呂慧慧，王春紅，李洛峰，劉正同，雷碧峰

（中國科學院 高能物理研究所，北京 100049）

一個大型加速器裝置需要成千上萬個設(shè)備協(xié)同工作。在加速器控制系統(tǒng)中，控制設(shè)備（如VME、PLC、嵌入式串口設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機等）種類各異，控制信號數(shù)目繁多，現(xiàn)場的線纜連接更是錯綜復雜，這給設(shè)備的安裝和維護帶來了很大困難。在國際加速器控制領(lǐng)域，雖然有關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型IRMIS（Integrated Relational Model of Installed Systems），但 功 能 并 不 完備，只有少數(shù)幾個圖形用戶界面，而且數(shù)據(jù)庫表的關(guān)系復雜，表的數(shù)據(jù)繁多，包含很多CSNS不需要的信息，因此不宜直接使用。本文借鑒IRMIS的數(shù)據(jù)庫設(shè)計思想，并結(jié)合CSNS的控制線纜信息需求，設(shè)計符合CSNS實際情況的線纜數(shù)據(jù)庫模型，在此基礎(chǔ)上建立CSNS控制線纜信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)控制信號和控制線纜的關(guān)聯(lián)查詢功能，以方便將來在線查找設(shè)備、定位線纜等管理和維護工作。

1 IRMIS介紹

IRMIS是由APS、SLAC 等多個加速器實驗室聯(lián)合開發(fā)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型以及相關(guān)的應用程序，用于管理基于EPICS控制系統(tǒng)的大型加速器裝置。在它的數(shù)據(jù)庫中，囊括了加速器所有的實時數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)硬件以及它們之間的關(guān)系信息。它不僅包含設(shè)備之間的物理關(guān)系、邏輯關(guān)系，而且包含實時數(shù)據(jù)（PV）與設(shè)備之間的映射關(guān)系。所以通過觀察異常的PV值，即可確定可能出現(xiàn)故障的設(shè)備。在實際應用中，用戶利用IRMIS系統(tǒng)開發(fā)自己的應用程序。為了方便用戶使用，IRMIS 系統(tǒng)提供了Service API來訪問數(shù)據(jù)庫。對于少數(shù)數(shù)據(jù)庫表，它提供了簡單的腳本和PHP 頁面與數(shù)據(jù)庫交互，簡化了操作，但并未開發(fā)面向全局數(shù)據(jù)庫的用戶交互頁面［1］。

2 控制線纜數(shù)據(jù)庫設(shè)計

MySQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫是快速、功能強大且價格低廉的應用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫。它是開放源代碼的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，性能高、可靠性好，且可跨平臺開發(fā)和運行，是當今最流行的開源數(shù)據(jù)庫。因此，本系統(tǒng)使用MySQL進行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。

2.1 設(shè)計步驟

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下4個階段：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理實現(xiàn)。

1）需求分析

需求分析是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的第一階段，也是非常重要的一個階段。經(jīng)過對控制線纜的調(diào)研以及與各系統(tǒng)工作人員的交流討論，了解用戶對系統(tǒng)的功能要求，將其合理化、系統(tǒng)化、規(guī)格化，并反映在實際的系統(tǒng)設(shè)計中。

2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是在需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計能滿足用戶需求的各種實體，以及反映它們之間的關(guān)系，為后續(xù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計打下基礎(chǔ)。一個良好的數(shù)據(jù)庫模型既能包含用戶所需的全部信息，又占用最少的空間。

根據(jù)需求分析，在CSNS的控制線纜數(shù)據(jù)庫中，有控制設(shè)備和被控設(shè)備、線纜、信號、系統(tǒng)等信息，且設(shè)備與線纜、信號與線纜有著多對一（一對多）或一對一的關(guān)系。在數(shù)據(jù)庫表中，要將這種關(guān)系明確地表示出來。在本系統(tǒng)中，將一些共有的信息（如線纜類型）提取出來形成單獨的數(shù)據(jù)庫表，減少了信息的冗余度，節(jié)省了存儲空間；通過設(shè)置外鍵，將設(shè)備與連接到設(shè)備上的線纜聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)關(guān)聯(lián)查詢。通過不斷地分離與整合，表與表之間相互關(guān)聯(lián)，最終形成一個關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)庫模型如圖1所示。

3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計與物理實現(xiàn)

在上述控制線纜數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型基礎(chǔ)上，使用ORM 框架——Hibernate，將上述關(guān)系模型映射到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

