人员尤其是领导层对全面理解工业企业信息化认识不足。信息系 统没有发挥出效益，表现出如下问题：信息管理缺乏统一的制度，数据重复录入， 数据不一致；信息系统的维护与管理缺乏，缺少相应的技术人员维护和使用系统 中的数据；信息系统作为数据结果的记录，缺少对生产和管理的辅助应用；信息 系统难以适应不断发展的形势，既赶不上管理需求的变化，也赶不上信息技术的 发展。以上这些问题既严重影响了信息系统效能的发挥，也制约了企业进一步的 发展。 1 2 4 利用工业企业集成信息平台化提高企业竞争力 我国工业企业实施信息化的经验和教训告诉我们，将先进的管理理念融入集 成信息平台是成功实施信息化的必要条件。企业的经营效益最终都是用货币的形 式来衡量的，因此必须把管理会计与模拟支持决策等管理思想纳入系统，通过财 务和成本分析，控制和指导物流业务。于是产生了m r p i i 。作为m r p i i 的下一代， e r p 实现了对供需链的有效管理，并集成了供需链管理、敏捷制造、精益生产、 约束理论、价值链等先进的管理理念。m r p i i 和e r p 都是作为上层管理软件出现的， 都需要底层现场级数据服务层的支持才能获得工业企业运行状况的资料。而集成 信息平台作为数据服务层，独立于管理决策支持，以各种通用形式提供工业现场 级的实时、历史数据和各类信息，并高效地管理和维护着庞大的数据库系统。作 为信息平台的一部分，对工业现场的控制功能也集成于信息平台之中，跟管理软 件实现无缝连接，从而构成整个工业企业的信息系统。 企业通过集成信息平台和上层管理软件的整合实现信息化，从而可以对企业 产业竞争地位、企业竞争优势、企业再造及企业技术创新等多方面提高和改善， 提高企业在产业中的竞争力。竞争力强弱在很大程度上完全依靠信息是否及时和 完善，同时当今企业的竞争是整个供应链的竞争，而供应链管理水平的有效性如 何则要靠完善的信息系统的支持。利用集成信息平台还可以提高企业应对替代品 威胁的能力，具体表现为：一是企业通过信息系统的应用，加快了企业产品开发、 生产的速度，提高了服务的质量，加大产品和服务的差异性，提高与替代品竞争 1 0 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 的能力；二是企业通过应用信息系统，在为用户提供完善的售后服务的同时，可 以针对用户特殊的需要，迅速提供特殊、小批量的产品和服务，提高了对替代品 的竞争力。企业利用集成信息平台还可以提高对进入威胁的竞争能力。企业的信 息化建设的成功可以形成二元成本的特征，一是减少企业的劳动力和管理等成 本，二是加强了企业的技术和资本成本特征，构成了其他企业的进入壁垒。3 。 1 3 本文主要的研究内容 本文以实现工业企业的综合自动化为项目目标，通过借鉴实时数据库领域已 经建立的一些理论研究成果，从实现的角度研究集成信息平台系统建立中的技术 问题。通过对信息平台项目的需求分析，应用软件设计领域先进的构架模式和设 计模式设计出总体系统。之后讨论了一些与数据库访问性能相关的问题，分析了 几个主要的解决策略，并确定了方案。本文主要研究以下几个技术问题： ( 1 ) 集成信息平台的构架设计。 ( 2 ) 集成信息平台中设计模式的应用。 ( 3 ) o p cs e r v e r 的开发应用。 ( 4 ) 实时事务的优先级分配和事务处理策略。 ( 5 ) 历史数据的文件系统组织及其对性能的影响。 ( 6 ) 历史数据访问的缓冲机制及其与操作系统文件缓冲的结合使用。 ( 7 ) 内存管理的实现及并发控制的原理分析。 1 4 本章小节 本章从提高企业竞争力的角度分析了信息化对工业企业的作用，确定了集成 信息平台在工业企业信息建设层次结构中的定位和作用，提出本文的研究课题和 主要技术问题。 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控铜理论与工程 第二章企业信息平台的总体构架设计 2 1 工业企业集成信息平台需求分析 2 1 1 软件需求分析的内涵 在软件工程中，需求分析指的是在建立一个新的或改变一个现存的电脑系统 时描写新系统的目的、范围和定义时所要做的所有的工作。