铁路信号实时监控系统中实时数据库的主动性能研究

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1、计算机科学2 0 0 2 V 0 1 2 9 N 9 - 8 ( 增刊) 铁路信号实时监控系统中实时数据库的主动性能研究 R e s e a c hA b o u tT h eA c t i v eP e r f o r m a n c ei nt h eR e a l T i m eD a t a b a s eO f R a i l w a yS i g n a lR e a l T i m eM o n i t o ra n dC o n t r o lS y s t e m 徐秀邹沐昌 ( 燕山大学信息科学与工程学院计算机系秦皇岛0 6 6 0 0 4 ) A b s t r a c

2、t A c c o r d i n gt ot h eD e s i g no fR a i l w a yS i g n a lR e a l T i m eM o n i t o ra n dC o n t r o lS y s t e m ， t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei m p o r t a n c eo ft h ea c t i v ep e r f o r m a n c ei nt h er e a l t i m ed a t a b a s e ，e x p l o r e s t h ep r i n c i p l eo

3、ft h ea c t i v ep e r f o r m a n c e ，a n a l y z e st h ep o s s i b i l i t yo ft h ea c t i v ep e r f o r m a n c eu s e di n r e a l t i m ed a t a b a s e ，g i v e sf e a s i b l em e t h o d ，a n dv e r i f i e st h ev a l i d i t i yo ft h em e t h o db yf i e l dt e s t K e y w o r d s A

4、c t i v ep e r f o r m a n c e ，R e a l - t i m ed a t a b a s e ，M o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，R a i l w a ys i g n a l 1引言 对于高速运行的铁路列车，线路的状态直接关 系到列车安全。线路安全状态主要包括各种信号设 备和行车控制设备安全运转，这是因为各铁路车站 信号设备的基本功能是向司机提供行车指挥信号标 志，同时还提供控制道岔等信号。通过车站信号设备 组成的车站信号系统，可以把调度指挥命令有效及 时地传达给司机，形成有序。安全的铁路列车运行。

5、因此实时地对车站信号设备监控具有十分重要的意 义“。 2 铁路实时监控系统中的实时数据库 2 1 铁路信号实时监控系统 铁路信号实时监控系统是对铁路上各信号区间 的信号设备运行状态的实时监控系统，同时对设备 机房的环境和空调进行实时监控。铁路实时监控系 统是以实时采集到的各测试点为对象，主动地进行 数据分析从而及时准确地反映信号设备的运行状 况，同时以正确，方便，直观的形式展现在设备管理 者面前，为他们准确及时地扫除故障提供了可靠的 信息。铁路信号实时监控系统主要分为四大部分：实 时数据采集，实时通信机制，实时数据库，前端界面 实时显示。 2 2 实时数据库 实时数据库是铁路信号实时监控系统的

6、重要组 成部分，它负责对实时采集到的数据在规定的时间 范围内完成正确地分析，并按一定条件触发预定的 事件。如：当某信号区间分线盘侧信号总幅度低于一 定门限且此时火车没有压在该区间，则实时向服务 端发送发端电缆盒坏的消息。 实时数据库的数据收集、存储、分析都严格受到 时间的约束，而传统的D B M S 对外部变化反应慢， 所有操作都是被动地服务，不能根据数据库内部情 况变化主动做些什么。如：主动提出报警，主动实现 某些状态的修改。如果实时数据库中具有主动性能。 即当某些条件满足时，能够自动触发完成一个或一 系列的操作，以避免由于人工干预所造成的不及时 性。而且在实时数据库中，其采样数据是动态变化

7、 的，需要不断地监视和事件驱动控制。设计中我们使 用了S Q L S e r v e r2 0 0 0 ，发现只要使用得当完全可以 满足数据的实时性要求，同时支持常用的O D B C 和 O L ED B 的数据连接。 5 实时数据库的主动性能研究 铁路信号实时监控系统中实时数据库中的主动 性能，主要表现为：把数据库的各种状态、事件及相 应动作定义为数据库的一部分，由条件监控程序判 断相关的各种条件，一旦条件满足。则执行用户事先 定义好的动作，即所谓的“事件驱动”，具体体现为以 下几点。 5 1利用触发醑嵌套主动实现从数据包分解 到数据分析，并按层次数据模型存放 S Q LS e r v e

8、r 中存储过程是用数据库语言编写 完成一定数据访问或处理的过程，预先进行编译和 优化后，存储在当前数据库的系统表中，编译存储 时，将会优化选择访问表中信息的最佳路径，以及优 化实际数据模型，有效索引，装载表等等。这样客户 程序在首次调用后，再次调用和运行时就会运行很 快。触发器作为一种特殊的存储过程，由系统自动激 活并由系统完成。因此触发器运行速度极快。此外触 发器中常用的i n s e r t e d 表和d e l e t e d 表是由系统产 3 7 3 生的临时表，它们存放在高速缓存中n 。 在铁路信号实时数据库中，根据协议将数据分 解，数据分析这些业务规则写入相应的触发器中。客 户端

9、界面输入的信号门限。数据库在处理组织数据 时，是从全局出发对数据的内部联系和用户要求进 行综合平衡来考虑的。当今数据库设计中主要有三 种数据组织方法：层次方法，网状方法，关系方法。不 同的组织方法对应着不同的数据库数据模型( 包括 数据源集合，数据操作集合，数据完整性规则) 即层 次数据模型，网状数据模型，关系数据模型。层次数 逻辑一级表： ( 存放原始数据包 据模型其实质是树型结构，它满足树的基本特性： ( I ) 有且仅有一个结点无双亲，这个结点是树的根； ( 2 ) 其它结点仅有一个双亲 3 。 在这个系统中实时数据来源主要分为三大部 分：前端工控机实时采集到的量化数据( 包括四种信 号

