1 综合监控软件平台

城市轨道交通综合监控系统软件平台主要分为系统平台层、支撑平台层和应用层。系统平台层提供不同硬件平台、不同的操作系统支持；基本服务和开发工具支持的平台提供了一层系统，为用户提供第三方接入应用系统支持两开发支持；应用层包括 FAS、BAS和其他应用软件和仿真培训软件的用户。数据库软件作为支撑平台层，对综合监控系统从现场采集的大量数据进行数据存储、数据分析、数据查询以及数据转发等。

2 数据库设计

综合监控系统中数据库模块发挥至关重要的作用，而传统的关系数据库在过程控制应用中是非常无力的，而国外一些成熟的实时历史数据库价格昂贵，可处理的点数少。为了满足信息实时性、一致性、大容量、大吞吐量要求，必须针对轨道交通的特点，综合监控、设计和开发自己的实时、历史数据库。

2.1 数据流设计

软件平台的数据流主要有三个环节：FEP、服务器、工作站。外部系统数据经过 FEP 到服务器后在工作站上显示；工作站上的操作经过服务器发到 FEP，然后发布到外部系统。

2.1.1 数据采集流程

数据采集是指数据从现场设备至 ISCS 系统的数据流。如：断路器的状态改变将由系统通过数据遥测接收。ISCS 在控制中心与车站都配有两台服务器，PSCADA、BAS 等子系统的数据通过 FEP 同时发送到 2 台服务器。

2.1.2 命令下发流程

控制中心操作员有权对车站设备进行控制，控制中心操作员的控制命令无视目标设备位置，可以直接通过控制中心 FEP 发送至子系统，然后通过子系统下发给现场执行设备；或通过 ISCS 网络发送至车站 ISCS 服务器，再通过车站 FEP 发送至子系统，在由子系统将命令下发给具体执行设备。

2.1.3 数据发布流程

数据发布是指将服务器处理过的数据发布至工作站的人机界面上，向操作员进行显示或产生报警等功能的过程。软件在设计时，为减少不必要的数据传输，保证网络带宽的高效利用。一方面，工作站可主动向服务器“要”数据。另一方面，为了保证变化数据在人机界面上的快速反应，服务器也会对一些变化数据采取“推”的方式，主动发送到工作站。工作站收到这些被“推”来的数据后，如果与当前显示的人机界面相关，立即更新人机界面内容；如果无关，则直接将这些数据丢弃。因此软件平台的数据发布是采用“推”、“要”相结合的方式。数据发布包括发布到 HMI 和发布到应用程序，而发布到HMI 又包括实时数据发布到 HMI、历史数据发布到 HMI 两个方面。

2.2 数据库功能设计

实时数据库：

实时数据库是整个系统处理实时数据的核心，管理在线运行的数据。其目标是保证实时性、一致性、访问的高性能。实时数据库应具有以下功能：

* 面向对象、具有设备的概念、支持图模一体化；

* 分布式结构，便于实时数据库节点的增减；

* 可跨平台，支持所有主流的操作系统；重建在线数据库时，现有的数据不能丢失；

* 确保数据库一致性；

* 确保系统的安全；

* 支持 SQL 语言。历史数据库历史数据库主要用于存储采样数据、告警、事件日志等数据，但读写频率较低。数据库的设计目标是优化和扩展数据库应用程序开发人员的能力，提供了简单、灵活然而功能强大的 XQL 查询引擎，产生内存内的访问结构，实现对所需要信息的快速检索。历史数据库应具有以下功能：

* 可跨平台，支持多种主流厂商的硬件平台及操作系统平台；

* 支持各种网络通信协议，如 TCP/IP、SPX/IPX、X.25、SNA、Net－BIOS、ANSI/ISO SQL-92 等协议、标准；

* 数据库系统应具有良好的伸缩性；数据库能够在 SMP 系统中配置生成多个引擎，能够绑定 CPU 给用户和应用程序；

* 具有良好的开放性，支持异种数据库的互访；* 支持分布式事务及两阶段提交功能；

* 在网络上的异构数据库之间的数据冗余复制；多个复制模式（如一点对多点、多点对一点、点对点以及双向复制），支持基于事务日志的复制，保证复制事务完整性；

* 数据库服务器系统参数允许进行动态设置，不须重启系统；可对高速缓存进行命名管理并且与数据库对象绑定；

* 随着快速的并发访问操作，并发控制是稳定的和可靠的，并支持多进程和多线程；

* 具有在联机状态下对大容量数据的并行、压缩备份功能。

2.3 数据库核心模块设计

数据库的核心模块设计为三个模块，即点管理、实时数据管理和历史数据管理。

2.3.1 点管理模块

点（记为 point）是一个独特的表示不同的数据流，如电压和电流值，开关的状态，温度计的数量等。任何可测量的设备属性都可以定义为“点”。点类型主要包括数字量和模拟量。在轨道交通综合监控系统中，数字量的变化较低，仿真的频率较高，因此对历史数据的分析主要是模拟的。

