基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)人船信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

黃一 ，王鴻東*，程鋒瑞 ，梁曉鋒 ，易宏

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

2上海交通大學(xué)海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

3上海市中國(guó)工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動(dòng)中心，上海200240

0 引 言

無(wú)人船是集感知、控制、通信能力于一體的復(fù)雜綜合體，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為運(yùn)行期間不搭載駕控人員，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的能力完全依賴于所搭載的主控系統(tǒng)，而主控系統(tǒng)生成決策則需要通過(guò)船載信息管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)于有人船舶的信息管理問(wèn)題，楊子晨等［1］研究了將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用于艦船電子信息系統(tǒng)中的可行性，但未明確提出應(yīng)用方法；寧小敏等［2］基于Web B/S架構(gòu)使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的船舶信息集成管理系統(tǒng)偏重于在有人船舶上顯示供決策使用的船舶監(jiān)控信息；白艷祥等［3］針對(duì)某型船舶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一套集成船舶以太網(wǎng)、CAN和RS485這3種網(wǎng)絡(luò)的船舶綜合網(wǎng)關(guān)，使全船設(shè)備與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。對(duì)于無(wú)人船的信息管理問(wèn)題，目前鮮有學(xué)者開(kāi)展專門研究，大部分針對(duì)無(wú)人船電子系統(tǒng)的研究?jī)H限于航行控制，止步于通過(guò)總線或網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，而對(duì)于其運(yùn)行期間產(chǎn)生的海量信息的管理和復(fù)用問(wèn)題探討較少。

本文將針對(duì)新型無(wú)人船信息管理系統(tǒng)開(kāi)展研究，在總結(jié)無(wú)人船電子信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，歸納無(wú)人船系統(tǒng)特有的信息管理要求，并據(jù)此設(shè)計(jì)適用于無(wú)人船的信息管理系統(tǒng)，闡述該設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。在設(shè)計(jì)中，將時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)引入信息管理系統(tǒng)核心，提出相應(yīng)的性能測(cè)試方法，并使用無(wú)人船航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以進(jìn)一步量化評(píng)估系統(tǒng)性能。

1 無(wú)人船信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)不僅需對(duì)傳感器返回信息進(jìn)行處理計(jì)算，還需實(shí)時(shí)地向執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令。在信息管理系統(tǒng)從原來(lái)的控制系統(tǒng)分離后，控制系統(tǒng)操控船上執(zhí)行設(shè)備時(shí)，不再需要同時(shí)承擔(dān)實(shí)時(shí)處理無(wú)人船海量信息以及讀寫(xiě)、存儲(chǔ)等長(zhǎng)耗時(shí)任務(wù)，因此顯著縮短了響應(yīng)時(shí)間，提高了實(shí)時(shí)性。此外，對(duì)于在多個(gè)數(shù)據(jù)運(yùn)算單元間共用的一部分原始數(shù)據(jù)及中間數(shù)據(jù)，信息管理系統(tǒng)可以按需轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)用，避免了多個(gè)數(shù)據(jù)運(yùn)算單元重復(fù)請(qǐng)求信息造成無(wú)人船上網(wǎng)絡(luò)阻塞和重復(fù)計(jì)算而浪費(fèi)算力的問(wèn)題。信息管理系統(tǒng)的獨(dú)立還使原控制系統(tǒng)中的信息處理部分與其解耦，從而簡(jiǎn)化了無(wú)人船控制系統(tǒng)程序編寫(xiě)的難度。當(dāng)需對(duì)信息處理、數(shù)據(jù)融合等能力進(jìn)行升級(jí)時(shí)，無(wú)需更改控制系統(tǒng)，而僅需單獨(dú)升級(jí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算單元，從而有效提升控制系統(tǒng)軟件的可靠性。

1.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

基于無(wú)人船系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)［4］，以數(shù)據(jù)類型為依據(jù)進(jìn)行分類，無(wú)人船數(shù)據(jù)可劃分為以下6種：

