CN114499753A - 一种提高海洋台站调取速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数据调取技术领域，具体地说，涉及一种提高海洋台站调取速度的方法。包括如下步骤：设计数据存储结构；确定编码位数；确定初始通信参数；确定首数据位置；确定帧长度；形成数据帧并发送；判断是否到达调取时间段结束时间；判断是否仍有超出编码范围的数据未发送；增加编码位数，继续发送。本发明设计利用气象水文数据的连续性提出的传输初值数据和差分值的方法，提高了数据传输的压缩效率，节省了传输时间；能够极大的提升调取速度，满足用户的需求；而且其适用于下位机存储容量小、计算速度慢的特点，便于在下位机系统上实现，对于连续变化、不产生频繁突变的数据采集具有重要的借鉴意义。

Description

一种提高海洋台站调取速度的方法
技术领域
本发明涉及数据调取技术领域，具体地说，涉及一种提高海洋台站调取速度的方法。
背景技术
海洋台站等设备上位机有时需要调取多个站点很长时间范围内的数据，目前采用的数据存储结构和调取方法在调取大量数据时速度非常缓慢，例如通过有线连接在115200bps波特率的情况下调取一个月的所有数据大约需要2～3个小时，如果通过DTU等移动通信设备调取时间需要约1天时间。在一些因为通信中断用户需要导出数据的场合大多比较偏远，技术人员停留时间短暂，上述调取速率远无法满足用户的需求。目前却没有应用于海洋台站可以有效提高数据调取速度的技术，鉴于此，我们提出了一种提高海洋台站调取速度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高海洋台站调取速度的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种提高海洋台站调取速度的方法，包括如下步骤：
S1、设计适用于高速读取数据的数据存储结构；
S2、根据某观测参数一定时间段内大量数据的统计结果，设计效率最高的编码位数；
S3、根据通信链路性质、调取数据的动态范围设定初始通信参数；
S4、根据调取时间段，确定起始时间对应首数据位置；
S5、从首数据开始依次读取数据块并判断，找到首个缺失位置，确定帧长度；
S6、计算首数据后所有数据的差分值，并将首数据和所有差分值打包形成数据帧，并进行发送；
S7、判断上一次数据发送结束位置是否已经超出调取时间段结束时间，如果未超出则在最大帧长度范围内寻找下一个非缺失数据位置，并重复步骤S4～S7；否则执行下一步；
S8、判断是否仍有超出该编码位数表示范围的数据未被发送，如果已经没有则结束数据调取；否则执行下一步；
S9、增加编码位数，继续发送数据。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，数据存储结构的设计原则是：由于调取数据通常存储在非易失性存储器中，形成数据帧时如果需要频繁读取存储器扇区会浪费大量的时间，因此用于形成数据帧的数据最好应该集中存储在尽量少的扇区中，减少读取数据的时间，提高调取的速度。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，确定数据帧的编码范围通常可采用离线计算的方式，计算该站某观测参数一个月数据差分值的动态范围，可取可以表示80％差分数据动态范围的编码位数作为初次编码位数，也可用直接采用经验值，例如潮位数据初次编码位数可直接取为2。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，需要设定初始数值的通信参数主要包括但不限于最大帧长度、编码位数、帧间隔时间等；设定初始通信参数时，主要考虑通信链路的性质、调取数据差分值的动态范围。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，设定初始通信参数的具体操作包括但不限于：如采用DTU无线通信模块，由于受通信模块缓存和链路质量影响，通常即使在115200bps波特率时数据帧的长度也不能大于1K，否则将产生丢包现象；而采用串口有线连接时，数据帧的长度可以远远大于上述数值；另外，上述通信参数需根据实际通信状况和经验选择。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，确定调取数据段首数据的存储位置，需要根据调取时间和存储结构的映射关系获取。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，确定帧长度的具体方法为：从首数据的存储位置开始在不大于最大帧长度的范围内依次寻找首个缺失数据，并根据首数据位置到上述缺失数据位置或最大帧长度确定数据帧的长度。
作为本技术方案的进一步改进，所述S6中，差分值指的是首数据和首数据到首个缺失数据间所有数据的差分值。
作为本技术方案的进一步改进，所述S9中，增加编码位数时，通常每次将编码位数逐次增加一位或若干位，也可一次将编码位数增加到表示最大差分值需要的编码位数，并在编码位数增加后，继续循环执行步骤S4～S8。
本发明的目的之二在于，提供了一种提高海洋台站调取速度的方法的执行系统及其运行装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的程序，处理器用于执行按前面所述步骤编写的程序，从而实现海洋台站数据调取速度的提高。
