數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王永臻， 孫亮清

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135)

0 引 言

船舶電力系統(tǒng)是船舶的核心部件之一，對(duì)保障電力推進(jìn)設(shè)備、甲板機(jī)械、控制與通信設(shè)備正常工作具有重要作用[1]。因此，實(shí)時(shí)掌握船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能具有重要意義。大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)為2層結(jié)構(gòu)，其中：上層網(wǎng)絡(luò)采用冗余的高速交換式工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎铆h(huán)形方式；下層網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)雙冗余CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)[2]。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備采集的數(shù)據(jù)主要通過(guò)下層網(wǎng)絡(luò)傳遞給網(wǎng)關(guān)，而大型船舶的通信線路較長(zhǎng)，電磁環(huán)境復(fù)雜，因此CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)受到一定的影響。當(dāng)前數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，并已從基本的文件無(wú)損壓縮發(fā)展到聲音、圖片和視頻等文件的有損壓縮，成為了大數(shù)據(jù)時(shí)代必不可少的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，一大批新型監(jiān)控設(shè)備被引入到船舶中，使得大型船舶上的監(jiān)控設(shè)備眾多且分布較廣，需監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，可有效減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的性能。

1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)概況

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可分為無(wú)損壓縮技術(shù)和有損壓縮技術(shù)2種，其中：無(wú)損壓縮技術(shù)通過(guò)消除數(shù)據(jù)中的冗余量達(dá)到壓縮效果，能將數(shù)據(jù)毫無(wú)損失地還原出來(lái)；有損壓縮技術(shù)會(huì)在壓縮過(guò)程中丟棄不重要的數(shù)據(jù)，不能完全恢復(fù)原數(shù)據(jù)，但解壓之后的數(shù)據(jù)不會(huì)嚴(yán)重失真。

1) 常用的無(wú)損壓縮方法主要有基于字典的壓縮方法和基于統(tǒng)計(jì)的壓縮方法。LZ77、LZ78和LZSS等都是基于字典的壓縮方法，這類方法用較短的數(shù)字或符號(hào)表示經(jīng)常出現(xiàn)的字符組合或較長(zhǎng)的字符串，在進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓時(shí)，用類似于查字典的方式逐個(gè)還原，只是構(gòu)造字典的方式不同，相關(guān)學(xué)者[3]根據(jù)需要提出了各種改良的基于字典的壓縮方法?；舴蚵幋a算法和算術(shù)編碼等都是基于統(tǒng)計(jì)的壓縮方法，這類方法在壓縮數(shù)據(jù)之前需統(tǒng)計(jì)各字符出現(xiàn)的頻率，由此構(gòu)造二叉樹(shù)(即編碼字典)，算術(shù)編碼可用非整數(shù)表示字符，更接近信息熵的極限，但該方法相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)算速率較慢[4]。

2) 常用的有損壓縮方法主要有分段線性方法、矢量量化方法和信號(hào)變換方法等。旋轉(zhuǎn)門算法屬于分段線性方法，該方法的主要原理是將一系列連續(xù)的點(diǎn)壓縮為一條直線，壓縮閾值的大小會(huì)影響壓縮效果。該方法的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，可根據(jù)實(shí)際需要在壓縮閾值和采樣頻率2方面進(jìn)行改進(jìn)。例如：在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域[5]，可根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的變化程度動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率，由此延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命；在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域[6]，利用線性外插法計(jì)算偏差閾值，從而提高數(shù)據(jù)壓縮的精度。信號(hào)變換方法主要有傅里葉變換方法和小波變換方法2種，其中：傅里葉變換方法是一種純頻域分析方法，在時(shí)域上無(wú)分辨能力；小波變換方法可根據(jù)需要靈活選擇窗口，分析高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。傅里葉變換方法更適用于穩(wěn)態(tài)下的數(shù)據(jù)壓縮，而小波變換方法在暫態(tài)下的壓縮效果優(yōu)于傅里葉變換。在電力數(shù)據(jù)有損壓縮領(lǐng)域，文獻(xiàn)[7]提出基于threshold熵的小波包統(tǒng)一閾值壓縮方法，該方法在搜索最優(yōu)小波包樹(shù)階段和取舍小波包系數(shù)階段采用統(tǒng)一的閾值，從而搜索出小波包系數(shù)最少的樹(shù)，得到較高的壓縮比。此外，可將各種壓縮方法相結(jié)合達(dá)到需要的效果，例如，文獻(xiàn)[8]在廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide-Area Measurement System, WAMS)中將旋轉(zhuǎn)門算法與異常壓縮(Exception Compression, EC)算法相結(jié)合，使數(shù)據(jù)傳輸量減少75%。