10、量：1 8 信息的信号量，U M 7 1 信号量，空调信号量， 环境信号量) ；外协系统传来的开关量；客户端写入 的工作参数门限。根据数据的逻辑关系，设计中采用 了层次数据模型：在车站数据库中将数据表按数据 逻辑层次关系如图1 所示。 外协系统传来的开关量| | 实时采集到的量化数据客户端写入的门限 逻辑二级表： ( 存放数据包分解 后产生的数据量) 逻辑三级表： ( 存放数据分析结果) 萎ll蓁彰tll囊18u茎ll兰lI重 驯摩 U M 7 l 和 1 8 信息数 据分析结 果 空调ll 环境 数据lI 数据 分析1 1 分析 结果II 结果 一 ：土：j 1 ( 主动发送消息到服务器端)

11、I 动态数据!静态数据 图1 铁路信号实时数据库数据模型 当从通信申口传来的数据写入数据库逻辑一级 表中，这将触发这些表上的触发器按协议分解，分解 后的数据按逻辑关系分别存储在各个逻辑二级表 中，在逻辑二级表上有具有数据分析功能的触发器， 将数据分析的结果分别写入各个逻辑三级表中。 5 2利用扩展存储过程将数据分析结果主动 地发送消息到服务器 扩展存储过程允许使用除S Q L 外的语言来编 写程序，如：C 语言。而且S Q LS e r v e r 象执行常规存 储过程一样自动地调用和执行这些程序。扩展存储 过程允许传参数和返回结果状态。因此扩展存储过 程给我们提供了强大的功能。如它能够基于一

12、定查 询结果形成一个网页，能够接收和发送m a i l 等 等2 l 。 扩展存储过程是D L L s ( 动态连接库) ，它被 S Q LS e r v e r 动态地调用，直接在S Q Ls e v e r 的地址 空间中运行。通过扩展存储过程可以使得S Q L S e r v e r ( 微软开放式数据服务) 提供基于服务的应 3 7 4 用程序接口。通过它可以发送从外部数据源得来的 结果集和返回输出参数给客户端，服务器端应用程 序也可以接收和处理客户端应用程序送来的 T r a n s a c t - S Q L 语句。 在铁路信号实时数据库中，在逻辑三级表上的 触发器中调用一个用V

13、C 写的扩展存储过程，通过 它将数据分析的结果主动发送到服务器端，客户端 应用程序从服务器端取得传来的数据实时显示在客 户端界面。 5 5 主动地进行数据“完整性”和实时数据的 “相互一致性”等约束检查 3 3 1 数据完整性 1 ) 实体完整性 实体完整性：数据库中的所有行都具有一个非 空的主键值，所有表都具有主键，且没有具有重复的 主键值的表。这确保数据库中所代表的任何事物均 不存在重复的条目。 2 ) 域完整性 域完整性：强制给定列的条目有效性的完整性 机制。C H E C K 约束之类的机制可以通过数据类型、 格式或允许的值的范围限制可能的数据值。 3 ) 引用完整性( R I ) 引

14、用完整性：数据库中的所有外键值都有效的 状态。为使外键有效，它必须包含值N U L L 或来自 该外键所引用的主键或唯一键列的现有键值。 实体完整性总应在最低级别上通过索引进行强 制，这些索引或是P R I M A R YK E Y 和U N I Q U E 约 束的一部分，或是在约束之外独立创建的。假设功能 可以满足应用程序的功能需求，域完整性应通过 C H E C K 约束进行强制，而引用完整性( R I ) 则应通 过F O R E I G NK E Y 约束进行强制。 在约束所支持的功能无法满足应用程序的功能 要求时，触发器就极为有用。例如： 1 ) 除非R E F E R E N C

15、 E S 子旬定义了级联引用 操作，否则F O R E I G NK E Y 约束只能以与另一列中 的值完全匹配的值来验证列值。 2 ) C H E C K 约束只能根据逻辑表达式或同一表 中的另一列来验证列值。如果应用程序要求根据另 一个表中的列验证列值，则必须使用触发器。 3 ) 约束只能通过标准的系统错误信息传递错误 信息。如果应用程序要求使用( 或能从中获益) 自定 义信息和较为复杂的错误处理，则必须使用触发器。 本系统中就采用了触发器通过数据库中的相关 表来实现级联更改，这是因为这种通过级联引用完 整性约束可以更有效地执行这些更改。触发器可以 禁止或回滚违反引用完整性的更改，从而取消

16、所尝 试的数据修改，当更改外键且新值与主键不匹配时 回滚一个插入。在本系统中有的地方采用了F O R E I G NK E Y 来达到检验数据完整性的目的。如果触 发器表上存在约束，则在I N S T E A DO F 触发器执 行后但在A F T E R 触发器执行前检查这些约束。如 果约束破坏，则回滚I N S T E A DO F 触发器操作并 且不执行A F T E R 触发器。 3 3 2 实时数据的相互一致性 实时数据库中的数据之间常常有着很强的相关 性，通常表现为时间上的相互一致性问题。一组相关 数据定义成一个相互一致集R ，每个这样的集合R 均有一个与之相联的相互有效期( M u t u a lV a l i d i t y I n t e r v a l ) ，记作R 丽。 定义：设R 是一个相互一致集，d ：( v a l u e ，t i m e ， a v i ) ，d 。m 。是实时数据的当前值，d 。i 一是实时数据的 采样