一種高效的工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí)間戳壓縮算法

孫景樂 許元元

摘要：該文針對工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出一種時(shí)間戳壓縮算法，僅使用參考時(shí)間和數(shù)據(jù)時(shí)間戳的秒和毫秒數(shù)值即可記錄完整的時(shí)間戳信息。該算法可以使工業(yè)控制系統(tǒng)中的時(shí)間戳數(shù)據(jù)壓縮為原來的四分之一。該時(shí)間戳壓縮算法有效減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，提升了工業(yè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和容量。

關(guān)鍵詞：時(shí)間戳;壓縮;工業(yè)控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0063-00

1前言

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)一般包含三個基本要素：數(shù)值、時(shí)間戳和質(zhì)量碼。數(shù)據(jù)指傳感器采集的實(shí)際數(shù)值，例如溫度為300攝氏度，壓力為1.5兆帕;時(shí)間戳用來記錄采集數(shù)據(jù)的時(shí)刻，精度一般毫秒即可;質(zhì)量碼用來表征數(shù)據(jù)的可信度。關(guān)于工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮的算法[1-2]比較多，但基本都是基于數(shù)值的。時(shí)間戳在數(shù)據(jù)的三要素中占用很大比例，如何在不丟失時(shí)間信息的前提下，減少時(shí)間戳的數(shù)據(jù)量是工業(yè)控制系統(tǒng)需要解決問題。

工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集都是周期性的，采集周期一般在秒或毫秒級別。采集頻率較高時(shí)，為了提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，一般將多個采集周期的數(shù)據(jù)打包后傳輸?shù)缴蠈討?yīng)用，傳輸周期一般在500毫秒以上。在一個傳輸周期內(nèi)，數(shù)據(jù)包會包含多個采集周期的數(shù)據(jù)，但同一個數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)的時(shí)間戳差別僅體現(xiàn)在秒或毫秒級別上，其中“年月日時(shí)分”的數(shù)值都是相同的。如果有1萬個監(jiān)測點(diǎn)，那么就有1萬次重復(fù)的“年月日時(shí)分”，這樣造成傳輸數(shù)據(jù)量增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加。本文提出一種簡化時(shí)間戳壓縮算法，可以極大減少時(shí)間戳的數(shù)據(jù)量，有效降低網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)效率。

2時(shí)間戳壓縮算法

2.1簡化時(shí)間戳的定義

無論是Windows系統(tǒng)使用的FILETIME①結(jié)構(gòu)，還是Linux平臺使用struct timeval②結(jié)構(gòu)，都至少需要8個字節(jié)才能表示一個完整的時(shí)間戳[3-5]。對于重復(fù)的“年月日時(shí)分”部分，可以只保留一份，秒的最大數(shù)值為59，占用1個字節(jié)，毫秒的最大數(shù)值為999，需要2個字節(jié)，所以保留秒和毫秒信息仍然需要3個字節(jié)。本文提出的簡化時(shí)間戳僅需要2個字節(jié)即可表示一個數(shù)據(jù)時(shí)間戳的秒和毫秒的信息，且時(shí)間信息不丟失，可還原完整時(shí)間戳。使用簡化時(shí)間戳記錄數(shù)據(jù)時(shí)的基本步驟如下。

1）數(shù)據(jù)采集時(shí)只記錄采集時(shí)刻的秒和毫秒數(shù)值。

2）用總毫秒數(shù)表示秒和毫秒的數(shù)值，即總毫秒數(shù)=秒數(shù)值×1000+毫秒數(shù)值。

1分鐘有60秒，所以該數(shù)值最大值不超過6000，一個無符號16位整數(shù)的表示范圍為0～65535，所以使用無符號16位整數(shù)即可記錄該時(shí)間戳數(shù)值。無符號16位數(shù)僅占用2個字節(jié)（1字節(jié)包含8個比特位）。

3）數(shù)據(jù)包中包含一個完整的時(shí)間戳作為參考時(shí)間，一般采用數(shù)據(jù)打包的時(shí)刻。該時(shí)間戳作為參考時(shí)間，用于應(yīng)用層面還原數(shù)據(jù)的完整時(shí)間戳。

