CN113037300B - 电力传感器在线监测数据压缩方法、解压方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力传感器在线监测数据压缩方法、解压方法及监测系统，适用于包含多个相同或类似电路单元的电子系统。为节约通信成本、提高数据压缩效果，正是基于空间相关性和时间相关性的考虑，本发明提出一种电力传感器在线监测数据压缩方法，依据每个电路单元被检测物理量的空间相关性和时间相关性，对依次在不同时间、从不同空间位置上的单元电路所获取的检测数据采用层次化差分编码方法进行编码，用于对大规模相同电路单元监测数据进行有效的压缩，以便获得明显的数据压缩效果，降低通信成本、为物联网技术在具有大规模内部相同结构的机电设备的应用添砖加瓦。

Description

电力传感器在线监测数据压缩方法、解压方法及监测系统

技术领域

本发明涉及电子测量、网络与数据通信、计算机信息处理领域，更具体地，涉及一种电力传感器在线监测数据压缩方法、解压方法及监测系统。

背景技术

随着网络基础设施的升级和物联网应用技术的推广普及，人们开始考虑将物联网技术运用于对较大规模的、由多个相同电路单元构成的电子/电气设备工作状态的在线检测，进而希望通过网络对远程设备进行实时监测。以电力系统为例，太阳能、风力等清洁能源发电装置中都包含了大量地理位置邻近、结构相同的电路单元；而在用电系统中，电动汽车的储能设备是由大量相同单元的锂电池通过串并联构成的。在上述各类装置或系统的使用、运行过程中，通过对各电路单元的实时监测，可及时发现各电路单元因元器件逐渐老化、失效、过载损坏等原因导致的异常，通过远程控制及时切换备用模块或停用故障单元，可以减少损失甚至避免灾难性后果。然而，对大量电路单元进行在线检测需要将检测电路及通信电路永久附加到原有电路上，这会增加设备生产成本和通信成本，同时还会带来附加耗电、发热等不利因素，因此将物联网技术运用于这种设备的监测面临诸多困难。

对于由相同电路单元构成的大规模设施，其通信成本是限制物联网应用的主要因素之一。研发高效的数据压缩技术对监测数据进行压缩、以期显著降低通信量需求，是本发明的主要目的。由于这些众多的电路单元工作在相似的环境下、每个电路单元承担的功能相同，这使得从这些电路单元检测的数据具有较强的空间相关性和时间相关性。空间相关性使得正常情况下邻近电路单元的检测数据应当彼此接近、区别较小。时间相关性则表现为在正常情况下，足够短的时间内先后对同一电路单元进行检测，其检测量的变化应当小于某个临界值。

发明内容

为节约通信成本、提高数据压缩效果，正是基于空间相关性和时间相关性的考虑，本发明提出一种电力传感器在线监测数据压缩方法、解压方法及监测系统，用于对大规模相同电路单元监测数据进行有效的压缩，以便获得明显的数据压缩效果，降低通信成本、为物联网技术在具有大规模内部相同结构的机电设备的应用添砖加瓦。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种电力传感器在线监测数据压缩方法，适用于包含多个相同或类似电路单元的电子系统，依据每个电路单元被检测物理量的空间相关性和时间相关性，对依次在不同时间、从不同空间位置上的单元电路所获取的检测数据采用层次化差分编码方法进行编码，具体为：第一层，称为外层，用于对先后不同时间从各电路单元进行若干次轮番检测的数据进行编码，同一时间或近似为同一时间对所有单元的检测数据构成一帧，因此从外层看，数据由若干帧组成，不同时刻的数据帧分为首帧和后续帧，每个首帧后面跟若干后续帧，首帧用于记录每个电路单元检测数据的实际值，后续帧用于记录每个电路单元检测数据相对于其前一帧的增加量；第二层，即内层，用于记录某同一时刻(或近似于同一时刻)不同电路单元的一帧检测数据，不论是首帧还是后续帧，都采用近游程长度编码，以实现对数据的有效压缩，后续帧采用更小的存储单位存储数据。

优选地，每个首帧后跟随的后续帧间的时间间隔及数量自适应地进行调整，当监测到有电路单元接近异常时，加快采样速率、缩短帧间时间间隔及调整后续帧数量。

优选地，所述首帧，其数据组成包括首帧帧头和检测数据。所述首帧帧头包括：帧号、帧类型标识、后续帧数量、检测时间间隔、检测数据类型、采用近游程长度编码后首帧中每电路单元每类检测数据存储长度、各类检测数据的容许误差、帧头检错/纠错校验；所述首帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

优选地，所述后续帧，其数据组成包括后续帧帧头和后续帧检测数据。所述后续帧帧头包括：帧号、帧类型标识、采用近游程长度编码的后续帧中每电路单元每类检测数据存储长度、帧头检错/纠错校验；所述后续帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据相对于前一帧的增量的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

优选地，近游程长度编码中，后续帧中用于表示每类检测数据值的增量值的变化范围小于首帧中同类值的变化范围，存储该增量值所需的数据位数少于首帧中同类值所需存储位数。

优选地，近游程长度编码的游走方向为电路单元编号的递增方向，且在为每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号可尽量体现各被检测的电路单元的空间相关性。