1）整型數(shù)值，包括各種對(duì)精度要求一般的傳感器整數(shù)測(cè)量值或百分比值、布爾開(kāi)關(guān)量、設(shè)備狀態(tài)代碼等；

2）浮點(diǎn)數(shù)值，以各種高精度傳感器的測(cè)量值或百分比值為主；

3）字符串型，以各種通信指令、報(bào)文為主；

4）多維矩陣，特別是航海雷達(dá)、聲吶、光學(xué)攝像頭、紅外攝像頭等設(shè)備產(chǎn)生用于實(shí)時(shí)計(jì)算的單幀圖像信息；

5）多媒體類型文件，以浮點(diǎn)數(shù)值和多維矩陣按照時(shí)序編碼后的音頻流、視頻流為主；

6）其他類型的二進(jìn)制文件，例如電子海圖等。

相比傳統(tǒng)有人船，無(wú)人船配備了大量感知環(huán)境的傳感器，在船舶運(yùn)行時(shí)，這些傳感器向分析計(jì)算傳感數(shù)據(jù)的主控系統(tǒng)持續(xù)發(fā)送大量上述6種類型的數(shù)據(jù)；同時(shí)，在主控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)融合方法綜合各傳感設(shè)備發(fā)回的信息時(shí)，也將產(chǎn)生大量上述數(shù)據(jù)。在無(wú)人船運(yùn)行時(shí)，這6種類型的數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生、更新，每個(gè)數(shù)據(jù)都能直接或間接地與一個(gè)時(shí)間戳（生成或更新等）掛鉤。無(wú)論是用于無(wú)人船的調(diào)試研發(fā)，或是用于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備健康管理［5］，這些數(shù)據(jù)的價(jià)值都不言而喻。然而，限于船載設(shè)備的通信能力，無(wú)人船在外海航行時(shí)無(wú)法將全部信息都傳回岸端，而僅能傳輸關(guān)鍵警報(bào)和經(jīng)實(shí)時(shí)計(jì)算的聚合結(jié)果。因此，這對(duì)無(wú)人船信息管理系統(tǒng)提出了更高要求：無(wú)人船在海上航行的時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量就越大，對(duì)信息存儲(chǔ)能力和檢索要求也越高，同時(shí)基于執(zhí)行任務(wù)和成本的考慮，還應(yīng)盡可能降低無(wú)人船靠岸備份和維護(hù)的頻率。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浼皵?shù)據(jù)流動(dòng)模型

無(wú)人船信息管理系統(tǒng)將統(tǒng)籌處理和存儲(chǔ)無(wú)人船上產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)信息。結(jié)合前述對(duì)信息管理系統(tǒng)的要求，以某型無(wú)人船為例，開(kāi)展信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用分布式時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)、船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（即“黑匣子”）以及信息服務(wù)中間件構(gòu)建信息管理系統(tǒng)架構(gòu)，并接入船載設(shè)備（例如，通信設(shè)備、環(huán)境感知設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備等）、數(shù)據(jù)運(yùn)算單元、岸基設(shè)備，得到無(wú)人船信息管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

使用該系統(tǒng)的無(wú)人船，其船內(nèi)數(shù)據(jù)流動(dòng)模型如圖1所示。通過(guò)使用發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，信息服務(wù)中間件可為全船信息管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)路由功能，負(fù)責(zé)分發(fā)和讀寫(xiě)各分布式數(shù)據(jù)庫(kù)及“黑匣子”的數(shù)據(jù)。按照?qǐng)D1中①～⑤所示順序，模型在接收到一次新數(shù)據(jù)時(shí)的處理流程為：

1）以無(wú)人船通信接收、環(huán)境感知、監(jiān)控等設(shè)備作為數(shù)據(jù)流動(dòng)模型的輸入，接受其向系統(tǒng)發(fā)布的通信數(shù)據(jù)、環(huán)境感知數(shù)據(jù)以及設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；