随着软件规模的不断 扩大，软件应用领域的不断拓展，软件开发的前期工作越来越重要。需求分析已 经从软件开发周期中的一个阶段，演变成为左右一个软件项目成功与否的核心和 关键，只有在正确的需求分析基础上，才能开发出满足用户需要的产品。需求对 软件开发后期工作的影响是巨大的，良好的需求分析方能够大大减少开发后期和 整个维护阶段的重做的工作。国外的一些研究人员认为要改正在产品付诸应用后 所发现的一个需求方面的缺陷比在需求阶段改正这个错误要多付出6 8 倍的成 本，近来很多研究表明这种错误导致成本放大因子可以高达2 0 0 倍。由此，可以 看到软件需求的重要性。 软件需求包含着多个层次，不同层次的需求从不同角度与不同程度反映着细 节问题。对于软件需求，可以从以下几个观点来看： 1 、从用户角度出发的观点：指明从系统外部能够发现系统所具有的满足于 用户的特点、功能及属性等。 2 、从开发人员角度出发的观点：指明必须实现何种目的的规格说明。它描 述了系统的行为、特性或属性j 是在开发过程中对系统的约束。 综合用户及开发人员双方的观点，i e e e 软件工程标准词汇表( 1 9 9 7 年) 中定 义需求为： 1 、用户解决问题或达到目标所需的条件或权能。 2 、系统或系统部件要满足合同、标准、规范或其它正式规定文档所需具有 的条件或权能。 3 、一种反映上面1 或2 所描述的条件或权能的文档说明。 1 2 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 需求分析中不但要包含目标而且要包含实现用户目标所需要满足的条件或 能力，同时必须以规范文档的形式表述。 软件需求包括三个业务需求、用户需求和功能需求。业务需求反映的是客户 对系统、产品高层次的目标要求。用户需求文档描述了用户使用产品必须要完成 的任务。功能需求定义了开发人员必须实现的软件功能，也是整个软件模块划分 和进度控制的基础“。 2 1 2 企业集成信息平台项目的需求分析 一、项目背景： 企业集成信息平台系统是为工业企业实现信息化管理提供数据支撑服务和 工业现场控制系统服务的计算机系统集成项目。项目工业企业发展需求，以企业 信息化、自动化管理为目标，通过企业信息中心数据平台、网络平台、企业e r p 应用以及办公自动化系统的建设，以全面提高公司生产经营管理水平，增强技术 开发能力，提高企业综合经济效益，增强企业的竞争与应变能力。 在面对以3 c ( 顾客、竞争力、变化) 为特征的信息时代的市场竞争环境下， 企业从企业生存发展的需要出发，把逐步建立信息化管理平台纳入企业发展战略 规划，开发和应用企业管理信息化系统是企业计算机技术应用发展的必然趋势， 是企业在激烈的市场竞争中求生存、求发展的重要战略手段，也是公司实现经营 战略目标的迫切需求。企业通过e r p 和集成信息平台的实施，将全面提高企业的 综合效益，实现计算机资源共享和信息共享，向公司领导及时提供产品研制、生 产、销售、财务和质量等重要信息，为领导快速决策提供有力支持，使公司管理 制度化和规范化，提高公司的管理效益和管理水平，加速现代企业制度改革步伐， 提高企业的全球市场综合竞争力，提高产品设计生产、制造和销售对市场需求的 响应速度。 二、总体目标及系统范围 经过系统调研和对企业管理流程的分析我们基本上可以确定整个系统建设 的总体目标： 1 、建立组态工具和配置工具，完成位号组态并存储到位号数据库，为实现数据 采集和工业控制建立基本信息源。 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 2 、在数据服务器上，基于工业以太网和r s 4 8 5 总线，按照t c p i p 协议，m o d e b u s 协议等协议连接各类现场工业设备，通过o p c 服务，己知通信协议或者驱动模 块跟设备进行通信，完成数据的获取和控制功能的实现。 