基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

郝美薇，王 爽，田潤(rùn)澤，田雨婷，王貫兵

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司，天津 300000；2.北京許繼電氣有限公司，北京 100085）

時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)是時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)稱，主要被應(yīng)用于處理具有時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸信息上，通常情況下，也將具有時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息處理成時(shí)間序列型應(yīng)用數(shù)據(jù)[1-2]。在時(shí)序大數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)過(guò)程中，可通過(guò)連接關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，對(duì)信息參量進(jìn)行重排處理，并可在執(zhí)行數(shù)據(jù)查找任務(wù)的同時(shí)，完成對(duì)信息傳輸時(shí)長(zhǎng)的有效控制。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于信息排列的特殊性，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)能夠最大限度提升傳輸數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存處理能力，相較于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，該方法所需的信息存儲(chǔ)空間相對(duì)更小，在數(shù)據(jù)查詢方面所需的實(shí)際等待時(shí)間也相對(duì)更短。

空氣監(jiān)測(cè)是一種常見(jiàn)的環(huán)境監(jiān)管手段，可通過(guò)測(cè)量污染因子濃度的方式，確定地域環(huán)境中的自然環(huán)境等級(jí)條件。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始終存在實(shí)時(shí)性差、區(qū)域性窄的問(wèn)題，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)自然空氣氛圍的有效保護(hù)。為解決此問(wèn)題，引入時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，在C/S 執(zhí)行結(jié)構(gòu)、Tomcat 服務(wù)器等多個(gè)硬件應(yīng)用設(shè)備的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在構(gòu)建倒排索引關(guān)系的同時(shí)，計(jì)算出準(zhǔn)確的預(yù)聚合精度值，再通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器接口電路、Tomcat 時(shí)序服務(wù)器3 部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 C/S監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)

C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)是空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心硬件運(yùn)行框架體系，由數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)器層、時(shí)序監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、客戶端層等多個(gè)設(shè)備主機(jī)共同組成。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)位于C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)頂層，可記錄既定監(jiān)測(cè)環(huán)境中空氣分子的實(shí)際分布情況，并可借助兩端相連的數(shù)據(jù)服務(wù)器，對(duì)應(yīng)用服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行定向化控制。時(shí)序監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)位于C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)中部，能夠時(shí)刻感知區(qū)域環(huán)境中空氣分子的實(shí)際流通情況，并可在應(yīng)用服務(wù)器結(jié)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端主機(jī)服務(wù)行為的有效控制[3-4]。底層客戶端主機(jī)包含集成型、獨(dú)立型兩類，前者能夠較好地配合時(shí)序監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際執(zhí)行需求，后者則主要負(fù)責(zé)記錄空氣環(huán)境中氣體傳輸方向、傳輸速率等多項(xiàng)數(shù)值指標(biāo)。C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 C/S監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器接口電路

傳感器接口電路可在C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的作用下，統(tǒng)計(jì)流經(jīng)既定區(qū)域環(huán)境中空氣分子的傳輸電流，并可借助DC 應(yīng)用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序電子參量的調(diào)度與調(diào)節(jié)[5-6]。DC 傳感器位于接口電路的高壓輸入端，能夠根據(jù)單刀多擲開關(guān)的現(xiàn)有連接形式，規(guī)劃空氣分子電流的實(shí)際傳輸方向，從而使C1、C2電容設(shè)備兩端的實(shí)際電壓應(yīng)用需求得到有效滿足。Power 變頻設(shè)備位于傳感器接口電路的變化VCC 端口與GND端口之間，在電阻R1的作用下，可對(duì)C1、C2電容設(shè)備中的輸出電子量進(jìn)行完全整合，再借助既定信道組織，將這些電子信息反饋至周圍空間環(huán)境的空氣分子中[7]。傳感器接口電路示意圖如圖2 所示。

