倪昱　鄭志恒

摘? 要：目前在海洋裝備上通常使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，存在空間占用大、查詢(xún)性能差的問(wèn)題。文章提出了基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的海洋裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，并基于國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)TDEngine完成了系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)建表、自動(dòng)存儲(chǔ)以及快速可視化。經(jīng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮和查詢(xún)性能相比于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，為解決海洋裝備海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的難題提供了良好的解決方法。

關(guān)鍵詞：時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)；海洋裝備；TDEngine

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；U665.26? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）11-0101-04

Monitoring Data Storage System for Marine Equipment Based on Time Series Database

NI Yu， ZHENG Zhiheng

（State Key Laboratory of Deep-Sea Manned Vehicles， China Ship Scientific Research Center， Wuxi? 214082， China）

Abstract： At present， relational database is usually used to store massive monitoring data on marine equipment， which has the problems of large space occupation and poor query performance. This paper proposes a solution of monitoring data storage for marine equipment based on time series database， and completes the system engineering implementation based on the domestic database TDEngine， which realizes automatic table building， automatic storage and rapid visualization of monitoring data. The tests show that the data compression and query performance of the system has obvious advantages over traditional relational database， which provides a good solution to the difficult problem of massive monitoring data storage for marine equipment.

Keywords： time series database; monitoring data storage; marine equipment; TDEngine

0? 引? 言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)在海洋裝備中得到了更加廣泛的應(yīng)用。對(duì)于船舶、載人潛器等有人裝備，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提供了運(yùn)行狀態(tài)分析、故障判斷的有力手段；對(duì)于無(wú)人艇、水下機(jī)器人等無(wú)人裝備，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提供了自主決策控制的依據(jù)。

為了對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析查看，需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)。目前對(duì)于海洋裝備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，一般采用MySQL、Oracle等關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，然而監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)是高頻次采集的時(shí)序數(shù)據(jù)，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：

1）存儲(chǔ)空間占用大。海洋裝備中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，采樣頻率高，需要保存的時(shí)間周期長(zhǎng)，因此數(shù)據(jù)量大。因?yàn)殛P(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的壓縮算法沒(méi)有針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，所以在通常的磁盤(pán)容量很難滿(mǎn)足上述海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

2）查詢(xún)性能差。海量數(shù)據(jù)檢索對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)性能要求較高。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的索引算法同樣沒(méi)有針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，隨著存儲(chǔ)空間的不斷增長(zhǎng)，難以獲得滿(mǎn)意的查詢(xún)性能。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的海洋裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)方案，完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。

1? 海洋裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)現(xiàn)狀

浙江大學(xué)先進(jìn)控制研究所研制了“船用柴油機(jī)智能報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)”[1]，該系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、集控室級(jí)和駕駛室級(jí)三層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，各層之間使用CAN總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了快速數(shù)據(jù)采集、記錄、報(bào)警、查詢(xún)、顯示等功能以及對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)、換向、調(diào)速的控制。該系統(tǒng)通過(guò)Oralce關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油進(jìn)機(jī)壓力、燃油進(jìn)機(jī)溫度、主軸瓦溫度、滑油進(jìn)機(jī)壓力、滑油進(jìn)機(jī)溫度、滑油出機(jī)溫度等柴油機(jī)報(bào)警監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

大連海事大學(xué)研制了“基于OPC技術(shù)的船舶機(jī)艙數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”[2]，該系統(tǒng)由位于底層的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡、中間層OPC機(jī)艙數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器、上層OPC機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)組成。上層OPC機(jī)艙監(jiān)測(cè)客戶(hù)端負(fù)責(zé)將從OPC機(jī)艙數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器讀取的各個(gè)機(jī)艙設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

中國(guó)海洋大學(xué)研制了“基于MOOS的AUV的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)”[3]。該系統(tǒng)采用模塊化、分布式的設(shè)計(jì)方案，宏觀(guān)上把AUV分為四大系統(tǒng)模塊：中央控制系統(tǒng)、同時(shí)定位和地圖構(gòu)建系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和保存分析系統(tǒng)、底層動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)采集和保存分析系統(tǒng)采集各傳感器和AUV艙內(nèi)參數(shù)信息，通過(guò)文件形式進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。

海軍研究院研制了“艦船電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”[4]，在分析國(guó)內(nèi)外艦船電磁環(huán)境極限值的基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊及運(yùn)算規(guī)則，動(dòng)態(tài)生成艦船不同區(qū)域分頻段的場(chǎng)強(qiáng)極限值，為電磁輻射環(huán)境下艦面作業(yè)安全提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)使用MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)三種類(lèi)型，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)船或?qū)嵮b測(cè)試結(jié)果，仿真數(shù)據(jù)來(lái)源于艦船模型數(shù)值仿真，理論計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源于依據(jù)電磁場(chǎng)理論的估算結(jié)果。