3 、建立实时数据库系统和压缩的历史数据库系统，通过实时数据库系统为管理 软件和监控系统提供实时数据支持；通过一定精度下高压缩比的历史数据库系统 对数据提供存储和缓冲访问，在最短的时间内提供历史数据的高效访问，成为企 业资源管理的数据平台。 4 、建立8 s ，c s 结构的数据浏览服务和客户端软件，独立于管理软件层提供数 据的显示访问。 5 、建立基于先进控制算法和用户定义控制规律的软件控制系统，连接到工业现 场，实现对设备的控制。 6 、建立工业现场的诊断和监测系统，监控系统的运行状况，对过程信息及时做 出反馈和调整，辅助管理。 系统总体结构图如下： 1 4 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 集成信息平台系统实施应用的目的就是全面有效整合企业资源，使企业运行 控制、数据资源服务、监控和管理有效的统一起来。通过集成信息平台系统的实 施应用，建立覆盖整个工业企业管理的信息化系统管理平台，从而规范生产经营 过程中业务处理流程和合理的组织管理运营体系。解决在经营与生产规划、生产 计划与生产作业、设备维修和管理、供应和销售、库房、质量、成本控制和核算 以及经营决策分析等业务方面的数据信息的处理和分析，达到信息集成和商度共 享的要求；为企业建立面向新经济时代环境下对企业大规模定制模式的要求提供 基础保障。系统建设将以计算机集成制造系统管理思想为指导原则，结合公司企 业实际应用，遵循系统要求进行业务规范和设计，解决业务流程中存在的突出问 题，进一步提高工作效率和生产响应速度，从而整体提高公司管理、控制、协调 能力和企业竞争力。 三、系统范围 在网络通信平台和工业现场数据采集平台的基础上，构建服务于企业资源计 划管理系统和其他管理信息系统的企业集成信息平台，底层主要解决企业涉及 生产管理业务层面上的流程设计和系统应用。包括生产计划与生产作业、过程监 控和流程控制、数据采集和数据访问支持方面的处理和分析，达到信息集成和高 度共享的要求，以实现公司信息资源的及时传递和有效整合，全面提高企业管理 水平。集成信息平台系统涉及到的应用模块如下： 1 实时数据库内核程序。实现实时数据整合，内存快照服务，内存历史服 务，磁盘历史服务，高效数据查询及组态数据保存、载入。 2 分布式结构设计，可实现分布式实时数据库、分布式历史数据服务、各 个客户端软件可支持本地及远程运行。 3 数据浏览软件。实现对位号数据的浏览及检索功能，包括快照数据、内 存历史数据、磁盘历史数据。 4 位号组态软件。实现对位号( 源位号、虚位号) 和数据源组态。 5 监控软件。实现画面显示及监控。 6 接口软件。通过各种接口( o p c 、d d e 、s o c k e t 、串口、自定义数据接口 开发包) 实现数据采集并传送数据到实时数据库。 7 1 2 e 软件。实现实时数据库和关系数据库的整合，将实时数据位号信息、 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 实时数据、历史数据插入到关系数据库。 8 w e b 服务软件。通过w e b 浏览流程图、数据、表及趋势。 9 趋势图软件。观察位号的内存历史数据和磁盘历史数据，并可动态刷新 实时数据。 1 0 报警控件。实现报警实时显示及各种形式的输出，并实现报警历史记录、 查询及处理。 1 1 操作记录控件。实现操作记录的查询及处理。 1 2 诊断软件。能实时诊断整个软件系统的性能及各个功能运行的情况，能 进行故障报警及指示，并具备故障自我恢复的功能。 1 3 控制台程序。实现数据源及位号的增加、删除、更新；以及位号数据的 读取和写入。 1 4 历史数据- - e x c e l 软件。e x c e l 插件，将磁盘历史数据插入盈 e x c e l 。 1 5 报表系统。 1 6 计算软件。实现对位号数据的高级计算。 1 7 软测量软件。根据软测量模型，从实时数据库获取数据，进行计算。 1 8 先进控制软件。实现各类先进控制算法，并从实时数据库获取数据，经 过控制算法运算后，输出到实时数据库。 