基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)設(shè)計

袁獻忠，馬成功，彭競飛，陳瑋

（國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北武漢 430000）

跨平臺消息的共享是用比較直觀的方式將各類消息充分、全面地展示出來[1]，在一定程度上促進了網(wǎng)絡(luò)消息發(fā)送與接收的靈活性?？缙脚_消息共享系統(tǒng)的主要問題是無法實時更新和讀取網(wǎng)絡(luò)中的海量數(shù)據(jù)，且當(dāng)大量網(wǎng)絡(luò)用戶訪問高并發(fā)的消息系統(tǒng)時，協(xié)同共享的效率較低[2-4]。

基于以上問題，文中設(shè)計了一種基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了主成分分析方法，將大量的網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)進行實時傳送與讀取，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各類消息的協(xié)同共享，能夠很好地解決共享效率較低的問題。

1 基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中設(shè)計的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集器、處理器、存儲器、控制器組成[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器采用了A/D 多路的轉(zhuǎn)換方式，該采集器選用三星公司最新推出的SX 系列AR38C6529 采集芯片，該采集芯片如圖2 所示。

圖2 AR38C6529采集芯片

圖2 中的采集芯片內(nèi)置4 K 字節(jié)快速可編程程序存儲器和64 字節(jié)采集區(qū)，該區(qū)域的編程存儲空間可以滿足協(xié)作共享系統(tǒng)中少量網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)采集器的外圍電路芯片選用SD 公司生產(chǎn)的SD6584 電源芯片，該芯片電路集成度高，電路的電壓控制在1.8～3.3 V 范圍內(nèi)，電流最高為2 A，整個電路采用串聯(lián)的方式為采集器供電。

在每次數(shù)據(jù)采樣前，通過外圍電路與復(fù)數(shù)域運算，使各個數(shù)據(jù)采集器保持同步采樣，以控制A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)量，對采集器的通道進行切換，數(shù)據(jù)采集器的采集芯片驅(qū)動6位數(shù)碼管[6-7]，對測量數(shù)據(jù)進行微處理，該處理器以ST 公司生產(chǎn)的ST6539單片機為處理中心，對信號進行變換、放大，并對采集器采集的數(shù)據(jù)進行傳輸、存儲，顯示最終的處理結(jié)果。

處理器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 處理器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，處理器內(nèi)部的傳感器可以根據(jù)采集到的信號屬性自動選擇不同的傳感器型號。處理器的儀表放大器可以對處理器的外圍電路進行放大，外圍電路可以選擇8 種增益，即采用ST 公司生產(chǎn)的ST4693 轉(zhuǎn)換芯片，完成高低電平之間的轉(zhuǎn)換，并由處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行微處理，處理器配有8個模擬數(shù)據(jù)輸入通道。輸入完成后，由A/D 轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方式為連續(xù)轉(zhuǎn)換。

此時的數(shù)據(jù)處理可采用實時處理和非實時處理。兩者的區(qū)別為在工作模式下實時處理更具時效性，處理器處理的各種數(shù)據(jù)通過USB 接口立即傳送到單片機。

將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在單片機的擴展存儲器中，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，統(tǒng)一傳送到處理器中[8-10]。

1.2 存儲器設(shè)計

由于跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)的存儲器需要實時處理網(wǎng)絡(luò)信號，為了提高系統(tǒng)的采樣率，將存儲器的瞬時帶寬控制在0～250 MHz 范圍內(nèi)，A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣速率必須為輸入網(wǎng)絡(luò)信號的4倍，在嵌入少量冗余的條件下，可以選擇2.4 GHz作為存儲器的標(biāo)準(zhǔn)采樣速率，存儲器可以一次性采集256 kB 的信號數(shù)據(jù)，采樣速率為標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz，這樣可以節(jié)約0.2 s 的存儲時間，存儲器的最低存儲容量為32 kB，能夠支持最高512位的數(shù)據(jù)寬度，存儲的最大深度為52 874 MPts。如果存儲器自身存在較大的動態(tài)范圍，可通過降低接收信號的速率加以控制，存儲器在正常存儲信號及數(shù)據(jù)過程中，采用實存慢采的存儲方式，由此，整個跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)的存儲器的實時存儲可以通過兩種分布方式來實現(xiàn)[11-12]。

