企业自动化与信息化的实时软件平台的核心技术是实时数据库。实时数据库与一般数据库应用有显著不同的特征。在实时系统中，旧的数据不断被新的数据取代，而当前的控制、决策或调度完全依赖于这些即时数据。所以，它既需要数据库来支持大量数据的共享，维护其数据的一致性，又需要实时处理来支持其事务与数据的定时限制。

    传统的应用于流程工业的控制系统只是孤立地针对自身的实时性要求，没有从数据库的角度进行设计，虽然支持任务的定时限制，但它针对的是结构与关系很简单的、稳定不变和孤立的实时数据环境，不涉及维护大量共享数据及它们的完整性和一致性，尤其是时间一致性。其自身只是一个信息“孤岛”，无法在网络环境下协同工作。

    实时数据库没有严格的定义。一般认为，实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，系统的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间。

    以关系模型为代表的商业数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整性、一致性。其性能目标是高的系统吞吐量和低的代价，而很少考虑有关数据及其处理的定时限制，所以，这种数据库管理系统不能满足网络环境下的实时应用的需要。因此，只有深入研究网络环境下的实时数据库理论和技术，才能在支持时间关键性应用和保证数据一致性、完整性等关键问题上取得突破。基于这个原因，实时数据库被认为是企业自动化与信息化实时软件平台的基础。只有把各个独立的实时应用集成到一个统一的、以数据库为基础的体系化环境中，才可能真正从网络的角度思考整个系统的体系结构。

    研究流程工业环境下的实时数据库需要解决几个根本性的问题：

    ①  网络环境下实时数据库的设计目标；

    ②  网络环境下实时数据库的设计方法；

    ③  在设计时沿用什么样的原则。

3.1  网络环境下实时数据库的设计目标

    确定实时数据库的设计目标是一个根本性的问题，是决定其他问题的哲学前提。

    (1)  高可靠性是网络环境下实时数据库的首要设计目标这是因为这类数据库工作在生产第一线，是过程控制的关键数据平台，一旦发生故障，直接影响到安全生产，所以无论何时可靠性都是第一位的。可靠性表现在它的软件、硬件故障率低，发生故障可以快速恢复到可用状态。并且系统有一定的安全性保证，防止数据遭到破坏。这里讨论的实现高可靠性目标是通过设计坚固的数据库模型和合理的、完备的体系结构得到保证的，并不涉及具体的技术和工程方法。

    (2)  实时性是网络环境下实时数据库最重要的性能指标在网络环境下的底层，系统与各种测量、控制设备直接进行数据交互，这些数据设备的带宽和生产过程的I/O速度要求直接决定了数据库系统的响应速度，只有满足了这种需求，该数据库系统才可能应用于该类生产过程。事实上，实时、高速、较为确定的响应时间也是整个系统性能的关键指标。

    (3)  完备的、简单的功能接口和人机交互接口系统应该具有很强的数据管理和表达能力。实际上这也是数据库实时性能的一部分。因为，如果一个RTDB系统虽然在其内部的实时性很好，但是，其复杂的用户接口难以满足快速响应环境下的人机对话要求，或者用户接口过于薄弱，用户无法快速有效的得到所需的信息。这些实际上都大大损害了整个系统的实时性能。

    (4)  数据独立性保证数据独立性是数据库设计理论的基本课题，应该做到系统数据的存储结构和数据逻辑的变化，尽量不反映到用户模式上来。

    (5)  系统可伸缩性是系统实现过程中必不可少的条件可伸缩性同时也是整个CIPS的要求。整个系统在规模上应该是易于修改的，因为实时数据库不可能一次就完整地建立起来，而是在原有的基础上不断扩充从而完备起来的，此外，数据库的用户和应用情况也会不断发生变化。所以，在设计时应该充分考虑到未来应用接口问题。并且，在修改和扩充后，不应影响原有用户的使用方式，如不必修改和重写原有的应用程序。