以上海洋裝備的監(jiān)控系統(tǒng)都采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)或者文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)

海洋裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)主要是海量的時(shí)序數(shù)據(jù)，實(shí)際場(chǎng)景中很少有更新和刪除操作，查詢(xún)分析主要基于時(shí)間序列和信號(hào)名稱(chēng)。時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)按時(shí)間序列來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相比，其優(yōu)勢(shì)是通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮算法來(lái)減少存儲(chǔ)空間占用，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)索引算法實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)和訪(fǎng)問(wèn)。

2.1.1? 數(shù)據(jù)壓縮算法

時(shí)序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)壓縮算法通常可分為兩類(lèi)：有損壓縮算法和無(wú)損壓縮算法。有損壓縮算法主要是線(xiàn)性擬合算法，壓縮效率更高，但不適用于實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)景下的問(wèn)題排查。主流的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)一般采用無(wú)損壓縮算法，最常用的是基于快速浮點(diǎn)數(shù)據(jù)壓縮的累積數(shù)據(jù)批處理壓縮算法，如Simple8b、PforDelta等[5，6]，在不丟失數(shù)據(jù)的情況下，同時(shí)保證了壓縮率。

2.1.2? 數(shù)據(jù)索引算法

索引是數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行查詢(xún)的前提，也是提升查詢(xún)性能的基礎(chǔ)。索引算法的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)空間的劃分方法，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)一般直接在一維或二維空間的分類(lèi)劃分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)索引。而時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)通常采用基于R-tree的高維度空間索引算法[7]，并通過(guò)小波變換等方法完成時(shí)序變換，對(duì)于時(shí)序數(shù)據(jù)通常能明顯提升查詢(xún)性能。

2.2? 數(shù)據(jù)庫(kù)選型

目前最常用的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)有InfluxDB、KDB+、OpenTSDB等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有選用這些國(guó)外產(chǎn)品，而是選用了國(guó)產(chǎn)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)TDEngine，主要有以下三個(gè)原因。

1）TDEngine是國(guó)產(chǎn)開(kāi)源軟件，更滿(mǎn)足艦船等軍用海洋裝備自主可控的需求。

2）TDEngine支持Arm32處理器架構(gòu)，可運(yùn)行在嵌入式開(kāi)發(fā)板上，滿(mǎn)足水下機(jī)器人等小型海洋裝備的需求。

3）TDEngine創(chuàng)新性地使用單表存儲(chǔ)單個(gè)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用超級(jí)表進(jìn)行高效聚合，相比InfluxDB等主流產(chǎn)品進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和查詢(xún)速度，同時(shí)也大幅提高了數(shù)據(jù)壓縮效率。

2.3? 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)展示層3層，整體架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，海洋裝備常常由航行推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)、通導(dǎo)系統(tǒng)等子系統(tǒng)等組成，需采集各類(lèi)機(jī)電設(shè)備、傳感器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用OPC UA規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集[8]，各子系統(tǒng)盡量選用支持OPC UA規(guī)范的PLC控制器，對(duì)于不支持的子系統(tǒng)或設(shè)備，則需要開(kāi)發(fā)OPC UA服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，或者通過(guò)支持OPC UA的智能網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)。開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)程序，讀取各子系統(tǒng)OPC UA服務(wù)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)批量寫(xiě)入到TDEngine時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)展示層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化。Grafana是時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)可視化工具[9]，通過(guò)Grafana定制的數(shù)據(jù)看板，生成所需的圖表視圖，提供監(jiān)控應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)展示界面。數(shù)據(jù)展示界面通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)，支持權(quán)限控制，提供不同權(quán)限用戶(hù)不同的數(shù)據(jù)視圖，并支持電腦、手機(jī)、Pad等多端設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)。

不同于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中常用的單列模型，為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)寫(xiě)入和存儲(chǔ)效率，本系統(tǒng)采用了基于TDEngine的多列模型，并使用超級(jí)表加普通表的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多列模型指的是一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)同時(shí)采集的多個(gè)數(shù)據(jù)作為不同列放在一張表中，例如ROV推進(jìn)器A的轉(zhuǎn)速、溫度、電流、電壓等多個(gè)數(shù)據(jù)作為普通表推進(jìn)器A的多個(gè)列。每一種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)建立一張超級(jí)表，與該類(lèi)型各普通表關(guān)聯(lián)，例如ROV推進(jìn)器類(lèi)型數(shù)據(jù)建立超級(jí)表，關(guān)聯(lián)到8個(gè)推進(jìn)器的普通表?；谶@種數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以根據(jù)靜態(tài)信息進(jìn)行多維度聚合查詢(xún)，更好更快地進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

3? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)是本系統(tǒng)中最關(guān)鍵的功能模塊，其實(shí)現(xiàn)可以分為三部分。

3.1.1? 數(shù)據(jù)讀取

讀取數(shù)據(jù)采集層中各OPC UA數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)。首先解析各OPC UA服務(wù)的信息模型，建立OPC object的層次結(jié)構(gòu)以及和下屬OPC value的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后訂閱各OPC UA服務(wù)中所有的OPC value的數(shù)據(jù)變化，將更新后的OPC value值讀取到內(nèi)存緩沖區(qū)。其中采集數(shù)據(jù)訂閱更新周期、OPC UA服務(wù)地址等參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置。

3.1.2? 批量插入語(yǔ)句生成

時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)批量寫(xiě)入數(shù)據(jù)可大幅提升寫(xiě)入性能，因此不是每次采集數(shù)據(jù)更新時(shí)立刻寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，而是每周期讀取內(nèi)存緩沖區(qū)OPC value最新值，生成一行插入語(yǔ)句，將一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的多行批量插入語(yǔ)句保存到插入緩沖區(qū)。

3.1.3? 數(shù)據(jù)寫(xiě)入

根據(jù)設(shè)置的插入緩沖區(qū)大小或者寫(xiě)入的周期，執(zhí)行符合時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)行協(xié)議的批量插入語(yǔ)句，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入TDEngine數(shù)據(jù)庫(kù)，并清空插入緩沖區(qū)。其中TDEngine數(shù)據(jù)庫(kù)信息、數(shù)據(jù)寫(xiě)入周期、插入緩沖區(qū)大小等參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立時(shí)通常需要手動(dòng)建表，數(shù)據(jù)對(duì)象變化時(shí)，還需要進(jìn)行表結(jié)構(gòu)修改的繁雜操作。為避免建立、維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)表的手動(dòng)操作，使用TDEngine的無(wú)模式寫(xiě)入方式進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入，可自動(dòng)生成和修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表。例如，無(wú)模式寫(xiě)入ROV導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)設(shè)備采集的位置、加速度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)時(shí)，TDEngine可自動(dòng)建表并根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型自動(dòng)建立相應(yīng)字段，如圖2所示。

3.2? 數(shù)據(jù)可視化

系統(tǒng)使用Grafana實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化，Grafana通過(guò)RESTful接口訪(fǎng)問(wèn)TDEngine連接器服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)。利用Grafana工具快速生成折線(xiàn)圖、柱狀圖、表格等完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化，以實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景為背景搭建不同的監(jiān)控界面。例如ROV導(dǎo)航監(jiān)控可創(chuàng)建位置、姿態(tài)等狀態(tài)數(shù)據(jù)歷史曲線(xiàn)，ROV推進(jìn)器監(jiān)控可創(chuàng)建各推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、溫度等狀態(tài)歷史曲線(xiàn)，如圖3、圖4所示。監(jiān)控界面完成搭建后，可將其保存在Grafana的數(shù)據(jù)看板中，以便下次重復(fù)使用。

4? 性能分析

4.1? 存儲(chǔ)空間占用測(cè)試

記錄監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)相應(yīng)不同存儲(chǔ)周期時(shí)存儲(chǔ)空間的占用情況，將TDEngine與MySQL進(jìn)行對(duì)比。如圖5所示，結(jié)果表明，得益于數(shù)據(jù)壓縮算法的優(yōu)化，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)TDEngine的存儲(chǔ)空間占用遠(yuǎn)少于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，并且隨著數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)壓縮性能的優(yōu)勢(shì)更大。

4.2? 查詢(xún)性能測(cè)試

在不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期進(jìn)行基于數(shù)據(jù)值的檢索，將TDEngine與MySQL進(jìn)行對(duì)比。如圖6所示，結(jié)果表明，得益于TDEngin數(shù)據(jù)索引算法的優(yōu)化，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)TDEngine的查詢(xún)性能明顯優(yōu)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，并且隨著數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)查詢(xún)性能的優(yōu)勢(shì)更大。

5? 結(jié)? 論

本文研究和實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的海洋裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)TDEngine和OPC UA數(shù)據(jù)協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，解決了海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)空間占用大和查詢(xún)性能差的問(wèn)題，并通過(guò)Grafana工具解決了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)快速可視化的問(wèn)題。本系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用在中型作業(yè)級(jí)ROV上，后續(xù)將不斷升級(jí)優(yōu)化，在更多的海洋裝備上得到應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：倪昱（1980.06—），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：海洋裝備信息系統(tǒng)、深海智能作業(yè)操控技術(shù)等；鄭志恒（1991.09—），男，漢族，江蘇徐州人，工程師，碩士，研究方向：智能作業(yè)操控技術(shù)。

收稿日期：2022-12-28

基金項(xiàng)目：海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2019002）