-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Verarbeiten von digitalen Datenwerten, bei dem mit Hilfe eines Prediktor-Verfahrens
aus dem jeweils aktuellen digitalen Datenwert und aus jeweils einem
Vorhersagewert ein Differenzwert gebildet wird und in einem sich
an das Prediktor-Verfahren anschließenden RICE-Verfahren aus den
Differenzwerten komprimierte Werte erzeugt werden.
-
Ein derartiges Verfahren ist dem
Fachmann beispielsweise aus der unter http://www.monkeysaudio.com/theory.html
(abgerufen am 13.11.2002) abrufbaren Internetseite bekannt. Dort
ist erläutert,
wie digitale Audiodaten zum Zwecke der Komprimierung mit Hilfe eines
Prediktor-Verfahrens und eines anschließenden RICE-Verfahrens komprimiert
werden können.
Zur Berechnung von im Rahmen des Prediktor-Verfahrens benötigten Vorhersagewerten
werden jeweils die dem aktuellen Audiodatenwert unmittelbar vorangegangenen Audiodatenwerte
herangezogen.
-
Außerdem werden beim Regeln und
Steuern von industriellen Anlagen üblicherweise Messwerte von ablaufenden
Prozessen, z. B. von Herstellungs- oder von Umwandlungsprozessen,
in digitaler Form erfasst und als Ausgangsinformationen für eine nachfolgende
Verarbeitung zur Verfügung
gestellt. Bei der nachfolgenden Verarbeitung kann es sich beispielsweise
um das Nachregeln einer Prozessgröße handeln. Hierbei ist es häufig notwendig,
die erfassten Messwerte in Form digitaler Datenwerte bzw. digitaler
Messdaten zwischen verschiedenen technischen Anlagen zu übertragen
oder für
eine spätere
Verarbeitung zu speichern. Um die für eine Übertragung der digitalen Messdaten
notwendige Datenmenge zu vermindern, ist in Verbindung mit einer
aus der Druckschrift WO 01/91081 A1 bekannten Füllstandsregelung vorgesehen,
die digitalen Messdaten vor der Übertragung
mit Hilfe einer digitalen Datenkomprimierung zu komprimieren. Auf
diese Weise ist es möglich,
die benötigte
Bandbreite bei der Datenübertragung
zu vermindern.
-
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 28 985 A1 ist
ferner ein Datenkompressionsverfahren zum Einsatz in Prozessregelnetzwerken
bekannt, bei dem zur Echtzeit-Datenkompremierung ein rekursives Wavelet-Kompressionsverfahren
eingesetzt wird.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, das
eingangs angegebene Verfahren derart zu verbessern, dass digitale Datenwerte
vergleichsweise schnell komprimiert werden können.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der jeweilige Vorhersagewert mittels eines Signalmodells gewonnen
wird, das den erwarteten zeitlichen Verlauf der digitalen Datenwerte
beschreibt.
-
Der wesentliche Vorteil, welcher
mit der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass mit Hilfe
des vorgeschlagenen Verfahrens mit hoher Geschwindigkeit eine wesentliche
Verminderung des Speicherplatzbedarfes für die aus den digitalen Datenwerten
ermittelten komprimierten Werte erreicht wird. Die digitalen Datenwerte
können
nämlich
auf diese Weise verlustfrei in Echtzeit, also unmittelbar nach ihrer
Erfassung, komprimiert werden. Eine möglichst schnelle und zuverlässige Bestimmung
der Vorhersagewerte für das
Prediktor-Verfahren ist dadurch erreicht, dass beim Ausführen des
Prediktor-Verfahrens die Vorhersagewerte auf Basis eines zur Beschreibung
des zeitlichen Verlaufs der digitalen Datenwerte geeigneten Signalmodells
ermittelt werden. Durch die Verwendung eines solchen Signalmodells
stehen die Vorhersagewerte zur Bildung der Differenzwerte ohne die
Notwendig keit einer jeweiligen Berechnung anhand vorangegangener
Datenwerte und damit ohne zeitlichen Verzug zur Verfügung.