对由多个相同结构电路单元组成的电子/电气系统，为了监测、管理、维修的需要，可为每个电路单元设立一个编号。同一设计版本的电路可以一直沿用这个编号，以便于对该版本产品进行全程监管并带来一定的规模效益。为每个电路单元设立的编号，取连续的整数，并使编号连续的电路单元在空间上是相邻的，这样在运用本发明所提出的近游程长度编码方法时，将各节点的原始检测数据按电路单元编号顺序依次存放，可以尽量利用数据的空间相关性，有利于提高压缩效果。

本发明还提供一种所述电力传感器在线监测数据压缩方法所对应的解压方法，

首先针对首帧通过近游程长度编码的解码方法，恢复出该首帧包含的各电路单元的各类实际检测值并进行存储；

然后对各后续帧，根据已恢复的前一帧的实际检测值和当前帧所包含的压缩编码后的增量值，按照各电路单元编号的行进方向，根据近游程长度编码所给出的长度计算电路单元编号、并将对应近游程长度编码中所包含的增量值与已存储的前一帧相应电路单元的实际检测值相加，计算出当前帧中对应电路单元的实际值；

如此，按近游程长度编码推进方向不断重复，直至完成当前帧的解压，即可恢复出所有电路单元的当前检测值。

本发明还提供一种远程数据监测系统，包括被测装置和远程监测装置，被测装置包括多个相同或类似单元串并联构成的电路及其检测电路、编号模块、数据压缩模块和网络通信模块，远程监测装置包括网络通信模块、解压模块及监测处理模块；被测装置中的编号模块用于对各被测电路单元进行一次性编号并永久保留，每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号可尽量体现各被检测的电路单元的空间相关性；被测装置中的数据压缩模块用于对检测电路采集来的数据按所述压缩方法进行组织及压缩；被测装置中的通信模块用于将被测装置所发送的数据尤其是压缩后的检测数据发送给远程监测装置，并接收来自远程监测装置的数据及指令，调整被测装置的技术参数；远程监测装置的通信模块用于接收来自被测装置的数据尤其是压缩后的检测数据，并在必要时向被测装置发送数据和指令；远程监测装置的解压模块按所述解压方法对来自被测模块的压缩数据进行解压，将其提供给监测处理模块；监测处理模块用于分析、处理来自被测装置的检测数据，判断其工作状态，必要时发出指令或数据，使被测装置改变各电路单元的串并联连接方式并调整到适当的工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对由多个结构相同或类似的电路单元构成的电子/电气设备，当需要对这些电路单元的技术参数通过各类传感器进行测量并将结果报告给远程的监测设备时，需要采取适当的数据压缩算法。本发明考虑的数据采集手段是并行采集，每个被检测的电路单元配备有固定的传感元件及附属存储电路，能实现同时对所有电路单元进行检测并将检测数据存放于相应的存储空间。每个电路单元有个唯一的、固定的编号，同一时刻，不同电路单元的检测数据按其编号顺序连续存放，构成一帧原始数据的主体，每帧原始数据经逐块压缩处理及检错/纠错编码、添加帧头后被变换为长度可变的数据帧提交给通信模块并最终发送给远程监测装置。每帧内的原始数据压缩首先考虑的是利用相邻电路单元的空间相关性，即：正常情况下，具有相同电路结构的相邻电路单元其被测参数应该基本相同。本发明提出的近游程长度编码，是将连续若干个以某个值为中心、误差限制在一定范围内的测量结果近似为仅用两个数来表达的压缩方法，这两个数是这若干个测量值的中心值及其个数。可以预见，当大多数电路单元都正常工作时，采用近游程长度编码有明显的数据压缩效果。考虑到对电路的检测需要频繁进行，本发明将先后不同时间所获取的测量数据采取层次化的组织，具体为，每隔一定时间(可固定间隔，也可不固定间隔)，将数据帧区分为首帧和后续帧。首帧中所包含的检测数据直接给出各单元待测数据的值(压缩编码后实际是其近似值)，后续帧则给出每个电路单元相对于其前一次检测值的变化量。考虑到各电路元件正常工作时其测量值的时间相关性，当先后两轮测量的时间间隔很小时，每个电路单元在先后两轮接连检测中相应技术参数的变化量都应当很小，再结合空间相关性，空间相邻的多个电路单元，其检测参数的变化量可能大面积的近似相同，此时采用近游程长度编码可获得良好的压缩效果。正常情况下，绝大多数电路单元处于正常工作状态，当相邻帧间的时间间隔足够小时，同一电路被检测量的变化量(有时称增量)趋近于零，其变化范围比该检测量本身的取值范围要小很多。因此，从统计学角度看，在采用相同的物理单位的条件下，首帧中用于表示各电路单元检测参数完整值的数值，其取值范围比后续帧用于表示相应单元前后两次测量值的差值的取值范围要大很多，这样，在给定量化规则的前提下，经过模/数变换后，首帧中存储的用于表示每个电路单元被测量实际值的数据所需位数明显地要比后续帧中所存储的用于表示对应各电路单元先后两次检测量的变化量的数据所需位数要多。采用本发明所述的层次化差分编码可以有效提高数据压缩比。

