CN103914027B

CN103914027B - 利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法

Info

Publication number: CN103914027B
Application number: CN201310005335.8A
Authority: CN
Inventors: 谢京雷; 孔晓阳; 王剑; 沈春锋; 代真虎
Original assignee: Shanghai Baosight Software Co Ltd
Current assignee: Shanghai Baosight Software Co Ltd
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-01-07
Also published as: CN103914027A

Abstract

本发明提供了一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，步骤：第一步，用户进行表达式配置：将表达式中所包含的操作数中属于监测单元名称的操作数，用两个单引号包围起来，表达式中包含的操作符必须属于预先定义的操作符，表达式中包含的立即数在预先定义的数值范围之内；第二步，验证表达式的合法性：第三步，进行表达式解析并进行计算，将计算的结果保存起来供工业现场底层设备监测管理使用。本发明通过解决表达式解析过程中操作数的识别问题，能够更好的进行表达式的合法性检验，且在进行表达式计算时能够快速识别堆栈元素的类型，便于快速计算，提高数据统计系统的运行性能，更快速的实现现场底层设备控制回馈。

Description

利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体地，涉及一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法。

背景技术

工业现场的底层设备监测管理中，统计系统是实时数据库系统中数据统计分析子系统的核心子模块。通常情况下，统计系统从底层设备采集所需的数据，然后根据用户（一般是现场底层设备管理人员）配置的表达式进行解析并进行计算，把计算结果存储起来做进一步的统计分析，最终的统计分析结果可以用来辅助现场设备管理人员实施、或者直接对底层设备进行相应的控制操作。从这一过程可见，对用户配置的表达式的“解析”是关键一步，而实现表达式解析的算法和实现时使用的数据结构则制约着统计系统的运行性能。

现有表达式解析的方法，主要包括以下步骤：

第一步：检验用户配置的表达式的合法性

通常情况下，用户配置的表达式由“操作符”和“操作数”组成。对于统计系统解析的表达式而言，操作数可以是监测单元（所谓监测单元，即指一个底层设备采集点，例如：管道A的流量）的名称（例如：PIPEA-FLOW-A），也可以是用于辅助计算的立即数（例如：10）。在表达式合法性检验的过程中，首先要从待检验表达式中识别出操作符和操作数，然后再检验该表达式是否符合规定。

在现有技术中，表达式中的操作符均是预先定义的运算符，这些操作符很容易被统计系统识别，而表达式中包含的操作数则是多种多样的，不容易被识别。因此，在表达式的解析过程中，统计系统通常将表达式中的操作符当作操作数之间的分隔符来识别表达式所包含的操作数。

例如，用户配置的表达式是（Tag1+Tag2）*Tag3，其中包括的操作符有：+，*，（，），包含的操作数（也就是三个监测单元的名称）有：Tag1，Tag2，Tag3。由于这些操作符被预先定义，便于识别，所以将这些操作符作为操作数Tag1，Tag2，Tag3的分隔符，就可以从表达式中识别出操作符和操作数。

第二步：将表达式从中缀表达式转换成后缀表达式

通常情况下，在表达式的计算过程中均是使用堆栈来存储所述操作数和操作符的，因此，为了方便堆栈的存储、加快表达式的计算速度，需要将用户配置的中缀表达式转换成后缀表达式。中缀表达式到后缀表达式的转换方法与计算机编译原理，计算机数据结构等经典教科书中描述的相同，在这里就不再详细描述了。

例如，将上述表达式（Tag1+Tag2）*Tag3转成后缀表达式是Tag1Tag2+Tag3*，在经过中缀表达式到后缀表达式的转换之后，统计系统会将后缀表达式按照转换后的顺序存放在堆栈中，从栈顶到栈底依次是：Tag1，Tag2，+，Tag3，*。如下表所示：

Tag11 -->
	Tag2
+
	Tag3
*

第三步：根据后缀表达式计算表达式的结果

在完成后缀表达式的转换后，统计系统在进行表达式解析时，就可以立即将存储在堆栈中的操作数替换成实际监测到的数据，并快速完成表达式的计算。

上述现有方案中存在如下问题：如果操作数中包含已经预先定义的操作符，按照现有的方式去解析表达式会出错。例如，用户配置的表达式是（Tag1-Rate+Tag2-Rate）*Tag3，其中Tag1-Rate和Tag2-Rate是监测单元的名称,按照现在的策略会解析生成如下的堆栈：