-
Der Platzbedarf im Speicher kann
gegenüber
unkomprimierten Datenwerten vermindert werden. Die Verminderung
des Speicherplatzbedarfs wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren
mit einer minimalen Rechenleistung beim Verarbeiten der digitalen
Datenwerte erreicht, da lediglich einfache Rechenoperationen wie Addition,
Subtraktion sowie Bit-Manipulationen benötigt werden. Dieses ermöglicht es,
das angegebene Verfahren zum Verarbeiten der digitalen Datenwerte
auch in technischen Geräten
zu nutzen, die Rechenleistung mit Hilfe geeigneter Prozessoren nur
in beschränktem
Umfang zur Verfügung
stellen. Der Bedarf an Rechenleistung für die Komprimierung, welcher
dann für
andere Funktionen nicht zur Verfügung
steht, ist minimiert.
-
Die Komprimierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
führt dazu,
dass hierbei nur Daten entfernt werden, die keine Informationen
enthalten. Deshalb können
die digitalen Messdaten beim Entkomprimieren wieder vollständig, also
verlustfrei, hergestellt werden.
-
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass das Signalmodell auf Basis einer Sinusfunktion
oder einer Cosinusfunktion mit einer konstanten Periode sowie deren
jeweiligen Harmonischen, einer abklingenden e-Funktion oder einer
Sinusfunktion mit abklingender e-Funktion als Hüllkurve ermittelt wird. Auf
diese Weise kann in vorteilhafter Weise der jeweilige Vorhersagewert
besonders schnell bestimmt werden, da keine weiteren Berechnungen
ausgeführt
werden müssen.
-
Eine weitere Lösung der oben genannten Aufgabe
besteht – ausgehend
von dem Verfahren der eingangs genannten Art – darin, dass erfindungsgemäß die digitalen
Datenwerte aus periodischen Signalen gewonnen werden und als der
zu dem jeweiligen aktuellen digitalen Datenwert gehörende jeweilige
vorhersagewert mindestens der digitale Datenwert verwendet wird,
der eine Periode vor dem aktuellen digitalen Datenwert erfasst worden
ist. Durch die Verwendung des jeweils eine Periode vor dem aktuellen
Datenwert erfassten Datenwertes für den Vorhersagewert kann vorteilhaft
die benötigte
Rechenleistung gering gehalten werden. Es müssen keine zusätzlichen
Rechenoperationen durchgeführt
werden, so dass das Verfahren mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden
kann.
-
Zur Verbesserung der Genauigkeit
des jeweiligen Vorhersagewertes können neben dem um genau eine
Periode vor dem jeweiligen aktuellen digitalen Datenwert erfassten
digitalen Datenwert auch weitere, eine ganzzahlige Anzahl von Perioden
vor dem jeweiligen aktuellen digitalen Datenwert erfassten, digitale
Datenwerte zur Bildung des jeweiligen Vorhersagewertes herangezogen
werden. Diese können über einfache
mathematische Funktionen, wie z.B. Mittelwertbildung und/oder Wichtung,
miteinander verknüpft
werden, so dass die hierfür
notwendige Rechenleistung gering gehalten werden kann.
-
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht weiterhin vor, dass in dem RICE-Verfahren ein durch Subtraktion
einer mittels eines RICE-Vorhersagewertes vorhergesagten Datenbreite
des jeweils aktuellen Differenzwertes und einer tatsächlichen
Datenbreite dieses Differenzwertes bestimmter Überlauf mit einem vorgebbaren
Grenzwert verglichen wird und der Differenzwert in einer vorgegebenen
maximalen Datenbreite als komprimierter Wert ausgegeben wird, wenn
der Überlauf
den Grenzwert überschreitet.
Der wesentliche Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass
bei bezüglich
ihrer Datenbreite stark schwankenden aufeinanderfolgenden Differenzwerten
das RICE-Verfahren nur dann verwendet wird, wenn es effektiv eingesetzt
werden kann, also bei niedrigem Überlauf.
Bei hohem Überlauf
wird der jeweilige komprimierte Wert in einer maximalen vorgegebenen
Datenbreite ausgegeben.
-
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht ferner vor, dass die komprimierten Werte über eine Datenübertragungsstrecke übertragen
werden und daraufhin mit einem RICE-Dekodierverfahren aus den komprimierten
Werten die Differenzwerte wiedergewonnen werden und aus den Differenzwerten
und den jeweiligen Vorhersagewerten durch Addition in einem umgekehrten
Prediktor-Verfahren die digitalen Datenwerte ermittelt werden. Eine Übertragung
der komprimierten Messwerte über eine
Datenübertragungsstrecke
umfasst hierbei sowohl drahtgebunden als auch drahtlose Übertragungsverfahren,
wie beispielsweise Funkübertragungen.