四、设计要求 1 、总体要求： 系统在总体上应具有稳定快速、易用性强、安全可靠、扩展性强、接口通用、健 壮并易于维护等方面的特点。 2 、数据要求： 系统对信息的存储和访问应该使得所涉及的各部分业务实现整体信息集成。对数 据的存储要求按照不同位号的要求提供不同方式和不同精度的存储。对数据的访 问要求提供对常用标准数据访问接口的支持。 3 、性能要求： 集成信息平台的主要性能指标： 大规模：单个服务器总点数达n l o o o o o 点。 高性能：单c p u 服务器每秒处理超过1 0 0 0 0 0 点实时数据更新事件以及6 0 0 0 0 点 1 6 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 历史数据服务；并发处理用户数可达至1 | 6 4 ；利用磁盘文件存储历史数据，可实现 海量存储。 高压缩率：采样周期1 秒的过程数据典型压缩率达2 0 ：l 。 稳定性：软件故障恢复时间不超过3 0 秒；硬件故障恢复时间不超过5 分钟；平 均无故障运行时间1 0 0 0 0 d 、时；实时数据采集率为1 0 0 。 实时陛：实时数据采集频率不超过1 秒；系统控制命令传送时间不超过1 秒； 历史数据查询服务不超过5 秒；系统启动时间不超过1 0 秒；本地用户程序对实时 数据读写每万次不超过2 秒，网络访问实时数据每千点不超过3 秒；数据输入输 出处理周期不超过0 5 秒； 灵活性：支持在线组态及配置； 扩展性：基于构件开发，支持灵活配置； 开放性：多种数据采集方式，统一的数据开放接口，支持o d b c 及o p c 标准，方 便用户进行二次开发；提供数据接i ：3 开发包，使用户在不支持所提供的o d b c 及o p c 等标准接口的情况下，能利用数据接口开发包方便的完成与本系统的数据交换； 支持多种流行的关系数据库接口，空n s q ls e r v e r ，o r a c l e ，s y b a s e ，d b a s e 。 人性化：能够动态输出运行信息并具备完善的日志功能； 先进性：通过实时数据库提供的数据接口，与具有自主知识产权的先进控制软件及软测 量软件结合，可解决几类复杂控制及测量问题。 4 、安全要求 网络系统安全，系统在建设中要通过第三方软件提供网络安全措施。操作系 统的安全控制，系统要通过第三方软件提供操作系统安全措施，病毒预防和查杀。 数据访问的安全控制，软件系统要通过有效的用户身份验证和管理制度提供对数 据的安全访问。 2 2 软件架构设计 2 2 1 软件架构的概念 软件构架简介中提出软件构架描述的是如下的设计问题：“在计算的算 法和数据结构之外，设计并确定系统整体结构成为了新的问题。结构问题包括总 1 7 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 体组织结构和全局控制结构；通信、同步和数据访问的协议：设计元素的功能分 配；物理分布；设计元素的组成；定标与性能；各选设计的选择”。构架不仅 是结构，还包括符合系统完整性、经济约束条件、审美需求和样式。它并不仅注 重对内部的考虑，而且还在系统的用户环境和开发环境中对系统进行整体考虑， 即同时注重对外部的考虑“”。 在l e nb a s s 等人的软件构架实践( 第二版) ( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i np r a c t i c es e c o n de d i t i o n ) 中给出的软件构架确切的定义为：某个软件或计 算机系统的软件构架是该系统的一个或多个结构，它们由软件元素，这些元素的 外部可见属性以及这些元素之间的关系组成。这里所说的某个元素的“外部可见 属性”是指其他元素对该元素所做的假设，如它提供的服务、性能特征、错误处 理、共享资源的使用，等等”3 。 