核電站DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)壓縮算法的研究

龍海軍 姚光霖

摘 要：本文通過對有損壓縮和無損壓縮的分析，給出一種二次數(shù)據(jù)壓縮方法，統(tǒng)一有損壓縮和無損壓縮的應(yīng)用，對歷史庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。試驗表明，此方法到達(dá)了數(shù)據(jù)壓縮的目的，又完整地保留了邏輯壓縮后的數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：核電站DCS Historian數(shù)據(jù)壓縮 模擬量數(shù)據(jù)壓縮 改進(jìn)旋轉(zhuǎn)門數(shù)據(jù)壓縮

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0029-02

1 研究背景

核電DCS控制系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)庫需要具備較高實時性、海量數(shù)據(jù)吞吐量的特點，因此在長時間系統(tǒng)運(yùn)行的前提下，會產(chǎn)生巨大的歷史數(shù)據(jù)量，如果將這些數(shù)據(jù)直接存儲，不僅會浪費很多的存儲空間，而且還會使得數(shù)據(jù)查詢、傳輸變得復(fù)雜而困難。因此，將數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)引入到DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)處理中，可以達(dá)到節(jié)省存儲空間、增加庫容量和提升系統(tǒng)運(yùn)行效率等優(yōu)勢。

2 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)簡介

歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)壓縮是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在DCS工控領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，一般數(shù)據(jù)壓縮算法可以分為無損壓縮和有損壓縮兩種技術(shù)。

有損壓縮技術(shù)是根據(jù)特定的應(yīng)用領(lǐng)域而發(fā)展起來的，它的基本原理是在數(shù)據(jù)壓縮過程中損失一定的信息以獲得較高的壓縮比，并且壓縮過程不可逆，壓縮后的數(shù)據(jù)不能完全地恢復(fù)到原始狀態(tài)，因此需要保證損失的數(shù)據(jù)對于理解原始數(shù)據(jù)信息特點的影響不大。具體到工控行業(yè)使用較多的壓縮算法包括：Hale和Sellars共同提出的矩形波串法（Box Car）和后向斜率發(fā)（Back ward Slope），以及在工控領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的OSIsoft公司提出的“旋轉(zhuǎn)門數(shù)據(jù)壓縮算法（Swing Door）”[1，2]。

無損壓縮技術(shù)是利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余進(jìn)行壓縮，可完全回復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引起任何失真，但壓縮率是受到數(shù)據(jù)統(tǒng)計冗余度的理論限制，一般為2∶1～5∶1。這類方法廣泛用于文本數(shù)據(jù)，程序和特殊應(yīng)用場合的圖像數(shù)據(jù)（如指紋圖像，醫(yī)學(xué)圖像等）的壓縮。無論是無損壓縮還是有損壓縮，都在工控領(lǐng)域的歷史數(shù)據(jù)處理中得到了應(yīng)用，例如美國的Instep公司開發(fā)的實時歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)eDNA就實現(xiàn)了以Huffman為基本的無損數(shù)據(jù)壓縮程序，它首先對數(shù)據(jù)集合進(jìn)行統(tǒng)計分析，將數(shù)據(jù)添加到Huffman樹中進(jìn)行編碼，最后保存生成編碼，完成對數(shù)據(jù)群的壓縮；而OSIsoft公司的PI實時歷史數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品采用了“旋轉(zhuǎn)門數(shù)據(jù)壓縮算法”以及獨到的二次過濾技術(shù)。

本論文所闡述的歷史數(shù)據(jù)（Historian）壓縮模塊，我們綜合了兩種壓縮算法的優(yōu)劣，設(shè)計了一套“二次數(shù)據(jù)壓縮”機(jī)制，統(tǒng)一無損壓縮和有損壓縮算法應(yīng)用，對歷史庫模擬量數(shù)據(jù)的壓縮。下面我們就具體來看些歷史數(shù)據(jù)（Historian）壓縮算法的設(shè)計。

3 歷史數(shù)據(jù)（Historian）壓縮模塊的設(shè)計

歷史數(shù)據(jù)（Historian）支持的數(shù)據(jù)類型包括開關(guān)量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)。由于不同的數(shù)據(jù)類型所表現(xiàn)的數(shù)據(jù)特點的不同，需要設(shè)計針對性的壓縮策略來滿足各種數(shù)據(jù)的壓縮要求。

3.1 開關(guān)量數(shù)據(jù)壓縮

開關(guān)量數(shù)據(jù)采用“變化壓縮算法”，算法基本的設(shè)計思路是：當(dāng)測點的數(shù)值發(fā)生變化時才會保存，否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)。這是因為開關(guān)量測點的狀態(tài)一般由特定的0或1來表示，在DCS生產(chǎn)現(xiàn)場，有很多開關(guān)量測點的狀態(tài)在特定甚至是很長的時間內(nèi)是不會發(fā)生變化的，所以“變化壓縮算法”非常適合對歷史庫開關(guān)量數(shù)據(jù)的壓縮處理。

如圖1所示，設(shè)置某開關(guān)量測點每1秒進(jìn)行一個數(shù)據(jù)值采集，以時刻點t為基準(zhǔn)的后8s里，其測點值分別為0、0、0、1、1、0、0、1。根據(jù)“變化壓縮算法”的計算，剔除其在2 s、3 s、5 s和7 s的數(shù)據(jù)，只保存1 s、4 s、6 s和8 s的數(shù)據(jù)值。而當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)還原時，空缺時刻的數(shù)據(jù)值取前一保存時刻的數(shù)據(jù)，例如，2 s和3 s的數(shù)值均等于1 s數(shù)值0。這樣即完整的保存了測點在時間軸上的數(shù)據(jù)特征，又起到了節(jié)省存儲空間的目的。