2）數(shù)據(jù)運(yùn)算單元向信息服務(wù)中間件訂閱實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按需調(diào)取歷史數(shù)據(jù)；

3）數(shù)據(jù)運(yùn)算單元進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)融合后的計(jì)算結(jié)果交由信息服務(wù)中間件存儲(chǔ)；

4）基于計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)運(yùn)算單元生成合適的決策及相應(yīng)操控指令，發(fā)送給信息服務(wù)中間件，由其進(jìn)行日志存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信發(fā)送設(shè)備；

5）以執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信發(fā)送設(shè)備等作為數(shù)據(jù)流動(dòng)模型的輸出，船載設(shè)備通過(guò)向系統(tǒng)訂閱數(shù)據(jù)和決策指令，發(fā)送通信報(bào)文，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，控制無(wú)人船的航行。

在靠泊碼頭后，系統(tǒng)還可與岸基設(shè)備連接，導(dǎo)出儲(chǔ)存的運(yùn)行數(shù)據(jù)，供開(kāi)發(fā)人員進(jìn)一步分析優(yōu)化無(wú)人船的運(yùn)行策略。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人船長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合上文歸納的無(wú)人船數(shù)據(jù)類型特點(diǎn)，對(duì)信息管理系統(tǒng)的軟件開(kāi)展相應(yīng)設(shè)計(jì)，使其滿足信息管理需求。系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言和Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分保證了運(yùn)行效率，同時(shí)根據(jù)實(shí)際船載計(jì)算平臺(tái)，在Linux，Windows，VxWorks，QNX等操作系統(tǒng)間進(jìn)行遷移，因此具有較高的通用性。

1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

對(duì)于6種無(wú)人船數(shù)據(jù)類型，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到信息服務(wù)中間件時(shí)，中間件根據(jù)數(shù)據(jù)類型可自動(dòng)判斷適宜的存儲(chǔ)方法。其中，第1～第3種類型的數(shù)據(jù)可很方便地結(jié)合時(shí)間戳轉(zhuǎn)化為時(shí)序數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在分布式時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)InfluxDB中；第4種類型的數(shù)據(jù)既可經(jīng)降維后存儲(chǔ)于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可經(jīng)編碼后轉(zhuǎn)存為一般的二進(jìn)制文件，與第5和第6種類型的數(shù)據(jù)一起在分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)的輔助下分片存儲(chǔ)，獲得的相應(yīng)文件名即可視為字符串或整型數(shù)值存入時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2）通用協(xié)議接口。

無(wú)人船信息管理系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)，核心網(wǎng)采用以太網(wǎng)接入，總線設(shè)備可經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換后接入核心網(wǎng)。在應(yīng)用層，系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議作為發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，滿足了設(shè)備間功能實(shí)現(xiàn)解耦的需求［6］。系統(tǒng)同時(shí)保留對(duì)HTTP協(xié)議的支持，便于后續(xù)其他設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)快速接入系統(tǒng)存取數(shù)據(jù)。

1.4 系統(tǒng)可行性分析

在分析無(wú)人船信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流動(dòng)模型和功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)在無(wú)人船運(yùn)行期間對(duì)數(shù)據(jù)及控制指令進(jìn)行路由分發(fā)、存取、分析、導(dǎo)出等能力，設(shè)計(jì)了完備的功能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析。

1）性能分析。

系統(tǒng)主要依賴InfluxDB時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)提供存儲(chǔ)和分片文件索引。借助時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的快速存儲(chǔ)特性，確保無(wú)人船信息實(shí)現(xiàn)高速存儲(chǔ)。同時(shí)，船上大部分?jǐn)?shù)據(jù)都能直接或間接地與時(shí)間戳掛鉤。對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行了特定優(yōu)化的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，相比傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，在存儲(chǔ)和檢索時(shí)序數(shù)據(jù)方面具有極大優(yōu)勢(shì)。