下面給出使用簡化時(shí)間戳記錄數(shù)據(jù)時(shí)間戳的示例：

示例1：

假如數(shù)據(jù)1采集時(shí)刻為“2022-1-9 13：21：15.368”（數(shù)值和質(zhì)量碼不在本文的討論范圍，僅考慮時(shí)間戳），數(shù)據(jù)1的采集時(shí)刻可以記為：15368毫秒（15秒×1000+368），占用2個字節(jié)。

數(shù)據(jù)2采集時(shí)刻為“2022-1-9 13：20：56.039”，則其簡化時(shí)間戳為56039秒。后續(xù)數(shù)據(jù)3、數(shù)據(jù)4都按照此方法記錄。

在“2022-1-9 13：21：16.368”時(shí)刻數(shù)據(jù)打包并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。那么打包時(shí)刻 “2022-1-9 13：21：16.368” 即可作為的參考時(shí)間（占8個字節(jié)）。

2.2 數(shù)據(jù)量降低效果分析

按照常規(guī)時(shí)間戳定義數(shù)據(jù)格式如表1所示。而采用簡化時(shí)間戳后的數(shù)據(jù)格式定義如表2所示。對比兩個表中的灰度背景的行可知，每個數(shù)據(jù)減少2個字節(jié)，但多出一個8字節(jié)（表1中斜體部分）。

常規(guī)時(shí)間戳表示方法需要8個字節(jié)，采用簡化時(shí)間戳僅需要2個字節(jié)，是常規(guī)時(shí)間戳的四分之一。一個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)可節(jié)約6個字節(jié)。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，根據(jù)點(diǎn)的類型不同，數(shù)據(jù)采集周期也不同，開關(guān)量一般在50毫秒到500毫秒之間，模擬量一般在200毫秒到1秒之間。數(shù)據(jù)采集后并不是立刻發(fā)送，而是需要累積一段時(shí)間再發(fā)送到二層，這個周期稱為發(fā)送周期，發(fā)送周期一般為500毫秒到2秒。對于同一個采集點(diǎn)，一個發(fā)送周期的數(shù)據(jù)包中包含了多次的采集數(shù)據(jù)。對于大型工業(yè)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可達(dá)10萬個，那么一個數(shù)據(jù)包可包含大約40萬個采集數(shù)據(jù)。1萬點(diǎn)則可節(jié)省6萬個字節(jié)，對于整個數(shù)據(jù)包可節(jié)約240萬字節(jié)，約2.3M數(shù)據(jù)量，壓縮效果非?？捎^。參考時(shí)間雖然需要占用8個字節(jié)，但是整個數(shù)據(jù)包中僅需要一個參考時(shí)間，可忽略不計(jì)。所以簡化時(shí)間戳對于降低時(shí)間戳數(shù)據(jù)量效果非常明顯。

2.3設(shè)計(jì)約束

簡化時(shí)間戳僅適用于數(shù)據(jù)的時(shí)間戳變化范圍在1分鐘之內(nèi)的應(yīng)用場景，如圖 1所示，L表示基準(zhǔn)時(shí)間左邊的調(diào)節(jié)范圍，R表示基準(zhǔn)時(shí)間右邊的調(diào)節(jié)范圍，且L+R=60秒。工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集周期一般都在500毫秒到5秒范圍內(nèi)，所以一次數(shù)據(jù)傳輸中，所有數(shù)據(jù)的變化范圍一定在60秒以內(nèi)，是可以使用簡化時(shí)間戳表示。如果變化范圍超過1分鐘，則無法正確還原原始時(shí)間戳。原因就是每分鐘都會有某個時(shí)刻的秒和毫秒時(shí)間，如果不限定一分鐘內(nèi)，則無法確定是哪個分鐘的秒和毫秒。時(shí)間戳還原方法在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹。

3時(shí)間戳還原算法

3.1簡化時(shí)間戳還原算法

還原算法的基本思路是，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，確定L的值，根據(jù)約束等式L+R = 60，如圖 1所示，R即可確定。假設(shè)Tb為基準(zhǔn)參考時(shí)間，Tb1為基準(zhǔn)時(shí)間的“年月日時(shí)分“部分的數(shù)值③，Tb2表示為基準(zhǔn)時(shí)間的”秒毫秒“部分的數(shù)值，Ts表示簡化時(shí)間戳的總毫秒數(shù)值，用Tr表示還原后的完整時(shí)間戳。詳細(xì)步驟如下：0903A774-C8CA-488F-964C-45596FCBF1E3

