实时数据库建模、存储和访问方法

1、一种实时数据库的存储方法，其特征是采用下列步骤：首先，将所有实时 测控数据项中的静态信息分离出来，用实体一联系E-R模型表示；然后将各实时 测控数据中的动态信息用钟面模型表示出来；将表示静态信息的E-R模型转化成 关系模型和二维表结构存入磁盘记录式文件；将表示动态信息的钟面模型存入磁 盘流式文件；在钟面模型中，一个钟面代表一个数据项，钟面用圆形表示，圆心 下方以文字标明数据项的名称，圆心上方画一个锐角，锐角内标明采样周期，钟 面的0点表示采样起始时刻的同时，对应磁盘的起始存储地址；一个数据的存储 地址号码由三部分组成：圆柱体号、读/写头号和扇区号；磁盘流式文件名与实时 测控数据项名一致；存储动态数据时，将不同数据项所对应的流式文件存储在不 同的圆柱体上，即同一数据项的实时测控数据均位于同一圆柱体上。
2、根据权利要求1所述的实时数据库的存储方法，其特征在于有相同采样周 期的数据项，则合并在同一钟面上。
3、根据权利要求1所述的实时数据库的存储方法，其特征还在于数据在磁盘 扇区存储，磁盘的操作单位是扇区；根据给出的磁盘地址，活动臂组合件作机械 运动定位于指定圆柱体，同时选择指定的读写头以确定磁道，最终读写头跟踪旋 转的磁道，读出旋转时每个扇区的地址，该地址与所给磁盘地址一致时，将该地 址中的数据读入内存中的磁盘缓冲区，或从磁盘缓冲区将数据写入指定磁盘地址， 完成一次磁盘读写操作。

技术领域\n本发明涉及实时数据库领域，尤其是一种实时数据库建模方法及基于该建模 方法的数据存储和数据库访问方法。\n背景技术\n传统数据库系统一般采用实体-联系模型(E-R模型)或扩充实体-联系模 型(EE-R模型)来对实际应用数据进行建模(概念模型)，目前使用最为广泛的 关系型数据库将这种概念模型转换成关系模型进而转换成二维表结构形式来存 储数据。这种模式易于理解，但不能满足实时系统数据处理应用的需求。其局限 性主要体现在以下两个方面：首先是数据模型上的限制，关系数据库所采用的二 维表格数据模型不能有效地处理带有时态信息的三维或多维数据，结果往往是建 立了大量的表，用了复杂的方式来处理，却仍然很难模仿出数据的现实关系，更 糟的是，这些表之间的连接经常隐藏在应用程序里，而不是存在于更易于管理的 数据库中；第二是性能上的限制，为静态应用例如报表生成而设计的关系数据库 管理系统并不是为高效数据处理而优化的，其结果是某些关系数据库管理系统虽 然能在为该产业特别开发的考机测试程序上取得满意的性能，但是在实时数据处 理的真实世界中其性能却并不令人满意。\n也就是说，由于在实时系统中，实时测控信息包含重要的时态信息，传统数 据库系统把时态信息当作普通的参数(属性)来对待，导致这些应用系统的数据 库中记录数目呈急剧膨胀趋势，比如一个数据项的采样周期为1s，则1小时就 会产生3600条记录，在有多个数据项且它们的采样周期又不同的连续测控系统 中，记录数增长的速度可想而知；而实时系统的时间和空间资源一般都不太充足， 所以将传统数据库技术应用在实时系统中效率一直不理想。\n简言之，传统数据库技术应用在实时系统中，模型表现力不够，而且存储和 访问效率低，在记录数目众多的情况下更是如此，实际应用中往往需要通过索引 技术来提高效率，然而建立索引需要花费时间和存储空间的代价。\n数据库新技术中的对象关系数据库等技术试图改变这种现状，但其实质是在 关系数据库的基础上融合面向对象技术和传统数据库的一些特点，以及新的编程 工具环境，以适应新的以Internet Web为基础的应用，并未对实时数据库设计的 方法提出根本的建议。\n中国专利00811092号申请文件公开了“实时数据库对象的统计数字的采集” (国际申请号：PCT/US00/17491)，它是借助数据库管理系统来采集数据库对象 的实时统计数字的方法，其思想是基于现有关系模型的数据处理，不是根本解决 实时数据库存储和访问效率的方法。