基于SQL Server油田监控系统数据库的设计

刘 洋, 任工昌, 王聪颖

(陕西科技大学机电工程学院, 陕西 西安 710021)

0 前 言

在当前，数据库技术已广泛应用于现代科学研究领域，与传统的文件式存储方式相比，数据库存储更能使数据的存储结构化，不仅增加了存储的效率，还使数据查询更加高效.SQL Server是微软公司推出的大型数据库管理系统，它建立在成熟而强大的关系模型基础之上，可以很好的支持客户机/服务器模式，能够满足各种类型的企事业单位的需求[1].在基于GPRS的分布式油田远程监控系统的设计过程中使用SQL Server 2005建立数据库并对各类数据进行存储，可达到操作简单、功能强大、安全性高和性能稳定的效果.

1 系统的总体结构

整个系统由现场终端设备、数据采集模块、数据传输部分和监控中心组成.现场终端包括超声波液位传感器、报警传感器、接近开关和红外对射探测器，主要是对油田现场的防盗信号与计量数据进行实时采集.数据采集模块主要包括数据采集板和键盘，它的主要任务是处理和存储数据，对数据进行打包发送等等.

图1 系统总体方案

数据传输包括两部分GPRS无线网络和Internet网络，其中主要是对GPRS模块的选型，本系统选用工业级GPRS通信模块BENQ M23，它主要是完成连接Internet网络和GPRS的数据发送接收等工作.监控中心则主要包括监测管理软件和监控系统数据库，其中数据库设计占有相当重要的地位，它设计的合理与否直接影响到整个系统开发的成败以及系统可维护性的高低.系统总体方案如图1所示.

系统的工作过程是现场终端设备获得油井的各种数据，并将其传给自行研制的数据采集器，采集器通过RS-485总线传输给GPRS通信模块，GPRS无线网络传递给Internet，数据包通过IP寻址和端口监听的方式找到监控中心服务器，从而将下位机采集到的数据进行分类存放和处理，实现数据远程的通讯.

2 系统数据库的设计

2.1 数据库选择

数据库是有组织的、在一定结构内储存的相关数据的集合，是现代化管理和自动化生产的基础，也是实现信息集成、交换和共享的必要条件[2].现在比较流行的、常用的大型数据库管理系统主要有Microsoft SQL Server、Oracle、Sybase、Informix和DB2.

Microsoft SQL Server是功能强大的数据库管理系统，它不仅拥有关系型数据库应有的所有对象，如表、视图、存储过程、触发器、函数、默认值、规则及限制等，同时还支持数据分发、复制、数据挖掘、联机分析处理(OLAP)、索引视图等多种特性功能，主要有如下优点[3-6]：(1)具有可伸缩的商业解决方案，允许在多版本系统上运行，适合开发测试和不同客户的选择.(2)支持分布式处理结构.(3)提供方便灵活的数据转换工具，可以将数据导出为多种格式.(4)SQL Server的SQL语言是基于ANSI-SQL92标准实现的，称为Transact-SQL，它提供了许多ANSI规范中没有提供的命令和函数.(5)支持可扩展标记语言MxL，为应用程序、服务器及企业间数据交换提供灵活机制.(6)具有视图索引功能，可以建立具体化视图和分区视图，大大提高查询速度.(7)强大的数据仓库功能Analysis Serviee.(8)支持Web分析，不需要自己的数据存储需求.(9)支持多个数据库版本，迁移简单.(10)拥有直观且易于使用的数据库管理界面，使数据库维护变得更加简单.(11)总体费用低.

与SQL Server相比，其它大型关系型数据库在开放性/可移植性、处理性能、并行能力、软件质量与可靠性、数据完整与可管理性、异构平台支持、扩展性能和成本方面都存在一定不足之处，因此我们选择Microsoft SQL Server作为数据库管理系统.

2.2 数据库设计方法

目前比较流行的数据库设计方法是运用软件工程的思想，提出各种设计准则和规程的规范设计方法.在这些规范设计法中比较著名的有新奥尔良方法[7]，它将数据库设计分为需求分析、概念设计、逻辑结构设计和物理结构设计4个阶段.其中在数据库设计的不同阶段支持实现的具体技术和方法主要有基于E-R(Entity-Relationship)模型的数据库设计方法、基于范式理论的设计方法和基于抽象语义的设计方法等等.我们采用新奥尔良方法，按照过程迭代和逐步求精的思想对油田监控系统数据库进行设计.

2.3 数据库需求分析

在进行数据库设计之前，我们首先必须对油田监控部门的需求进行分析.数据库需求分析是数据库设计的第一个阶段，也是非常重要的一个阶段.需求分析的重点是使用多种方法进行数据的收集，并对需要存储的数据进行分析整理，组织建立完整的数据集，主要包括以下3方面：

(1)数据项.包括名称、含义、类型、取值范围、长度以及其它数据项之间的逻辑关系.

(2)数据结构.它是若干个数据项的有意义的集合，包括名称、含义以及组成数据结构的数据项.

(3)数据流.指数据库中数据的处理过程，包括输入、处理和输出.

对油田监控系统数据库需求分析后，得到主要数据项和数据结构如下：

(1)油寨信息表.包括油寨标识、油寨位置、井场标识、原储油量、现储油量、含水率、投产时间、生产层次、大队、泵径、泵深和冲程.