本发明的目的之三在于，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有按前面所述步骤编写的程序。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该提高海洋台站调取速度的方法利用气象水文数据的连续性提出的不直接传输观测数据而是传输初值数据和差分值的方法，由于表示差分值数据需要的编码位数远远小于原始观测数据的编码位数，因此极大的提高了数据传输的压缩效率，节省了传输时间；
2.该提高海洋台站调取速度的方法能够极大的提升调取速度，降低数据调取时间，满足用户的需求，改善用户体验；
3.该提高海洋台站调取速度的方法非常适用于海洋台站系统下位机(通常是单片机)存储容量小、计算速度慢的特点，便于在下位机系统上实现，对于连续变化、不产生频繁突变的数据采集具有普适性，对于一些采用较窄带宽设备进行数据传输的场合也有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的整体方法的原理流程图；
图2为本发明的整体方法流程框图；
图3为本发明中示例性的执行系统运行装置结构示意图；
图4为本发明中示例性的存储结构示意表；
图5为本发明中某海洋站潮位某月潮位曲线图(单位m)；
图6为本发明中某海洋站潮位某月潮位差分曲线图(单位m)；
图7为本发明中某海洋站某月水温曲线图(单位℃)；
图8为本发明中某海洋站某月水温差分曲线图(单位℃)；
图9为本发明中示例性的差分值编码值映射表；
图10为本发明中示例性的数据帧格式表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图10所示，本实施例提供了一种提高海洋台站调取速度的方法，包括如下步骤：
S1、设计适用于高速读取数据的数据存储结构；
S2、根据某观测参数一定时间段内大量数据的统计结果，设计效率最高的编码位数；
S3、根据通信链路性质、调取数据的动态范围设定初始通信参数；
S4、根据调取时间段，确定起始时间对应首数据位置；
S5、从首数据开始依次读取数据块并判断，找到首个缺失位置，确定帧长度；
S6、计算首数据后所有数据的差分值，并将首数据和所有差分值打包形成数据帧，并进行发送；
S7、判断上一次数据发送结束位置是否已经超出调取时间段结束时间，如果未超出则在最大帧长度范围内寻找下一个非缺失数据位置，并重复步骤S4～S7；否则执行下一步；
S8、判断是否仍有超出该编码位数表示范围的数据未被发送，如果已经没有则结束数据调取；否则执行下一步；
S9、增加编码位数，继续发送数据。
本实施例中，S1中，数据存储结构的设计原则是：由于调取数据通常存储在非易失性存储器中，形成数据帧时如果需要频繁读取存储器扇区会浪费大量的时间，因此用于形成数据帧的数据最好应该集中存储在尽量少的扇区中，减少读取数据的时间，提高调取的速度。
其中，原海洋台站下位机数据通常以每分钟所有观测要素数据作为一个数据单元存储在一个扇区或文件记录中，这种存储方式很适合原系统每次调取每分钟所有要素数据的方式，但所有观测要素在一帧数据中传输的方式首先无法充分利用数据自身的自相关性，无法提高数据压缩率，也无法提高调取速度；其次如果采用每帧只传输单一观测要素的方式形成一帧数据要多次频繁读取存储设备，耗费大量时间。
因此，如图4所示，新的存储结构采用各观测参数在存储设备中分开存储的方式，每种观测参数分别占用一段连续的存储空间；该存储结构可有效降低调取数据时CPU读取存储设备的次数。
本实施例中，S2中，确定数据帧的编码范围通常可采用离线计算的方式，计算该站某观测参数一个月数据差分值的动态范围，可取可以表示80％差分数据动态范围的编码位数作为初次编码位数，也可用直接采用经验值，例如潮位数据初次编码位数可直接取为2。
其中，通常将某观测参数长时间历史数据进行统计分析，采用效率最高的编码位数。上述编码位数统计值可离线计算，也可根据情况在线计算当前发送数据获得。
具体地，如图5、图7所示分别为某验潮站某月的潮位、温盐历史数据，图6、图8为图5和图7中所有潮位和水温数据的差分曲线；如图5-图8所示，可以看出潮位差分的结果绝大部分都分布在-0.01m～0.01m(2位编码)的范围内，统计结果为84.15％的差分数据，剩余数据中分布在-0.03m～0.03m(3位编码)范围内的数据占总数据比为15.84％，两者合计占比为99.99％，只有0.01％(4个数值)的数据不再上述范围内；水温数据也符合上述规律。
因此，如图9所示，直接传输数据初始值和差分值可极大的提高数据压缩率，潮位差分数据的初始编码位数可选择2位编码。
本实施例中，S3中，需要设定初始数值的通信参数主要包括但不限于最大帧长度、编码位数、帧间隔时间等；设定初始通信参数时，主要考虑通信链路的性质、调取数据差分值的动态范围。
进一步地，S3中，设定初始通信参数的具体操作包括但不限于：如采用DTU无线通信模块，由于受通信模块缓存和链路质量影响，通常即使在115200bps波特率时数据帧的长度也不能大于1K，否则将产生丢包现象；而采用串口有线连接时，数据帧的长度可以远远大于上述数值；另外，上述通信参数需根据实际通信状况和经验选择。
具体地，以采用RS-232串口双绞线连接、波特率为115200bps、误码率很低时，可尝试帧长度为11000字节，帧间隔时间为5ms；当采用DTU 4G通信时，波特率同样为115200bps时，由于通常DTU的缓存较小，可尝试帧长度为500字节，帧间隔为100ms；上述参数可根据实际通信情况进行动态调整。
本实施例中，S4中，确定调取数据段首数据的存储位置，需要根据调取时间和存储结构的映射关系获取。
如图4所示，确定调取数据段首数据的存储位置，根据数据存储结构的线性关系可获得调取数据段起始时间对应首数据的位置。
本实施例中，S5中，确定帧长度的具体方法为：从首数据的存储位置开始在不大于最大帧长度的范围内依次寻找首个缺失数据，并根据首数据位置到上述缺失数据位置或最大帧长度确定数据帧的长度。
