1 引言 　　近年來，實時數(shù)據(jù)庫的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫的重要研究方向之一，在數(shù)據(jù)庫的研究領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。作為工控軟件的關(guān)鍵技術(shù)之一，實時數(shù)據(jù)庫在一些實時性要求較強的系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。實時數(shù)據(jù)庫適用于處理不斷更新且快速變化的數(shù)據(jù)，以及具有時間限制的事務。例如在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，常常需要在幾秒內(nèi)刷新幾千甚至上萬種實時量和狀態(tài)量，同時，為保持監(jiān)控畫面與現(xiàn)場狀態(tài)的一致性，還需要刷新相應的監(jiān)控畫面。這就對實時數(shù)據(jù)庫的檢索效率提出了更高的要求。 2 影響檢索效率的因素 　　在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的存取速度是影響檢索效率的主要瓶頸之一。在對計算機硬件的性能進行分析后可以確定，硬盤的存取速度大致為100Mb/s，如果頻繁的進行外存的存取操作，將會嚴重影響系統(tǒng)效率。其次是查找表的平均查找長度的影響，在大數(shù)據(jù)量的情況下，如果平均查找長度較大也會成為系統(tǒng)的瓶頸。同時由于數(shù)據(jù)處理的不可預知性，當某個數(shù)據(jù)的處理過程不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成時，還可能使實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)失效或者遺漏一些重要的數(shù)據(jù)及事件，即會引起數(shù)據(jù)處理的滯后甚至沖突。 　　當然，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大容量內(nèi)存已經(jīng)不是設(shè)想而成為事實。通過擴展內(nèi)存可以把所有需要實時存取的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，而把實時數(shù)據(jù)庫中用于決策支持的歷史記錄，以及其他的一些派生數(shù)據(jù)（報警記錄、事故記錄等）存放在外存上的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這在一定程度上可以緩解對速度的要求。但內(nèi)存不可能無限制擴大，為此必須研究軟件上的方法。 3 基于向量的檢索 3．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)庫需要保存從各個測控裝置采集上來的數(shù)據(jù)，用于實時監(jiān)視和現(xiàn)場控制，并對監(jiān)控點的情況進行報警和事故的判斷和分析。這些數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)對查找表的平均查找長度有重要的影響。 　　根據(jù)向量（vector）檢索效率比較高的特點，本文采用了向量來組織這些數(shù)據(jù)，所形成的實時數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，現(xiàn)場的每個監(jiān)控點是由廠站名稱、監(jiān)控點類型、和監(jiān)控點名稱唯一確定的，每個監(jiān)控點的狀態(tài)則通過多個參數(shù)來描述，這些參數(shù)通常是由現(xiàn)場值、報警標志、報警上下限、報警死區(qū)、工作狀態(tài)和一些統(tǒng)計量等組成。 3．2算法的實現(xiàn) 　　為了減小平均查找長度,該實時數(shù)據(jù)庫的排序和檢索可以按照如下算法實現(xiàn)： 　　1．廠站名稱的排序和檢索。根據(jù)廠站的數(shù)量一般都相對較少的特點，構(gòu)造如下集合間的映射： map：{廠站名稱} {向量下標} 其中，廠站名稱為鍵，向量下標為值，于是就可由廠站名稱直接得到該向量元素的下標，從而查找到該廠站。 　　2．監(jiān)控點類型和監(jiān)控點名稱的排序和檢索。針對監(jiān)控點類型和監(jiān)控點的名稱的數(shù)量相對都比較大的特點，采用hash表對它們進行排序。為了提高地址計算的效率，用直接定址法來構(gòu)造哈希函數(shù)，采用鏈地址法來處理沖突。