2 2 2 集成信息平台的总体软件架构 如图的多层构架用于部署基于工业以太网的企业集成信息平台的应用，它保 证了可构建性，可扩展性，互操作性为基础的工业企业信息访问和管理需求，并 提供了平衡的特性，即不同的应用者在共同的基础平台上构建不同产品的能力。 其各层描述如下： i 、 客户层。在集成信息平台的应用中，客户层包括：作为b s 结构的客户端 部署的w e b 测览器，它提交h t m l 请求并从w e b 服务器下载h t m l 页面，通 过s o c k e t 连接动态刷新页面数据内容，在本地以图形或数字或者二者组 合的方式显示；o p c 客户端组件和程序，它们提交基于o p c 协议的数据请 求，接受o p c 数据服务器的同步或者异步数据服务，并在本地以文本或图 形的形式显示；数据浏览程序，在本地通过工业以太髓与数据服务器建立 连接，作为s o c k e t 客户端，经由数据服务器上s o c k e t 服务，通过指定的 协议提交数据访问请求并获得数据，在本地终端上提供文本或图形方式的 数据浏览或导出操作。 2 、 控制应用层。作为与客户层并列的顶层应用级构架，通过协议服务层连接 到数据服务层，提交查询请求，获得企业运行的现场数据，状态信息和报 警信息。通过设备驱动层连接到现场设备，按照制定的控制方案或工程师 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 3 、 的指令执行设备控制操作。 协议服务层。协议服务层运行于数据服务器，通过连接实时数据库和历史 数据库，对远程的数据访问请求做出响应。根据客户端不同的请求方式， 协议服务层将会有不同的协议服务器进行处理。协议服务器对数据服务器 中数据的访问将以对其他模块透明的组件方式提供给协议服务器使用，使 得协议服务和数据访问方式互相独立，对协议的扩展和对数据层方案的更 改对外都是不可见的，信息平台的设计在构架层保持最大的稳定性。 数据服务层。信息平台的数据支撑层，建立于底层的设备驱动层之上，管 理和维护从现场采集来的设备数据和信息，通过协议服务层回应网络终端 的数据请求。由实时数据库服务和历史数据库服务两部分组成，包括事务 管理和调度，并发控制，数据压缩和解压缩，历史记录存储和组织，关系 数据库访问接口，缓冲区管理等。这些业务逻辑对外透明。 设备驱动层。信息平台的最底层构架，处理跟现场硬件设备的交互操作， 对同类型设备给出统一的接口，提供数据采集和控制功能，管理数据采集 缓存，将设备数据写入实时数据库。各种类型设备都具备独立的驱动模块， 并对其他层透明，可以根据需要配置和载入。 2 3 设计模式的应用 2 3 1 设计模式的概念 设计模式的概念最早起源于建筑设计大师c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 关于城市 规划和建筑设计的著作建筑的永恒方法，在建筑的永恒方法一书中， a l e x a n d e r 是这样描述模式的：模式是一条由三部分组成的规则，它表示了一个 特定环境、一个问题和一个解决方案之间的关系。每一个模式描述了个在我们 周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。这样，你就能一次又 一次地使用该方案而不必做重复劳动。 将设计模式引入软件设计和开发过程的目的在于充分利用已有的软件开发 经验，这是因为设计模式通常是对于某一类软件设计问题的可重用的解决方案。 经过长期的重复的工作，软件工程师们发觉不是所有的问题都需要从头开始解 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 决，在很多设计问题的解决中都可以复用以前曾经使用过的解决方案。个好的 解决方案经过项目的积累会被抽象成一种模型，这些模型在软件设计领域被称之 为模式。设计模式的最终目标就是帮助人们利用熟练的软件设计师的集体经验， 来设计出更加优秀的软件。在软件设计领域中，每一个设计模式都系统地命名、 解释和评价了面向对象系统中的一个重要的和可复用的设计。