“point”是一个 18 位字符串，独特的身份，称它为标签。单点信息一般包括点标签、类型、单位、描述、死时间值、是否保存历史数据、B+树根节点等。所有的“点”信息是一组点，所有在内存中。

点管理主要是指对点表的维护，包括点的增加、删除、修改信息的点、点的快速搜索等。点是数据管理的基本单位，各种操作的数据都是以点进行的。因此，快速的点查询对提高系统的性能有着重要意义。实时历史数据库采用哈希表索引方法进行点查询，可以快速查找指定的信息点。

2.3.2 实时数据管理

实时数据是最近一段时间的一个点的瞬时值，它是时间相关的数据。每个实时数据记录都有一个时间戳，并记录实时数据的采样时间。一个实时数据记录包括四个组成部分，如标签、时间戳、状态、值等。根据数据集成的交通监控系统的特点，即数字、模拟、数字模拟特性变化缓慢，变化很快，为了更好地实时数据转化为历史数据，采用双缓冲方法的设计，即：

（1）为每一个“point”建立一个比较大的缓存（如 100 记录的缓存），记为 cache_1。数据库服务器接收实时数据，不能直接进入 B+树，但根据名字直接写入到相应的 cache_1 点；当数存储在 cache_1最大记录，统一包装到 B+树。单元点到海量存储，大大降低了写 B+树的数量，降低了树的高度，增加了写和查询速度，并得到了一组数据点，也可以进行有效的数据压缩。在一些特殊情况下（如 50 万点），你可以打开一个一定规模的 max_cache1 缓冲区。当缓冲区满，然后转移到 cache_1 新点，对于那些指出，长时间不使用的内存使用LRU 置换算法。由于数字量的缓慢变化，模拟量变化快，所以模拟量更频繁访问的 cache_1。但比例数字集成流量监控系统，和一个相对小的数目的模拟系统，允许 max_cache1 尺寸接近模拟 *sizeof 的数量的情况下（cache_1），具有很高的命中率。

（2）根据内存的大小，为每个点设置一个比较小的缓存，记为cache_2，确保所有点的 cache_2 可以放入内存 。 实时数据来的cache_2 缓存对应点第一，当记录数 cache_2 存储达到上限，然后写cache_1。设置缓存 cache_2 的目的也是提高速度。由于慢的数量的变化（一天可能只有几个数据），较小的高速缓存的数量是足够的，以应付很长一段时间。通过 cache_2 批量处理，大大减少了访问cache_1 数量，也降低了节目的数量访问磁盘的写入速度提高。

双缓冲技术是为每一个点建立一个比较大的和小的存储缓冲区。一个小的缓冲区总是在记忆；和缓冲可以转移到内部和外部存储之间转移，使用 LRU 置换算法。缓存技术大大提高了数据库处理历史数据的性能，然后可以支持更多的点。

2.3.3 历史数据管理

当实时数据超出一定的周期时，即存储在磁盘中的历史数据。历史数据可以优化企业的生产，并为失效分析提供了有力的工具。使用 B+树来组织文件数据的实时历史数据库。由于在工作组的顺序，B+树有一个良好的效率，并存储在数据库中的历史数据所产生的实时数据，所以数据处理是时间序列数据。当一组实时数据过期时，它将它存储在一个 B+树中。每一个点都有一个时间作为索引的B+树，B+叶节点是一组历史数据压缩包。为了保持长期的历史数据，在有限的存储空间，利用赫夫曼压缩算法的设计，分别对数字时间戳压缩，从而大大减少了占用的历史数据存储的磁盘空间。当您需要查询一个点的历史数据时，首先满足压缩包的条件，以便读取时间，以便读取内存，然后在内存中提取，恢复原始数据，返回给用户。（本文由中国论文平台网提供，如有更多需要，可登陆官网咨询客服。）