圖2 傳感器接口電路示意圖

1.3 Tomcat時(shí)序服務(wù)器

Tomcat 時(shí)序服務(wù)器存在于空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的客戶端執(zhí)行單元之中，由數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)模塊、用戶信息管理模塊兩部分共同組成。其中，數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)模塊主要是對(duì)區(qū)域環(huán)境中空氣分子及相關(guān)用戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢，用戶端主機(jī)可借助執(zhí)行軟件查詢?cè)摥h(huán)境中空氣污染的具體情況，再借助各項(xiàng)文字、圖表等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)信號(hào)的妥善安排[8-9]。用戶信息管理模塊可根據(jù)客戶端主機(jī)設(shè)置條件的不同，對(duì)已存儲(chǔ)空氣等級(jí)文件進(jìn)行重排處理，再聯(lián)合注冊(cè)賬號(hào)、注冊(cè)密碼等信息，對(duì)區(qū)域環(huán)境中的空氣等級(jí)信息進(jìn)行分析與記錄。Tomcat 時(shí)序服務(wù)器功能如表1所示。

表1 Tomcat時(shí)序服務(wù)器功能

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在相關(guān)硬件執(zhí)行設(shè)備的支持下，按照時(shí)序?qū)ο蟠_定、倒排索引關(guān)系構(gòu)建、預(yù)聚合精度計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，兩相結(jié)合，完成基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 時(shí)序?qū)ο蟠_定

在空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，時(shí)序?qū)ο笫谴髿馕廴痉肿拥娜旅问?，在相同橫、縱時(shí)間坐標(biāo)軸中，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，大氣污染分子數(shù)據(jù)也會(huì)被源源不斷地生產(chǎn)出來(lái)，直至系統(tǒng)核心監(jiān)測(cè)主機(jī)不再具備二次執(zhí)行與應(yīng)用的能力[10]。由于位置劃分區(qū)域?qū)嶋H覆蓋面積的不同，系統(tǒng)所需的監(jiān)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，核心處理主機(jī)所能監(jiān)測(cè)到的空氣污染分子數(shù)量也就越多。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在一個(gè)完整的區(qū)域性空間內(nèi)，隨C/S監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的建立，傳感器接口電路的實(shí)際調(diào)度能力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大傳輸值，且由于Tomcat時(shí)序服務(wù)器的存在，待轉(zhuǎn)存信息參量也可通過(guò)傳輸信道直接反饋至數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)之中，并生成全新的監(jiān)測(cè)信息文件[11-12]。設(shè)e0代表最小的空氣時(shí)序信息定義條件，en代表最大的空氣時(shí)序信息定義條件，n代表既定的空氣時(shí)序信息轉(zhuǎn)存系數(shù)值。聯(lián)立上述物理量，可將空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)序?qū)ο蠖x條件表示為：

2.2 倒排索引關(guān)系構(gòu)建

倒排索引關(guān)系也叫反向索引關(guān)系，是一種極為完善的空氣等級(jí)信息查詢索引方法，可被用于存儲(chǔ)與全文搜索行為相關(guān)的特定數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，并可清晰地表述該文件所屬的存儲(chǔ)位置映射條件。通過(guò)倒排索引的方法，可自由修改已存儲(chǔ)的空氣等級(jí)信息條件，從而生成全新的倒排列型信息文檔列表[13-14]。單詞詞典是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)倒排索引關(guān)系的重要組成條件，可用來(lái)維護(hù)文檔集合中存在的數(shù)據(jù)相關(guān)性能力，同時(shí)可準(zhǔn)確記錄固定節(jié)點(diǎn)處的時(shí)序空氣信息參量。在執(zhí)行搜索指令時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)可根據(jù)倒排索引關(guān)系中的空氣等級(jí)信息條件，確定數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)所具備的實(shí)際存儲(chǔ)權(quán)限，再以此為基礎(chǔ)，制定與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)匹配的指令執(zhí)行強(qiáng)度。設(shè)ΔK代表單位時(shí)間內(nèi)的空氣等級(jí)信息傳輸量，β代表基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將系統(tǒng)倒排索引關(guān)系構(gòu)建公式定義為：