这些模式都可以直 接用来指导面向对象系统设计中至关重要的对象建模问题，实际工作中旦遇到 具有相同背景的场合，只需简单地使用这些模式就可以省去了很多摸索工作o 3 。 2 3 2 集成信息平台使用的设计模式 1 、工厂模式 工厂方法模式根据产品的等级结构使用对应的工厂来创建特定的产品， 它一般包括抽象工厂、具体工厂和抽象产品、具体产品，每一个特定工厂用于创 建一个对应的产品。模式的简易u m l 图例如下 工厂模式提供了创建对象的接口。工厂模式是最常用的设计模式，在整个系 统的运行中，同类型位号的创建，设备的创建，数据通信通道的创建都使用工厂 模式。使用工厂模式的好处： 1 、充分利用了多态性不管什么具体产品都返回抽象产品。 浙江大学工学硕士学位论文信息科学与工程学院控制理论与工程 2 、充分利用了封装性，内部产品发生变化时外部使用者不会受到影响。 抽象工厂模式可以向客户端提供一个接口，使得客户端在不必指定产品的具体类 型的情况下，创建多个产品族中的产品对象。我们在集成信息平台的硬件驱动接 口层就使用了工厂模式，对于不同的具体设备其驱动是不同的，但是我们从每一 类设备中都抽象出了统一接口给数据库调用。每连接一个设备，无论其驱动的具 体实现如何，在驱动的管理中都只是创建了一个抽象设备实例。“。 2 、m v c 模式 m v c 指的是一种划分系统功能的方法，它将一个系统划分为三个部分： 模型( m o d e l ) ：封装的是数据源和所有基于对这些数据的操作。在一个组 件中，m o d e l 往往表示组件的状态和操作状态的方法。 视图( v i e w ) ：封装的是对数据源模型的一种显示。一个模型可以由多个视 图，而一个视图理论上也可以同不同的模型关联起来。 控制器( c o n t r o l l e r ) ：封装的是外界作用于模型的操作。通常，这些操作 会转发到模型上，并调用模型中相应的一个或者多个方法。控制器在模型和视图 之间起到了沟通的作用，处理从视图接收的输入，并转发给模型，从而使得模型 和视图之间达到松散耦合。1 。 集成信息平台的开发是基于m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 中v i s u a lc h 平台的。 多数的软件组中的程序都是视图的。m f c 类库采取的d o c u m e n t v i e w 结构就是采 用的m v c 模式。在信息平台的数据服务上，同样采用了m v c 模式。如数据浏览软 件等软件部分对于数据的存取和控制跟数据显示是互相透明，良好分离的，通信 完全依靠控制器连接。这样在数据的各种显示方式之间共享统一数据源，而程序 框架并不知道数据显示的具体实现所需操作，各个模块之间互相独立。 3 、代理模式 设计模式中定义：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。代理 模式是比较有用途的一种模式，代理概念可以解释为：在出发点到目的地之间有 一道中间层，意为代理。代理模式一般应用在如下场合： 1 、需要授权机制的场合。不同级别的用户对同一对象拥有不同的访问权利，通 过代理来控制这用户的访问权限。 2 、某个客户端不能直接操作到某个对象，但又必须和那个对象有所互动，原则 2 1 浙江大学工学硕士学位论文信息科学与工程学院控制理论与工程 是，对于开销很大的对象，只有在使用它时才创建，这个原则可以为我们节省很 多内存资源。1 。 实时数据库和历史数据库对于数据的访问均采用代理模式。对于所有方式和 所有渠道的访问都是透明的，给出统一的操作接口。对于不同来源的不同协议的 访问，各类代理层分别处理请求，转化为对数据服务层的调用，并将数据返回给 数据请求方。数据的存储方式对数据请求方而言是不可见的，只跟代理方交互。 在用户管理中也要用到代理模式，访问权限划分和管理是使用代理完成的。 4 、适配器模式 适配器模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。