附图说明

图1为首帧和后续帧的排列图。

图2为首帧帧头结构示意图。

图3为首帧数据组成示意图。

图4为后续帧帧头结构示意图。

图5为后续帧数据组成示意图。

图6是对一个首帧中的检测数据采用近游程长度编码方法进行压缩的流程图。

图7为编码后的若干相同电路单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种电力传感器在线监测数据压缩方法，适用于包含多个相同或类似电路单元的电子系统，依据每个电路单元被检测物理量的空间相关性和时间相关性，对依次在不同时间、从不同空间位置上的单元电路所获取的检测数据采用层次化差分编码方法进行编码，具体为：第一层，称为外层，用于对先后不同时间从各电路单元进行若干次轮番检测的数据进行编码，同一时间或近似为同一时间对所有单元的检测数据构成一帧，因此从外层看，数据由若干帧组成，不同时刻的数据帧分为首帧和后续帧，每个首帧后面跟若干后续帧，首帧用于记录每个电路单元检测数据的实际值，后续帧用于记录每个电路单元检测数据相对于其前一帧的增加量；第二层，即内层，用于记录某同一时刻(或近似于同一时刻)不同电路单元的一帧检测数据，不论是首帧还是后续帧，都采用近游程长度编码，以实现对数据的有效压缩，后续帧采用更小的存储单位存储数据，首帧和后续帧的排列如图1所示。

本发明针对由多个结构相同或类似的电路单元构成的电子/电气设备，当需要对这些电路单元的技术参数通过各类传感器进行测量并将结果报告给远程的监测设备时，需要采取适当的数据压缩算法。本发明考虑的数据采集手段是并行采集，每个被检测的电路单元配备有固定的传感元件及附属存储电路，能实现同时对所有电路单元进行检测并将检测数据存放于相应的存储空间。每个电路单元有个唯一的、固定的编号，同一时刻，不同电路单元的检测数据按其编号顺序连续存放，构成一帧原始数据的主体，每帧原始数据经逐块压缩处理及检错/纠错编码、添加帧头后被变换为长度可变的数据帧提交给通信模块并最终发送给远程监测装置。每帧内的原始数据压缩首先考虑的是利用相邻电路单元的空间相关性，即：正常情况下，具有相同电路结构的相邻电路单元其被测参数应该基本相同。本发明提出的近游程长度编码，是将连续若干个以某个值为中心、误差限制在一定范围内的测量结果近似为仅用两个数来表达的压缩方法，这两个数是这若干个测量值的中心值及其个数。可以预见，当大多数电路单元都正常工作时，采用近游程长度编码有明显的数据压缩效果。考虑到对电路的检测需要频繁进行，本发明将先后不同时间所获取的测量数据采取层次化的组织，具体为，每隔一定时间(可固定间隔，也可不固定间隔)，将数据帧区分为首帧和后续帧。首帧中所包含的检测数据直接给出各单元待测数据的值(压缩编码后实际是其近似值)，后续帧则给出每个电路单元相对于其前一次检测值的变化量。考虑到各电路元件正常工作时其测量值的时间相关性，当先后两轮测量的时间间隔很小时，每个电路单元在先后两轮接连检测中相应技术参数的变化量都应当很小，再结合空间相关性，空间相邻的多个电路单元，其检测参数的变化量可能大面积的近似相同，此时采用近游程长度编码可获得良好的压缩效果。正常情况下，绝大多数电路单元处于正常工作状态，当相邻帧间的时间间隔足够小时，同一电路被检测量的变化量(有时称增量)趋近于零，其变化范围比该检测量本身的取值范围要小很多。因此，从统计学角度看，在采用相同的物理单位的条件下，首帧中用于表示各电路单元检测参数完整值的数值，其取值范围比后续帧用于表示相应单元前后两次测量值的差值的取值范围要大很多，这样，在给定量化规则的前提下，经过模/数变换后，首帧中存储的用于表示每个电路单元被测量实际值的数据所需位数明显地要比后续帧中所存储的用于表示对应各电路单元先后两次检测量的变化量的数据所需位数要多。采用本发明所述的层次化差分编码可以有效提高数据压缩比。

在具体实施过程中，每个首帧后跟随的后续帧间的时间间隔及数量自适应地进行调整，当监测到有电路单元接近异常时，加快采样速率、缩短帧间时间间隔及调整后续帧数量。

电子元器件可能因老化、环境温度变化、供电不稳、内部理化性质变化等因素而损坏，元器件老化还使设备过载承受能力降低，从而导致设备功能降低甚至起火、爆炸。对包含多个相同结构电路单元的装备频繁地实施逐个单元检测，其目的是实时监测各电路单元的工作状况，确保设备工作在正常状态、防止设备带病工作及出现险情。如何合理设定检测的时间间隔，需要从检测成本、通信代价及确保设备安全运行诸方面进行综合权衡。采用固定的帧间(时间)间隔及后续帧数量的作法不能满足综合权衡的需要，而通过由监测中心根据检测情况自适应地调整帧间时间间隔及后续帧数量，能更好地权衡检测成本、通信代价及设备安全性等因素。当检测结果表明所有电路单元都正常工作时，可以采用较低的采样频率(即较大的时间间隔)及较多的后续帧)以降低检测成本和通信代价；而当检测到有电路单元异常时，可根据异常的严重等级，适当加快检测频率(缩短帧间时间间隔、改变首帧与后续帧数量比)，以便远程监测中心对设备工作状况做出更准确的判断以及更迅速的发出相应指令。

在具体实施过程中，如图2-3所示，所述首帧，其数据组成包括首帧帧头和检测数据。所述首帧帧头包括：帧号、帧类型标识、后续帧数量、检测时间间隔、检测数据类型、采用近游程长度编码后首帧中每电路单元每类检测数据存储长度、各类检测数据的容许误差、帧头检错/纠错校验；所述首帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

