CN110046202A - 基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法 - Google Patents

基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，包括以下步骤：a，综合电力系统物理域获取现场周期性量测值作为信息域能量管理分系统原始数据来源；b，设备原始数据通过分系统区域现场数据网络/总线集中传输至分系统区域控制器；c，分系统区域控制器对本区域内设备现场原始数据进行解析处理，并按键值数据模型保存到下位机内存键值实时数据库中；d，各分系统根据本区域数据管理需求，周期性读取本区域的下位机内存键值实时数据库。本发明通过内存键值数据库技术保障实时数据管理的时效性和横向可扩展性。

Description

基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法
技术领域
本发明涉及实时数据管理技术领域，具体涉及一种基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法。
背景技术
从目前综合电力系统实时数据管理的研究成果来看，在实时数据规模较小的前提下，对实时数据的访问会非常高时效。但是在实时数据规模不断增大，或者实时数据中包含大量半结构/非结构化数据的情况下，很多实时数据管理方式难以满足综合电力系统实时监控等业务场景需求的时效性和可扩展性。
综合电力系统在本发明的含义是指船舶综合电力系统，包含发、输、变、配、用等物理域分系统，以及能量管理信息域分系统。综合电力系统实时数据在本发明中的含义是指为了及时了解综合电力系统各设备运行状态，通过各物理域分系统量测装置周期性采集的设备数字量和模拟量，并经由现场网络/总线上传至信息域能量管理分系统，而后存储在实时数据库或业务自定义内存数据结构的全系统量测值。
导致目前综合电力系统实时数据管理系统可扩展性(特别是横向可扩展性)不足的根源在于当前面向船舶信息系统的实时数据管理系统多采用关系型数据库或自定义简单数据结构实现，而随着综合电力系统信息化程度提升以及船舶信息系统一体化趋势，不断增大实时数据规模，特别是其中激增的半结构化/非结构化等非关系型数据，难以在关系型数据库中高时效处理。如果要深入到变更综合电力系统能量管理软件架构进行有效实时数据管理，需要解决怎样在大规模实时数据管理中维持横向可扩展性，并高效处理其中非结构化数据等问题。本发明将运用内存键值数据库技术解决上述综合电力系统实时数据管理问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，解决了目前综合电力系统实时数据管理系统横向可扩展性不足，难以处理非关系型数据等弊端，能够将内存键值数据模型应用到综合电力系统能量管理软件架构中，通过内存键值数据库技术保障实时数据管理的时效性和横向可扩展性。
本发明提供了一种基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于包括以下步骤：
a，综合电力系统物理域的各分系统数据采集装置及系统获取现场周期性量测值作为信息域能量管理分系统原始数据来源；
b，综合电力系统物理域的各分系统包含的各型设备控制器通过传感器装置对各设备原始数据进行周期性采集，设备原始数据通过分系统区域现场数据网络/总线集中传输至分系统区域控制器；
c，分系统区域控制器周期性触发现场原始数据接收模块，对本区域内设备现场原始数据进行解析处理，并按键值数据模型保存到下位机内存键值实时数据库中；
d，各分系统根据本区域数据管理需求，周期性读取本区域的下位机内存键值实时数据库，并按键值数据模型生成分系统历史数据，在磁盘存储系统中进行长期保存。
上述技术方案中，还包括步骤e:全系统通过分布式实时数据管理方法，区域控制器和集中显控台各自运行内存键值数据库实例；其中集中显控台作为能量管理上位机，各区域控制器作为各节点的能量管理下位机。
上述技术方案中，步骤c包括以下步骤：
(1)现场数据解析：区域控制器周期性调用现场网络/总线设备驱动中读数据API，获取本区域原始数据，按照键值数据模型，具体以Hash表格式将每帧原始数据的解析结果在内存空间中按字符串Key-Value键值对进行缓存，并对每个Key-Value键值对添加时间戳。其中，字符串Key标识全系统内唯一的量测信号量名或时间戳等中间结果名。
(2)解析数据缓存：对本区域原始数据解析出来的每个Key-Value键值对，分别按照预定的数字量和模拟量类别缓存到预先分配的数字量和模拟量内存空间，并按字典进行排序得到本区域全部数字量和模拟量Key-Value键值对组成的两个数据集合。