2）冗余度分析。

無(wú)人船信息管理系統(tǒng)配置有獨(dú)立冗余磁盤(pán)陣列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），在信息服務(wù)中間件可提前設(shè)置為RAID-5或更高冗余度的RAID模式。對(duì)于運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用船載航行數(shù)據(jù)記錄儀構(gòu)成RAID-1實(shí)現(xiàn)鏡像存儲(chǔ)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不易丟失。

面向長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人船，系統(tǒng)還可設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)輪轉(zhuǎn)，當(dāng)超出預(yù)置數(shù)據(jù)保留期后，自動(dòng)覆蓋超期數(shù)據(jù)，確保新數(shù)據(jù)得到妥善存儲(chǔ)，而無(wú)需人工操作。

3）系統(tǒng)存儲(chǔ)的可靠性。

在系統(tǒng)拓?fù)渲校瑫r(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)和文件數(shù)據(jù)庫(kù)均采用分布式配置方案，以保證系統(tǒng)具有足夠的數(shù)據(jù)吞吐能力。同時(shí)，系統(tǒng)配有RAID-5以上冗余度的存儲(chǔ)陣列，當(dāng)一個(gè)磁盤(pán)數(shù)據(jù)損壞后，可利用剩余的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息恢復(fù)受到損壞的數(shù)據(jù)［7］，其可靠性P的算法為

式中：N為陣列磁盤(pán)數(shù)量；P0為單磁盤(pán)的可靠性。關(guān)鍵航行數(shù)據(jù)采用船載航行數(shù)據(jù)記錄儀構(gòu)成RAID-1實(shí)現(xiàn)鏡像存儲(chǔ)的可靠性算法為

4）信息路由的可靠性。

系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)，在底層包括了3次握手、ACK確認(rèn)和超時(shí)重傳等機(jī)制，保障了傳輸?shù)目煽啃裕?］。在應(yīng)用層，系統(tǒng)除兼容HTTP協(xié)議外，還采用MQTT協(xié)議作為發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，其本身支持3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級(jí)：至多一次、至少一次及只有一次［9］。上述機(jī)制充分保障了系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸指令和數(shù)據(jù)信息。

2 無(wú)人船信息管理系統(tǒng)性能測(cè)試方法

無(wú)人船信息管理系統(tǒng)的性能測(cè)試主要是評(píng)估其對(duì)無(wú)人船常見(jiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的能力。但是對(duì)上述數(shù)據(jù)類型中的第5和第6種數(shù)據(jù)，其文件管理瓶頸主要在于所選掛載分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)能力限制，造成系統(tǒng)的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中只能存儲(chǔ)相應(yīng)的文件名（字符串），因而對(duì)其數(shù)據(jù)的測(cè)試可視為是對(duì)分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)的單獨(dú)測(cè)試，無(wú)需列入無(wú)人船信息管理系統(tǒng)性能測(cè)試中。

2.1 存儲(chǔ)性能測(cè)試方法

在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中，通常是多個(gè)終端并行發(fā)出多條存儲(chǔ)指令，如果只計(jì)量單條存儲(chǔ)指令不僅耗時(shí)，且容易受處理器線程阻塞、存儲(chǔ)器緩存、網(wǎng)絡(luò)延遲等多種因素的影響，使存儲(chǔ)過(guò)程具有較大的不確定性。因此，測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度應(yīng)關(guān)注在持續(xù)存儲(chǔ)請(qǐng)求壓力下，系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理存儲(chǔ)請(qǐng)求的能力，即考量

式中，Qs為存儲(chǔ)成功的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；T為總耗時(shí)。對(duì)于因阻塞超時(shí)而未成功存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，系統(tǒng)應(yīng)在第一時(shí)間重新發(fā)出存儲(chǔ)請(qǐng)求。實(shí)測(cè)中，應(yīng)預(yù)先準(zhǔn)備好大量用于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)器性能分段發(fā)出存入系統(tǒng)的請(qǐng)求后，統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)耗時(shí)。

