1 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮必要性
為了能夠及時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，在屏幕上生動(dòng)形象地顯示樓宇中各種設(shè)備的參數(shù)，同時(shí)保存歷史數(shù)據(jù)，為將來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)配置、合理配置大廈中設(shè)備的參數(shù)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的趨勢(shì)、檢查錯(cuò)誤等方面提供參考。隨著監(jiān)控軟件的發(fā)展，對(duì)于大型系統(tǒng)，現(xiàn)在軟件一般可以支持對(duì)10萬(wàn)個(gè)變量的監(jiān)控，巨大的數(shù)據(jù)量對(duì)于運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)提出了更高的要求。對(duì)于一個(gè)具有2000個(gè)變量的中型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，則一個(gè)小時(shí)之后，2000個(gè)變量的數(shù)據(jù)量將達(dá)到30M左右。一般監(jiān)控軟件需要24h連續(xù)運(yùn)行，歷史數(shù)據(jù)一般需要保存一年時(shí)間，對(duì)于普通的微機(jī)來(lái)說(shuō)沒(méi)有那么大的存儲(chǔ)空間。而且隨著組態(tài)軟件網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，為了在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，也必須先將數(shù)據(jù)壓縮，再進(jìn)行傳輸，否則巨大的數(shù)據(jù)包將造成系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的等待，影響系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。
2 現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式
現(xiàn)在監(jiān)控軟件普遍針對(duì)監(jiān)控對(duì)象的特點(diǎn)，采用定時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，按照變量的靈敏度存儲(chǔ)，或者只是存儲(chǔ)報(bào)警數(shù)據(jù)等方法，這些方法大大壓縮了數(shù)據(jù)所占用的存儲(chǔ)空間。但是定時(shí)存儲(chǔ)并不能得知時(shí)間間隔之間變量的變化情況，對(duì)于歷史趨勢(shì)圖繪制來(lái)說(shuō)，為了以后數(shù)據(jù)計(jì)算的需要，也不允許時(shí)間間隔太長(zhǎng)；而按照靈敏度存儲(chǔ)雖然能解決像溫度等慢時(shí)變信號(hào)的壓縮存儲(chǔ)問(wèn)題，但是不能得到靈敏度變化范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，對(duì)于像正(余)弦變化的電信號(hào)是不能達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮目的的。而且這些方法也不能解決網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送的要求。
3 樓宇智能控制中數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及壓縮的可行性
智能樓宇中監(jiān)控的設(shè)備主要是中央空調(diào)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、供電和給排水等系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
這些系統(tǒng)中存在著大量如溫度、流量等慢時(shí)變的被控對(duì)象，在控制系統(tǒng)運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，這些被控對(duì)象的數(shù)值變化不是太大，一般不會(huì)超過(guò)給定值的5％，也就是說(shuō)對(duì)于一個(gè)20℃左右的信號(hào)來(lái)說(shuō)，在記錄設(shè)備狀態(tài)的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中，只有小數(shù)點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)在變化，而整數(shù)部分基本上是不變的，或者說(shuō)數(shù)據(jù)的整數(shù)部分都相同。這樣將整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是比較浪費(fèi)，如果采用只記錄與給定值偏差的方式記錄數(shù)據(jù)，使用少數(shù)的幾位記錄偏差，則能有效壓縮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。而且在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，對(duì)溫度的測(cè)量精度一般只達(dá)到0．1℃就能滿足控制系統(tǒng)對(duì)精度的要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)的濾波處理，對(duì)于穩(wěn)定的溫度信號(hào)來(lái)說(shuō)，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太大的變化。這些情況說(shuō)明，在記錄的數(shù)據(jù)中存在著大量的數(shù)據(jù)冗余，是可以大比例壓縮的。