帧号是对每一帧的编号，发送方对帧号取连续的正整数，接收方可根据帧号是否连续判断是否有帧丢失，当接收方发现有帧号不连续时，可向发送方发出通知，要求补发丢失的帧；帧号还可用于当接收方接收到的帧无法通过校验即接收发生错误时，要求发送方重发该帧。帧类型标识用于区分首帧还是后续帧，首帧中，压缩前的数据是各电路单元检测数据的实际值；对于后续帧，压缩前的数据是当前帧所需传输的各电路单元的实际检测数据与其前一帧所包含的相应电路单元的实际检测数据的差值。后续帧数量是指一个首帧后所紧跟的、在下一个首帧开始前的连续若干个后续帧的数量。检测时间间隔是指相邻两帧数据采集的时间间隔，其中每帧数据的采集包括对全部具有相同结构的电路单元的采集，一帧数据的采集既可以是通过足够多的传感元件同时对各电路单元的采集，也可以通过一些共用的传感元件以很高的采集速率对所有电路单元进行逐个采集(近似同时采集)。检测数据类型用于区分所检测的电路单元的物理/化学参数类型，如电压，电流，温度等，根据测量的需要，至少有一种类型的参数要检测。如果有两种以上类型的技术参数需要检测，则在首帧帧头依次罗列需检测的各类型数据。帧内数据的组织可以有两种选择：先将同一种类型的所有电路单元的测量数据依次处理存放完毕，再按相同的电路单元编号顺序处理存放另一类型的测量数据；也可按电路单元编号顺序，每次处理存放一个电路单元的各类检测数据，所处理存放的同一单元的不同类数据的顺序与首帧帧头所列顺序一致。两种不同处理存放顺序区别仅为压缩后数据在帧内位置的区分，对压缩效果没有影响，因此若无特别指明，在涉及多类型检测数据时，后文均采取处理存放完一类数据，再处理存放另一类数据的方式。所述采用近游程长度编码后首帧中每电路单元每类检测数据存储长度是指存储一个电路单元的特定类型测量数据真实值所需的二进制数据位数，通常换算成字节数，它与所采用的被检测物理/化学参数的单位及检测精度有关。所需各类检测数据的容许误差是指采用近游程长度编码时，考虑到检测过程本身的误差和适当提高压缩效率的需要，容许编码后的结果与原始测量值之间存在的最大误差。很显然，容许的误差越大，则压缩效果越显著，但同时根据编码结果恢复出的值与原始测量值之间的误差也会越大。帧头是指每帧中除了所包含的各电路单元的测量数据外的、放在每帧头部的有关信息，帧头检错/纠错校验是指为了防止或发现帧头信息在传输过程中因噪声、干扰而出现错误所添加的冗余校验信息，它是根据帧头信息按特定规则计算得到的，通常可以用于发现甚至纠正一定程度的通信传输错误。类似地，所述每个电路单元的相应类型的检测数据的近游程长度编码及其检错/纠错校验，是指对每个电路单元的相应类型的检测数据采用近游程长度编码后的数据补加检错/纠错校验码，以便发现乃至纠正一定程度的通信传输错误。采用足够长度的检错/纠错校验后，可以认为，实际情况下，通信传输错误至少是能被接收方及时发现的。

在具体实施过程中，如图4-5所示，所述后续帧，其数据组成包括后续帧帧头和后续帧检测数据。所述后续帧帧头包括：帧号、帧类型标识、采用近游程长度编码的后续帧中每电路单元每类检测数据存储长度、帧头检错/纠错校验；所述后续帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据相对于前一帧的增量的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

为了节省通信代价，后续帧的帧头仅包含帧号、帧类型标识、采用近游程长度编码的后续帧中每电路单元每类检测数据存储长度、帧头检错/纠错校验这四项信息，其中，帧号、帧类型标识、帧头检错/纠错校验与首帧中的相应信息含义相同，在此不再赘述，而采用近游程长度编码的后续帧中每电路单元每类检测数据存储长度，表示后续帧中每个电路单元的前后两次测量值之差所需的存储位数，在帧间测量时间间隔较小的情况下，由于同一被检测点的变化量一般而言相对其完整检测值小得多，存储该类差值所需的位数可以相应减小，因而后续帧帧头中每电路单元每类检测数据存储长度比首帧中的每电路单元相应类型检测数据的存储长度明显要小。后续帧中的主体数据是依电路单元编号顺序存放的每个电路单元的相应类型的检测数据相对于前一帧所含检测数据的增量的近游程长度编码，在正常情况下，由于所有电路单元工作条件基本相同，大多数电路单元的先后两次测量值的增量(或变化量)基本一致，因而可能出现大量基本相同的增量、有较大的概率得到一些大游程的编码，因而能有效提高数据压缩效果。近游程长度编码的检错/纠错校验用于对每组近游程长度编码添加检错/纠错校验，以便发现压缩编码的数据在通信传输过程中出现的一定程度内的错误甚至纠正它。若接收方发现有未能纠正的错误，则向数据发送方发出通知要求其重传该后续帧。

在具体实施过程中，近游程长度编码中，后续帧中用于表示每类检测数据值的增量值的变化范围小于首帧中同类值的变化范围，存储该增量值所需的数据位数少于首帧中同类值所需存储位数。