Gemäß dieser
Weiterbildung kann vorteilhaft eine Entkomprimierung der komprimierten
Werte an einer von dem Ort der Komprimierung entfernten Stelle vorgenommen werden.
Beispielsweise können
die komprimierten Werte von einem Feldgerät einer industriellen Anlage über einen
Datenbus zu einem Zentralrechner übertragen werden, der nach
Entkomprimierung der komprimierten Werte eine Auswertung der digitalen
Datenwerte vornimmt.
-
Um die spätere Verarbeitung der komprimierten
Werte zu erleichtern oder zusätzliche
Informationen zu übermitteln,
kann eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vorsehen, dass die komprimierten Werte mit Kopfdaten
versehen werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Datenwerte aus Eingangsmessgrößen von Feldgeräten gebildet.
Als Feldgeräte
können
in diesem Zusammenhang beispielsweise schutz- oder leittechnische
Geräte
verstanden werden, wie sie üblicherweise
in industriellen, z. B. energietechnischen, chemischen oder petrochemischen
Anlagen zum Einsatz kommen. Im Vergleich zur Audiotechnik, bei der
zur Komprimierung der digitalen Datenwerte eine nahezu beliebig
lange Zeit zur Verfügung
steht, muss bei Feldgeräten
die Komprimierung aufgrund beschränkter Rechen- und Speicherkapazitäten besonders
schnell vorgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei also
besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierbei
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Komprimieren digitaler Datenwerte; und
-
2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Dekomprimieren komprimierter digitaler Datenwerte.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Komprimieren mit einem nicht dargestellten Feldgerät erfasster
digitaler Datenwerte.
-
Da die digitalen Datenwerte in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus (analogen) Eingangsmessgrößen des
Feldgerätes
gebildet werden sollen, werden sie im Folgenden als digitale Messdaten
bezeichnet.
-
Mit Hilfe einer Messeinrichtung 1 werden
Messwerte erfasst, die in üblicher
Weise in digitale Messdaten umgewandelt werden. Zum Verarbeiten
der digitalen Messdaten wird zunächst
ein Prediktor-Verfahren ausgeführt.
Das Prediktor-Verfahren ist Teil eines Verarbeitungsprozesses zum
Komprimieren der digitalen Messdaten. Hierbei werden mit Hilfe einer
Prediktor-Einrichtung 2 Vorhersagewerte für die digitalen
Messdaten ermittelt.
-
Mittels des Prediktor-Verfahrens
wird zunächst
die für
die Darstellung der digitalen Messdaten benötigte Datenbreite (Bitanzahl)
verringert, indem aus den digitalen Messdaten und geeigneten Vorhersagewerten durch
Subtraktion Differenzwerte gebildet werden. Die verwendeten Vorhersagewerte
sollten dabei möglichst nah
an den realen digitalen Messdaten liegen, so dass bei der Differenzwertbildung
möglichst
kleine Differenzwerte als Ergebnis entstehen. Die Weiterverarbeitung
erfolgt dann mit den im Vergleich zu den digitalen Messdaten bezüglich ihrer
benötigten
Datenbreite deutlich kleineren Differenzwerten.
-
Zur Bildung der Vorhersagewerte für das Prediktor-Verfahren
kann ein Signalmodell verwendet werden, welches beispielsweise auf
einer Sinusfunktion oder einer Kosinusfunktion sowie deren jeweiligen
Harmonischen, einer abklingenden e-Funktion oder einer Sinusfunktion
mit abklingender e-Funktion als Hüllkurve beruht. Hierbei handelt
es sich jeweils um rechentechnisch mit wenig Aufwand darstellbare
und verarbeitbare sowie teilweise periodische Funktionen. Beim Erstellen
des Signalmodells zur Ermittlung der Vorhersagewerte werden vorhergehende
digitale Messdaten betrachtet, welche vor den aktuell zu komprimierenden
digitalen Messdaten erfasst wurden. Zur Bildung des Signalmodells
werden zweckmäßig charakteristische
Eigenschaften, wie z. B. Amplitude, Periodendauer und Abklingverhalten,
der vorhergehenden digitalen Messdaten verwendet. Solche Eigenschaften
lassen sich mit einfachen Rechenoperationen berechnen und lassen
trotzdem eine relativ verlässliche
Ermittlung der Vorhersagewerte zu.