首先根據(jù)初始的數(shù)據(jù)確定哈希表的長度，一般情況下為了減少沖突，可以生成一個空向量使該向量的長度大于初始數(shù)據(jù)的長度，然后由給定的哈希函數(shù)和沖突處理函數(shù)把相應的監(jiān)控點類型或監(jiān)控點的名稱映射到向量的各個元素中。如果該向量表已經(jīng)裝滿，只需要在該向量尾部中添加一個元素把新增的數(shù)據(jù)填充到該元素中，然后把該元素的下標放到鏈地址表中。 　　3．監(jiān)控點參數(shù)的排序和檢索。電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中每個監(jiān)控點對應現(xiàn)場中的一個裝置，所以監(jiān)控點需要一些參數(shù)來反映該裝置的狀態(tài)，一般情況下，監(jiān)控點的參數(shù)個數(shù)都不會太多。根據(jù)順序存儲和順序檢索在數(shù)據(jù)量比較少時，效率比較高的特點，采取順序存儲和順序檢索的方法來實現(xiàn)。并且根據(jù)檢索頻率來動態(tài)調(diào)整參數(shù)的位置，使檢索頻率高的參數(shù)位于向量的前部，檢索頻率低的參數(shù)位于向量的后部。 4．多線程技術(shù)的引入 　　在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)要實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實時的更新，能夠根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行安全監(jiān)視、現(xiàn)場模擬，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的設(shè)置的時間間隔進行保存，發(fā)生事故的監(jiān)控點進行事故追憶等。如果這些功能全部由一個線程來完成，會因資源沖突等問題而影響處理效率。為此，我們采用了圖2所示的多線程結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)有通信線程、報警處理線程、寫歷史庫線程、寫磁盤線程、顯示監(jiān)控線程和主界面線程組成。 通信線程主要負責實時數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場的通信?，F(xiàn)場的各個測控裝置把采集來的數(shù)據(jù)送到各個端口，通信線程實時的掃描各個端口，通過各種規(guī)約轉(zhuǎn)換把現(xiàn)場采集來的生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)或用戶能夠理解的熟數(shù)據(jù)送到實時數(shù)據(jù)庫中，必要時把生數(shù)據(jù)也一同送到實時數(shù)據(jù)庫中，同時接受顯示監(jiān)控線程傳來的各種控制和調(diào)節(jié)命令，并通過相應的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換為測控裝置能夠識別的數(shù)據(jù)，送到底層裝置中去執(zhí)行。通信線程還負責把需要保存的現(xiàn)場生數(shù)據(jù)、通信模塊的系統(tǒng)信息和故障信息寫入一緩沖區(qū)隊列中，交由另一線程來處理。 　　報警處理線程主要負責數(shù)據(jù)庫的實時掃描、報警和事故的判斷和處理。該線程由通信線程觸發(fā)，處理過程由圖3報警處理流程圖所示，當有數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)庫時就觸發(fā)該線程。為了防止報警和事故事件的遺漏，用全局變量 NoProccessCount來記錄在一個實時數(shù)據(jù)庫的掃描周期中現(xiàn)場值已經(jīng)改變但未被處理的點數(shù)，用來bNew標志該點的現(xiàn)場值在該掃描周期中是否被改變。當通信線程寫實時數(shù)據(jù)庫時，置相應點的bNew標志為改變狀態(tài)，并把 NoProccessCount增1。當報警處理線程觸發(fā)后，首先在實時庫中查找到該點， 使NoProccessCount減1，置bNew為未改變狀態(tài)，進行報警和事故判斷。如果發(fā)生報警或事故則進行相應的處理，并把報警信息或事故追憶值寫入相應的緩沖區(qū)隊列中，由另一線程來處理。然后判斷NoProccessCount是否為０。如果為０表示實時數(shù)據(jù)庫中沒有要處理的點，該線程等待直到下一次被觸發(fā)。否則掃描下一個監(jiān)控點，判斷該點的bNew是否處于改變狀態(tài)。若是，使bNew設(shè)為未改變狀態(tài)，NoProccessCount減1，進行報警和事故判斷。如果發(fā)生報警和事故進行相應的處理，然后判斷NoProccessCount的值。