不同的壓縮方法對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮效率和壓縮精度不同，需根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)采用合適的壓縮方法。

1.2 壓縮效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

為衡量壓縮效果，引出指標(biāo)壓縮比RC和壓縮數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的誤差EC，其計(jì)算式為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：RC為壓縮比；n為壓縮后數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間；m為壓縮前數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間，壓縮比越小，占用的存儲(chǔ)空間越小；EC為壓縮數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的誤差；yi為原數(shù)據(jù)；yj為解壓縮后的數(shù)據(jù)。

2 船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)中不同類型數(shù)據(jù)的壓縮方法

船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)的通信報(bào)文包括模擬量報(bào)文、開(kāi)關(guān)量報(bào)文、心跳報(bào)文、時(shí)戳報(bào)文、報(bào)警事件報(bào)文和控制指令報(bào)文等，其中模擬量報(bào)文和開(kāi)關(guān)量報(bào)文最多，數(shù)據(jù)量最大，本文主要壓縮這2類報(bào)文中的數(shù)據(jù)。

2.1 開(kāi)關(guān)量和電力主干網(wǎng)數(shù)據(jù)

開(kāi)關(guān)量和電力主干網(wǎng)數(shù)據(jù)是保證船舶正常運(yùn)行的重要參數(shù)，必須保證其準(zhǔn)確性，因此采用無(wú)損壓縮方法。某船電力主干網(wǎng)的模擬量報(bào)文每2 s發(fā)送一次，數(shù)據(jù)段中的數(shù)值基本上圍繞某一固定值上下浮動(dòng)，對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，3和7這2個(gè)字符出現(xiàn)的頻率最高，更適合采用基于統(tǒng)計(jì)的壓縮方法，而霍夫曼編碼的壓縮效果由編碼符號(hào)和符號(hào)出現(xiàn)的概率決定，因此本文采用霍夫曼編碼方法。

電力數(shù)據(jù)采用16進(jìn)制和10進(jìn)制都能較好地表示數(shù)值，可通過(guò)計(jì)算信息熵來(lái)決定采用哪種進(jìn)制。信息熵的計(jì)算式為

(3)

式(3)中：N為字符的種類數(shù)；Pj為第j種字符出現(xiàn)的概率。表1和表2為實(shí)際運(yùn)行時(shí)某船電力主干網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中16進(jìn)制和10進(jìn)制字符出現(xiàn)的概率。

表1 實(shí)際運(yùn)行時(shí)某船電力主干網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中10進(jìn)制字符出現(xiàn)的概率

表2 實(shí)際運(yùn)行時(shí)某船電力主干網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中16進(jìn)制字符及其出現(xiàn)概率

根據(jù)表1和表2計(jì)算信息熵，10進(jìn)制的信息熵為2.747 7,16進(jìn)制的信息熵為2.924 4。10進(jìn)制的信息熵更小，說(shuō)明平均每字符編碼所需的比特?cái)?shù)更少，因此采用10進(jìn)制霍夫曼編碼算法。

通信過(guò)程中的算法實(shí)現(xiàn)：在程序開(kāi)始時(shí)，首先根據(jù)統(tǒng)計(jì)所得概率初始化數(shù)據(jù)字典并向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)字典報(bào)文。為保證通信過(guò)程中壓縮數(shù)據(jù)的高效性，若某字符出現(xiàn)的概率比初始概率高0.100，則發(fā)送端更新數(shù)據(jù)字典并發(fā)送新數(shù)據(jù)字典給接收端。發(fā)送端程序和接收端程序的具體流程分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 發(fā)送端程序具體流程

圖2 接收端程序具體流程

2.2 包含多個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬量數(shù)據(jù)

船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象多，監(jiān)測(cè)面廣，主要包括全船的電站系統(tǒng)、交流配電網(wǎng)絡(luò)、直流配電網(wǎng)絡(luò)、照明網(wǎng)絡(luò)和消磁系統(tǒng)等。僅1個(gè)汽輪機(jī)電站就有幾百個(gè)測(cè)點(diǎn)，全船有上萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)。這些測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的模擬量數(shù)據(jù)很多，但對(duì)精度的要求不高。傳遞此類數(shù)據(jù)的報(bào)文通常是多個(gè)測(cè)點(diǎn)的某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間無(wú)關(guān)聯(lián)，不能用旋轉(zhuǎn)門算法對(duì)其進(jìn)行直接壓縮，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)門算法進(jìn)行改進(jìn)，使其能運(yùn)用在此類報(bào)文中，并將其命名為基于旋轉(zhuǎn)門算法的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)壓縮策略。