為了最大程度地存儲數(shù)據(jù)，存儲器的存儲芯片選用SD 公司生產(chǎn)的SD7643，該存儲芯片集成度較高，可以實時控制內(nèi)部的字節(jié)數(shù)并擴大存儲器的存儲容量，此時，A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)過程中需要分路鎖存數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)降速，并傳輸?shù)胶?28 kB 存儲容量的存儲器中，讀取的時鐘速率最高可達350 MHz[13]。

1.3 控制器設(shè)計

系統(tǒng)采用三星公司生產(chǎn)的SC8051F543 單片機為控制器的核心，該單片機能夠兼容傳統(tǒng)單片機的指令，性能較好，單片機內(nèi)具有標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備，為了滿足系統(tǒng)需要，又?jǐn)U展了較多的外設(shè)，所以該單片機功能比較齊全，容易訪問其他的設(shè)備卡?？刂破鞯耐獠烤哂胸S富的流水線結(jié)構(gòu)，指令傳輸?shù)乃俣容^高，是普通單片機的20 倍，運行的速度最高可達60 MIPS，具有多個SPI 接口，方便與片內(nèi)其他設(shè)備進行接口對接，控制器還具有6 個12 位的I/O 端口，基本滿足了采集器采集數(shù)據(jù)的需要，除了具有I/O 端口外，同時具有較多的分線，分線可以由USB 接口進行配置，從而提高其接口性能?？刂破鞯暮诵膯纹瑱C具有中斷系統(tǒng)、30 個中斷源以及4 個優(yōu)先級，包括SDI 接口產(chǎn)生的中斷，控制器內(nèi)設(shè)64 kB 的存儲器，所以在外部不需要再擴展其他的存儲器。控制器外圍電路的電壓最高為3.3 V，電流最低為1.2 A，外圍電路為整個控制器提供工作電壓，控制器內(nèi)部和外部均設(shè)置了時鐘，方便控制器對數(shù)據(jù)及其他設(shè)備的控制[14-16]。

2 基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于跨平臺消息實時協(xié)同共享的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不能自適應(yīng)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)中的冗余干擾也會影響協(xié)同共享，因此，為了解決這一問題，在基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)中，采用主成分分析方法對各大網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)送的實時消息進行分類，同時，文中應(yīng)用主成分分析方法對原始數(shù)據(jù)進行處理，減少了維數(shù)，消除了數(shù)據(jù)中的冗余干擾，保存數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵和重要組成部分，減少原始數(shù)據(jù)中重要信息的丟失，提高了數(shù)據(jù)的實時處理效率[16]。

文中設(shè)計的基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)具體軟件流程如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可知，首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶不同的需求進行相應(yīng)的文件提取、網(wǎng)絡(luò)信息查詢等相關(guān)操作，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶在互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送查詢文檔、災(zāi)害預(yù)報、站外巡線等請求時，管理員可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器查詢信息數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)編號保存至網(wǎng)絡(luò)文件信息系統(tǒng)中，將網(wǎng)絡(luò)文件輸出到網(wǎng)絡(luò)客戶端。

圖5 基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)軟件流程

將輸出層輸入及輸出描述如下：

式中，ujk是隱含層神經(jīng)元j和輸出層神經(jīng)元k的連接權(quán)，θk是輸出節(jié)點臨界值，Sk是第k個輸出節(jié)點的輸入，Yk是輸出層神經(jīng)元的輸出。

使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的r個樣本的真實輸出和輸出樣本間的偏差作為對應(yīng)的測度偏差Er，全部樣本集的誤差是E，則：

在輸出層節(jié)點至輸入層節(jié)點的傳播過程中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶查詢到的結(jié)構(gòu)化信息，對輔助信息管理進行分類，并對周邊環(huán)境、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急分析等數(shù)據(jù)進行分析。將分析結(jié)果輸入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，然后返回到跨平臺結(jié)構(gòu)化信息模塊，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將實時共享的協(xié)同消息網(wǎng)頁呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)用戶，用戶在接收到資源查詢、人員定位后，通過移動終端實現(xiàn)應(yīng)急演練等共享信息，并利用主成分分析對信息數(shù)據(jù)進行動態(tài)分類。

