基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

郭瑋， 張鐵剛， 林清， 周志糯， 唐蔚海

(海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息通信分公司， 海南， 海口 570203)

0 引言

國(guó)內(nèi)對(duì)于數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化研究與國(guó)際上基本是一致的，但是國(guó)內(nèi)在其他領(lǐng)域中的運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究起步比較晚[1]，國(guó)外公司都是獨(dú)立運(yùn)行自己的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，使其在各個(gè)行業(yè)中都可以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，并普遍應(yīng)用到虛擬化網(wǎng)絡(luò)中[2]。近兩年以來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化研究開始逐漸開始重視，因此，使得數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)入到快速發(fā)展的時(shí)期[3]。其中，徐良寅等[4]為了設(shè)計(jì)千萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模有限元可視化系統(tǒng)，提出了可視化算法、千萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計(jì)方案，在千萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模有限元可視化效率方面具有非常高的優(yōu)越性；魯東民等[5]提出了網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，不僅豐富了林業(yè)資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化方式，還可以有效表達(dá)出林業(yè)資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間分布性，從而提高林業(yè)資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化程度。

基于以上背景，本文將三維建模應(yīng)用到了數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以提高數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化效果。

1 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字化機(jī)房視圖業(yè)務(wù)模塊設(shè)計(jì)

以建筑物和數(shù)字化機(jī)房的分類關(guān)系為依據(jù)，構(gòu)建導(dǎo)航樹，其中，使用者可以根據(jù)運(yùn)維數(shù)據(jù)的實(shí)際業(yè)務(wù)關(guān)系，選擇左邊的導(dǎo)航樹來(lái)定位某一數(shù)字化機(jī)房，或從其他業(yè)務(wù)視圖跳轉(zhuǎn)到數(shù)字化機(jī)房視圖；機(jī)房視圖可以顯示數(shù)字化機(jī)房?jī)?nèi)的所有機(jī)房箱柜和設(shè)備，并在此視圖中監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)[6]；告警列表可以顯示數(shù)字化機(jī)房?jī)?nèi)的所有告警信息，以方便分析人員在查看某些告警功能時(shí)忽略來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)或視圖的異常信息。數(shù)字化機(jī)房視圖業(yè)務(wù)模塊如圖1所示。

圖1 數(shù)字化機(jī)房視圖業(yè)務(wù)模塊圖

1.2 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化工作流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化工作流程

數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化模塊在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期內(nèi)，經(jīng)歷了用戶請(qǐng)求發(fā)送階段，直到數(shù)據(jù)運(yùn)維結(jié)束。在數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化展示部分，首先需要加載一個(gè)可視化腳本工具和其他數(shù)據(jù)資源包，等待其他數(shù)據(jù)資源加載完成后，進(jìn)入運(yùn)維數(shù)據(jù)的處理階段。

運(yùn)維數(shù)據(jù)處理完成之后，根據(jù)用戶的實(shí)際需求，有針對(duì)性地選擇數(shù)據(jù)可視化方法，調(diào)用瀏覽器引擎構(gòu)建可視化內(nèi)容，并為用戶前端操作提供接口支持，完成數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化流程。

2 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)測(cè)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)

由于不同數(shù)字化機(jī)房所處的環(huán)境是不同的，為了提高運(yùn)維數(shù)據(jù)精度，減輕系統(tǒng)服務(wù)器端的壓力，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，先預(yù)測(cè)數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維狀態(tài)[7-8]。數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維狀態(tài)的步驟如下。

Step1 登錄數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，選擇某一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的歷史表信息，點(diǎn)擊查詢按鈕，將查詢結(jié)果作為運(yùn)維數(shù)據(jù)樣本，將其儲(chǔ)存在公共變量中。

Step2 將運(yùn)維數(shù)據(jù)樣本X={x1,x2,…,xn}整合處理，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，計(jì)算運(yùn)維數(shù)據(jù)的順序漲幅百分比：

(1)

Step3 將運(yùn)維數(shù)據(jù)初始化處理，構(gòu)建運(yùn)維數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本，設(shè)置數(shù)據(jù)的輸入維度d、滑動(dòng)步數(shù)v以及張量?jī)?chǔ)存等；

Step4 設(shè)置少量運(yùn)維數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本作為測(cè)試數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)證已訓(xùn)練模型；

Step5 優(yōu)化預(yù)測(cè)算法，假設(shè)運(yùn)維數(shù)據(jù)收斂過(guò)程中的迭代次數(shù)為t，那么預(yù)測(cè)算法的優(yōu)化描述為

sdw=βdw+(1-β)dW2

(2)

sdb=βdb+(1-β)db2

(3)

(4)

(5)

其中，sdw、sdb表示前一次迭代的梯度動(dòng)量，β表示梯度累積指數(shù)，W表示權(quán)重，b表示偏置值。

Step6 訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，并對(duì)部分運(yùn)維數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行預(yù)測(cè)。

Step7 整合使用運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化框架，對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)樣本、數(shù)據(jù)訓(xùn)練過(guò)程以及預(yù)測(cè)信息進(jìn)行可視化處理。