3.2 模擬量數(shù)據(jù)壓縮

在DCS系統(tǒng)中的模擬量測點數(shù)據(jù)一般都會遵循一定的漸變規(guī)律，例如有的時間段會呈現(xiàn)較為一致的線性變化，有的時間段的數(shù)據(jù)特征為一條拋物線等。這些數(shù)據(jù)特征就給定了我們做歷史數(shù)據(jù)邏輯壓縮的前提。

在歷史數(shù)據(jù)（Historian）系統(tǒng)中，我們采用雙重的歷史數(shù)據(jù)壓縮機(jī)制，即“二次數(shù)據(jù)壓縮”，實現(xiàn)流行的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法為第一層邏輯壓縮，實現(xiàn)無損的Huffman壓縮算法為第二層物理壓縮。首先來討論下傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法的內(nèi)容。

3.2.1 傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法

如圖2所示，基本的“旋轉(zhuǎn)門壓縮算法”是這樣描述的：在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時，算法將新的實時數(shù)據(jù)點和前一個被保留的數(shù)據(jù)點之間做一個平行四邊形的偏移覆蓋區(qū)，如果這一平行四邊形可以覆蓋保留數(shù)據(jù)點之后出現(xiàn)的所有數(shù)據(jù)點時，那么將不會保存新的實時數(shù)據(jù)點。反之如果有任何一個數(shù)據(jù)點落在壓縮偏移覆蓋區(qū)外，則新數(shù)據(jù)點的前一個點將被保留，同時整個壓縮偏移覆蓋區(qū)將被重置，以新的被保留點作為新的起點，進(jìn)入下一輪的旋轉(zhuǎn)門判斷[3]。

傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法雖然可以較好的完成對實時歷史數(shù)據(jù)的壓縮，但是在算法的實現(xiàn)和執(zhí)行過程中會出現(xiàn)一些問題，主要體現(xiàn)在以下兩點。

（1）算法實現(xiàn)時需要一個臨時緩沖區(qū)來存儲待判定點集，但是在代碼實現(xiàn)時，這一緩沖區(qū)的大小缺失無法事先確定的。

（2）如果待判定點過多，緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)點數(shù)過大，那么在進(jìn)行覆蓋區(qū)判定時會耗去系統(tǒng)過多的業(yè)務(wù)執(zhí)行時間，造成系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸。

因此，在以上算法的基礎(chǔ)上，我們采用了改進(jìn)的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法，即“斜率比較旋轉(zhuǎn)門”算法[4，5]。

3.2.2 改進(jìn)的“斜率比較旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法

如圖3所示，當(dāng)新點a到來時，系統(tǒng)會比較a與原點o（即上已存儲的點）的時間差t_time，如果t_time不小于壓縮間隔上限nic_compinterval或者a點質(zhì)量戳與o點不同，則直接保存lastpoint點，進(jìn)入下一輪旋轉(zhuǎn)門算法運(yùn)算；否則以點a和o以及設(shè)定好的nic_comprate構(gòu)建平行四邊形Ω，計算最大斜率點maxkpoint和最小斜率點minkpoint是否均在Ω內(nèi)，計算結(jié)果有兩種。

（1）都落在了Ω內(nèi)部，則說明a點通過了旋轉(zhuǎn)門，成為最新的lastpoint，最后再分別比較a點斜率與最大、最小斜率的關(guān)系，大于最大斜率值或者小于最小斜率值則替換掉相應(yīng)的斜率點和斜率值，進(jìn)入下一輪旋轉(zhuǎn)門算法運(yùn)算。

（2）如果有一個斜率點落在了Ω外部，則說明a點沒有通過旋轉(zhuǎn)門，那么就保存此時的lastpoint，并將lastpoint點設(shè)定為下一輪旋轉(zhuǎn)門算法的o點，a點設(shè)定為最大和最小斜率點，進(jìn)入下一輪旋轉(zhuǎn)門算法運(yùn)算。

改進(jìn)的“旋轉(zhuǎn)門”算法的具體流程圖如圖4所示。

以上介紹的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮算法是系統(tǒng)第一次對歷史數(shù)據(jù)的邏輯壓縮，當(dāng)經(jīng)過邏輯壓縮后的保留數(shù)據(jù)積累到一定的數(shù)量時，例如1k，再對其進(jìn)行第二次的物理壓縮。物理壓縮采用的是Huffman無損壓縮算法，它的基本原理是，構(gòu)建一個用于字符編碼的Huffman二叉樹，根據(jù)待壓縮數(shù)據(jù)二進(jìn)制子串出現(xiàn)的頻率對其進(jìn)行排列，出現(xiàn)頻率大的串使用較少的位表示，較小的串使用較多的編碼來表示，這樣既到達(dá)了數(shù)據(jù)壓縮的目的，又完整地保留了邏輯壓縮后的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)語

通過對無損壓縮算法和有損壓縮算法的對比分析研究，我們充分利用了兩種算法的優(yōu)點，設(shè)計了“二層壓縮”算法，同時將“二次壓縮”算法應(yīng)用于歷史數(shù)據(jù)（Historian）壓縮模塊的設(shè)計和實現(xiàn)中，形成了一種較為先進(jìn)的技術(shù)實現(xiàn)手段，在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

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