(2)日报表信息表.包括开始查询时间、结束查询时间、油寨标识、油寨位置、储油量、含水率、报表标题、打印时间、打印人员和备注.

(3)红外对射探测仪信息表.包括型号、感应速度、警戒距离、消耗电流、光速数、探测方式、电源电压、环境温度、光源、报警输出和接点电容.

(4)液位传感器信息表.包括电源电压、电流、测量范围、量程、盲区、波束角、极性保护、工作温度、短路保护、动作指示和防护等级.

(5)接近开关信息表.包括电源电压、输出电流、输出电压降、反应频率、漏电流、波束角、尺寸、工作温度和连接方式.

(6)GPRS模块信息表.包括GPRS标识、连接状态、安装位置、产品型号、产品名称、输入电压、输出功率、SIM卡号、传输速率、出厂日期、出厂编号等.

2.4 数据库概念设计

E-R[8]方法是一种用来在数据库概念设计过程中表示数据库系统结构的方法，它的主导思想是使用实体(Entity)、实体的属性(Attribution)和实体之间的关系(Relationship) 来表示数据库系统的结构.在E-R模型图中，用方框表示实体，用菱形表示联系，用椭圆表示属性.

在上面需求分析的基础上，我们绘制出油田监控系统数据库的E-R图，用E-R模型表示数据及其相互间的联系，并准确地描述应用领域的信息，支持各种应用.系统数据库的具体E-R图如图2所示.

图2 E-R图

2.5 数据库逻辑结构设计

图3 E-R图转化后的逻辑模式

数据库逻辑设计的任务是把数据库概念设计阶段产生的数据库概念模式(E-R图)转化为数据库逻辑模式.进行数据库逻辑设计，首先要将概念设计中所得到的E-R图转化为等价的关系模式，然后再进行逻辑模式的性能优化和规范化，使形成的数据库系统数据表满足用户的完整性和安全性要求.

2.5.1 E-R图到关系模式的转化

在完成了E-R模型图以后，就可以将模型图转换成真正的数据表结构了.在E-R模型图向数据表转换的过程中，首先需要将实体转换为一个独立的数据表，然后将实体的属性转换为数据表中的字段，最后根据实体之间的关系建立数据表之间的关联.以油田日报表信息为例，其E-R图转化得到的数据表如图3所示.

2.5.2 逻辑模式的性能优化和规范化

由E-R图得到的数据库逻辑模型还只是逻辑模式的雏形，要成为逻辑模式，还需要对数据库性能、存储空间的优化，主要包括：提高数据库的性能，减少连接运算和减少关系的大小和数据量等；节省存储空间，减少每个属性所占的空间，采用假属性来减少重复数据所占的存储空间.

数据库逻辑模型需要根据五大范式理论来进行规范化.数据库范式理论是数据库设计的一种理论指南和基础，是数据库设计过程中要依据的准则[9].在GPRS油田远程监控系统数据库设计过程中，对所得到的逻辑模式进行性能优化和规范化处理，最终得到的数据库逻辑模式如图4所示(图中后面带钥匙形状的字段代表该字段是数据表中的主键).

图4 规范化后的数据库逻辑模式

3.4 数据库物理结构设计

数据库物理设计的任务是在数据库逻辑设计的基础上，为每个关系模式选择合适的存储结构和存储路径.

(1)选择存储结构.设计存储结构的目的是确定如何在磁盘上存储关系、索引等数据库文件，使空间利用率最大而数据库操作的开销最小.

(2)选择存储方法.选择存取方法的目的是使事务能快速存取数据库中的数据.任何数据库管理系统都提供多种存取方法，其中最常用的是索引方法.根据索引设计原则和GPRS油田远程监控系统数据库的功能，在下面表结构中标有边框的字段上建立索引.

4 结束语

本文针对GPRS油田远程监控系统的特点，依循数据库建立的原则，分析研究了主键、索引的建立原则和数据的管理方法，建立了一整套的数据库系统.目前，该系统已经在成功的应用中，可以方便、及时、准确地对数据库输入、存储、分析和管理，能够对油田的计量和防盗进行实时动态管理.大大提高了油田管理自动化的水平，产生了可观的经济和社会效益.

参考文献

[1] 程有娥，钱冬云.SQL Sever 2000数据库管理系统[M].上海：华东师范大学出版社，2007.

[2] 王 瑞，于 速，张 雨.Visual C++数据库系统开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3] 刘福利.基于SQL Server数据库的批发管理系统[M].青岛：中国海洋大学，2006.

[4] 闪四清.SQL Server 实用简明教程(第二版)[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5] 高 超，基于SQL Server数据库安全性的研究[J].长沙医学院学报，2009,3(15)：53-55.

[6] 张予民，万洪彬.浅谈SQL Server数据库应用技巧[J].科技广场，2009,(5)：64-66.

[7] 刘越表，刘 拓，赵治国.数据库建设与创新研究[J].包钢科技，2008，34(4) ：96-98.

[8] 李晓吏，张 巍.数据库应用系统开发与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[9] 黄开枝，康会光，于永军，等.SQL Sever 2005中文版基础教程[M].北京：清华大学出版社，2007.