适配器模式 使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作，它又称为包装 器。当要使用一个已经存在的类，丽它的接口不符合需要，或是创建一个可以复 用的类，该类可以与其它不相关的类或不可预见的类协同工作，如下图。1 所示： 适用于不同数据源的通用的数据库访问接1 ：3 主要实现对数据源访问的底层 操作的封装，并给出数据读取对象或数据集对象等供商业逻辑层调用。采用适配 器模式可以根据不同的数据源采用不同的数据库驱动连接和数据库命令从而实 现对低层操作的封装，通过暴露执行数据集对象等上层操作以供其他逻辑层调 用。 采用适配器模式对数据库进行访问的方法可通过相同的源代码访问不同类 型的数据库，如s q ls e r v e r ，o r a c l e 等，当然也包括我们集成信息平台的历史 数据库。应用程序对数据库的访问主要是选定并连接一个数据源、提交s q l 查询 和获得检索结果。应用程序中数据访问类通过数据源驱动程序访问不同数据资源 中的数据，每个不同的数据资源类型由一个数据源驱动程序支持。数据源驱动程 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 序是处理数据访问类对象的函数调用，提交s q l 请求到一个指定的数据元，并把 结果返回到应用程序。每一个数据库都有它自己的驱动程序来访问，并不存在通 用的驱动程序可以跨越不同的数据源。随着系统支持的数据源越来越多，数据源 驱动程序的数量随之增加，仅仅用应用程序的数据访问类来进行驱动程序的管理 已大大增加了系统的负担。应用适配器模式，通过一个驱动程序管理器来管理数 据源驱动程序，负责协调不同数据库的访问。应用程序对数据库的接口转为驱动 程序管理器，而不是驱动程序本身，此种方式可以简化应用程序和数据库管理部 分之间的耦合。 2 4 本章小结 本章从集成信息平台整体框架的角度给出了项目的需求分析，阐述了集成信 息平台的软件构架，并说明了对一些软件领域设计模式的使用。集成信息平台的 o p c 数据服务器和实时数据库软件以外的部分是由项目组的其他成员负责完成 的，因而在这里没有给出详细的设计说明，但是各个部分之间的关系都是严格遵 照这里对构架的定义设计的。 浙江大学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院控制理论与工程 第三章集成信息平台实时数据库的设计 3 1 实时数据库技术的发展 实时数据库系统是企业集成信息平台的核心组成部分，对各个层次的技术和 应用提供了强大的支持。它是个数据平台，同时也必须是一个应用平台，既要 提供实时的数据访问功能，又要进行实时的数据采集，是整个信息平台所有业务 的中枢。 传统的关系型数据库在商务和管理事务型应用领域获得了极大成功，然而它 们在现代工业企业的时间限制型应用前却显得力不从心。传统的数据库性能目标 是高的系统吞吐量和低的代价，而不考虑数据及其处理的定时限制，因而不能满 足实时应用的需要。传统的实时系统( r e a l - t i m es y s t e m ) 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、稳定不变和可预报的数据，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。在这样的需求下，将 两者的概念、技术、方法与机制无缝集成的实时数据库系统( r e a l - t i m ed a t a b a s e s y s t e m ，简计为r t d b s ) 开始发展起来。实时数据库系统是数据库与实时系统相 结合的一种新型数据库，能同时支持定时和一致性。实时数据库系统是其数据和 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闯“。实时数据库与传统数据库有着不同的特 征：一方面，需要维护大量共享数据和控制数据；另一方面，其事务有很强的时 间性，要求在规定的