基于移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮算法的選擇研究

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

PDM系統(tǒng)能夠快捷、高效、方便地管理與產(chǎn)品相關(guān)的信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)的流程管理[1]。智能手持設(shè)備端的PDM系統(tǒng)更是拓展了企業(yè)的移動(dòng)信息化，為企業(yè)的移動(dòng)辦公提供了可能。然而移動(dòng)終端的PDM系統(tǒng)（客戶端）在與企業(yè)的PDM系統(tǒng)（服務(wù)器端）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互過(guò)程中，尚存在多種問(wèn)題。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸速率問(wèn)題首當(dāng)其沖，主要是因?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)條件下的通信狀況沒(méi)有KT客戶端的通信狀況穩(wěn)定，速率無(wú)法保證。如果傳輸大量數(shù)據(jù)，則客戶端流量耗費(fèi)較大，制約了普通用戶使用系統(tǒng)的意愿[2]。為了解決此類問(wèn)題，比較直接有效的方法是通過(guò)壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮從而降低數(shù)據(jù)傳輸量。

在此，針對(duì)移動(dòng)PDM系統(tǒng)的應(yīng)用提出一套數(shù)據(jù)壓縮算法的評(píng)價(jià)體系，通過(guò)建立一種自動(dòng)化程度較高的客觀評(píng)價(jià)方法，以便對(duì)壓縮算法的算法優(yōu)化及應(yīng)用選擇提供參考[3]，并且基于此評(píng)價(jià)體系，對(duì)目前比較常用的幾種壓縮算法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，從中選擇一種更加適合移動(dòng)PDM系統(tǒng)的壓縮算法。

1 移動(dòng)PDM系統(tǒng)特點(diǎn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

1.1 移動(dòng)PDM系統(tǒng)特點(diǎn)

移動(dòng)PDM系統(tǒng)在繼承了傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)大部分優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又存在稍許不同。表1為移動(dòng)PDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)的比較分析。

表1 移動(dòng)PDM系統(tǒng)和傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)的比較Tab.1 Comparison of mobile PDM system and traditional PDM system

由表1可知，移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型多樣性不如傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)豐富，仍以文本、圖片、音視頻數(shù)據(jù)為主。由于在應(yīng)用環(huán)境上移動(dòng)PDM更加廣泛，更加隨時(shí)隨地，使得它對(duì)安全性的要求也更高。

通過(guò)傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)與移動(dòng)PDM系統(tǒng)的對(duì)比，后者具有以下典型特點(diǎn)：

（1）移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，占用空間多。由此表明移動(dòng)PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的必要性。

（2）移動(dòng)PDM系統(tǒng)的相對(duì)封閉性。說(shuō)明移動(dòng)PDM系統(tǒng)需要外部系統(tǒng)提供的兼容性支撐。

（3）移動(dòng)PDM系統(tǒng)的安全性要求高。表明系統(tǒng)對(duì)安全性的高要求。

按照壓縮前后信息熵值是否減少，可將PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮方法分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩類[4]?？紤]到移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)的真實(shí)性，在此采用無(wú)損壓縮算法進(jìn)行測(cè)試并從中選擇。

1.2 數(shù)據(jù)壓縮算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)移動(dòng)PDM系統(tǒng)的特點(diǎn)研究，采用了以下評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.1 壓縮比

壓縮比是指數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程中輸入數(shù)據(jù)量和輸出數(shù)據(jù)量之間的比值。本文的數(shù)據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)分別在多種數(shù)據(jù)類型下進(jìn)行，反映了在異構(gòu)數(shù)據(jù)條件下壓縮算法的壓縮性能[5]。壓縮比的計(jì)算式為

式中：S為壓縮比；S1為輸入文件的大小，即原始文件大?。籗2為輸出文件即壓縮后文件的大小。值得注意的是，這種度量方法必須指明輸入輸出的顯示形式，否則將是不可靠的[5]。