在智能樓宇監(jiān)控中另一種比較典型的監(jiān)控對(duì)象是像電信號(hào)這種有規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，雖然每次數(shù)據(jù)有很大的變化，但是數(shù)據(jù)之間存在著巨大的相關(guān)性，完全可以根據(jù)前面的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)將要到來(lái)信號(hào)的數(shù)值，當(dāng)然實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值有一定的偏差，如果只記錄偏差量，就可以通過(guò)少數(shù)幾位記錄數(shù)據(jù)，減少了存儲(chǔ)的空間。
4 數(shù)據(jù)壓縮算法
數(shù)據(jù)壓縮理論起源于仙農(nóng)的信息論，使用熵的概念確定信息量的大小。根據(jù)可逆性，壓縮過(guò)程分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩種。在智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中，重要的數(shù)據(jù)一般需要無(wú)損壓縮保證數(shù)據(jù)的完整性，不重要的數(shù)據(jù)不需要存儲(chǔ)，有少量需要查看歷史趨勢(shì)的數(shù)據(jù)采用有損壓縮的算法。
4．1 無(wú)損壓縮算法
現(xiàn)在成熟的無(wú)損壓縮方法主要有哈夫曼編碼、游程編碼、預(yù)測(cè)編碼、算術(shù)編碼等。在智能樓字監(jiān)控系統(tǒng)中，為了能夠有效地得到歷史數(shù)據(jù)的精確數(shù)值，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)需要無(wú)損壓縮。根據(jù)智能大廈中監(jiān)控對(duì)象數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，游程編碼、預(yù)測(cè)編碼和哈夫曼編碼在實(shí)際壓縮的過(guò)程中使用的頻率較高，需要將這些算法集成到監(jiān)控軟件中。下文對(duì)在于監(jiān)控軟件中常用的幾種編碼方式在監(jiān)控中的使用進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
4．1．1 游程編碼
在數(shù)據(jù)記錄中，相鄰數(shù)據(jù)值之間存在著潛在的相關(guān)性，有些數(shù)據(jù)值可能連續(xù)重復(fù)多次，表現(xiàn)出極高的冗余度。游程編碼就是利用這種數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)來(lái)達(dá)到壓縮的目的。在智能樓宇監(jiān)控中存在著大量像溫度這種慢時(shí)變信號(hào)，數(shù)據(jù)的相關(guān)性比較大，采用游程編碼的方式能大量壓縮所占用的存儲(chǔ)空間。游程編碼使用3個(gè)字節(jié)表示一個(gè)字符串，第一個(gè)字節(jié)表示壓縮提示符Sc；第二個(gè)字節(jié)是記錄連續(xù)出現(xiàn)的字符；第三個(gè)字節(jié)記錄重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)。當(dāng)然出現(xiàn)重復(fù)3次以上的字符串時(shí)才能達(dá)到壓縮的目的，在編碼時(shí)先判斷字符串連續(xù)字符的個(gè)數(shù)，如果超過(guò)3個(gè)就采用游程編碼，如果不到3個(gè)，則直接編碼，編碼示意圖如圖1所示。
游程編碼的效果主要取決于數(shù)據(jù)碼的重復(fù)次數(shù)，重復(fù)字符的個(gè)數(shù)，在智能監(jiān)控系統(tǒng)中主要是溫度，壓力、流量這些信號(hào)有較好的壓縮效果，在監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)的過(guò)程中，指定這些變量的壓縮算法，使運(yùn)行過(guò)程中以壓縮的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
4．1．2 預(yù)測(cè)編碼
預(yù)測(cè)編碼是利用以前數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)的相關(guān)性，利用某種函數(shù)關(guān)系f，通過(guò)前面N個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)即將到來(lái)數(shù)據(jù)的數(shù)值，使用預(yù)測(cè)值和偏差來(lái)記錄數(shù)據(jù)，以降低數(shù)據(jù)的不確定性，減少數(shù)碼率。在智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)正余弦的電信號(hào)采用差分脈沖編碼調(diào)制的方式進(jìn)行壓縮，具體的編碼如圖2所示：