最后，對網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)進行處理，生成消息共享文件。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將各大互聯(lián)網(wǎng)平臺收集到的用戶請求信息轉(zhuǎn)換成可變的數(shù)據(jù)文件，并進行相應(yīng)的分析。經(jīng)過分析，各種跨平臺的網(wǎng)絡(luò)消息都被可視化地處理并保存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端。保存的網(wǎng)絡(luò)信息最終可以在各大互聯(lián)網(wǎng)平臺上顯示，并輸出到網(wǎng)絡(luò)用戶的協(xié)同共享系統(tǒng)中。

3 實驗研究

為了檢測文中基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)的有效性[17-18]，與傳統(tǒng)的共享系統(tǒng)（文獻[3]方法和文獻[4]方法）進行對比實驗。

實驗環(huán)境設(shè)置如下：

1）服務(wù)器端，HP 服務(wù)器：

CPU：4 核處理器，Intel Xeon MP

內(nèi)存：16 GB

操作系統(tǒng)：Windows Server 2003

Web 容器：Tomcat 5.5，Axis 2.0

2）客戶端，普通PC 機：

CPU：Intel Pentium4 3.0 G

內(nèi)存：1 GB

操作系統(tǒng)：Windows XP sp2

Web 瀏覽器：Windows IE 7.0

測試軟件：LoadRunner 8.1

實驗數(shù)據(jù)來源如下：

根據(jù)時間序列的查詢需求，使某平臺中1 000 個用戶保持在線狀態(tài)，每十秒登錄50 個用戶，瀏覽節(jié)點共享數(shù)據(jù)文件，成功后不進行操作保持在線狀態(tài)，記錄該類數(shù)據(jù)，并針對該平臺后臺數(shù)據(jù)庫中的時間序列變化情況通過實時制圖來體現(xiàn)，對于多個要素和定義時間段的時間序列數(shù)據(jù)進行實行查詢，對各個時間序列進行最大值、最小值、個數(shù)和平均值等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，將多個變量和要素時間序列數(shù)據(jù)查詢結(jié)果疊加顯示，對時間序列查看器內(nèi)置表格數(shù)據(jù)，能夠?qū)嵭袕?fù)制粘貼操作，通過線型圖、柱狀圖或者點狀圖顯示分析結(jié)果，將其作為基礎(chǔ)樣本進行實驗分析。

在上述實驗環(huán)境中，輸入實驗樣本，最終輸出實驗結(jié)果，得到的共享傳遞時間和共享數(shù)據(jù)量實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 實驗結(jié)果

根據(jù)表1 可知，文中系統(tǒng)的共享傳遞時間更短，共享數(shù)據(jù)量更多。

綜合上述實驗可知，文中設(shè)計的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)能夠?qū)χ饕脚_的實時消息進行過濾和處理，如日常應(yīng)急管理消息、應(yīng)急演練消息、應(yīng)急響應(yīng)消息等，消除消息中的干擾和噪聲，將關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)留存在系統(tǒng)的原始消息中，并利用主成分分析方法提高跨平臺消息實時協(xié)同共享協(xié)作的效率，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)用戶與不同平臺之間各種網(wǎng)絡(luò)消息的數(shù)據(jù)共享，增強了網(wǎng)絡(luò)用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的協(xié)同感知，使人們能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的交流與交換。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的基于主成分分析的跨平臺消息實時協(xié)同共享系統(tǒng)，詳細設(shè)計了系統(tǒng)硬件與軟件，硬件方面設(shè)計了數(shù)據(jù)采集器、處理器、存儲器與控制器，提高了跨平臺消息實時協(xié)同共享的穩(wěn)定性與安全性，軟件方面詳細介紹了跨平臺消息實時協(xié)同共享的流程，采用主成分分析的技術(shù)提高了系統(tǒng)的實用性和可靠性，可以滿足網(wǎng)絡(luò)用戶復(fù)雜的信息需求，解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量不能及時更新與實時讀取的問題，大量的網(wǎng)絡(luò)用戶訪問消息系統(tǒng)時，網(wǎng)絡(luò)不再出現(xiàn)卡頓，并且提高了網(wǎng)絡(luò)消息系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同共享的效率。