前面已经说明，首帧中的主体存放的数据源自每个电路单元实际检测数据完整值，未经压缩的数据是按电路单元编号顺序存放的每个电路单元实际检测数据完整值，压缩后的数据主体是各电路单元检测数据依编号顺序所得的近游程长度编码及其检错/纠错码；而后续帧的主体存放的数据源自每个电路单元实际检测数据相对于该帧的前一帧的增量或变化量值按同样顺序存放时的压缩编码。正常情况下，从统计学角度，每个电路单元检测量的完整值在某个绝对值明显大于零的数学期望值附近呈近似正态分布，而相应每个电路单元在短时间内前后两次检测值的增量则近似为0均值附近的正态分布。因而，首帧中要存放的每个数值其绝对值要明显大于后续帧中要存放的每个数的绝对值，在允许量化误差相等的前提下，后续帧中为了表示每个电路单元前后相邻检测数据增量所需的编码位数比首帧中表示每个电路单元一次完整测量值所需的二进制位数明显要少。

在具体实施过程中，近游程长度编码的游走方向为电路单元编号的递增方向，且在为每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号可尽量体现各被检测的电路单元的空间相关性。

如图6所示，对由多个相同结构电路单元组成的电子/电气系统，为了监测、管理、维修的需要，可为每个电路单元设立一个编号。同一设计版本的电路可以一直沿用这个编号，以便于对该版本产品进行全程监管并带来一定的规模效益。为每个电路单元设立的编号，取连续的整数，并使编号连续的电路单元在空间上是相邻的，这样在运用本发明所提出的近游程长度编码方法时，将各节点的原始检测数据按电路单元编号顺序依次存放，可以尽量利用数据的空间相关性，有利于提高压缩效果。

如图7所示，是对一个首帧中的检测数据采用近游程长度编码方法进行压缩的示意图。图中，ε表示设定的最大容许误差，N表示需检测的电路单元数或一帧数据中要处理的数据项数；MIN表示当前所处理的数据所在游程中的最小值；MAX表示当前所处理的数据所在游程中的最大值；SUM表示当前所处理的游程中已包含的检测数据的和；NUM表示当前所处理的游程中的已包含的检测数据的个数；I表示当前所处理的检测数据对应电路单元在一帧中的编号，自1开始；CG用于表示当前游程在本帧中的序号，自1开始；AV表示当前游程中所包含的一组数据的算术平均值；S_I表示第I个检测数据(即编号为I的电路单元的检测值)的实际值(如果将本算法用于后续帧编码，只需将SI重定义为第I电路单元的本次检测值与上次检测值之差即可)；JYCCDM是一个用于存放各组近游程长度码的数组，其最大可能的维度为N×2，JYCCDM(CG,1)表示第CG个游程中的各检测数据的均值，JYCCDM(CG,2)表示第CG个游程所包含的数据的项数。该流程图可概括如下：先根据系统设定，初始化，为ε、N取初值及为JYCCDM申请空间，然后自编号为1的电路单元开始，首先将这个编号为1的单元放入第一游程，并依次对后续编号的每个电路单元的检测值进行游程分组：如果尝试将一个新的检测值加入游程后，该游程中所有数据中的最大值与最小值之差不超过2ε，则可以将该检测数据纳入正在处理的游程中，并使游程的长度加1；否则就从该新的检测数据起另起一个新游程。每当开启一个新游程，就对前面刚结束的游程给出其近游程长度编码，该编码含该游程内所有数据的均值及数据项数(游程长度)。如此重复，直至把所有电路单元的一轮检测数据都处理完毕(此时I＝N)，输出最后一组游程编码。

实施例2

本实施例提供一种所述电力传感器在线监测数据压缩方法所对应的解压方法，

首先针对首帧通过近游程长度编码的解码方法，恢复出该首帧包含的各电路单元的各类实际检测值并进行存储；

然后对各后续帧，根据已恢复的前一帧的实际检测值和当前帧所包含的压缩编码后的增量值，按照各电路单元编号的行进方向，根据近游程长度编码所给出的长度计算电路单元编号、并将对应近游程长度编码中所包含的增量值与已存储的前一帧相应电路单元的实际检测值相加，计算出当前帧中对应电路单元的实际值；

如此，按近游程长度编码推进方向不断重复，直至完成当前帧的解压，即可恢复出所有电路单元的当前检测值。

通信接收端对于所收到的、采用本发明压缩的数据需要进行解压，以预期的精确度还原实际测试数据。解压自首帧开始，首帧帧头中包括：帧号、帧类型标识、后续帧数量、检测时间间隔、检测数据类型、采用近游程长度编码后首帧中每电路单元每类检测数据存储长度、各类检测数据的容许误差、帧头检错/纠错校验等信息，根据帧头所包含的帧类型标识，可以识别出当前一帧数据是首帧还是后续帧。当帧头所含帧类型表明当前帧是首帧时，则根据首帧主体部分采用近游程长度编码的压缩数据可以依次恢复出各电路单元的实际测试值的近似值，该近似值与原始测量值之间的偏差的绝对值小于首帧帧头所包含的容许误差。首帧中根据压缩后的近游程长度编码以恢复实际测量值(即解压)的方法是：采用一个编号计数器，将它的初始值值设为1，即指向编号为1的电路单元，然后依次逐个读取并处理一组近游程长度码，读取一组就处理一组，具体为：设所读取的一组近游程长度编码为(X，L)其中X表示首帧中一组近游程长度码中所编码的一组实测值的平均值，L表示实际检测值近似为X的单元数，则解压的结果是，自编号计数器所记录编号起的L个编号的电路单元，其恢复的近似检测值都为X，然后将编号计数器的值在对本组近游程长度码进行处理前的值基础上加上L，使该编号计数值指向连续编号的、下一组待解压的近游程长度码所对应的头一个电路单元。如此重复，直到处理完首帧中的最后一组近游程长度码。