2.2 設(shè)計原則

1）表的規(guī)范化

在CSNS控制線纜數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中，規(guī)范化是一個很重要的設(shè)計原則。對于數(shù)據(jù)規(guī)模較小的數(shù)據(jù)庫，可輕松地處理表的結(jié)構(gòu)。然而，隨著項目規(guī)模的不斷增長，關(guān)系模型表結(jié)構(gòu)更為復雜。如果表結(jié)構(gòu)定義不合理，則會發(fā)生插入、刪除、更新操作異常，造成數(shù)據(jù)的不完整。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計所需滿足的規(guī)范就是范式（NF），滿足這些規(guī)范的數(shù)據(jù)庫是簡潔的、結(jié)構(gòu)明晰的，按從低到高有6 種不同級別的范式。第1范式（1NF）：數(shù)據(jù)庫表中的字段都是單一屬性的，不可再分。第2范式（2NF）：滿足1NF的所有要求，且數(shù)據(jù)庫表中不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(guān)鍵字段的部分函數(shù)依賴。第3范式（3NF）：滿足2NF 的所有要求，且數(shù)據(jù)庫表中不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴［2］。第4～6范式要求較為苛刻，在實際應用中較少見。CSNS控制線纜數(shù)據(jù)庫按3NF的標準進行設(shè)計。但根據(jù)工程的實際情況，為了效率的緣故，對某些表不進行規(guī)范化有時也是必要的。在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為了提高查詢速度，對頻繁查詢的表設(shè)計了冗余字段；對頻繁查詢的關(guān)聯(lián)表，通過設(shè)計冗余字段，將表與表之間一對多的關(guān)系改為一對一的關(guān)系。

圖1 控制線纜數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型Fig.1 Relation model of control cable database

2）鍵的設(shè)計

主鍵和外鍵用來將多個表組織成1個有效的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。鍵的設(shè)置對數(shù)據(jù)庫的性能有著決定性的影響，一般參考4個原則：（1）為關(guān)鍵字段創(chuàng)建外鍵；（2）所有的鍵都必須唯一；（3）避免使用復合鍵；（4）外鍵總是關(guān)聯(lián)唯一的鍵字段。

采用系統(tǒng)生成的鍵作為主鍵，從而保證了數(shù)據(jù)庫索引的完整性。這樣，數(shù)據(jù)庫和非人工機制就有效地控制了對存儲數(shù)據(jù)中每一行的訪問。在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中，采用自增方式產(chǎn)生主鍵，未使用復合鍵。

3）完整性設(shè)計

數(shù)據(jù)庫完整性是指數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性和相容性，數(shù)據(jù)庫完整性由各種完整性約束來保證，數(shù)據(jù)庫完整性約束可通過DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）或應用程序來實現(xiàn)。CSNS 控制線纜數(shù)據(jù)庫從以下幾方面進行數(shù)據(jù)庫完整性約束：（1）采用DBMS實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫完整性不但包括通過標準化實現(xiàn)的完整性，而且還包括數(shù)據(jù)的功能性。在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中，通過外鍵的級聯(lián)約束來實現(xiàn)。（2）在有害數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫之前將其剔除，激活數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的指示完整性特性。（3）使用查找控制數(shù)據(jù)完整性：限制用戶的選擇，只要有可能就提供給用戶一個清晰的價值列表供其選擇。這樣既可減少鍵入代碼的錯誤和誤解，同時提供數(shù)據(jù)的一致性。

為了同時兼顧數(shù)據(jù)庫的完整性和系統(tǒng)的性能，在批量導入數(shù)據(jù)時，臨時使數(shù)據(jù)庫完整性約束失效，此后再使其生效，既不影響數(shù)據(jù)裝載的效率又能保證數(shù)據(jù)庫的完整性。

3 基于Web的控制線纜信息管理系統(tǒng)設(shè)計

一個良好的信息管理系統(tǒng)的實現(xiàn)是體現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的價值所在。它是用戶和數(shù)據(jù)庫之間溝通的橋梁，一方面要將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)直觀、準確地呈現(xiàn)給用戶，另一方面將用戶輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫能接受的方式存入數(shù)據(jù)庫。

本系統(tǒng)采用B／S 模式進行開發(fā)。B／S 體系結(jié)構(gòu)具有成本低、跨平臺、易維護、開放性好等優(yōu)點。B／S 結(jié)構(gòu)由瀏覽器、Web 服務器、數(shù)據(jù)庫服務器3 個層次組成。在這種體系結(jié)構(gòu)下，客戶端使用一個通用的瀏覽器，代替各種應用軟件，用戶的操作均通過瀏覽器進行。結(jié)構(gòu)的核心部分是Web服務器，它負責接收遠程的HTTP請求，然后利用JDBC 連接到數(shù)據(jù)庫服務器，并將結(jié)果翻譯成HTML、JSON 等語言，傳送回瀏覽器［3］。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，其中包括服務器端設(shè)計和客戶端設(shè)計?？蛻舳酥饕荳eb頁面的設(shè)計，系統(tǒng)采用AJAX 技術(shù)，實現(xiàn)了網(wǎng)頁異步更新，從而獲得了更快捷的響應速度。服務器端處理業(yè)務邏輯，為前端頁面提供強大的邏輯支持，主要是Servlet的編寫，一個網(wǎng)頁可能需幾個甚至十幾個Servlet的支持。Web應用服務器使用免費開源的Tomcat，因為它運行時占用的系統(tǒng)資源小、擴展性好、支持負載平衡。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System structure