1.2.2 時(shí)間復(fù)雜度

時(shí)間復(fù)雜度定量地描述了算法實(shí)現(xiàn)所需的計(jì)算工作量而運(yùn)行的時(shí)間。在許多應(yīng)用中，編解碼將在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)和不同的系統(tǒng)中運(yùn)行[10]，因此編解碼時(shí)間對(duì)評(píng)價(jià)在異構(gòu)數(shù)據(jù)條件下壓縮算法的效率和通用性具有重要的意義[5]。移動(dòng)PDM系統(tǒng)中采用讀取計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備中的存儲(chǔ)器值的方法來(lái)計(jì)算解壓縮時(shí)間。算法的編解碼時(shí)間計(jì)算公式為

式中：T為算法的編解碼時(shí)間；T2為算法運(yùn)行結(jié)束時(shí)計(jì)算機(jī)及移動(dòng)設(shè)備內(nèi)計(jì)時(shí)器的值；T1為算法運(yùn)行前計(jì)算機(jī)及移動(dòng)設(shè)備內(nèi)計(jì)時(shí)器的值。

1.2.3 安全性

安全性作為移動(dòng)PDM系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，其通過(guò)壓縮算法分別與加密算法相結(jié)合，會(huì)對(duì)整個(gè)移動(dòng)PDM系統(tǒng)產(chǎn)生綜合影響。通過(guò)代碼的可讀性對(duì)綜合影響率進(jìn)行研究。

1.2.4 最大并發(fā)數(shù)

最大并發(fā)數(shù)是指同一時(shí)刻與服務(wù)器進(jìn)行了交互的最大鏈接數(shù)。這些鏈接最大特征是與服務(wù)器發(fā)生了交互，既可以是單向的傳送數(shù)據(jù)，也可以是雙向的傳輸數(shù)據(jù)。最大并發(fā)數(shù)能很好地衡量軟件對(duì)于同時(shí)與服務(wù)器進(jìn)行交互的用戶人數(shù)，并且影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對(duì)移動(dòng)PDM系統(tǒng)的優(yōu)劣性評(píng)價(jià)是一個(gè)顯著指標(biāo)。

1.2.5 兼容性

算法的兼容性指的是算法與各大系統(tǒng)的兼容程度。如今Android系統(tǒng)的各版本在市面上的使用情況也不盡相同。移動(dòng)PDM系統(tǒng)在各版本上的運(yùn)行保證需要算法與各系統(tǒng)有較好的兼容性。

對(duì)于無(wú)損壓縮而言，評(píng)價(jià)性能時(shí)還有一些壓縮性能指標(biāo)如空間復(fù)雜度、實(shí)現(xiàn)代價(jià)等，由于條件限制無(wú)法衡量，在此暫不討論[5]。

2 指標(biāo)評(píng)價(jià)模型

為了方便各指標(biāo)的歸一化處理，對(duì)可量化的指標(biāo)直接用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于定性指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)的情況可采用模糊評(píng)價(jià)法或式（5）進(jìn)行計(jì)算[6]：

當(dāng)指標(biāo)要求算法具有該特性時(shí)，B0=1，否則B0=0；當(dāng)算法性能較好時(shí)，B=0；當(dāng)算法性能一般時(shí)，B=0.5；當(dāng)算法性能不好時(shí)，B=1。最后再通過(guò)歸一化處理得到各指標(biāo)最后的值。

在獲取各指標(biāo)的量化值后，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)和從而得到各算法的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。算法評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 算法評(píng)價(jià)流程Fig.1 Algorithm evaluation process

各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)根據(jù)層次分析法（AHP）來(lái)確定。具體步驟為

步驟1分析系統(tǒng)中各項(xiàng)指標(biāo)間的關(guān)系，對(duì)每一層次的各要素相對(duì)于上一層次的各要素進(jìn)行兩兩比較判斷，構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣。各指標(biāo)用成對(duì)比較法與1～9比較尺度構(gòu)造的兩兩比較判斷矩陣如表2所示。

表2 指標(biāo)判斷矩陣Tab.2 Index judgment matrix

步驟2根據(jù)判斷矩陣計(jì)算被比較指標(biāo)對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