在上述对首帧数据解压的基础上，对后续帧的解压基本类似，其区别主要有两方面：首先通过帧头中的帧类型识别出该帧是个首帧还是后续帧；其次，对于后续帧，其帧数据主体是每一帧实际测量值与其前一帧实际测量值之差的近游程长度码，要根据后续帧恢复出当前帧对应时刻每个电路单元实际测量值，需要参考其前一帧所对应时刻的各电路单元实际测量值，因此自首帧起，要将解压后的各帧所对应时刻各电路单元实际测量值保存下来，才能进行下一帧数据的解压。以首帧后的第一个后续帧解压为例，处理一组近游程长度码(X’,L’)的处理过程包括：自编号计数器所指向的电路单元开始，从前一帧已恢复数据中读取连续L’个电路单元的已解压检测数据，然后将它们分别都加上X’,得到本帧中L’个电路单元的近似测量值，并修改编号计数器值使其在对本组近游程长度码进行处理之前的取值基础上加上L’(即指向下一组待处理的近游程长度编码)。依次重复上述对本后续帧中各组近游程长度码数据的解压，直到处理完本后续帧所有压缩数据，然后保存该帧数据，供下一后续帧参考。

实施例3

本实施例提供一种远程数据监测系统，包括被测装置和远程监测装置，被测装置包括多个相同或类似单元串并联构成的电路及其检测电路、编号模块、数据压缩模块和网络通信模块，远程监测装置包括网络通信模块、解压模块及监测处理模块；被测装置中的编号模块用于对各被测电路单元进行一次性编号并永久保留，每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号可尽量体现各被检测的电路单元的空间相关性；被测装置中的数据压缩模块用于对检测电路采集来的数据按所述压缩方法进行组织及压缩；被测装置中的通信模块用于将被测装置所发送的数据尤其是压缩后的检测数据发送给远程监测装置，并接收来自远程监测装置的数据及指令，调整被测装置的技术参数；远程监测装置的通信模块用于接收来自被测装置的数据尤其是压缩后的检测数据，并在必要时向被测装置发送数据和指令；远程监测装置的解压模块按所述解压方法对来自被测模块的压缩数据进行解压，将其提供给监测处理模块；监测处理模块用于分析、处理来自被测装置的检测数据，判断其工作状态，必要时发出指令或数据，使被测装置改变各电路单元的串并联连接方式并调整到适当的工作状态。

被测装置中的被监测对象包含多个具有相同结构的电路单元，为了对其进行检测，需要专门设计的检测电路。检测电路包含传感器及其辅助电路。编号模块用于对各相同结构的电路单元按空间相邻原则及管理人员要求进行连续整数编号，并对同型号同规格的设备采用统一的电路单元编号以便提高管理效率，编号模块还可用于按编号约定的顺序收集各电路单元数据并依次存放或者控制将远程监测装置的处理指令传送到相应电路单元的维护管理部件。数据压缩模块接收采集自各电路单元的检测数据，对数据所述的层次化差分压缩编码方法，包含可充分提高压缩速率的逻辑电路及组帧、数据压缩软件，并将本发明方法压缩后的数据传递给网络通信模块。网络通信模块是个双向模块，一方面可以将来自数据压缩模块的压缩数据通过任何一种标准的通信协议发送给远程检测装置，另一方面也可接收来自远程监测装置的数据和指令，将其转发给被测装置，使被测装置根据指令要求调整工作状态。远程监测装置的网络通信模块是双向模块，可以从网络接收来自被测装置的数据，也可将数据和指令通过网络通信模块发送给被测装置。远程监测装置的解压模块包含必要的硬件和解压软件，该模块所包含的硬件主要用于充分提高解压速度、增强监测系统的实时性；解压模块的软件与解压模块的硬件相配合，主要实施近游程长度解码算法，并在存在多个远程被检测装置的场合下提供多任务并发处理能力。监测处理模块用于对来自被测装置的检测数据进行数据分析，采用人工智能方法判断被测装置的运行状态，对出现异常数据的情况进行预警，根据异常的严重程度发出远程控制指令，使被测装置工作于安全可控区间、避免被测装置引发安全事故。被测装置接收到远程监测装置发来的远程控制指令后，根据控制指令要求，调整工作状态甚至改变各电路单元的连接方式，其中包括断开被判断有故障的电路单元与其他单元的连接。