其中，从首数据的存储位置开始在不大于最大帧长度的范围内依次寻找首个缺失数据，如果过在达到最大帧长度位置前找到缺失数据，则该缺失数据位置到首数据位置数据单元个数即帧长度；否则取最大真长度作为该数据帧帧长度。
本实施例中，S6中，差分值指的是首数据和首数据到首个缺失数据间所有数据的差分值。
具体地，依次读取从首数据开始到帧长度范围内的数据并计算差分值，并按图9所示将上述差分值的对应的编码值填入数据帧，超出该编码值范围的数据统一填充为超范围标志，形成的数据帧格式如图10所示。
本实施例中，S9中，增加编码位数时，通常每次将编码位数逐次增加一位或若干位，也可一次将编码位数增加到表示最大差分值需要的编码位数，并在编码位数增加后，继续循环执行步骤S4～S8。
具体地，对于超出初次编码范围的数据，进一步增加编码位数，重复步骤S4～S8依次发送超出编码范围的剩余数据。
另外，值得说明的时，上述方法的基本思路是：利用绝大多数气象水文数据都具有连续变化，无频繁突变的特点，因此上述数据的差分值动态范围通常远小于原始数据的动态范围，通信传输时只须发送调取数据段的初值和其他所有剩余数据的差分值，由于差分值动态范围远远小于观测数据动态范围，因此可以大幅减小通信的数据量，提升数据调取速度。
如图3所示，本实施例还提供了一种提高海洋台站调取速度的方法的执行系统及其运行装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的提高海洋台站调取速度的方法。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种存储介质，存储介质存储有程序，程序被处理器执行时实现上述的提高海洋台站调取速度的方法的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的程序产品，当其程序运行时，使得程序执行上述的各方面提高海洋台站调取速度的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、设计适用于高速读取数据的数据存储结构；
S2、根据某观测参数一定时间段内大量数据的统计结果，设计效率最高的编码位数；
S3、根据通信链路性质、调取数据的动态范围设定初始通信参数；
S4、根据调取时间段，确定起始时间对应首数据位置；
S5、从首数据开始依次读取数据块并判断，找到首个缺失位置，确定帧长度；
S6、计算首数据后所有数据的差分值，并将首数据和所有差分值打包形成数据帧，并进行发送；
S7、判断上一次数据发送结束位置是否已经超出调取时间段结束时间，如果未超出则在最大帧长度范围内寻找下一个非缺失数据位置，并重复步骤S4～S7；否则执行下一步；
S8、判断是否仍有超出该编码位数表示范围的数据未被发送，如果已经没有则结束数据调取；否则执行下一步；
S9、增加编码位数，继续发送数据。
2.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S1中，数据存储结构的设计原则是：由于调取数据通常存储在非易失性存储器中，形成数据帧时如果需要频繁读取存储器扇区会浪费大量的时间，因此用于形成数据帧的数据最好应该集中存储在尽量少的扇区中，减少读取数据的时间，提高调取的速度。
3.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S2中，确定数据帧的编码范围通常可采用离线计算的方式，计算该站某观测参数一个月数据差分值的动态范围，可取可以表示80％差分数据动态范围的编码位数作为初次编码位数，也可用直接采用经验值，例如潮位数据初次编码位数可直接取为2。
4.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S3中，需要设定初始数值的通信参数主要包括但不限于最大帧长度、编码位数、帧间隔时间等；设定初始通信参数时，主要考虑通信链路的性质、调取数据差分值的动态范围。
5.根据权利要求4所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S3中，设定初始通信参数的具体操作包括但不限于：如采用DTU无线通信模块，由于受通信模块缓存和链路质量影响，通常即使在115200bps波特率时数据帧的长度也不能大于1K，否则将产生丢包现象；而采用串口有线连接时，数据帧的长度可以远远大于上述数值；另外，上述通信参数需根据实际通信状况和经验选择。
6.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S4中，确定调取数据段首数据的存储位置，需要根据调取时间和存储结构的映射关系获取。
7.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S5中，确定帧长度的具体方法为：从首数据的存储位置开始在不大于最大帧长度的范围内依次寻找首个缺失数据，并根据首数据位置到上述缺失数据位置或最大帧长度确定数据帧的长度。
8.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S6中，差分值指的是首数据和首数据到首个缺失数据间所有数据的差分值。
9.根据权利要求1所述的提高海洋台站调取速度的方法，其特征在于：所述S9中，增加编码位数时，通常每次将编码位数逐次增加一位或若干位，也可一次将编码位数增加到表示最大差分值需要的编码位数，并在编码位数增加后，继续循环执行步骤S4～S8。
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