改進(jìn)的措施之一是對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)旋轉(zhuǎn)門參數(shù)結(jié)構(gòu)體，利用測(cè)點(diǎn)前后時(shí)刻數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性判斷是否對(duì)該測(cè)點(diǎn)該時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。即當(dāng)某測(cè)點(diǎn)傳來(lái)新的數(shù)據(jù)時(shí)，將該測(cè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)門參數(shù)和新的數(shù)據(jù)傳遞給旋轉(zhuǎn)門壓縮算法函數(shù)，利用該函數(shù)判斷是否對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，若需壓縮，則令返回的數(shù)據(jù)值為1，否則數(shù)據(jù)值不變。最后，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)組成新的報(bào)文數(shù)據(jù)段，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，若數(shù)值為1，則忽略該值并通過(guò)線性插值法還原該時(shí)刻的數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)門參數(shù)結(jié)構(gòu)體定義如下：

Struct_sdt{

up_gate\當(dāng)前上旋門斜率

down_gate\當(dāng)前下旋門斜率

now_up\新數(shù)據(jù)到達(dá)后上旋門斜率

now_down\新數(shù)據(jù)到達(dá)后下旋門斜率

new_data\最新數(shù)據(jù)

last_read_data\上一個(gè)數(shù)據(jù)

last_stored_data\上一個(gè)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)

last_stored_t\上一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間

E\壓縮閾值

Detla\與上一數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差

N\與上一數(shù)據(jù)的最大絕對(duì)誤差

i\接收到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

}

改進(jìn)措施之二是動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮閾值E，合理的壓縮閾值既能保證壓縮之后的數(shù)據(jù)量較小，又能保證數(shù)據(jù)的還原程度。表3為不同E值下的壓縮效果，模擬了某船母線電壓數(shù)據(jù)在不同E值下的壓縮量和誤差(共采集2 560個(gè)點(diǎn))。

表3 不同E值下的壓縮效果

由表3可知:E值越大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)越少，壓縮比越小，誤差越大;E值越小，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)越多，壓縮比越大，但信號(hào)的還原度越高。因此,需根據(jù)信號(hào)的波動(dòng)情況動(dòng)態(tài)選擇E值，以達(dá)到壓縮效果。本文采用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的方法動(dòng)態(tài)調(diào)整E值，具體流程如下：

1) 以10個(gè)數(shù)據(jù)為一組計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差σ，記前一組標(biāo)準(zhǔn)差為σ′;

2) 若0.9≤σ/σ′≤1.1,則認(rèn)為數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,無(wú)需調(diào)整E;

3) 若σ/σ′>1.1或σ/σ′<0.9,說(shuō)明數(shù)據(jù)波動(dòng)變大，需提高壓縮比，減小誤差，減小E值，令E=E-abs(1-σ/σ′)E。

綜上，改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)門數(shù)據(jù)壓縮算法流程見(jiàn)圖3。

圖3 改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)門壓縮算法流程

2.3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

電能質(zhì)量對(duì)船舶的正常運(yùn)行有重要影響，在理想情況下應(yīng)是完美的正弦波，而船舶在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)電壓凸起、電壓凹陷、電壓中斷和暫態(tài)振蕩等情況。旋轉(zhuǎn)門算法在精度要求較高時(shí)壓縮率較低，采用傳統(tǒng)的傅里葉變換方法不能得到很好的壓縮效果。小波變換方法具有良好的時(shí)頻局部化和多分辨分析能力，目前在電力數(shù)據(jù)壓縮方面已得到廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者采用小波變換方法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，取得巨大成效。小波變換方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的基本目標(biāo)是使信號(hào)在時(shí)間-頻率的分解系數(shù)中所占的存儲(chǔ)空間盡可能少。本文采用一種較為簡(jiǎn)單的小波變換壓縮方法，采用Daubechies小波，壓縮效率約為80%?；谛〔ㄗ儞Q的壓縮方法的流程如下：