為了提高運(yùn)維數(shù)據(jù)精度減輕系統(tǒng)服務(wù)器端的壓力，預(yù)測(cè)了數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)，接下來(lái)通過(guò)提取數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征，來(lái)解決數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化問(wèn)題。

2.2 提取數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征

在預(yù)測(cè)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取數(shù)據(jù)的三維建模特征。分解預(yù)測(cè)過(guò)程中的運(yùn)維數(shù)據(jù)，求解得到數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化譜特征的最佳采集點(diǎn)nb之間的長(zhǎng)度，得到了數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化三維模型特征提取函數(shù)，即：

(6)

F=a·f(X)+b

(7)

其中，a表示三維建模特征的分解系數(shù)，以數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的幅值作為有效特征量，提取出數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征，接下來(lái)通過(guò)建立數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化重構(gòu)模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化。

2.3 建立數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化重構(gòu)模型

根據(jù)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征，進(jìn)行數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化。假設(shè)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的聚類簇Mi和Mj的中心距離為clustdist(Mi,Mj)，采用三維建模技術(shù)，得到數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的重構(gòu)空間為

FP[x(t)ejwτ]=Xp(F-vsina)

(8)

其中，Xp表示運(yùn)維數(shù)據(jù)的譜分析特征。采用自適應(yīng)篩選對(duì)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行特征壓縮，構(gòu)建數(shù)字化機(jī)房狀態(tài)監(jiān)測(cè)的統(tǒng)計(jì)特征量：

(9)

其中，Ts表示數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的分布時(shí)間間隔，δ(t-iTs)表示沖激響應(yīng)函數(shù)，ai(t)表示運(yùn)維數(shù)據(jù)的采樣幅值。定義數(shù)字化機(jī)房狀態(tài)監(jiān)測(cè)異常信號(hào)分布特征空間成分為D=(dγ)γ∈Γ，假設(shè)運(yùn)維數(shù)據(jù)的非線性成分為f(X)，那么則必須滿足：

‖f(X)-f(Y)‖≤N‖X-Y‖

(10)

其中，f(Y)是運(yùn)維數(shù)據(jù)Y的N倍融合系數(shù)，得到數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的輸出特征分量：

(11)

(12)

通過(guò)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)數(shù)字化機(jī)房視圖業(yè)務(wù)模塊和可視化模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化，輸出的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的誤差為

(13)

采用時(shí)間序列分析可視化重構(gòu)了數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征提取結(jié)果，重構(gòu)了運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化模型，表示為

(14)

為了提高運(yùn)維數(shù)據(jù)精度減輕系統(tǒng)服務(wù)器端的壓力，本次設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)了數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)，以數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的幅值作為有效特征量，提取出數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維建模特征，通過(guò)建立數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化重構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化性能，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，將文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)以及提出的可視化系統(tǒng)建立在仿真軟件上，對(duì)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)維數(shù)據(jù)的采樣長(zhǎng)度為1 024，采樣帶寬為200 dB，數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的采樣截止頻率為100 kHz，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)定，從數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率和安全系數(shù)兩個(gè)方面，測(cè)試了3個(gè)數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的性能。

3.1 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維效率測(cè)試

數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1的測(cè)試結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[4]方法由于可視化模塊的實(shí)現(xiàn)效果不理想，造成數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率偏低，經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)可以使數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率平均值控制在73.255%；文獻(xiàn)[5]方法能夠預(yù)測(cè)到數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維數(shù)據(jù)，但是無(wú)法提取出運(yùn)維數(shù)據(jù)的特征，導(dǎo)致數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率平均值只有48.784%；但是基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，使數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率大大提高，其在10次迭代中，運(yùn)維效率測(cè)試結(jié)果皆保持在95%以上，整體可重復(fù)性較高。

表1 數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)維效率測(cè)試結(jié)果

3.2 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)運(yùn)行效率測(cè)試

由于系統(tǒng)的運(yùn)行能耗越低，說(shuō)明運(yùn)行時(shí)的效率越高，也就可以證明數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的三維可視化效果更好，為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，測(cè)試了3個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)字化機(jī)房的運(yùn)行能耗測(cè)試結(jié)果

從圖3的測(cè)試結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的運(yùn)行能耗大約為36%，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的運(yùn)行能耗大約為8%，然而基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗只有5%，系統(tǒng)運(yùn)行能耗越低，說(shuō)明占用系統(tǒng)的內(nèi)存越少，采用基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化效果比較好，在數(shù)字化機(jī)房中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

4 總結(jié)

本文提出了基于三維建模的數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)研究，結(jié)果顯示，該可視化系統(tǒng)可以提高數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化效果，具有良好的應(yīng)用前景。

但是該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分是從模塊化的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，要想提高系統(tǒng)的性能，還要改進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路，即對(duì)讀寫器和電子標(biāo)簽電路進(jìn)行ADS仿真和Multisim仿真，使其優(yōu)化輸電線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化效果。