基于時序數據庫的空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)

郝美薇，王 爽，田潤澤，田雨婷，王貫兵

（1.國網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）

時序數據庫是時間序列數據庫的簡稱，主要被應用于處理具有時間標簽的數據傳輸信息上，通常情況下，也將具有時間標簽的數據信息處理成時間序列型應用數據[1-2]。在時序大數據的處理與存儲過程中，可通過連接關系型數據庫的方式，對信息參量進行重排處理，并可在執(zhí)行數據查找任務的同時，完成對信息傳輸時長的有效控制。在實際應用過程中，由于信息排列的特殊性，時序數據庫能夠最大限度提升傳輸數據的轉存處理能力，相較于傳統(tǒng)關系型數據庫來說，該方法所需的信息存儲空間相對更小，在數據查詢方面所需的實際等待時間也相對更短。

空氣監(jiān)測是一種常見的環(huán)境監(jiān)管手段，可通過測量污染因子濃度的方式，確定地域環(huán)境中的自然環(huán)境等級條件。然而在實際應用過程中，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)始終存在實時性差、區(qū)域性窄的問題，很難實現對自然空氣氛圍的有效保護。為解決此問題，引入時序數據庫，在C/S 執(zhí)行結構、Tomcat 服務器等多個硬件應用設備的支持下，設計一種新型的空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)，在構建倒排索引關系的同時，計算出準確的預聚合精度值，再通過對比實驗的方式，突出該系統(tǒng)的實際應用價值。

1 系統(tǒng)硬件設計

空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構、傳感器接口電路、Tomcat 時序服務器3 部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 C/S監(jiān)測執(zhí)行結構

C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構是空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)中的核心硬件運行框架體系，由數據庫層、數據服務器層、時序監(jiān)測網絡、客戶端層等多個設備主機共同組成。其中，數據庫位于C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構頂層，可記錄既定監(jiān)測環(huán)境中空氣分子的實際分布情況，并可借助兩端相連的數據服務器，對應用服務器主機進行定向化控制。時序監(jiān)測網絡位于C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構中部，能夠時刻感知區(qū)域環(huán)境中空氣分子的實際流通情況，并可在應用服務器結構的作用下，實現對客戶端主機服務行為的有效控制[3-4]。底層客戶端主機包含集成型、獨立型兩類，前者能夠較好地配合時序監(jiān)測網絡的實際執(zhí)行需求，后者則主要負責記錄空氣環(huán)境中氣體傳輸方向、傳輸速率等多項數值指標。C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構示意圖如圖1 所示。

圖1 C/S監(jiān)測執(zhí)行結構示意圖

1.2 傳感器接口電路

傳感器接口電路可在C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構的作用下，統(tǒng)計流經既定區(qū)域環(huán)境中空氣分子的傳輸電流，并可借助DC 應用設備，實現對時序電子參量的調度與調節(jié)[5-6]。DC 傳感器位于接口電路的高壓輸入端，能夠根據單刀多擲開關的現有連接形式，規(guī)劃空氣分子電流的實際傳輸方向，從而使C1、C2電容設備兩端的實際電壓應用需求得到有效滿足。Power 變頻設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C1、C2電容設備中的輸出電子量進行完全整合，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時序服務器

Tomcat 時序服務器存在于空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的客戶端執(zhí)行單元之中，由數據查詢統(tǒng)計模塊、用戶信息管理模塊兩部分共同組成。其中，數據查詢統(tǒng)計模塊主要是對區(qū)域環(huán)境中空氣分子及相關用戶數據信息進行查詢，用戶端主機可借助執(zhí)行軟件查詢該環(huán)境中空氣污染的具體情況，再借助各項文字、圖表等信息，實現對時序數據信號的妥善安排[8-9]。用戶信息管理模塊可根據客戶端主機設置條件的不同，對已存儲空氣等級文件進行重排處理，再聯合注冊賬號、注冊密碼等信息，對區(qū)域環(huán)境中的空氣等級信息進行分析與記錄。Tomcat 時序服務器功能如表1所示。

表1 Tomcat時序服務器功能

2 系統(tǒng)軟件設計

在相關硬件執(zhí)行設備的支持下，按照時序對象確定、倒排索引關系構建、預聚合精度計算的處理流程，實現系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，兩相結合，完成基于時序數據庫的空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)設計。

2.1 時序對象確定

在空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)中，時序對象是大氣污染分子的全新命名形式，在相同橫、縱時間坐標軸中，隨監(jiān)測時間的不斷延長，大氣污染分子數據也會被源源不斷地生產出來，直至系統(tǒng)核心監(jiān)測主機不再具備二次執(zhí)行與應用的能力[10]。由于位置劃分區(qū)域實際覆蓋面積的不同，系統(tǒng)所需的監(jiān)測時間越長，核心處理主機所能監(jiān)測到的空氣污染分子數量也就越多。簡單來說，在一個完整的區(qū)域性空間內，隨C/S監(jiān)測執(zhí)行結構的建立，傳感器接口電路的實際調度能力會在短時間內達到最大傳輸值，且由于Tomcat時序服務器的存在，待轉存信息參量也可通過傳輸信道直接反饋至數據庫主機之中，并生成全新的監(jiān)測信息文件[11-12]。設e0代表最小的空氣時序信息定義條件，en代表最大的空氣時序信息定義條件，n代表既定的空氣時序信息轉存系數值。聯立上述物理量，可將空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的時序對象定義條件表示為：