3.2  网络环境下实时数据库的设计方法

    网络环境下实时数据库设计的困难包括以下两个方面：首先是实时数据库系统与传统的数据库系统有着根本性的不同，这其中有一系列的技术问题要解决。其次，网络环境下的实时数据库与其他环境下的实时数据库有显著的区别。这实际上意味着在体系结构和数据模型等重要方面，网络环境下的实时数据库必须重新设计。

    (1)  实时数据库结构模型目前，一些理论文献通常把实时数据库建立在关系模型上。但是在很多情况下，关系模型的性能却不能满足工业生产的实时性要求。因此，结合流程工业生产的特点，建立真正适合于网络环境下的实时数据库模型是一个重要的理论课题。我们提出一种建立在网状和层次模型上的结构模型，这个模型在我们自行开发的系统中已经实现，并且取得了很好的性能。

    (2)  实时数据模型及其语言事实上，到目前为止研究实时数据库的文献中专门讨论数据建模问题的较少。一般使用传统的数据模型。但是这个模型在网络环境下难以应用，也无法取得很好的效果。原因是在网络环境下，实时数据库中的数据有着鲜明的特点：

①  数据库中的数据往往对应着物理的测量、控制和监测设备，不只是实时性要求高。另一方面在数据组织上，数据与相关联的算法，即数据库事务通常紧密相关，表现出明显的对象特征。

②  设备数据通过复杂的组态关系建立错综复杂的参数连接网络，传统的组态数据库就是用于描述这种蛛网般的连接属性。但实时数据库要求从更广泛的角度看待这个问题。

    所以，研究出一种既有对象特征，又能高效描述组态联系的数据模型是非常重要的。

    (3)  实时事务的模型与特性实时数据库下的事务模型更加复杂，可能包含着事务嵌套等。因此，实时事务的结构复杂，事务之间有多种交互行动和同步，存在结构、数据、行为、时间上的相关性以及在执行方面的依赖性。

    实时数据库中的事务有多种定时限制，其中最典型的是事务截止期，系统必须能让截止期更早或更紧急的事务较早地执行，换言之，就是能控制事务的执行顺序。同时，又需要基于截止期和紧迫度来标明事务的优先级，然后按优先级进行事务调度。所以，需要开发新的并发控制标准和实现技术。

    (4)  数据存储与缓冲区管理尽管这是一个应用技术，但是在实际的实现过程中却是非常重要的，直接关系着实时系统的性能。传统的磁盘数据库的操作受I/O限制，其I/O的时间延迟及其不确定性对实时事务是难以接受的。因此，RTDB中数据存储的一个主要问题就是如何消除这种延迟及其不确定性，这需要底层的内存数据库支持，因而内存缓冲区的管理就显得更为重要。这里所说的内存缓冲区除内存数据库外，还包括事务的执行代码及其工作数据等所需的内存空间。此时的管理目标是高优先事务的执行不应因此而受阻，它要解决以下问题：

①  如何保证事务执行时，只存取内存数据库，即其所需数据均在内存（因而它本身没有I/O）。

②  如何给事务及时分配所需缓冲区。

③  必要时，如何让高优先级事务抢占低优先级事务的缓冲区。因此，传统的管理策略也不适用，必须开发新的基于优先级的算法。

    (5)  灾难恢复是提高系统可靠性的重要技术保证在实际生产过程中，灾难恢复的意义尤其重要，但是在CIPS环境下的实时数据库中灾难恢复显得异常复杂。这是因为：

①  大多数与外界设备通讯的实时事务是不可逆的，所以，传统的还原机制是无意义的，要求建立新的补偿、替代策略。

②  恢复过程影响处于活跃状态的事务，使有的事务超截止期，这对硬实时事务是不能接受的。

③  实时数据库中的数据不一定总是永久的，为了保证实时限制的满足，也不一定是一致和绝对正确的，而有的是短暂的，有的是暂时不一致或非绝对准确的。

    因此，必须开发新的恢复技术与机制，应考虑到时间与资源两者的可用性，以确定最佳恢复时机与策略，而不致太损害事务实时性的满足。