(3)实时数据存储：各分系统区域控制器生成上述键值数据模型解析结果后，在本数据解析周期内调用实时数据库数据集合写API，将本周期内数字量和模拟量数据集合导入至基于键值数据模型的实时数据库中。数字量和模拟量数据集合中每个Key-Value键值对均可以通过全系统唯一Key在键值实时数据库中访问到最新数据周期的量测值Value或其他需要的生成值。
上述技术方案中，步骤b中数据采集频率可视上层业务需求在可定制范围内调整。
上述技术方案中，区域控制器实例中按照本区域设备信号量Key涵盖范围进行实时数据管理，而集中显控台实例可关联到对应区域控制器实例，且集控显控台实例只完成实时数据读负载响应，可以作为区域控制器实例主从备份从节点，满足实时数据写更新负载的区域控制器作为数据库系统实例主节点。
上述技术方案中，通过一致性哈希对全系统Key空间进行切分，各分系统Key子空间直接本地化响应上层业务对实时数据的访问请求，上层业务可以部署在区域控制器或集中显控台节点完成实时数据访问；在全系统历史数据集生成中，可以周期性访问集中显控台实时数据管理系统实例完成各分系统历史数据采集，进行整合、压缩并存储。
上述技术方案中，实时数据库采用内存数据库技术来保障数据处理时效性，并通过主从备份热备机制保障数据存储的可靠性，硬件设备允许配置为双下位机热备，即主实例与从实例分别部署在两台物理机上；可视下位机内存容量进一步基于键值数据模型实现内存历史数据管理，用于实时分析本区域设备短期内运行状态；实时数据到上位机的传输通过内存键值数据库自身主从热备功能实现，通过给主实例配置从实例，集中显控台监测业务需要的实时数据从从实例中读取；同时，实时数据持久化生成磁盘历史数据也部署在上位机中完成，通过周期性读取上位机实时数据库从实例数据源按历史数据格式写入历史数据库。
本发明采用上述方案的意义在于：综合电力系统实时数据面向的业务场景没有复杂的事务处理及ACID特性要求，通过键值数据模型管理可简化实时数据管理系统实现，同时置于内存空间进行数据管理可保障时效性。此外，键值数据模型中Key-Value键值对中Key和Value类型无需特定格式定义，通常Key为不定长度的字符串表示，Value可为由上层业务能够解析的任意类型，从而能够有效处理半结构化/非结构化等非关系型数据。本发明中实时数据管理需求的横向可扩展性可表述为，随着各分系统实时数据规模增加，可通过增加区域控制器节点(即内存键值数据库系统实例)来维持原有的实时数据访问时效性。键值数据模型以扁平化(通常为Hash)数据结构组织具备内在的横向可扩展性，结合内存存储可随机访问特性，从而有效满足实时数据管理需求的可扩展性。
与现有技术相比，本发明的优势效果是：
目前综合电力系统实时数据管理系统都采用关系型数据库或自定义简单数据结构实现，而本发明能够基于键值数据模型完成实时数据管理，通过内存键值数据库技术来管理传统关系型数据库难以管理的半结构/非结构化实时数据，保障了上层业务访问实时数据的时效性，并使用分布式内存键值数据库技术来处理规模不断增大的实时数据，可实现综合电力系统实时数据管理系统在船舶信息一体化大数据场景中需求的横向可扩展性。
附图说明
图1综合电力系统实时数据管理流程；
图2内存Key-Value键值数据模型示意；
图3分布式实时数据管理架构。
具体实施方式
下述说明均为示例性阐述，用于对本申请提供进一步说明。除非单独指出，文中所用技术和术语与本申请所属领域的技术人员常规理解含义相同。
术语解释：实时数据管理是指从工业现场设备传感器周期性采集量测数据，通过现场网络/总线传输至对应控制器，并解析导入实时数据库进行管理的过程，后续还包括利用实时数据集按时序生成必要的历史数据。
本申请涉及的工业现场主要指船舶综合电力系统，其分系统实时数据管理的全过程描述如图1所示，具体内存数据模型如图2所示，全系统分布式实时数据管理架构如图3所示。
在图1中，首先通过综合电力系统物理域分系统各设备量测装置周期性采集现场量测数据，在本分系统区域设备控制器层面汇集得到现场量测数据集1,2,…,N，暂存于设备控制器缓存中并周期性刷新，可视现场网络/总线带宽及波特率等参数设定调整量测数据刷新时间间隔；然后通过本区域现场网络/总线将现场量测数据集1,2,…,N以设备ID关联的数据帧形式并发生成现场数据流，传输至本区域控制器解析并按键值数据模型生成实时数据库写请求，从而将现场量测数据集导入至该区域实时数据管理系统实例(RTDB1)进行管理。