Tag1
	Rate
-
	Tag2
Rate
	-
+
	Tag3
*

在转换过程中，将操作数中的连接符-当作了操作符-（两数相减）处理，这样解析显然是不正确的。

为了解决现有方案中存在的这个问题，中国专利号为200510053557.2的授权专利公开了一种表达式的解析方法，通过对操作数列表中的操作数进行排序操作，先将表达式中的操作数替换成“替换名”，完成后项表达式的转换之后，再将“替换名”替换回原先的操作数的做法，解决了现有方案中存在的可能发生表达式解析错误的问题。但是，现有方案结合该专利200510053557.2之后，依然存在如下一些有待改进的不足之处：

A.在进行表达式解析时，操作数的识别效率较低。

专利200510053557.2“将网管系统提供的所有操作数，按照操作数中字符数的多少从大到小重新排序，生成操作数列表”，“根据经过排序建立的所述操作数列表，顺序检测表达式中的操作数”。当操作数列表中的操作数很多时，这样的处理也势必会增加一定的系统开销，虽然在稳定运行的系统中，操作数列表的排序可能是一次性的，但表达式解析却是会多次发生的。

专利200510053557.2采用多次替换的做法解决操作数解析的问题，但却会造成了额外的存储空间（替换名，以及操作数与替换名之间的对应关系等）和解析速度（多次替换操作等）上的损失。

B.表达式的合法性检验不充分。

现有方案结合专利200510053557.2公开的改进方案中，对于表达式的合法性校验在于：表达式中包含正确的操作符，操作数；表达式能够从中缀形式（前项表达式）正确的转换成后缀形式（后项表达式）。通过上述检验过程的表达式依然可能是错误的。例如：对于表达式Tag1+Tag2-而言，Tag1，Tag2都是正确的操作数，+，-都是正确的操作符，也可以成功转换成后缀表达式（后项表达式）：Tag1Tag2+-，但是这个表达式显然是错误的。现有方案结合专利200510053557.2公开的改进方案中无法检验出诸如此类的配置错误的表达式。而且，在一般系统中，负责完成用户配置表达式的进程和负责完成表达式解析的进程是相对独立的，为了避免用户错误配置的表达式在实际进行计算时才被发现，对于用户配置表达式的合法性检验的充分性就显得尤为重要。而现有方案结合专利200510053557.2公开的改进方案中，均未对表达式的合法性检验的充分性进行说明。

C.在进行表达式解析时，识别操作数（含立即数），操作符的效率较低。

现有方案结合专利200510053557.2公开的改进方案中，在进行表达式解析时，所处理的堆栈中仅仅只是存放着操作数和操作符，这样的数据存放结构，使得计算时依然需要依赖“操作数列表”，预先定义的操作符（集合）来识别获取到的堆栈中的每一个值（堆栈元素）究竟是一个操作数，还是一个操作符。这样的数据存放结构，以及由此产生的计算方式，造成了表达式解析的额外系统开销，当表达式被多次运行时，这样的系统开销值得关注。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，通过解决表达式解析过程中操作数的识别问题，能够更好的进行表达式的合法性检验，且在进行表达式解析时能够快速识别堆栈元素的类型，便于快速计算，提高数据统计系统的运行性能，更快速的实现现场底层设备控制回馈。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，包括如下步骤：

第一步，用户进行表达式配置。

在用户进行表达式配置时，表达式中所包含的操作数中属于监测单元名称的那些操作数，必须用两个单引号包围起来，例如，一个合法的表达式是：（’Tag1’+’Tag2’）*’Tag3’。在用户进行配置表达式时，表达式中包含的操作符必须属于预先定义的操作符，表达式中包含的立即数必须在预先定义的数值范围之内，例如：取值范围是大于-999999，且小于999999。

第二步，验证表达式的合法性，主要包括如下步骤：

A，根据预定义的操作符（作为操作数之间的分隔符），以及单引号包围的监测单元名称格式约定（在两个单引号包围内的操作符不作为操作符处理），识别出表达式中包含的监测单元名称，操作符和立即数（没有被两个单引号包围住的操作数就是立即数），这样处理后就可以得到表达式的中缀形式。在这个处理过程中，对于从表达式中识别到的监测单元名称，根据已有的监测单元名称列表判断监测单元名称是否存在，当监测单元名称不存在时，判定表达式配置非法；对于从表达式中识别出的立即数，如果不属于预定义的数值范围，则判定表达式非法；发生其他无法完成上述处理得到中缀表达式的情况时，则判定表达式非法。