步驟3計(jì)算各個(gè)層次對(duì)于系統(tǒng)的總排序權(quán)重，并進(jìn)行最終排序。

具體計(jì)算及其說(shuō)明為

通過(guò)一致性比率公式判斷不一致性程度。一致性比率CR計(jì)算公式為

式中：RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查得RI=1.12；CI為一致性指標(biāo)，可通過(guò)式（7）計(jì)算得到，即

式中：λ為矩陣最大特征根；n為指標(biāo)數(shù)。

表2矩陣中λmax=5.01，對(duì)應(yīng)特征向量為［0.6442 0.6442 0.3424 0.2033 0.1074］，由式（6）得 CR=0.00223<0.1，即通過(guò)了不一致性檢驗(yàn)。因此在進(jìn)行歸一化后各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)依次為｛0.3318，0.3318，0.1764，0.1047，0.0553｝?？偡衷u(píng)價(jià)S計(jì)算公式為

式中：w1，w2，w3，w4，w5分別為壓縮比、 時(shí)間復(fù)雜度、安全性、最大并發(fā)數(shù)和兼容性的各自權(quán)重系數(shù)。最終的得分越高表示算法越適合移動(dòng)PDM系統(tǒng) （由于解壓縮時(shí)間是越短性能越好，因此時(shí)間復(fù)雜度前面的系數(shù)為負(fù)數(shù)）。

3 壓縮算法選擇分析

在實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中，主要使用的壓縮算法有ZLIB，GZIP，RAR等幾種?？紤]到智能移動(dòng)終端的接口限制以及軟件的跨平臺(tái)性和可移植性，最終選擇ZLIB，GZIP和LZW 3種壓縮算法參與移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮測(cè)試。表3為各壓縮算法的比較分析。

表3 壓縮算法比較分析Tab.3 Comparative analysis of compression algorithms

4 仿真測(cè)試與分析

仿真測(cè)試選取了具有代表性的PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)樣本。服務(wù)器配置為Core i3，2.53 GHz處理器和2 GB運(yùn)行內(nèi)存的普通計(jì)算機(jī)，使用Genymotion虛擬機(jī)來(lái)模擬移動(dòng)客戶端的運(yùn)行環(huán)境。

4.1 壓縮比與時(shí)間復(fù)雜度測(cè)試

移動(dòng)PDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)類型多，在此將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型分為三大類，分別是文本類型、圖片類型、音視頻類型。其中，音視頻類型文件傳輸屬于大文件傳輸，采用分片的方式進(jìn)行傳輸。通過(guò)測(cè)試這三種類型的數(shù)據(jù)樣本，并對(duì)壓縮前后數(shù)據(jù)量進(jìn)行對(duì)比。再經(jīng)式（3）處理，得到的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

4.2 算法安全性評(píng)分

算法的安全性評(píng)分是通過(guò)對(duì)代碼可讀性分析得出的結(jié)果。分別通過(guò)式（3）和式（5）的計(jì)算可以得到各算法的安全性計(jì)算結(jié)果，如表5所示。

4.3 最大并發(fā)數(shù)評(píng)分

最大并發(fā)數(shù)的測(cè)量可采用Apache自帶的ab軟件進(jìn)行HTTP并發(fā)性能測(cè)試。通過(guò)請(qǐng)求傳輸3種不同類型的數(shù)據(jù)樣本測(cè)得最大并發(fā)數(shù)，再經(jīng)式（3）處理，得到的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表4 3種類型數(shù)據(jù)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果Tab.4 Three types of data test and calculation results

表5 算法安全性計(jì)算結(jié)果Tab.5 Algorithm security calculation results

表6 最大并發(fā)數(shù)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果Tab.6 Maximum number of concurrent tests and calculation results