实时数据库(RTDB)采用内存数据库技术来保障数据处理时效性，并通过主从备份热备机制保障数据存储的可靠性，硬件设备允许可配置为双下位机热备，即RTDB1(主实例)与RTDB1_1(从实例)分别部署在两台物理机上；实际部署中，可视下位机内存容量进一步基于键值数据模型实现内存历史数据管理(HisRTDB1)，用于实时分析本区域设备短期内运行状态等业务；本申请中实时数据到上位机的传输通过内存键值数据库自身主从热备功能实现，通过给主实例RTDB1配置第二个从实例RTDB1_2，集中显控台(上位机)监测等业务需要的实时数据从RTDB1_2中读取；同时，实时数据持久化生成磁盘历史数据(HisDB1)也部署在上位机中完成，通过周期性读取上位机实时数据库从实例RTDB1_2数据源按历史数据格式写入历史数据库。
而如背景技术中所述，现有综合电力系统实时数据管理中，在实时数据规模较小的前提下，对实时数据的访问会非常高时效。但是在实时数据规模不断增大，或者实时数据中包含大量半结构/非结构化数据的情况下，很多实时数据管理方式难以满足图1示意的综合电力系统实时监控等业务场景需求的时效性和可扩展性。从而，为了解决如上技术问题，本申请提出了基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法。
本申请的一种典型实施方式中，如图2所示，提供了基于键值数据模型的实时数据管理方法，在如图1所示的综合电力系统实时数据管理需求下，本发明下面将具体以现场CAN相关设备采集现场量测数据集为出发点，阐述本方法如何将现场CAN数据帧转换为实时数据库Key-Value键值对，再进一步转换为历史数据库记录的核心步骤。
第一步：现场量测数据帧键值型缓存刷新，将区域控制器(1,2,…,N)采集的CAN数据帧ID按数字量和模拟量区分为两个主要区间(CAN_ID_Digit和CAN_ID_Analog，根据分系统测点规模确定使用标准帧或者扩展帧进行帧ID设计)，其中每帧数字量保存64个布尔状态量，而每帧模拟量保存4个字状态量(16位，双字节，注意大小端)，按ID解析后的数字量和模拟量量测值分别写入各自键值型缓存。
第二步：实时数据库键值型缓存刷新，依据量测数据(各CAN设备信号量)设计输入，在设定的CAN帧存储地址(CAN_Addr)中完成信号量地址(CAN_Addr_Key)与信号量标识(RTDB_Key,RTDB中主键标识)逐一映射，通常可采用键值对Hash表方式实现；然后周期性读取现场量测缓存中键值对(CAN_Addr_Key标识)值Value赋值给实时数据库批量待写入的缓存中键值对(RTDB_Key标识)，即刷新Analog_Value与Digit_Value一系列测点值。其中，分布式架构下(如图3)，每个区域控制器(编号1-N)在全系统内存键值数据库中可划分为一一对应的实时数据桶，并分散在N个下位机节点中。
第三步：批量写入键值型实时数据库，区域控制器对应的实时数据桶分别指向各自键值对字典内存空间(1,2,…,N)，每个数据采集周期内，当本区域下位机实时数据库写缓存中全部键值对现场量测值赋值完毕后，即键值对字典中数字量和模拟量完成一次完整更新(<Analog_Key11,Analog_Value11>,<…>,<Analog_Key1Y,Analog_Value1Y>和<Digit_Key11,Digit_Value11>,<…>,<Digit_Key1Y,Digit_Value1Y>完成量测值更新)。一次性按照键值对格式批量导入到内存键值型实时数据库实例Hash表中。
第四步：历史数据库记录生成，完成实时数据库键值对数值刷新后，即可周期性按信号量集合唯一标识(RTDB_Key)批量读取本周期内信号量刷新值，运用历史数据记录键值模型(<HisAnalog_Key_TS,<Analog_Key11,Analog_Value11_TS>,<…>,<Analog_Key1Y,Analog_Value1Y_TS>>和<HisDigit_Key_TS,<Digit_Key11,Digit_Value11_TS>,<…>,<Digit_Key1Y,Digit_Value1Y_TS>>，其中TS为本周期时间戳，Analog_ValueXX_TS和Analog_ValueXX_TS为当前时间戳下量测值)，并按时间序列、信号量数据集的流式写入方式导入磁盘历史数据库完成实时数据持久化。
本申请中将信号量标识Key与具体现场网络/总线上传的量测数据帧ID解耦合，实时数据库实例中具体“Analog_Key”与“Digit_Key”(统称为RTDB_Key)与现场量测数据帧ID无硬关联，本方法中通过维护Hash表映射维护逻辑映射关系，以确保现场网络/总线与实时数据网络对接的业务软件层数据解耦合，实现信号量标识变更以及信号量增减的灵活性。此外，不论现场量测数据集中的数字量帧或模拟量帧解析出来的具体布尔量，还是整型、浮点等数值，甚至表示声音、图像等非结构化数据值，在实时数据键值对中值(Value)均按统一格式(例如字符串)进行处理，从而保障了对非关系型实时数据处理时效性。