\n中国专利00818943号申请文件公开了“信息建模方法和利用建模方法的数 据库搜索方法”(国际申请号：PCT/KR00/00505)，它是一种将数据解析成语义 元素，接收各种数据的信息建模方法，包括时间信息数据和指示位置的空间信息 数据以及其它类型的数据，不是针对实时数据库系统的方法，不能解决效率问题。\n美国专利US 6644549号申请文件公开了“Portable terminal with real-time database access，printing and display”，它是一种带有实时数据库的终端设备， 其所使用的实时数据库技术仍是传统数据库技术，并未涉及改进或改造实时数据 库管理系统本身的技术。\n美国专利US6556882号申请文件公开了“Method and apparatus for generating real-time data from static files”，它包括一种将实时数据存储在静态文件数据库中 的方法，该方法目的是用静态文件数据库中的数据模仿实时数据流来运行制造系 统，以便分析制造系统网络的性能，不是解决实时数据库本身效率问题的方法。\n发明内容\n本发明的目的是：为了克服目前实时数据库存储和访问效率低的技术问题。\n进一步地，本发明所要解决的技术问题是为了克服目前数据库建模方法忽视 时态信息和磁盘存储结构的技术问题。\n相应地，本发明的目的还包括：提供一种基于上述建模方法的数据存储方法 和数据库访问方法。\n实现本发明目的而采取的技术方案概括如下：\n提供一种实时数据库实际应用数据的建模方法，包括采用下列步骤：首先， 将所有实时测控数据项中的静态信息(如数据项名称、采样周期)分离出来，用 E-R模型表示；然后将各实时测控数据中的动态信息(如测量值)用钟面模型表 示出来。在钟面模型中，一个钟面表示一个数据项，钟面内标出数据项的名称和 采样周期，钟面的0点表示采样起始时刻。如果有相同采样周期的数据项，则可 以合并在同一钟面上。\n基于上述建模方法，提供一种实时数据的存储方法，包括采用下列步骤：将 表示静态信息的E-R模型转化成关系模型和二维表结构存入磁盘记录式文件； 将表示动态信息的钟面模型存入磁盘流式文件，磁盘流式文件名与实时测控数据 项名一致，钟面的0点表示采样起始时刻的同时，对应磁盘的起始存储地址。\n基于上述数据建模方法和存储方法，提供一种实时数据库的访问方法，包括 采用下列步骤：根据访问数据项名查找磁盘流式文件名，根据访问数据的时间参 数计算与0点的时间偏移量，进而算出物理地址偏移量，然后直接定位于磁盘物 理地址，从而进行读或写的操作，无需建立索引。这里，由于实时测控数据的固 有特性，规定写操作只能进行修改，不能删除或插入。如果访问数据要求涉及到 静态信息则打开磁盘记录式文件，由于此时磁盘记录式文件仅存储静态信息，数 据量小，记录数少，所以按传统访问方式访问。\n本发明的特点是：将数据库数据项中的静态信息和各实时测控数据中的动态 信息的建模结合起来，尤其重视动态信息并用最合理的磁盘存储方法，能解决现 有数据库存储和访问效率低的问题。\n本发明以钟面刻划一定采样周期内实时测控数据流中的时态信息，将实时测 控信息中的静态信息和动态信息分别用记录式文件和流式文件分开存储，对流式 文件的访问可根据时间偏移量计算物理地址偏移量进行数据定位，无需建立索 引，减少管理数据所需开销的时空资源，对提高实时系统的效率和性能具有重要 意义。采用本发明的技术方案，提供一种实时数据库的数据建模方法和基于此种 建模方法的数据存储和数据库访问方法，工程人员采用这种建模方法可以比较容 易地建立概念模型，数据库系统软件采用这种存储方法和访问方法可以加快数据 存储和数据库访问效率，极大地改善实时系统的性能。