实施例4

本实施例先以一个实施例阐述采用近游程长度编码对首帧数据进行压缩的方法。以一个具有24个电路单元的系统为例，这24个单元的电压测试值按图6所示编号顺序依次为：3.7024，3.6916，3.6872，3.7062，3.7061，3.7029，3.7040，3.6913，3.6950，3.6989，3.6931，3.7033，3.7237，3.6952，3.7065，3.6897，3.7134，3.6903，3.7021，3.6938，3.7051，3.7001，3.6996，3.7295。该组数据的标准差为0.01V。设定容许误差ε为0.01V。采用近游程长度编码，按图6所示流程，第一游程包括3.7024，3.6916，3.6872，3.7062，3.7061，3.7029，3.7040，3.6913，3.6950，3.6989，3.6931，3.7033，共12个测量值，其均值为3.6985，所以第一游程编码为(3.6985，12)；第二游程自3.7237起，因其后的单元测量值3.6952与之差距超过2ε，所以第二游程仅含1个数据，第二游程编码为(3.7237，1)；第3游程始于第14个测量值3.6952，止于第16个测量值3.6897，由3.6952，3.7065，3.6897三个值构成，其均值为3.6971，因此其编码为(3.6971，3)；第4游程仅含第17测量值一个，其编码为(3.7134，1)；第5游程为自第18测量值至第23测量值之间的6个数3.6903，3.7021，3.6938，3.7051，3.7001，3.6996构成，其均值为3.6985，其编码为(3.6985，6)，第6游程是最后一个游程，仅包含最后一个测量值3.7295，其编码为(3.7295，1)。设压缩前每一测量值用16位二进制数表示，每个测量值需要2字节，24个测量值共需48字节，而采用近游程长度编码后，由于游程长度最多不超过24，每组游程的长度数据用一字节存储已绰绰有余，其测量数据均值仍需2字节，因此本例中，6个游程数据共需6×(2+1)＝18字节。此实例中压缩比为48/18＝267％。

实施例5

本实施例再考察另一组测量数据，数据的标准差为0.03V，按节点编号顺序列出，它们依次是：3.6811，3.6986，3.7805，3.6656，3.7166，3.6677，3.7309，3.7098，3.7196，3.6916，3.7074，3.7442，3.6317，3.6510，3.7125，3.6804，3.6911，3.6551，3.6729，3.6879，3.6782，3.6740，3.6873，3.6717。第1游程含2个测量数据3.6811，3.6986，均值为3.6899，第1游程编码为(3.6899，2)。第2游程仅含1项数据3.7805，第2游程编码为(3.7805，1)。第3游程仅含1项数据3.6656，第3游程编码为(3.6656，1)。第4游程仅含1项数据3.7166，第4游程编码为(3.7166，1)。第5游程仅含1项数据3.6677，第5游程编码为(3.6677，1)。第6游程仅含1项数据3.7309，第6游程编码为(3.7309，1)。第7游程含2项数据3.7098，3.7196，均值为3.7147，第7游程编码为(3.7147，2)。第8游程含2项数据3.6916，3.7074，均值为3.6995，第8游程编码为(3.6995，2)。第9游程仅含1项数据3.7442，第9游程编码为(3.7442，1)。第10游程含2项数据3.6317，3.6510，均值为3.6414，第10游程编码为(3.6414，2)。第11游程仅含1项数据3.7125，第11游程编码为(3.7125，1)。第12游程含2项数据3.6804，3.6911，均值为3.6858，第12游程编码为(3.6858，2)。第13游程含2项数据3.6551，3.6729，均值为3.6640，第13游程编码为(3.6640，2)。第14游程含5项数据3.6879，3.6782，3.6740，3.6873，3.6717，均值为3.6798，第13游程编码为(3.6798，5)。采用近游程长度编码需42字节。实际上，若根据此例，因游程长度最大不超过24，可仅用5位2进制数存储每个游程长度，因此进一步可将存储空间减少至37字节，不过后面的分析不考虑这一存储空间的节省，此例中压缩比为48/42＝114％。虽然此例压缩比较小，但这是非常不利的情况：不同电路单元相同工作条件下测量值的实际标准差明显大于最大容许误差。电路正常工作时，出现这种情况的可能性非常小。

实施例6

本实施例用于阐述采用近游程长度编码对后续帧所携带的测量数据进行压缩编码的数据处理过程。参考首帧的24项测试数据：3.7024，3.6916，3.6872，3.7062，3.7061，3.7029，3.7040，3.6913，3.6950，3.6989，3.6931，3.7033，3.7237，3.6952，3.7065，3.6897，3.7134，3.6903，3.7021，3.6938，3.7051，3.7001，3.6996，3.7295；第1个后续帧的24项测量数据是：3.6986，3.6913，3.7033，3.6993，3.7094，3.6964，3.7102，3.6933，3.6989，3.6972，3.6946，3.7121，3.7100，3.6854，3.709，3.6858，3.7116，3.6813，3.6967，3.6914，3.7007，3.6949，3.6971，3.7238。相应，各电路单元的增量依次是：-0.0038，-0.0003，0.0161，-0.0069，0.0033，-0.0065，0.0062，0.0020，0.0039，-0.0017，0.0015，0.0088，-0.0137，-0.0098，0.0025，-0.0039，-0.0018，-0.0090，-0.0054，-0.0024，-0.0044，-0.0052，-0.0025，-0.0057。按照所述的近游程长度编码方法，对后续帧编码是对增量进行编码，最大容许误差仍取0.01V，则第1游程含3项增量，-0.0038，-0.0003，0.0161，第2游程含9项数据：-0.0069，0.0033，-0.0065，0.0062，0.0020，0.0039，-0.0017，0.0015，0.0088。第3游程仅含1项数据：-0.0137。第4游程包含11项数据：-0.0098，0.0025，-0.0039，-0.0018，-0.0090，-0.0054，-0.0024，-0.0044，-0.0052，-0.0025，-0.0057。需要强调，由于后续帧中存储的数据是增量，每个游程的数据采用近游程长度编码后所得的两项数据，由于其表示增量均值的部分与测量值的完整值相比非常小，通常只有少数几个量化单位，因此最多1个字节就可存下此增量值。本实例中，需要4个游程，每个游程编码后需要2个字节，其中一个字节用于存储该游程内增量的均值，另一个字节用于记录该游程的长度，因此本实例中，第1后续帧的近游程长度码的存储空间需求为8字节，与未作压缩处理所需的48字节相比，其压缩比为48/8＝600％。