B，将表达式从中缀形式转换成后缀形式。转换方法与现有技术相同，在这里不详细叙述。转换过程中如果发生错误，则判定表达式非法。

C，对于已经转换成后缀形式的表达式，将表达式中所有的监测单元名称分别赋予简单的数值1，然后进行表达式解析，如果在计算过程中发现有的操作符无法完成计算，或者计算结束后发现用于存储计算结果的数组的大小不等于1，则判定配置的表达式是非法的。

第三步.进行表达式解析并进行计算，主要包括如下步骤：

A，将已经经过合法性检验的表达式从中缀形式转换成后缀形式。

为了方便用户查看已经配置好的表达式，统计系统保存的是表达式的中缀形式（这种形式对于用户更加直观）。因为表达式合法性检验是发生在用户配置表达式时的，而表达式解析是发生在统计系统运行期间的，所以虽然在表达式合法性校验时已经进行了后缀表达式的转换，但是在进行表达式解析之前，还需要再次进行统计系统中存储的表达式从前缀形式转换成后缀形式，这个转换过程和检验表达式合法性时完全相同，在此不再赘述。在统计系统运行时，对于需要重复计算的表达式，统计系统会在第一次计算之前完成转换后，将转换结果（表达式的后缀形式）存储起来，在后续计算时就不需要再次进行表达式后缀形式的转换了。

后缀表达式堆栈中的每个元素都是一个数据结构体，该数据结构体包括两个字段的数据：第一个字段是类型（Type），第二个字段是数据（Value）。其中第一个字段用来表示第二个字段所存储的数据的类型。在统计系统中，根据表达式的组成分成三种类型：0-操作符；1-操作数（立即数）；2-操作数（监测单元名称）；第二个字段用来存储符合第一个字段值所代表的类型的值：对于0类型，存储的就是实际的操作符；对于1类型，存储的就是实际的数值；对于2类型，存储的就是监测单元的名次（字符串）。

B，使用监测到的数据进行表达式计算。

在进行计算时，依次取出堆栈中的一个元素（符合上述数据结构体的定义），根据元素的第一个字段来识别元素的类型（操作符/立即数/监测单元名称），使用元素的第二个字段来进行计算。当元素类型是监测单元名称时，将之替换成从底层设备采集读取到的对应监测单元的实时数据值。完成计算后，将计算的结果保存起来供工业现场底层设备监测管理使用。

相比较于现有技术方案而言，本发明具有如下的有益效果：

A，提高了表达式解析的效率。

本发明在进行表达式解析时，不需要对操作数列表进行排序，也不需要对表达式进行多遍扫描；不需要将操作数替换成替换名，维护两者之间的对应关系，以及再次替换操作。使得表达式解析效率得到提高。尤其在操作数列表中包含较多操作数，且表达式较长时，表达式解析效率的提高尤为明显。

B，表达式合法性检验更加充分。

本发明给出了更加充分的表达式合法性校验方案，能够检验出现有技术方案所不能检验出的非法的表达式，避免了表达式解析时由于表达式配置错误导致的计算失败，提高了统计系统的运行稳定性和正确性。

C，提高了表达式计算的效率。

本发明通过在堆栈元素中增加一位类型标识的做法（在进行表达式解析时完成），使得在进行表达式计算时，不再需要依赖操作数列表，以及预定义的操作符（集合），可以直接对表达式进行快速计算，提高了表达式计算效率，进而提高了统计系统的运行性能。

综上所述，本发明的改进效果，在工业现场的底层设备监测管理中都将发挥重要的作用。本发明通过各项技术手段，整体上提高了统计系统的稳定性，正确性和运行性能，使得统计计算结果作为信息反馈有效的改善了工业现场底层设备的监测管理。

附图说明

图1为本发明所述的表达式配置流程图

图2为本发明所述的表达式解析流程图

图3为本发明管道流量控制表达式解析系统界面截图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为使得本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，结合实例对本发明做进一步的详细解释。

为了解决现有技术中存在的表达式解析时操作数识别效率低，对于表达式的合法性检验不充分，在计算表达式时区别操作数和操作符的效率低的技术问题，本发明提供了一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，通过对表达式中包含的操作数进行格式约定，在合法性检验时对表达式进行简单赋值，对所存储的表达式堆栈元素使用包含类型字段的数据结构体的方案，有效的避免了现有技术中存在的上述问题。