4.4 算法兼容性評(píng)分

算法的兼容性通過(guò)模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)分。各系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重以系統(tǒng)目前在市場(chǎng)上的占有率為權(quán)重系數(shù)。由于Froyo和Gingerbreaed系列的系統(tǒng)過(guò)于老舊且占有率低所以不考慮這2個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)谷歌公布的截至2015年9月Android系統(tǒng)占有率數(shù)據(jù)[8]，再進(jìn)行剔除整理，得到各系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率，如表7所示。

因此各系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為

建立模糊評(píng)判模型有以下步驟：

表7 Android各系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率Tab.7 Android each version usage rate

步驟1確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U。該系統(tǒng)中指標(biāo)集合為算法與各個(gè)版本系統(tǒng)的兼容性。

步驟2給出評(píng)價(jià)等級(jí)集合V。該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)等級(jí) V=｛很好，較好，一般，不好｝，對(duì)應(yīng)記為｛100，80，60，40｝。

步驟3單因素評(píng)價(jià)。通過(guò)專家調(diào)查法對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到各指標(biāo)的隸屬度。通過(guò)隸屬度得到的單因素模糊關(guān)系矩陣如表8所示。

步驟4綜合評(píng)判。根據(jù)單因素評(píng)價(jià)求評(píng)判結(jié)果B，它反映了評(píng)判事物與評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊關(guān)系，其模型為B=W×R。

表8 單因素模糊評(píng)判矩陣Tab.8 Single factor fuzzy evaluation matrix

由表8得ZLIB算法兼容性的模糊判讀矩陣為

根據(jù) BA=W×RA，經(jīng)過(guò)模糊變換可得到 BA=（0.076 0.612 0.310 0），再根據(jù)4個(gè)等級(jí)的得分相應(yīng)為｛100，80，60，40｝，得到關(guān)于 ZLIB 算法兼容性評(píng)價(jià)的得分值

同理可得出關(guān)于GZIP算法兼容性評(píng)價(jià)的得分值FB=77.96；關(guān)于LZW算法兼容性評(píng)價(jià)的得分值FC=69.98。

通過(guò)式（3）得到各算法的兼容性計(jì)算結(jié)果，如表9所示。

表9 算法的兼容性計(jì)算結(jié)果Tab.9 Calculation results of the compatibility of the algorithm

4.5 算法綜合評(píng)價(jià)

由于時(shí)間復(fù)雜度由壓縮時(shí)間和解壓縮時(shí)間組成，因此這兩部分的權(quán)重系數(shù)各占時(shí)間復(fù)雜度權(quán)重系數(shù)的1/2。

根據(jù)各指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果和權(quán)重系數(shù)，可計(jì)算出ZLIB，GZIP，LZW 3種壓縮算法在3種數(shù)據(jù)類型樣本測(cè)試下的綜合評(píng)價(jià)，如表10所示。

表10 各算法的綜合評(píng)價(jià)Tab.10 Comprehensive evaluation of each algorithm

綜合測(cè)試結(jié)果可以看出，GZIP算法在各相同數(shù)據(jù)類型的相同數(shù)據(jù)樣本大小情況下相比于ZLIB算法和LZW算法都得到了最高的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。因此，本文根據(jù)最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果選擇了更適合于移動(dòng)PDM系統(tǒng)的GZIP算法作為系統(tǒng)的壓縮算法。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)客戶端在與服務(wù)器進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交互過(guò)程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定和耗時(shí)問(wèn)題，可通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮的方式來(lái)減少數(shù)據(jù)量的傳輸。不同的數(shù)據(jù)壓縮算法在移動(dòng)PDM系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)壓縮傳輸?shù)男Ч膊槐M相同。以上著重對(duì)移動(dòng)PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型多且高安全性及多并發(fā)性特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，建立了一套數(shù)據(jù)壓縮算法的評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)此評(píng)價(jià)體系得出了結(jié)論，即GZIP算法相對(duì)于ZLIB算法和LZW算法更適合于移動(dòng)PDM系統(tǒng)。這對(duì)類似Android客戶端中，解決大量數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中存在的問(wèn)題以及對(duì)數(shù)據(jù)壓縮算法的選擇問(wèn)題，有一定借鑒意義。

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