2.2 倒排索引關系構建

倒排索引關系也叫反向索引關系，是一種極為完善的空氣等級信息查詢索引方法，可被用于存儲與全文搜索行為相關的特定數據節(jié)點信息，并可清晰地表述該文件所屬的存儲位置映射條件。通過倒排索引的方法，可自由修改已存儲的空氣等級信息條件，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)測系統(tǒng)倒排索引關系的重要組成條件，可用來維護文檔集合中存在的數據相關性能力，同時可準確記錄固定節(jié)點處的時序空氣信息參量。在執(zhí)行搜索指令時，系統(tǒng)監(jiān)測主機可根據倒排索引關系中的空氣等級信息條件，確定數據庫主機所具備的實際存儲權限，再以此為基礎，制定與監(jiān)測系統(tǒng)匹配的指令執(zhí)行強度。設ΔK代表單位時間內的空氣等級信息傳輸量，β代表基于時序數據庫的數據監(jiān)測系數，聯立式（1），可將系統(tǒng)倒排索引關系構建公式定義為：

其中，x1代表第一個空氣等級信息時序文件，xn代表第n個空氣等級信息時序文件。

2.3 預聚合精度計算

在區(qū)域性空氣監(jiān)測場景中，有時并不需要精度值過高的信息數據點，使用精度值相對較低的數據存儲方法，更能滿足系統(tǒng)的實際查詢與監(jiān)測需求，從而使空氣等級文件得到良好地分析與處理。通過降低預聚合精度的方式，能夠完整保留與時序數據庫相關的歷史空氣等級信息，在降低存儲成本的同時，加快信息數據的實際轉存速率[15-16]。設i0代表最小的空氣等級信息預聚合條件，in代表最大的空氣等級信息預聚合條件，一般情況下，隨系統(tǒng)監(jiān)測能力的加強，i0與in之間的實值距離也會不斷擴大，直至能夠完全滿足時序數據庫的實際存儲需求。在上述物理量的支持下，聯立式（2），可將預聚合精度計算結果表示為：

其中，f代表既定的空氣等級信息文件篩選條件，g代表與時序數據庫相關的信息監(jiān)測系數。至此，完成了各項軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在時序數據庫元件的支持下，實現新型空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的順利應用。

3 應用能力檢測

為驗證基于時序數據庫空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的實際應用價值，設計如下對比實驗。搭建如圖3 所示的空氣等級監(jiān)測設備，分別將實驗組、對照組控制主機與該設備結構體相連，其中實驗組主機搭載基于時序數據庫空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)，對照組主機搭載傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在相同實驗環(huán)境中，分析實驗組、對照組相關實驗指標的具體變化情況。

圖3 空氣等級監(jiān)測設備

已知DII 指標能夠表示系統(tǒng)所覆蓋的檢測區(qū)域面積，一般情況下，DII 指標越大，系統(tǒng)所覆蓋的檢測區(qū)域面積也就越大。TII 指標能夠表示空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)的運行時效等級，一般情況下，TII 指標越大，系統(tǒng)的實際運行時效等級也就越高。表2 記錄了實驗組、對照組的具體實驗數值水平。

表2 DII指標對比表

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組DII 指標數值保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達到了77.6%。對照組DII 指標數值則始終保持相對穩(wěn)定的波動變化狀態(tài)，全局最大值僅能達到46.8%，與實驗組的極值相比，下降了30.8%。綜上可知，應用基于時序數據庫空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)，能夠促進DII 指標數值的大幅提升，可使系統(tǒng)檢測指令所覆蓋的區(qū)域面積不斷增大。

分析表3 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組TII指標數值保持先上升再下降的變化趨勢，全局最大值達到了82.0%。對照組TII 指標數值則始終保持不斷上升的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達到57.4%，與實驗組極大值相比，下降了24.6%。綜上可知，應用基于時序數據庫空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)，能夠促進TII指標數值的大幅提升，對提升監(jiān)測系統(tǒng)運行時效等級起到極強地促進作用。

表3 TII指標對比表

4 結束語

與傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相比，基于時序數據庫空氣等級監(jiān)測系統(tǒng)可在C/S 監(jiān)測執(zhí)行結構、傳感器接口電路等多個硬件執(zhí)行結構體的作用下，確定時序對象的現有連接形式，再借助倒排索引關系，實現對預聚合精度值的準確計算。從實用性角度來看，DII 指標數值與TII 指標數值的提升，能夠在擴大系統(tǒng)所覆蓋檢測區(qū)域面積的同時，促進運行時效等級的不斷提升，具備較強的應用可行性。