線纜信息通過Web 頁面?zhèn)鬟f到Servlet中，由Servlet進行處理，然后保存到已建立的MySQL 數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)頁設(shè)計綜合采用了HTML、CSS、JavaScript、ext等技術(shù)，力求呈現(xiàn)給用戶一個形象、直觀、豐富的界面；Servlet使用純Java編寫，從而使系統(tǒng)可跨平臺運行；數(shù)據(jù)庫操作使用Hibernate，使開發(fā)更加對象化。整個系統(tǒng)的開發(fā)在MyEclipse平臺下進行，包括Web頁面設(shè)計，Java程序、Servlet的編寫。

4 系統(tǒng)功能

4.1 權(quán)限控制

權(quán)限控制是保證數(shù)據(jù)一致性的重要手段。在本系統(tǒng)中，登陸時要進行身份驗證。管理員擁有所有權(quán)限，包括對數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查；普通用戶僅有查詢的功能。

4.2 錄入功能

系統(tǒng)同時提供批量保存和手動輸入功能。對于批量數(shù)據(jù)，只要上傳指定格式的Excel表格，即可將信息一次性錄入到數(shù)據(jù)庫中。在此，關(guān)鍵是對數(shù)據(jù)分類以及重復數(shù)據(jù)的處理，因為系統(tǒng)控制人員會將所有信息匯總到一個Excel文件中，此文件與數(shù)據(jù)庫表并不是一對一的關(guān)系。要將此表格中的數(shù)據(jù)映射到不同的數(shù)據(jù)庫表中，并且要在數(shù)據(jù)庫中反映它們之間的關(guān)系信息。對于其中的重復數(shù)據(jù)，程序要進行判斷，保證數(shù)據(jù)的一致性、唯一性。

4.3 查詢以及修改、刪除功能

針對不同系統(tǒng)工作人員的信息需求，對設(shè)備及線纜信息按系統(tǒng)進行分類，如圖3所示。對于每個系統(tǒng)，還可按設(shè)備在控制系統(tǒng)中的作用進一步分類。整體采用級聯(lián)顯示的功能，按控制設(shè)備（被控設(shè)備）-線纜-被控設(shè)備（控制設(shè)備）的順序依次呈現(xiàn)給用戶，其中設(shè)備信息可細化到設(shè)備上的模塊以及模塊上的端子排。因此，工作人員可查看連接到某個設(shè)備上的所有線纜以及這些線纜的具體連接端子位置。如果出現(xiàn)故障，可迅速定位錯誤根源，及時維修或更換設(shè)備。

圖3 線纜信息管理界面Fig.3 Interface of cable information management

在此頁面上，系統(tǒng)管理員可對已有的信息進行刪除、修改操作。刪除功能通過每個表格上方的delete按鈕實現(xiàn)；雙擊任意一行數(shù)據(jù)，可進行修改操作。

5 系統(tǒng)測試

5.1 測試條件

本測試在HP Z800 的工作站上進行，Win7 64 位操作系統(tǒng)，內(nèi)存12G，數(shù)據(jù)庫使用MySQL Server 5.1，數(shù)據(jù)庫和Web 服務部署在同一機器上。

5.2 測試結(jié)果

Web服務啟動時的資源占用情況示于圖4。從圖4 可看出，在CSNS 控制線纜信息管理系統(tǒng)啟動時，占用的系統(tǒng)資源會出現(xiàn)1個高峰，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，占用的資源穩(wěn)定在較低的水平。

圖4 Web服務啟動時的資源占用情況Fig.4 Resource occupation in start of service

使用Apache的壓測工具ab模擬1 000個用戶同時發(fā)送10個請求，得到的測試結(jié)果如下：每秒事物數(shù)，1 456.87；平均事物響應時間，521.875ms；平均每秒網(wǎng)絡(luò)上的流量，365.64bytes。

由此可看出，本系統(tǒng)響應迅速、占用的網(wǎng)絡(luò)流量低，這也是采用Ajax技術(shù)的優(yōu)勢所在。

6 結(jié)語

本文介紹了基于Web的CSNS控制線纜信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為控制設(shè)備維護人員提供了在線查詢控制設(shè)備及線纜信息的功能。該系統(tǒng)關(guān)鍵在于將設(shè)備之間的關(guān)系通過線纜聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)關(guān)聯(lián)查詢，為相關(guān)系統(tǒng)工作人員將來管理和維護CSNS的控制設(shè)備和線纜提供了極大的便利。

［1］ DOHAN D.Component／connection／signal modeling of accelerator systems［C］∥Proceedings of Particle Accelerator Conference.Knoxville，Tennessee：［s.n.］，2005：707-709.

［2］ 惠燕，潘煜，徐光輝.數(shù)據(jù)庫設(shè)計范式［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（24）：107-108.HUI Yan，PAN Yu，XU Guanghui.Design formula of data base［J］.Modern Electronics Technique，2003，26（24）：107-108（in Chinese）.

［3］ 郝玉龍，姜韋華.J2EE 編程技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2005：98-106.