该方法主要包括两个部分：如图1所示的是用户在统计系统中进行表达式配置的流程图，如图2所示的是统计系统进行表达式解析的流程图。

下面通过一个具体实施案例来说明图1和图2中包含的各步骤的具体做法。

图1所示的表达式配置过程，包括如下步骤：

步骤100：在一个用于污水处理厂的监控系统中，使用实时数据库系统来监控管道排水量，在实时数据库系统中配置了两个监测单元来分别监测两个管道的每秒钟流水量，这两个监测单元的名称分别是：PIPE-FLOW-A，PIPE-FLOW-B。因为现场设备管理员需要知道每天哪个时段的总耗水量最大，所以在实时数据库系统的统计计算子系统中配置了一个表达式：’PIPE-FLOW-A’+’PIPE-FLOW-B’,并将这个表达式设置成每秒钟计算一次。

步骤101：统计系统根据操作数必须使用单引号包围的约定，识别出表达式中包含的操作数有：PIPE-FLOW-A，PIPE-FLOW-B。同时还根据预定义的操作符识别出表达式中包含的操作符有：+。完成识别后，就得到表达式的中缀形式保存待用。表达式的中缀形式在堆栈中存放结构如下：

2	PIPE-FLOW-A5 -->
		0	+
2	PIPE-FLOW-B

其中，按照从上到下的次序，第1个堆栈元素的第一个字段的“2”表示该元素的第二个字段存放的“PIPE-FLOW-A”是一个监控单元名称；第2个堆栈元素的第1个字段的”0”表示该元素的第二个字段存放的“+”是一个操作符；第3个堆栈元素的第一个字段的“2”表示该元素的第二个字段存放的“PIPE-FLOW-B”是一个监控单元名称。

步骤102：统计系统将表达式从中缀形式转换成后缀形式，得到的堆栈数据存放情况如下表所示：

2	PIPE-FLOW-A
		2	PIPE-FLOW-B
0	+

步骤103：统计系统将表达式中的监控单元名称替换成数值1后，进行计算得到结果是数值2。这里的过程主要如下：

1)初始化一个用于存放计算结果的数组Result，设置数组长度Size为0；

2)读取表达式堆栈的第一个元素，根据类型（2）判断值（PIPE-FLOW-A）是一个监测单元名称，所以在Result的第一个位置存放数值1，并累加Size，将其设置为1；

3)读取表达式堆栈的第二个元素，根据类型（2）判断值（PIPE-FLOW-B）是一个监测单元名称，在Result中的第二个位置存放数值1，并累加Size将其设置为2；

4)读取表达式堆栈的第三个元素，根据类型（0）判断值（+）是一个操作符，此时从Result中取出最后两个值（都是数值1）做加法运算，然后将计算结果（数值2）存储到Result的第一个位置，并且把Size减1；

5)此时，表达式堆栈中的元素全部读完了，因为Size为1，所以认为得到了正确的计算结果，可以判定表达式是合法的。

为了更好的对本方案进行说明，这里再给出一个通过简单计算判定表达式非法的例子。对于用户配置的表达式：’Tag1’+’Tag2’-，首先可以正确识别成中缀形式如下：

2	Tag1
		0	+
2	Tag2
		0	-

将这个中缀形式转换成后缀形式也是成功的，转换结果如下：

2	Tag1
		2	Tag2
0	+

0

-

通过简单赋值计算判定表达式非法的过程如下：

2)读取表达式堆栈的第一个元素，根据类型（2）判断值（Tag1）是一个监测单元名称，所以在Result的第一个位置存放数值1，并累加Size，将其设置为1；

3)读取表达式堆栈的第二个元素，根据类型（2）判断值（Tag2）是一个监测单元名称，在Result中的第二个位置存放数值1，并累加Size将其设置为2；

5)读取表达式堆栈的第四个元素，根据类型（0）判断值（-）是一个操作符，此时无法从Result中取出两个值（因为Size是1，数组中只有一个数值可供计算），此时判定表达式非法。