對(duì)于N階預(yù)測(cè)器可以使用下式表示：
x=f(x＇k-1，x＇k-2，∧，X＇k-N)
這里x＇k-1，x＇k-2，∧，X＇k-N是經(jīng)過(guò)量化后得到的預(yù)測(cè)值。
對(duì)于正弦信號(hào)，由于數(shù)據(jù)之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，使用預(yù)測(cè)編碼方式，存儲(chǔ)的不是每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)本身，而是采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值之間的差值，數(shù)據(jù)量大大地減少，減少了數(shù)據(jù)的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)得到了有效地壓縮。對(duì)于智能樓宇監(jiān)控中的電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)使用這種方法能起到較好的效果。
4．1．3哈夫曼編碼
哈夫曼編碼是根據(jù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率進(jìn)行編碼，出’現(xiàn)概率越高，為其設(shè)計(jì)的碼長(zhǎng)越短，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。
哈夫曼編碼的具體步驟如下：
(1)概率統(tǒng)計(jì)，得到n個(gè)不同的概率的信息符號(hào)；
(2)將n個(gè)數(shù)據(jù)的n個(gè)概率按照大小排序；
(3)將n個(gè)概率中，最后兩個(gè)小概率相加，這時(shí)概率個(gè)數(shù)減為n-1個(gè)；
(4)將n-1個(gè)概率按照大小重新排列；
(5)重復(fù)步驟(3)，將新排序后的最后兩個(gè)小概率再相加，相加之和與其余概率再排序；
(6)如此反復(fù)，重復(fù)n-2次，結(jié)果只剩下兩個(gè)概率序列；
(7)以二進(jìn)制碼元(0，1)進(jìn)行賦值，構(gòu)成哈夫曼碼字，此時(shí)編碼結(jié)束。
哈夫曼編碼示意圖伯口圖3所示)：
數(shù)據(jù)A出現(xiàn)的概率比較高，使用少的碼表示，數(shù)據(jù)的概率越低，使用的碼越長(zhǎng)。編碼如下表所示：
在實(shí)際編寫程序時(shí)使用Haffuman二叉樹(shù)來(lái)建立數(shù)據(jù)的碼字。
4．2 有損壓縮
在智能樓字控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)中，有的數(shù)據(jù)可能只是用來(lái)生成一種歷史趨勢(shì)圖，了解將來(lái)發(fā)展變化的情況、了解某個(gè)變量在一段時(shí)間中的走勢(shì)情況或者計(jì)算系統(tǒng)的效率，為改進(jìn)系統(tǒng)作為參考。這種變量的歷史數(shù)據(jù)沒(méi)有必要精確存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)值，能夠反映大體的走勢(shì)和總體的統(tǒng)計(jì)量就行。使用有損壓縮的方法完全能夠滿足系統(tǒng)的對(duì)于數(shù)據(jù)的要求。
在對(duì)電量信號(hào)進(jìn)行壓縮的有損壓縮算法中，小波變換的方法是將輸入的數(shù)據(jù)做某種正交變換，把數(shù)據(jù)變換到另一個(gè)正交矢量空間(變換域)，產(chǎn)生一組變換系數(shù)，對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化壓縮，從而達(dá)到壓縮的目的。在量化之后需要量化壓縮，由于量化的過(guò)程是不可逆的過(guò)程，也就是說(shuō)壓縮的過(guò)程是有損的。
壓縮的過(guò)程主要包括映射變換、量化、編碼等幾個(gè)步驟，小波變換采用改變時(shí)間頻率窗口形狀的方法，很好地解決了時(shí)間分辨率和頻率分辨率的矛盾，在時(shí)間域和頻率域里都具有很好的局部化性質(zhì)。
實(shí)際應(yīng)用在監(jiān)控軟件中使用的是離散小波變換的方式，具體步驟如下：
用N維矢量X=(x0，x1，∧，XN-1)代表采樣序列，經(jīng)過(guò)正交變換得到向量Y：
X=AY
將Y中的系數(shù)按照絕對(duì)值由小到大排序，得到向量y′=(y′0，y′1，∧，y′N-1)，去掉其中較小的數(shù)值，得到向量y″=(y″0，y″1，∧，y″k,0，0，∧，0)用向量y″代替向量y′從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著樓宇智能化的不斷提高，大廈中的智能儀表迅速增加，對(duì)于大型監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用必要的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)保障中央監(jiān)視系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、對(duì)有效利用運(yùn)行數(shù)據(jù)、配置系統(tǒng)資源提供了有效的技術(shù)支持。
（轉(zhuǎn)載）