1) 對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波分解，得到分解系數(shù)；

2) 將得到的系數(shù)按大小排列，將20%數(shù)值較小的系數(shù)置0，發(fā)送該數(shù)據(jù)；

3) 接收方利用得到的新系數(shù)，重建壓縮之后的信號(hào)。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的方法的有效性，利用實(shí)船運(yùn)行時(shí)的真實(shí)數(shù)據(jù)在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行壓縮測(cè)試，并將壓縮之前的報(bào)文和壓縮之后的報(bào)文通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送，在無(wú)錯(cuò)誤的情況下，將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)段的大小作為壓縮前后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度[12]。

3.1 開(kāi)關(guān)量和電力主干網(wǎng)數(shù)據(jù)壓縮效果

選取某船電力主干網(wǎng)報(bào)文中的數(shù)據(jù)段，得到不同進(jìn)制下采用霍夫曼編碼方法的壓縮效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同進(jìn)制下采用霍夫曼編碼方法的壓縮效果對(duì)比

由表4可知：霍夫曼編碼壓縮方法可有效縮短報(bào)文數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度，10進(jìn)制的壓縮效果優(yōu)于16進(jìn)制，與理論分析結(jié)果一致；10進(jìn)制的壓縮時(shí)間略長(zhǎng)于16進(jìn)制，但解壓縮時(shí)間更短；實(shí)際傳輸此類報(bào)文的頻率為2 s/次，壓縮時(shí)間與解壓時(shí)間可忽略不計(jì)。

3.2 多個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬量壓縮數(shù)據(jù)效果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)是從某船上6個(gè)測(cè)點(diǎn)采集的配電數(shù)據(jù)，共7 066個(gè)采樣值，每2 s采樣一次,每個(gè)采樣值保留2位小數(shù)。設(shè)初始值E=1.5，N=10，采用第2.2節(jié)提出的改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)門算法得到部分?jǐn)?shù)據(jù)的壓縮效果見(jiàn)圖4。

從圖4中可看出，該算法能在誤差允許范圍內(nèi)還原數(shù)據(jù)變化情況。該試驗(yàn)共有7 066個(gè)采樣值，經(jīng)旋轉(zhuǎn)門算法壓縮處理之后共發(fā)送1 738個(gè)采樣值，誤差為2.71。若不經(jīng)壓縮處理，需發(fā)送28 264個(gè)字節(jié)；若經(jīng)壓縮處理，共需發(fā)送12 280個(gè)字節(jié)，壓縮率為43.45%。在波動(dòng)較大時(shí)保留較多的采樣值，在波動(dòng)較小時(shí)舍去冗余的采樣值。若測(cè)點(diǎn)較多，需有一定的空間存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)，這會(huì)增加計(jì)算機(jī)的內(nèi)存消耗。

3.3 電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)效率

船舶運(yùn)行時(shí)工況復(fù)雜,若采用電力推進(jìn)，除了內(nèi)部設(shè)備的啟停以外，船舶加速、轉(zhuǎn)向和急停避讓等都會(huì)引起電壓波動(dòng)。本文利用MATLAB仿真分析小波變換方法和傅里葉變換方法的壓縮效果，采用小波變換方法得到的電壓振蕩信號(hào)的壓縮效果見(jiàn)圖5，0.5 s時(shí)某大容量負(fù)載的加入引起振蕩暫態(tài)。試驗(yàn)共有5 000個(gè)采樣點(diǎn)，壓縮效果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 小波變換方法與傅里葉變換方法的壓縮效果對(duì)比

由表5可知：在既有穩(wěn)態(tài)信號(hào)又有暫態(tài)信號(hào)的情況下，小波變換方法的壓縮效果優(yōu)于傅里葉變換方法，壓縮時(shí)間更短；無(wú)論是小波變換方法還是傅里葉變換方法，誤差都不大，單點(diǎn)的最大誤差不超過(guò)2%，都具有較高的還原度；若數(shù)據(jù)量增多，小波變換的壓縮時(shí)間和解壓縮時(shí)間會(huì)增加，但會(huì)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)寬帶。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著船舶智能化的發(fā)展，信息的應(yīng)用變得越來(lái)越重要，信息量的增大使得現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的負(fù)荷增加，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可有效減輕網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的壓力，減少設(shè)備存儲(chǔ)用量。本文對(duì)船舶通信過(guò)程中不同的報(bào)文采取不同的壓縮策略，采用霍夫曼編碼方法壓縮開(kāi)關(guān)量和電力主干網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用基于旋轉(zhuǎn)門算法的策略壓縮多測(cè)點(diǎn)的模擬量數(shù)據(jù)，采用小波變換方法壓縮電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，同時(shí)具有較高的還原度。