如图3所示，在全系统分布式实时数据管理中，各分系统实时数据管理按照上述方法并行执行，在承载的业务层面(如图3中I类、II类、III类不同时效性需求的业务)逻辑上整合实时数据管理，而在全系统历史数据生成中逻辑和物理存储上均进行了整合。从而，在综合电力系统实时数据规模不断增长时，上述分布式实时数据管理架构能够有效维持横向可扩展性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于包括以下步骤：
a，综合电力系统物理域的各分系统数据采集装置及系统获取现场周期性量测值作为信息域能量管理分系统原始数据来源；
b，综合电力系统物理域的各分系统包含的各型设备控制器通过传感器装置对各设备原始数据进行周期性采集，设备原始数据通过分系统区域现场数据网络/总线集中传输至分系统区域控制器；
c，分系统区域控制器周期性触发现场原始数据接收模块，对本区域内设备现场原始数据进行解析处理，并按键值数据模型保存到下位机内存键值实时数据库中；
d，各分系统根据本区域数据管理需求，周期性读取本区域的下位机内存键值实时数据库，并按键值数据模型生成分系统历史数据，在磁盘存储系统中进行长期保存。
2.根据权利要求1所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于还包括步骤e:全系统通过分布式实时数据管理方法，区域控制器和集中显控台各自运行内存键值数据库实例；其中集中显控台作为能量管理上位机，各区域控制器作为各节点的能量管理下位机。
3.根据权利要求1所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于步骤c包括以下步骤：
(1)现场数据解析：区域控制器周期性调用现场网络/总线设备驱动中读数据API，获取本区域原始数据，按照键值数据模型，具体以Hash表格式将每帧原始数据的解析结果在内存空间中按字符串Key-Value键值对进行缓存，并对每个Key-Value键值对添加时间戳。其中，字符串Key标识全系统内唯一的量测信号量名或时间戳等中间结果名。
(2)解析数据缓存：对本区域原始数据解析出来的每个Key-Value键值对，分别按照预定的数字量和模拟量类别缓存到预先分配的数字量和模拟量内存空间，并按字典进行排序得到本区域全部数字量和模拟量Key-Value键值对组成的两个数据集合。
(3)实时数据存储：各分系统区域控制器生成上述键值数据模型解析结果后，在本数据解析周期内调用实时数据库数据集合写API，将本周期内数字量和模拟量数据集合导入至基于键值数据模型的实时数据库中。数字量和模拟量数据集合中每个Key-Value键值对均可以通过全系统唯一Key在键值实时数据库中访问到最新数据周期的量测值Value或其他需要的生成值。
4.根据权利要求1所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于步骤b中数据采集频率可视上层业务需求在可定制范围内调整。
5.根据权利要求1所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于区域控制器实例中按照本区域设备信号量Key涵盖范围进行实时数据管理，而集中显控台实例可关联到对应区域控制器实例，且集控显控台实例只完成实时数据读负载响应，可以作为区域控制器实例主从备份机制中从节点，完成实时数据写更新的区域控制器实例作为实时数据管理系统主节点。
6.根据权利要求3所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于通过一致性哈希对全系统Key空间进行切分，各分系统Key子空间直接本地化响应上层业务对实时数据的访问请求，上层业务可以部署在区域控制器或集中显控台节点完成实时数据访问；在全系统历史数据集生成中，可以周期性访问集中显控台实时数据管理系统实例完成各分系统历史数据采集，进行整合、压缩并存储。
7.根据权利要求3所述的基于内存键值数据库的综合电力系统实时数据管理方法，其特征在于实时数据库采用内存数据库技术来保障数据处理时效性，并通过主从备份热备机制保障数据存储的可靠性，硬件设备允许配置为双下位机热备，即主实例与从实例分别部署在两台物理机上；可视下位机内存容量进一步基于键值数据模型实现内存历史数据管理，用于实时分析本区域设备短期内运行状态；实时数据到上位机的传输通过内存键值数据库自身主从热备功能实现，通过给主实例配置从实例，集中显控台监测业务需要的实时数据从从实例中读取；同时，实时数据持久化生成磁盘历史数据也部署在上位机中完成，通过周期性读取上位机实时数据库从实例数据源按历史数据格式写入历史数据库。
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