2.2 壓縮性能測(cè)試方法

為開(kāi)展數(shù)據(jù)壓縮能力測(cè)試，應(yīng)在存儲(chǔ)過(guò)程結(jié)束后，將數(shù)據(jù)庫(kù)文件總大?。ê獢?shù)據(jù)）與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算壓縮比

式中：Sdatabase為數(shù)據(jù)庫(kù)文件大?。籗raw為原始數(shù)據(jù)大小。對(duì)于配置了總存儲(chǔ)量S的存儲(chǔ)設(shè)備、且滿足數(shù)據(jù)平均生成速率Z＜Zmax的無(wú)人船，可借此估計(jì)系統(tǒng)在自動(dòng)輪轉(zhuǎn)功能啟用前可以完整存儲(chǔ)信息的最大時(shí)長(zhǎng)：

2.3 檢索及聚合分析測(cè)試方法

對(duì)于已存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，在需要時(shí)可將其調(diào)取以供查閱和分析。在檢索過(guò)程中，一般以某個(gè)時(shí)間段內(nèi)或超過(guò)某個(gè)限值作為檢索條件。對(duì)于存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)而言，每次分析時(shí)并不一定需要將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)逐個(gè)讀取到分析程序內(nèi)后再計(jì)算。對(duì)于諸如統(tǒng)計(jì)次數(shù)、求取平均值等簡(jiǎn)單的聚合統(tǒng)計(jì)分析，可以借助數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)建的函數(shù)進(jìn)行分析，以減輕主程序的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。通過(guò)計(jì)量從發(fā)出請(qǐng)求到返回聚合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間，可以評(píng)估系統(tǒng)基礎(chǔ)聚合統(tǒng)計(jì)運(yùn)算的能力。聚合統(tǒng)計(jì)用時(shí)可表示為

式中：Tquery，Tdownlaod分別為發(fā)送統(tǒng)計(jì)請(qǐng)求和下載統(tǒng)計(jì)結(jié)果用時(shí)，其與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境關(guān)系較大，對(duì)于不同系統(tǒng)差距不大；Titeration為遍歷數(shù)據(jù)用時(shí)，故高速的聚合統(tǒng)計(jì)能力離不開(kāi)高速的數(shù)據(jù)全文順序檢索能力；Taggregation為數(shù)據(jù)聚合統(tǒng)計(jì)計(jì)算用時(shí)，由遍歷到的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算時(shí)間累加得到。

3 原型系統(tǒng)性能測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，使用某型等比例無(wú)人船自航模型（圖2）搭載1路溫度傳感器、1路三軸陀螺儀、1路三軸磁力計(jì)和2路不同精度的三軸加速度計(jì)，在湖中開(kāi)展了9次航行試驗(yàn)，將試驗(yàn)記錄的共計(jì)13路浮點(diǎn)數(shù)值作為測(cè)試數(shù)據(jù)樣本。限于實(shí)驗(yàn)條件以及避免網(wǎng)絡(luò)延遲影響，系統(tǒng)僅部署于單機(jī)電腦上進(jìn)行性能測(cè)試。為了對(duì)照，在同一電腦上部署了已在船海領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［10-11］的傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL進(jìn)行相同測(cè)試。

圖2 用于測(cè)試的某型等比例無(wú)人船自航模Fig.2 The proportional self-propelled USV model for test

3.1 信息存儲(chǔ)速度

分別向原型系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)逐個(gè)存入10萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每存入1萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后記錄用時(shí)，計(jì)算得到平均每秒存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)Zmax。