\n附图说明\n图1钟面模型结构示意图\n图2逻辑地址空间图\n具体实施方式\n下面将结合附图，说明本发明一个实施的方式：\n首先，对实时系统进行需求分析，确定有哪些测控数据，将所有实时测控数 据项中的静态信息(包括数据项ID、数据项名称、测量单位、模拟量还是数字 量、采样周期、报警上限、报警下限等等)分离出来，用传统的E-R模型表示， 以数据项ID或数据项名作为主关键字，因为数据项名是工程人员命名的，所以 可以确保不重名；然后将各实时测控数据中的动态信息(包括时间和测量值)用 钟面模型表示出来。在钟面模型中，一个钟面代表一个数据项，钟面用圆形直观 表示，圆心下方以文字标明数据项的名称，圆心上方画一个锐角，锐角内标明采 样周期，钟面的0点表示采样起始时刻。如果有相同采样周期的数据项，则可以 合并在同一钟面上，即将相同采样周期的数据项名称写在同一钟面内，用逗号分 割，如附图1所示。\n基于上述建模方法，提供一种实时数据的存储方法，包括采用下列步骤：将 表示静态信息的E-R模型转化成关系模型和二维表结构存入磁盘记录式文件； 将表示动态信息的钟面模型存入磁盘流式文件。流式文件指文件内的数据不组成 记录形式，只是依次的一串信息集合。磁盘流式文件名与实时测控数据项名一致， 钟面的0点表示采样起始时刻的同时，对应磁盘的起始存储地址。流式文件的逻 辑地址空间分布如图2所示，一个数据的存储地址号码由三部分组成：圆柱体号、 读/写头号和扇区号。存储动态数据时，可以将不同数据项所对应的流式文件存 储在不同的圆柱体上，也即同一数据项的实时测控数据均位于同一圆柱体上。同 一圆柱体上能存储的数据量由硬件决定，比如一个单驱动器的盘片组，有6个盘 片，10个磁头，柱面数为1200，所选圆柱体的磁道有32个扇区，每个扇区可以 存放512B，则该圆柱体可以存放10×32×512＝163840B数据。假设存储一个测 控数据项需要4个字节空间，则该圆柱体上可存储4万多次采样的数据。则该磁 盘可存储1200个数据项的4万多次采样结果。\n基于上述数据建模方法和存储方法，提供一种实时数据库的访问方法，包括 采用下列步骤：如果访问数据要求涉及到静态信息则打开磁盘记录式文件，由于 此时磁盘记录式文件仅存储静态信息，数据量小，记录数少，所以按传统访问方 式访问。对于实时测控数据的访问，先根据访问数据项名查找磁盘流式文件名， 然后根据访问数据的时间参数和采样周期计算距离采样起始时刻的时间偏移量， 进而推算数据所在的物理地址偏移量，然后直接定位于磁盘物理地址，从而进行 读或写的操作。比如，设采样周期为1S，采样起始时刻为8:10:10，一次温度采 样值占4个字节，文件起始扇区号为xxxx10，若要查询9:00:00的温度采样值， 则时间偏移量为(9-8)×3600+(0-10)×60+(0-10)＝2990，地址偏移 量为2990×4/512＝23，则直接定位于xxxx33扇区进行读操作。这里，由于实时 测控数据的固有特性，规定写操作只能进行修改，不能删除或插入。\n进一步地，采样数据在扇区的存储方式可以根据采样周期和每个采样数据所 占空间来决定，比如对于512字节的扇区，一个扇区可存放128次采样数据，若 每个采样数据要占4个字节，为了和时间对应，可以让每个扇区存放120次采样 数据，以便于数据的精确定位。还可以在数据流中设置标志位，即将采样时刻与 采样值成对存放，以便在取得扇区数据后进一步确定数据值。\n值得说明的是磁盘的操作单位是扇区，用磁盘存储器，具体操作时，根据给 出的磁盘地址，活动臂组合件作机械运动定位于指定圆柱体，同时系统选择指定 的读写头以确定磁道，最终读写头跟踪旋转的磁道，读出旋转时每个扇区的地址， 该地址与所给磁盘地址一致时，系统将该地址中的数据读入内存中的磁盘缓冲 区，或从磁盘缓冲区将数据写入指定磁盘地址，完成一次磁盘读写操作。\n以上对所公开的涉及实时数据库建模、存储和访问方法进行了具体描述，本 领域技术人员将能理解和实施，在不偏离本发明范围情况下，可以对建模、存储 和访问方法进行形式和细节的种种修改，因此以上所建议的但不限定的修改都在 本发明的范围之内。