一種基于滑動窗口控制數據處理的雙機冗余機制研究

朱敬華

（國華徐州發電有限公司，江蘇徐州221166）

0 引言

隨著我國環保形勢日趨嚴峻，環境保護要求也日益提高，作為主要環境污染因子的SO2、NOx、煙塵等指標成為重點關注對象，而火力發電企業作為這幾項指標的排放大戶，也面臨著污染物排放考核的各方壓力。伴隨著2011版《大氣污染物排放標準》的頒布和實施，江蘇省迎來了一輪又一輪的環保設施改造高峰期，相關考核政策和措施也相繼出臺，對于發電企業來說，壓力和動力并存。因此，如何保障環保數據傳輸系統的穩定可靠運行成為當前實踐研究的熱點。鑒于此，本文提出了一種基于滑動窗口控制數據處理的雙機冗余機制，其能為數據傳輸提供保障，并在生產系統中實現了部署應用。

現有的環保數據傳輸系統采用的是單通道傳輸機制，這種機制在系統發生故障時，只有通過人工干預，才能對系統進行修復，這既影響了環保數據的正常傳輸，又對系統的運維人員造成很大的壓力。雙機冗余機制可以很好地解決系統運行時的單點故障問題，但是如何實現故障的實時感知，如何進行故障的無感切換，在故障恢復時如何進行傳輸通道的還原，都是在實現雙機冗余機制時面臨的挑戰難點。本文對上述幾個問題進行了深入的分析研究，提出了一種有效的解決方案，并在生產系統中進行了應用。

1 硬件架構

雙機冗余機制的硬件架構如圖1所示，主數據采集單元與冗余數據采集單元同時從SIS服務器中采集環保數據，并且兩個采集單元之間形成采集通道的冗余，把采集到的數據經調度網絡交換機傳輸至電力調度網絡。

主數據采集單元，包含SIS側采集服務器1、隔離裝置1、調度側采集服務器1，是數據采集傳輸的主要通道。

冗余數據采集單元，包含SIS側采集服務器2、隔離裝置2、調度側采集服務器2，是數據采集傳輸的備用通道。

2 軟件平臺

冗余機制的軟件平臺如圖2所示，主要包含心跳偵測模塊、參數配置模塊、數據處理模塊、冗余控制模塊、自動報警模塊、監控模塊共6個模塊。

圖1 雙機冗余機制的硬件架構

（1）心跳偵測模塊。該模塊是整個冗余機制的基礎，主要完成熱備雙機之間的心跳偵測和保活判斷，為了保證雙機心跳的實時性，設計該功能作為最高優先級任務運行，避免被其他任務搶占。

（2）參數配置模塊。該模塊實現雙機冗余機制的軟件平臺的運行參數配置，包括故障切換的敏捷性、自動報警模塊的告警接受人等。

（3）數據處理模塊。該模塊實現對雙通道采集的冗余數據進行消冗余處理，使得最終傳送至省調側的數據只是一份，不影響考核。

（4）冗余控制模塊。該模塊實現雙機主從運行模式的自動判斷和故障狀態下主從模式的自動切換功能。

（5）自動報警模塊。該模塊把通道運行的情況以報警的方式告知用戶，保證在主通道發生故障時，用戶可以及時知道并進行處理，以防止二次故障發生導致的數據傳輸中斷。

（6）監控模塊。該模塊實現對通道的監控以及對環保數據傳輸情況的監控。

圖2 冗余機制的軟件平臺

3 基于滑動窗口控制的數據處理算法

滑動窗口（Sliding window）是一種流量控制技術。早期的網絡通信中，通信雙方往往不會考慮網絡的擁擠情況，都是直接發送數據。由于大家不知道網絡擁塞狀況，同時發送數據，造成中間節點阻塞掉包，誰也發不了數據，所以就有了滑動窗口機制來解決此問題。本文借鑒滑動窗口的思路，設置實時傳輸的環保數據測點的緩沖時間段，對在滑動時間窗口內的數據進行消重處理，以此來保證數據既不會丟失，又不會重復發送。

基于滑動窗口控制的數據處理算法是針對數據傳輸的雙機冗余業務設計的，通過監控兩個通道的數據，并對其進行消重以實現數據的高可靠傳輸。消重監控程序的核心是設計了基于滑動時間窗口的算法，該算法不僅實現了數據的消重，同時也保證了數據的實時傳輸，其實現原理如圖3所示。

圖3 基于滑動窗口控制的數據處理算法實現原理

（1）當接收到通道發送過來的測點時，在緩沖池中搜索該測點的標志，如果緩沖池中沒有，就把測點及相應時間戳發往省調網絡，并存入緩沖池；如果緩沖池中有該測點，則把測點及相應時間戳發往省調網絡，并更新緩沖池中該測點的時間戳。

（2）滑動時間窗口，檢查緩沖池中已有測點與最新時間戳的差值，如果大于時間窗大小t，向前滑動時間窗口，把該測點從緩沖池中刪除；如果小于時間窗大小t，則保持時間窗口位置不變。

基于滑動窗口控制的數據處理算法具體實現思路如下：

（1）在隊列Q中使用雙指針的左右指針技巧，初始化left=right=0，把索引的閉合區間[left，right]稱為一個“窗口”，其中隊列中的元素就是按順序排列的環保數據上傳的每個測點。

（2）不斷增加right指針的值，擴大窗口[left，right]，直到窗口中的總體冗余測點數量滿足預設的比例r。

（3）符合要求后，停止增加right，轉而增加left指針來縮小窗口[left，right]，直到窗口中的測點數據不再滿足時間刷新的要求。注意，每次增加left，都要更新一輪結果。

（4）重復第2步和第3步，直到right到達隊列Q的盡頭或者滿足一次完整上傳的測點全部上傳完成。

4 結語

目前，本文提出的基于滑動窗口控制數據處理的雙機冗余機制已經在國華徐州發電有限公司進行部署應用，實際應用表明，本文提出的機制可以有效保證環保數據傳輸的穩定性，提高通道故障時的響應處理速度，針對冗余通道設計的數據處理算法可以有效保證實時數據的唯一性，保障環保數據雙通道傳輸系統的正常運行。