OPCUA 的历史数据库/聚合服务器的实现细节

进入了AI 大数据时代，无论是工业自动化系统，还是物联网系统，对大数据的采集，存储和分析都十分重要。大数据被称为工业的石油，未来制造业的持续改善离不开大数据。

传统的应用中，历史数据的存储是特定的数据结构来存储历史数据的，不同厂商，不同应用的数据存储格式都各不相同。在工业控制和物联网应用项目中，数据库的工作量占据了很大一部分设计工作

开放自动化的观点下，倾向系统的数据采纳开放的，标准化的数据模型。例如OPCUA 信息模型。基于标准化的数据模型，实现不同厂商的设备和软件实现互操作。

在开放性系统中，构建一个通用的，基于模型的历史数据库显得十分重要。本博文探讨OPCUA 历史数据库的相关话题。

在前面的博文中，我曾经介绍过聚合服务器和历史数据服务器，可以阅读：

OPCUA 聚合服务器和历史数据服务器

本文我们进一步探讨实现历史数据库具体的细节。

OPCUA 历史数据的访问的内容

在OPCUA 规范的多个部分提及历史数据访问。

OPC 10000-5: UA Part 5: Information Model 5.3 Variables
OPC 10000-11: UA Part 11: Historical Access
OPC 10000-4: UA Part 4: Services

Historizing 属性

在 UA Part5 5.3 变量规范中指出信息模型中每一个变量可以有一个Historizing 属性当该属性为true 表示该变量具有历史数据。

这里表明该属性的值是与服务器相关的，不知道什么意思。在Open62541 中是这样设置historizing 属性的。

UA_VariableAttributes attr = UA_VariableAttributes_default;
    UA_UInt32 myUint32 = 0;
    UA_Variant_setScalar(&attr.value, &myUint32, &UA_TYPES[UA_TYPES_UINT32]);
    attr.description = UA_LOCALIZEDTEXT("en-US","myUIntValue");
    attr.displayName = UA_LOCALIZEDTEXT("en-US","myUIntValue");
    attr.dataType = UA_TYPES[UA_TYPES_UINT32].typeId;
    /* We set the access level to also support history read
     * This is what will be reported to clients */
    attr.accessLevel = UA_ACCESSLEVELMASK_READ | UA_ACCESSLEVELMASK_WRITE | UA_ACCESSLEVELMASK_HISTORYREAD;
    /* We also set this node to historizing, so the server internals also know from it. */
    attr.historizing = true;

历史数据的读写

OPC 10000-4: UA Part 4: Services 中规范了HistoryRead和HistoryUpdate

5.10.3 HistoryRead

允许client 端读取节点的值和事件。

5.10.5 HistoryUpdate

允许Server 更新历史数据和事件。

在OPC 10000-11: UA Part 11: Historical Access中·规定了参数的细节。

maxAge

timesStampsTo Return 返回时间标签格式。

在Open62641 中是使用UA_Client_HistoryRead_raw 调用

UA_StatusCode
UA_Client_HistoryRead_raw(UA_Client *client, const UA_NodeId *nodeId,
                             const UA_HistoricalIteratorCallback callback,
                             UA_DateTime startTime, UA_DateTime endTime,
                             UA_String indexRange, UA_Boolean returnBounds, UA_UInt32 numValuesPerNode,
                             UA_TimestampsToReturn timestampsToReturn, void *callbackContext)

OPCUA Server与历史数据库的融合

历史数据存储在哪里？采取什么样的数据格式存储在数据库中呢？这并不是OPCUA 规范的内容，与系统架构和产品有关。它们大致分为两种：

历史数据库嵌入现场设备中

许多工业控制器和仪表中嵌入的历史数据存储功能，例如，在智能电表中，会存储几百个波形数据值，上层软件能够分析波形数据，分析恶意负载等现象。工业控制器一般使用小型SD 卡存储现场数据，容量比较小，存储的时间短，通常不采用数据库，而是一种特殊格式的文件系统实现数据存储。这种嵌入式历史数据存储的优点是存储数据非常块。缺点是上层软件通过读取历史数据的比较慢。而且读取大量历史数据会打扰实时控制的正常操作。特别是需要同时读取多个设备的历史数据时，占用的网络带宽更是无法容忍的。

此外，并不是所有的现场设备都支持嵌入式存储。

云端或边缘设备中构建历史数据存储

另一种方式是在云端或者现场设置一个独立的数据库设备中。例如独立的计算机安装influxDB，MySQL ，mongoDB 等数据库。所有现场设备将更新数据发送到历史数据库中。应用软件可以直接访问历史数据库。

这种架构类似与著名的OSISoft（现在是施耐德AVEVA的一部分）的PI 服务器。OSISoft 的PI 服务器已经具有30多年的历史，OSIsoft 的业务主要面向石油和天然气、公用事业、生命科学和生物制药、金属和采矿、纸浆和造纸、水务六个核心市场。

PI 服务器基于所谓的资产架构（AF）服务器和PI 数据库两大部分。所谓的AF 是一个模型库，通过·访问·AF服务器可以找到对于的数据指针，读取PI中的历史数据。

但是可惜的是PI 系统的AF 模型并非OPCUA 模型。如果设计一个类似PI System，同时支持OPCUA 的历史数据服务器，可以使用OPCUA 信息模型替代AF 资产架构。这样我们就可以构建一个开放性历史数据库系统。

实现的系统架构如下所示：

注意： Historian 服务器和Database 可以部署在同一的计算机上，或者云端。这台计算机提供了三个接口：

OPC UA Client

通过了现场OPC UA Server 的数据读取

OPCUA Server

应用软件能够访问工业现场的实时数据，也可以访问历史数据。

数据库访问接口

为了使历史数据的访问更加高效，可以直接数据库的接口访问数据。同时能够避免访问历史数据库影响现场网络的实时性。

聚合服务器

历史数据库往往会与聚合服务器结合在一起。我在博文谈谈OPCUA 聚合服务器中介绍了背景知识。聚合服务器+历史服务器形成了一个工业现场的完整的大模型。是控制现场的一个全景快照。它们是TI应用程序能够访问控制现场的全部数据。

从OPCUA 聚合服务器的规范中看，实现服务器的聚合貌似很复杂。基本的模型如下：

在聚合服务器中包含了多个Aggregated Server 。有些应用建立了Servers 文件夹，将所有的源服务器放在内部，它们包含了ServerUrl，EndPoint 等参数。在每个Server 中，包含了需要聚合的对象。这些对象的名称的名称应该和源服务器中对应的对象是相同的。当需要读取这些对象的值时，通过OPCUA Client 到源服务器中读取。

下图中左边是聚合服务器，右边是源服务器