Статья: Изменение разрядности и способа отображения как процедуры предварительной обработки измерительных данных

Изменение разрядности и способа отображения как процедуры предварительной обработки измерительных данных

И.В. Богачев, к.т.н., наук

Аннотация

Решение проблемы предварительной обработки и сжатия измерительных данных в информационно-измерительных системах на настоящий момент получило актуальный характер. При этом основным недостатком существующих подходов является работа с источниками сигналов в отдельности, без учета возможных корреляций между ними и, как следствие, одномерная обработка данных. В работе рассмотрен подход к представлению данных в двумерном виде, и проведено исследование эффективности изменения разрядности данных и использования различных способов их отображения как простейших процедур предварительной обработки. Полученные результаты показали, что совместное применение этих двух подходов позволяет достичь увеличения коэффициента сжатия для целевых алгоритмов.

Ключевые слова: информационно-измерительные системы, измерительные данные, кадр данных, предварительная обработка, структурное преобразование, сжатие, коэффициент сжатия.

Введение

Развитие цифровой техники [1] вызвало пристальное внимание как отечественных [2 - 6], так и зарубежных исследователей [7 - 11] к вопросу повышения эффективности передачи оцифрованных сигналов, что привело их к ярко выраженному преобладанию над аналоговыми, особенно в информационно-измерительных системах (ИИС). В них для сокращения избыточности данных стандартной практикой стало использование алгоритмов сжатия как общего назначения [2], так и специализированных [12 - 16], применяемых с целью экономии объема устройств хранения данных и пропускной способности каналов связи, повышения скорости передачи и т.д. Необходимо отметить, что первые практически вплотную приблизились к верхней теоретической границе коэффициента сжатия для измерительных данных при использовании классического подхода к их представлению [17], а вторые строго зависят от структуры и свойств таких данных [18-19], что также ограничивает их эффективность.

В общем случае эффективность сжатия обеспечивается не только собственными особенностями алгоритмов сжатия, но и особенностями алгоритмов предварительной обработки данных, а их наиболее эффективными представителями являются специализированные алгоритмы, нацеленные на оптимизацию структуры данных к виду, на котором целевой алгоритм сжатия покажет наибольшую эффективность [20].

Здесь следует отметить, что алгоритмы сжатия общего назначения зачастую оперируют с одномерным представлением данных, а наиболее эффективные из современных специализированных алгоритмов предполагают их представление в виде и-мерных структур. В частном случае предполагается представление данных кадрами в разностно-битовом виде с последующим отображением на двумерную матрицу [21], которое проходит с сохранением естественной разрядности данных, но такой подход не гарантирует учет всех возможных корреляций, особенно при понимании того, что могут быть применены различные способы отображения.

Исходя из вышесказанного, становится очевидной необходимость исследования влияния изменения разрядности данных и способов их отображения при переходе от одномерного к двумерному представлению на эффективность последующего сжатия.

Представление измерительных данных кадрами

Для измерительных данных характерно, что разность между значениями одного и того же отсчета, полученная между двумя моментами времени, не будет превышать некоторого условно малого значения по отношению к их полному диапазону изменения [22]. Следовательно, данные, поступающие в один и тот же момент времени от различных телеметрируемых объектов и описывающие различные их свойства, будут иметь взаимные корреляции.

Основываясь на этом свойстве, предлагается организовывать множество отсчетов данных, полученных в один момент времени, в виде кадров, содержащих результат их дельта-кодирования, представленный в битовом виде. Пример такого представления приведен на рис. 1, где приняты следующие обозначения: АД, - результат дельта-кодирования одного отсчета в двух соседних по времени (t) кадрах, полученный от датчика Д,; п - число источников данных разрядности т; АД,ij - представление отсчета ДД_і в виде последовательности битов.

Рис. 1. Формы представления отсчетов измерительных данных

В приведенном примере данные представляются кадром с сохранением исходной разрядности. Предположим, что не всегда такой подход будет иметь наибольшую эффективность с точки зрения сжатия. Помимо того, биты отображаются по строкам сверху вниз и слева направо в каждой строке (рис. 2 а).

Такой подход принято считать классическим способом отображения (СО) данных, который, очевидно, априори не может быть наиболее эффективным для большого многообразия данных с различными свойствами.

Так, можно предположить, что, изменяя способ, по которому происходит отображение битов данных, можно изменить однородность их расположения в кадре, что в свою очередь может повлечь изменение эффективности последующего сжатия. Помимо классического СО (КСО), можно выделить:

- змеевидный (ЗМСО), при котором биты отображаются по строкам сверху вниз, при этом строки поочередно отображаются слева направо (начиная с верхней строки) и справа налево (рис. 2б);

- спиралевидный (СПСО), при котором биты отображаются с внешней стороны к внутренней (образуя спиральную линию), начиная с левого верхнего угла и далее по часовой стрелке (рис. 2в);

- зигзагообразный (ЗСО), при котором биты отображаются по диагонали (начиная с левого верхнего угла), при этом диагонали поочередно меняют направление отображения (рис. 2г).

Рис. 2. Способы отображения: а) классический; б) змеевидный; в) спиралевидный; г) зигзагообразный

Исследование предложенных решений

обработка измерительный данный информационный

Исследование эффективности изменения разрядности данных и способов их отображения в кадры проводилось с использованием данных телемеханики (телеизмерения и телесигнализация), полученных от ряда объектов энергетики (подстанции и генерирующие станции) с помощью системы сбора и передачи телемеханики ТМ-800.

В качестве тестовых использовались пять наиболее характерных наборов данных (НД), сформированных из отсчетов, полученных как в штатном режиме работы объекта (стационарные наборы НД1, НД3 и НД5), так и в режиме перевода энергосети из одного состояния в другое (нестационарные наборы НД2 и НД4). Отметим, что объем наборов варьировал от 11 до 19 тысяч кадров.

С целью обеспечения более точной оценки эффективности предложенного в работе подхода в исследовании применялись как универсальные, так и специализированные алгоритмы сжатия (АС), основанные:

- на поиске нестрого однородных областей на поверхности кадра (SC) [21];

- представлении кадра как таблицы истинности логической функции нескольких переменных (LC) [22];

- паркетном разбиении кадра на строго однородные области (PC) [23]; разбиении секущими кадра на строго однородные области (SLC) [24]; алгоритме RLE [25].

Результаты работы алгоритмов сжатия над НД, для которых была сохранена исходная разрядность (n = m = 8) и применен классический способ отображения, приведены в табл. 1, при этом оценивались средний коэффициент (СКС) и среднее время (СВС) сжатия для каждого набора.

Таблица 1

Полученные результаты показывают, что специализированные алгоритмы на нестационарных НД дают относительно невысокий коэффициент сжатия, затрачивая на это значительное количество времени по сравнению с результатами, полученными для стационарных наборов. Такое их поведение означает малую эффективность в случае работы с данными нестационарного и смешанного типа, а также принципиальную непригодность при условии работы в «жестком» реальном времени.

В свою очередь алгоритм общего назначения в целом показал невысокую эффективность, обеспечив достаточно низкий коэффициент сжатия для всех типов данных. С другой стороны, он гарантирует практически одинаковое время сжатия для всех наборов, что делает его наиболее эффективным в условиях, когда необходимо максимальное быстродействие на данных смешанного типа.

Результаты работы алгоритмов сжатия над НД, для которых были применены по отдельности различные способы отображения (при n = m = 8) и изменена разрядность данных (с использованием КСО), а также их эффективные комбинации, приведены в табл. 2, 3 и 4.

Таблица 2

Таблица 3