上述几个实例，展示了采用近游程长度编码，可以有效对具有多电路单元的检测数据进行有效压缩。在电路正常工作情况下，由于各电路单元的空间相关性及时间相关性较高，采用近游程长度编码可获得良好的压缩效果。此外，本发明所提供的数据压缩方法，计算简单、易于实施，因而有利于降低通信成本。

Claims (10)

1.一种电力传感器在线监测数据压缩方法，适用于包含多个相同电路单元的电子系统，其特征在于，依据每个电路单元被检测物理量的空间相关性和时间相关性，对依次在不同时间、从不同空间位置上的电路单元所获取的检测数据采用层次化差分编码方法进行编码，具体为：第一层，称为外层，用于对先后不同时间从各电路单元进行若干次轮番检测的数据进行编码，同一时间对所有电路单元的检测数据构成一帧，因此从外层看，编码后的数据由若干帧组成，不同时刻的数据帧分为首帧和后续帧，每个首帧后面跟若干后续帧，首帧用于记录每个电路单元检测数据的实际值，后续帧用于记录每个电路单元检测数据相对于其前一帧的增加量；第二层，即内层，用于记录某同一时刻不同电路单元的一帧检测数据，不论是首帧还是后续帧，都采用近游程长度编码，以实现对数据的有效压缩，后续帧采用更小的存储单位存储数据；

所述近游程长度编码是将连续若干个以某个值为中心、误差限制在一定范围内的测量结果近似为仅用两个数来表达的压缩方法，这两个数是这若干个测量值的中心值及其个数。

2.根据权利要求1所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，每个首帧后跟随的后续帧间的时间间隔及数量自适应地进行调整，当监测到有电路单元异常时，加快采样速率、缩短帧间时间间隔及调整后续帧数量。

3.根据权利要求1所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，所述首帧，其数据组成包括首帧帧头和检测数据。

4.根据权利要求3所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，所述首帧帧头包括：帧号、帧类型标识、后续帧数量、检测时间间隔、检测数据类型、采用近游程长度编码后首帧中每电路单元每类检测数据存储长度、各类检测数据的容许误差、帧头检错/纠错校验；所述首帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

5.根据权利要求1所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，所述后续帧，其数据组成包括后续帧帧头和后续帧检测数据。

6.根据权利要求5所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，所述后续帧帧头包括：帧号、帧类型标识、采用近游程长度编码的后续帧中每电路单元每类检测数据存储长度、帧头检错/纠错校验；所述后续帧检测数据包括：每个电路单元的相应类型的检测数据相对于前一帧的增量的近游程长度编码及其检错/纠错校验，同类型检测数据连续存放。

7.根据权利要求1所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，近游程长度编码中，后续帧中用于表示每类检测数据值的增量值的变化范围小于首帧中同类值的变化范围，存储该增量值所需的数据位数少于首帧中同类值所需存储位数。

8.根据权利要求1所述的电力传感器在线监测数据压缩方法，其特征在于，近游程长度编码的游走方向为电路单元编号的递增方向，且在为每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号体现各被检测的电路单元的空间相关性。

9.一种权利要求1-8任一项所述电力传感器在线监测数据压缩方法所对应的解压方法，其特征在于，

首先针对首帧，恢复出该首帧包含的各电路单元的各类实际检测值并进行存储；

然后对各后续帧，根据已恢复的前一帧的实际检测值和当前帧所包含的压缩编码后的增量值，按照各电路单元编号的行进方向，根据近游程长度编码所给出的长度计算电路单元编号、并将对应近游程长度编码中所包含的增量值与已存储的前一帧相应电路单元的实际检测值相加，计算出当前帧中对应电路单元的实际值；

如此，按近游程长度编码推进方向不断重复，直至完成当前帧的解压，即可恢复出所有电路单元的当前检测值。

10.一种远程数据监测系统，其特征在于，包括被测装置和远程监测装置，被测装置包括多个相同电路单元串并联构成的电路及其检测电路、编号模块、数据压缩模块和网络通信模块，远程监测装置包括网络通信模块、解压模块及监测处理模块；被测装置中的编号模块用于对各被测电路单元进行一次性编号并永久保留，每个电路单元用连续整数编号时，编号连续的电路单元，其空间位置是相邻的，如此编号可尽量体现各被检测的电路单元的空间相关性；被测装置中的数据压缩模块用于对检测电路采集来的数据按权利要求1-8任一项所述压缩方法进行组织及压缩；被测装置中的通信模块用于将被测装置所发送的数据发送给远程监测装置，该数据包括压缩后的检测数据，并接收来自远程监测装置的数据及指令，调整被测装置的技术参数；远程监测装置的通信模块用于接收来自被测装置的数据，该数据包括压缩后的检测数据，并向被测装置发送数据和指令；远程监测装置的解压模块按权利要求9所述方法对来自被测模块的压缩数据进行解压，将其提供给监测处理模块；监测处理模块用于分析、处理来自被测装置的检测数据，判断其工作状态，发出指令或数据，使被测装置改变各电路单元的串并联连接方式并调整到适当的工作状态。

Images