1）計(jì)算分離Ts中的秒Ts_s和毫秒數(shù)值Ts_ms;

Ts_s =? Ts÷1000 ?，此處為向下取整運(yùn)算。

Ts_ms = Ts mod 1000 ，此處為取模運(yùn)算

2）取出基準(zhǔn)時(shí)間中的“年月日時(shí)分“部分的數(shù)值Tb1;

3）用Tb1、Ts_s和Ts_ms組合成一個新的臨時(shí)完整時(shí)間戳Tt，并讓Tr=Tt;

4）取出基準(zhǔn)時(shí)間Tb中的秒和毫秒的數(shù)值，并轉(zhuǎn)化為毫秒數(shù)Tb2;

Tb2 = 秒×1000+毫秒

5）修正Tr的結(jié)果

如果Tb2 < Ts，且 （Ts – Tb2） ≥ R×1000，則

Tr=Tt – 60秒

如果Tb2 > Ts，且 （Tb2 - Ts） > L×1000，則

Tr=Tt+60秒

6）輸出Tr為最終還原的完整時(shí)間戳

下面通過示例講述簡化時(shí)間戳的還原過程。

示例3：

本示例以示例1中的數(shù)據(jù)為輸入，即Ts為15368毫秒，Tb為“2022-1-9 13：21：16.368”。此時(shí)，Tb1為2022-1-9 13：21，Tb2為16368毫秒。假定L=50秒，那么R=10秒。那么還原過程為：

根據(jù)步驟1）可得到，Ts_s=? 15368÷1000 ? =15秒，Ts_ms=15368 mod 1000=368毫秒;

根據(jù)步驟2）可得Tb1=“2022-1-9 13：21”;

根據(jù)步驟3），將Tb1與Ts_s、Ts_ms合并為一個新的完整時(shí)間Tr=Tt=“2022-1-9 13：21：15.368”;

按照步驟4）可計(jì)算得到Tb2=16×1000+368=16368毫秒;

步驟5）中，由于兩個條件都不滿足，不需要修正。最終還原的完整時(shí)間戳為“2022-1-9 13：21：15.368”。

對于數(shù)據(jù)2的時(shí)間戳，Ts=56039毫秒，在還原的時(shí)候，步驟1）到步驟4）的計(jì)算過程都一樣，步驟4）執(zhí)行完成后，Tr=Tt=“2022-1-9 13：21：56.039”，實(shí)際原始時(shí)間戳為“2022-1-9 13：20：56.039”，分鐘數(shù)值多了一分鐘，與實(shí)際不符合。該錯誤可在步驟5）中得到糾正。前面的步驟可計(jì)算Tb2=16368毫秒，滿足Tb2

3.2 L和R取值討論

前面討論過，該簡化方法使用于數(shù)據(jù)波動時(shí)間范圍小于1分鐘，L與R的取值需要視具體的使用場景進(jìn)行調(diào)整。示例2中設(shè)置L=50秒，是考慮到數(shù)據(jù)都是在打包時(shí)刻之前進(jìn)行采集的，所以L值可設(shè)定偏大一些。如果數(shù)據(jù)是在設(shè)置好參考時(shí)間后進(jìn)行采集，那么數(shù)據(jù)的時(shí)間戳偏差都在參考時(shí)間右邊，此種場景則可設(shè)置L=10秒，那么R=50秒。所以L和R的值不是固定不變的，需要根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整。

4結(jié)論

本文根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，提出簡化時(shí)間戳方法，并給出時(shí)間戳還原的詳細(xì)步驟。使用簡化時(shí)間戳，可以使時(shí)間戳數(shù)據(jù)變?yōu)樵瓉淼乃姆种?，大大減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

注釋：

① Windows平臺的時(shí)間格式中的一種，使用一個64位整數(shù)（分為低32位和高32位）記錄距離1601年1月1日零時(shí)零分零秒時(shí)刻的100納秒數(shù).

② Linux平臺使用的時(shí)間格式，分為兩部分，其中tv_sec是有符號32位整數(shù)，記錄距離1970年1月1日的秒數(shù)，tv_usec是有符號32位整數(shù)，記錄相對于tv_sec下的微秒數(shù).

③ 此處為了敘述方便，使用更直觀的“年月日時(shí)分”敘述，實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)時(shí)使用的是對應(yīng)平臺的時(shí)間格式（FILETIME或struct timeval）.

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