到步骤103为止，统计系统可以判定用户配置的表达式是合法的，并将表达式以中缀的形式保存下来。

图2所示的表达式解析过程，包括如下步骤：

步骤200：在统计系统要进行表达式解析时，将系统保存的中缀表达式读取出来，中缀表达式的数据存放方式与步骤101中的说明相同。

步骤201：将中缀表达式转换成后缀表达式，存放在堆栈中的后缀表达式与步骤102中的说明相同。

步骤202：读取堆栈中的后缀表达式进行计算。在计算时，首先根据读取的堆栈元素的第一个字段识别第二个字段值的类型。如果第二个字段值的类型是监控单元名称，则根据监控单元名称读取从对应底层设备采集到的实时数据带入表达式进行计算。这里的过程主要如下：

2)读取表达式堆栈的第一个元素，根据类型（2）判断值（PIPE-FLOW-A）是一个监测单元名称，所以从实时数据库系统中读取该监测单元的实时数据（0.8立方米），将之存放在Result的第一个位置，并累加Size，将其设置为1；

3)读取表达式堆栈的第二个元素，根据类型（2）判断值（PIPE-FLOW-B）是一个监测单元名称，所以从实时数据库系统中读取该监测单元的实时数据（0.6立方米），将之存放在Result的第二个位置，并累加Size将其设置为2；

4)读取表达式堆栈的第三个元素，根据类型（0）判断值（+）是一个操作符，此时从Result中取出最后两个值（第一个位置的0.8立方米，第二个位置的0.6立方米）做加法运算，然后将计算结果（1.4立方米）存储到Result的第一个位置，并且把Size减1；

5)此时，表达式堆栈中的元素全部读完了，因为Size为1，所以认为得到了正确的计算结果（1.4立方米）。

步骤202完成后得到的计算结果，经过进一步的统计分析处理，可以让现场管道流量控制管理人员看到一天中管道的总耗水量变化，并相应的进行增大或者减小管道流量的控制操作。图3就是一个按照上述步骤完成管道流量控制表达式解析的系统的操作界面截图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，用户进行表达式配置：将表达式中所包含的操作数中属于监测单元名称的那些操作数，用两个单引号包围起来；

第二步，验证表达式的合法性：

A，根据预定义的操作符即作为操作数之间的分隔符，以及单引号包围的监测单元名称格式约定即在两个单引号包围内的操作符不作为操作符处理，识别出表达式中包含的监测单元名称，操作符和立即数，得到表达式的中缀形式；在这个处理过程中，对于从表达式中识别到的监测单元名称，根据已有的监测单元名称列表判断监测单元名称是否存在，当监测单元名称不存在时，判定表达式配置非法；对于从表达式中识别出的立即数，如果不属于预定义的数值范围，则判定表达式非法；发生其他无法完成上述处理得到中缀表达式的情况时，则判定表达式非法；

B，将表达式从中缀形式转换成后缀形式，转换过程中如果发生错误，则判定表达式非法；

C，对于已经转换成后缀形式的表达式，将表达式中所有的监测单元名称分别赋予简单的数值1，然后进行表达式解析，如果在计算过程中发现有的操作符无法完成计算，或者计算结束后发现用于存储计算结果的数组的大小不等于1，则判定配置的表达式是非法的；

第三步，进行表达式解析并进行计算：

A，将已经经过合法性检验的表达式从中缀形式转换成后缀形式；

后缀表达式堆栈中的每个元素都是一个数据结构体，该数据结构体包括两个字段的数据：第一个字段是类型Type，第二个字段是数据Value，其中第一个字段用来表示第二个字段所存储的数据的类型；在统计系统中，根据表达式的组成分成三种类型：0–操作符；1-操作数即立即数；2-操作数即监测单元名称；第二个字段用来存储符合第一个字段值所代表的类型的值：对于0类型，存储的就是实际的操作符；对于1类型，存储的就是实际的数值；对于2类型，存储的就是监测单元的名称；

B，使用监测到的数据进行表达式计算

在进行计算时，依次取出堆栈中的一个元素，根据元素的第一个字段来识别元素的类型，使用元素的第二个字段来进行计算，当元素类型是监测单元名称时，将之替换成从底层设备采集读取到的对应监测单元的实时数据值，完成计算后，将计算的结果保存起来供工业现场底层设备监测管理使用。

2.根据权利要求1所述的利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，其特征在于，第一步中，所述表达式中包含的操作符必须属于预先定义的操作符，表达式中包含的立即数必须在预先定义的数值范围之内。

3.根据权利要求1所述的利用表达式解析实现工业现场底层设备监测管理的方法，其特征在于，第三步中，在统计系统运行时，对于需要重复计算的表达式，统计系统会在第一次计算之前完成转换后，将转换结果即表达式的后缀形式存储起来。