其中，x1代表第一個(gè)空氣等級(jí)信息時(shí)序文件，xn代表第n個(gè)空氣等級(jí)信息時(shí)序文件。

2.3 預(yù)聚合精度計(jì)算

在區(qū)域性空氣監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，有時(shí)并不需要精度值過(guò)高的信息數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用精度值相對(duì)較低的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，更能滿足系統(tǒng)的實(shí)際查詢與監(jiān)測(cè)需求，從而使空氣等級(jí)文件得到良好地分析與處理。通過(guò)降低預(yù)聚合精度的方式，能夠完整保留與時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的歷史空氣等級(jí)信息，在降低存儲(chǔ)成本的同時(shí)，加快信息數(shù)據(jù)的實(shí)際轉(zhuǎn)存速率[15-16]。設(shè)i0代表最小的空氣等級(jí)信息預(yù)聚合條件，in代表最大的空氣等級(jí)信息預(yù)聚合條件，一般情況下，隨系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力的加強(qiáng)，i0與in之間的實(shí)值距離也會(huì)不斷擴(kuò)大，直至能夠完全滿足時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)際存儲(chǔ)需求。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將預(yù)聚合精度計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，f代表既定的空氣等級(jí)信息文件篩選條件，g代表與時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的信息監(jiān)測(cè)系數(shù)。至此，完成了各項(xiàng)軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)元件的支持下，實(shí)現(xiàn)新型空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 應(yīng)用能力檢測(cè)

為驗(yàn)證基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。搭建如圖3 所示的空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，分別將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組控制主機(jī)與該設(shè)備結(jié)構(gòu)體相連，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，分析實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化情況。

圖3 空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)設(shè)備

已知DII 指標(biāo)能夠表示系統(tǒng)所覆蓋的檢測(cè)區(qū)域面積，一般情況下，DII 指標(biāo)越大，系統(tǒng)所覆蓋的檢測(cè)區(qū)域面積也就越大。TII 指標(biāo)能夠表示空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)效等級(jí)，一般情況下，TII 指標(biāo)越大，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)效等級(jí)也就越高。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)值水平。

表2 DII指標(biāo)對(duì)比表

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組DII 指標(biāo)數(shù)值保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了77.6%。對(duì)照組DII 指標(biāo)數(shù)值則始終保持相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到46.8%，與實(shí)驗(yàn)組的極值相比，下降了30.8%。綜上可知，應(yīng)用基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠促進(jìn)DII 指標(biāo)數(shù)值的大幅提升，可使系統(tǒng)檢測(cè)指令所覆蓋的區(qū)域面積不斷增大。

分析表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組TII指標(biāo)數(shù)值保持先上升再下降的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了82.0%。對(duì)照組TII 指標(biāo)數(shù)值則始終保持不斷上升的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到57.4%，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，下降了24.6%。綜上可知，應(yīng)用基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠促進(jìn)TII指標(biāo)數(shù)值的大幅提升，對(duì)提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效等級(jí)起到極強(qiáng)地促進(jìn)作用。

表3 TII指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)空氣等級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在C/S 監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器接口電路等多個(gè)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)體的作用下，確定時(shí)序?qū)ο蟮默F(xiàn)有連接形式，再借助倒排索引關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)聚合精度值的準(zhǔn)確計(jì)算。從實(shí)用性角度來(lái)看，DII 指標(biāo)數(shù)值與TII 指標(biāo)數(shù)值的提升，能夠在擴(kuò)大系統(tǒng)所覆蓋檢測(cè)區(qū)域面積的同時(shí)，促進(jìn)運(yùn)行時(shí)效等級(jí)的不斷提升，具備較強(qiáng)的應(yīng)用可行性。