限于試驗(yàn)條件，目前測(cè)試得到的原型系統(tǒng)信息存儲(chǔ)性能稍弱于作為對(duì)照的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，但單一客戶端每秒300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以上的信息存儲(chǔ)性能已足夠應(yīng)用于現(xiàn)有的大部分無(wú)人船存儲(chǔ)航行信息及傳感信息［12-13］?？紤]到測(cè)試過(guò)程中使用InfluxDB時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)批量導(dǎo)入接口時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力可達(dá)每秒65 000個(gè)以上，原型系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)性能在接入多設(shè)備或使用多線程并發(fā)方法進(jìn)一步開(kāi)發(fā)完善后還有很大提升的空間。

圖3 存儲(chǔ)性能Fig.3 Storage performance

3.2 信息壓縮能力

將9次無(wú)人船試驗(yàn)數(shù)據(jù)存入原型系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算相應(yīng)壓縮率。從計(jì)算結(jié)果可以看出，相比MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)壓縮，基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的原型系統(tǒng)可將原始數(shù)據(jù)文件壓縮得更小，平均壓縮率由77.92%降低至67.78%。當(dāng)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)分配的磁盤(pán)空間反而比原始數(shù)據(jù)更大（25 368數(shù)據(jù)點(diǎn)組），因此，新系統(tǒng)可為長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人船保留更多的信息存儲(chǔ)空間，也可在將信息整體回傳時(shí)節(jié)省寶貴的通信帶寬。

圖4 信息壓縮率對(duì)比Fig.4 Comparison of information compression ratio

3.3 檢索及聚合分析時(shí)間

將測(cè)試得到的一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)1 335 439個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存入原型系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中分別進(jìn)行檢索和聚合分析性能測(cè)試。結(jié)果表明，得益于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所存入數(shù)據(jù)特別是時(shí)間戳相關(guān)的優(yōu)化，基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的原型系統(tǒng)在全文順序檢索和聚合分析的性能優(yōu)于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，在歷史信息檢索、簡(jiǎn)單聚合分析方面可以為無(wú)人船主運(yùn)算單元減輕一定的計(jì)算壓力。

從上述性能測(cè)試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的無(wú)人船信息管理系統(tǒng)可有效滿足無(wú)人船運(yùn)行期間的信息管理需求，測(cè)試方法也能客觀反映無(wú)人船信息管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和薄弱點(diǎn)。

表1 檢索及聚合分析耗時(shí)Table 1 Time consumption of retrieval and aggregation analysis

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人船運(yùn)行環(huán)境和常態(tài)任務(wù)要求，結(jié)合無(wú)人船電子信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，歸納了6種無(wú)人船數(shù)據(jù)類型，設(shè)計(jì)了一套基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)人船信息管理系統(tǒng)，并提出性能測(cè)試方法。系統(tǒng)由若干數(shù)據(jù)庫(kù)、信息服務(wù)中間件、船載設(shè)備、數(shù)據(jù)運(yùn)算單元構(gòu)成系統(tǒng)拓?fù)洹＝柚鷷r(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)處理含時(shí)間戳?xí)r序數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息快速存儲(chǔ)、壓縮存儲(chǔ)和快速檢索分析。系統(tǒng)性能測(cè)試方法經(jīng)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，表明可以為系統(tǒng)性能提供客觀的量化評(píng)價(jià)。無(wú)人船信息管理系統(tǒng)原型經(jīng)測(cè)試證明，其能夠滿足無(wú)人船對(duì)持續(xù)的海量信息存儲(chǔ)要求，在保證檢索和聚合分析性能的前提下，信息壓縮性能相比MySQL提升了約10%。系統(tǒng)具有較高的可靠性和通用性，為解決長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人船信息存儲(chǔ)與通信傳輸難題提供了良好的解決方法。

目前，本文只在單機(jī)條件下針對(duì)部署的無(wú)人船信息管理系統(tǒng)原型進(jìn)行了性能測(cè)試，后續(xù)如條件允許，可以考慮將無(wú)人船信息管理系統(tǒng)部署到分布式機(jī)群中進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)性能。同時(shí)，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面還可進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化工作。