循環(huán)執(zhí)行以上步驟，直到被結(jié)束事件觸發(fā)，該線程結(jié)束。 　　寫歷史庫線程主要負責把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定時地保存到外存數(shù)據(jù)庫中。在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，允許用戶自定義歷史庫數(shù)據(jù)，即用戶可以定義要保存的狀態(tài)變化量和測量值以及保存的時間間隔。在實現(xiàn)時為提高效率，我們將所有需要保存歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)控點信息構(gòu)成一個鏈表，在該鏈表中歷史庫接點的結(jié)構(gòu)為： struct HistoryNode{ string stationName; string typeName; string pointName; time_t startTime; double intervalTime; struct HistoryNode *next; } ; 其中：stationName為該點的廠站名稱，typeName 為該點的類型，pointName為該點的名稱，startTime為上一次存入歷史庫的時間，intervalTime為寫入歷史庫的時間間隔。寫歷史庫線程實時對鏈表進行掃描，方法是：對鏈表中的每一個點，首先取系統(tǒng)時間與startTime比較，如果系統(tǒng)時間和startTime之差大于intervalTime，說明該點的寫歷史庫周期已到，這時由stationName、typeName、pointName構(gòu)成索引在檢索實時數(shù)據(jù)庫，得到該點的值，并將其寫入相應緩沖區(qū)隊列中，然后由寫磁盤線程寫入外存數(shù)據(jù)庫，否則掃描下一個節(jié)點。 　　顯示監(jiān)控線程主要負責現(xiàn)場實時模擬和現(xiàn)場控制?，F(xiàn)場中的每個點在模擬畫面中都有相應的映像，該線程定時掃描畫面中每個映像點，根據(jù)映像點的廠站名稱、監(jiān)控點類型、監(jiān)控點名稱查找實時數(shù)據(jù)庫，得到該模擬點的值，并根據(jù)該值來改變畫面上模擬點的狀態(tài)或顯示該值。 　　主界面線程主要負責用戶的在線設(shè)置工作。該線程把用戶自定義的一些信息如歷史庫數(shù)據(jù)定義、報警允許定義、報警上下限定義等寫入實時數(shù)據(jù)庫中。同時還負責各種線程的管理工作。 寫磁盤線程主要負責把緩沖區(qū)隊列中的數(shù)據(jù)寫入外存，對于緩沖區(qū)隊列的讀寫引入了生產(chǎn)者—消費者模型，參見圖4。在該模型中分別有一個生產(chǎn)者（RP）和一個消費者（WP）兩個緩存池，其中通信進程、報警處理線程、寫歷史庫線程為生產(chǎn)者，寫磁盤線程為消費者，同一時刻對同一個緩存池的生產(chǎn)者和消費者要互斥地訪問。開始時，由生產(chǎn)者即通信進程、報警處理線程、寫歷史庫線程其中之一，負責先將兩個緩存池都充滿，當兩個緩存池都寫滿后，如果系統(tǒng)中還有新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，則擴大第二個緩沖池。然后把第一個緩沖池交給寫磁盤線程，并通知它可以讀取數(shù)據(jù)了，這是寫磁盤線程開始把第一個緩沖池的數(shù)據(jù)寫入外存中。當寫磁盤線程讀完一個緩存池后，把該緩沖池交給生產(chǎn)者線程，并通知生產(chǎn)者線程，該緩存池已空可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)了，然后，等待第二個緩沖池可讀時把該緩沖池中的數(shù)據(jù)寫入外存。這樣輪流的進行讀寫，使得通信進程、報警處理線程、寫歷史庫線程對數(shù)據(jù)的操作都是在內(nèi)存中進行，可以大大提高處理的效率。 整個系統(tǒng)通過各個線程之間的相互協(xié)調(diào)來工作，各線程之間利用事件來觸發(fā)，可以避免因循環(huán)檢測而浪費系統(tǒng)效率。 5．結(jié)束語 　　與現(xiàn)存的實時數(shù)據(jù)庫的檢索方法相比，本文提出的兩種方法在減小表的平均查找長度和提高數(shù)據(jù)處理的速度方面取得了較好的效果。例如在文獻【15】和【16】中實時數(shù)據(jù)庫的存儲形式采用的是Ｂ-樹結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)。假定實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)項的個數(shù)為n，平均查找長度ASL。采<