-
Im einfachsten Fall können auch
die vorhergehenden digitalen Messdaten von genau einer vorhergehenden
Erfassungsperiode als Vorhersagewerte unverändert übernommen werden. Die zuletzt
beschriebene Vorgehensweise, bei der auf eine vorhergehende Erfassungsperiode
Bezug genommen wird, ist insbesondere dann möglich, wenn die erfassten Messwerte
und somit die digitalen Messdaten ein periodisches Verhalten aufweisen,
was beispielsweise in energietechnischen Anlagen häufig der
Fall ist. Beim erstmaligen Verarbeiten der digitalen Messdaten mit
dem Prediktor-Verfahren muss für
den ersten Vorhersagewert ein Startwert zur Verfügung gestellt werden.
-
Gemäß 1 werden die digitalen Messdaten von
der Meßeinrichtung 1 und
die jeweiligen ermittelten Vorhersagewerte von der Prediktor-Vorrichtung 2 an
eine Subtraktionseinrichtung 3 übertragen (10) bzw.
(20), in welcher die Vorhersagewerte von den jeweils zugehörigen digitalen
Messdaten subtrahiert werden. Als Ergebnis der Subtraktion entstehen
Differenzwerte, die anschließend
einer Vorrichtung 4 zum Ausführen eines RICE-Verfahrens
zugeführt
(30) werden.
-
Bei dem als solchen bekannten RICE-Verfahren,
dessen Einzelheiten der Fachmann der Literatur entnehmen kann (vgl.
beispielsweise http://www.monkeysaudio.com/theory.html [abgerufen
am 13. November 2002]) wird die Datenbreite der als Ergebnisse des
Prediktor-Verfahrens anstehenden Differenzwerte vermindert, so dass
schließlich
komprimierte Werte erzeugt und ausgegeben (40) werden.
-
Zur Übertragung und zum Speichern
der Differenzwerte könnte
jeweils dieselbe Datenbreite verwendet werden. Diese müsste mindestens
der maximal möglichen
Datenbreite eines Differenzwertes entsprechen. Da jedoch bei aufeinanderfolgenden
Differenzwerten im Allgemeinen die benötigte Datenbreite nicht konstant ist,
sondern von einem Differenzwert zum nächsten schwanken kann, würde bei
einer Übertragung
bzw. beim Speichern der Differenzwerte in der maximalen Datenbreite
ein nicht unbeträchtlicher
Speicherplatz vergeudet werden. Dies soll an folgendem Beispiel
näher erläutert werden:
Es sollen drei Differenzwerte in digitaler Darstellung übertragen
werden, und zwar 11010110, 1101 und 10110. Bei Verwendung einer
konstanten Datenbreite zur Übertragung
müsste
die maximal auftretende Datenbreite der Differenzwerte verwendet
werden, hier also 8 (Datenbreite des ersten Differenzwertes). Folglich
würden
die drei Differenzwerte in der Form 110101100000110100010110 übertragen
werden. Die zur Übertragung
der kleineren Differenzwerte (1101, 10110) in der maximalen Datenbreite
eingefügten
Nullen vergeuden unnötigen
Speicherplatz, da keine zusätzliche
Information übertragen
wird.
-
Mit Hilfe des RICE-Verfahrens wird
nun ein algorithmisches Verfahren zur Verfügung gestellt, das die Differenzwerte,
welche sich aus dem Prediktor-Verfahren ergeben, auf geeigne te Art
und Weise, d. h. in speicherplatz-optimierter Art und Weise, in
komprimierte Werte verschlüsseln.
Die grundlegende Idee für
das RICE-Verfahren ist die Komprimierung der Differenzwerte in einer
jeweils dem Differenzwert angepassten Datenbreite. Zur Trennung
von aufeinanderfolgenden aus den Differenzwerten gewonnenen komprimierten
Werten und Verschlüsselung
von ggf. in einer zu kleinen Datenbreite nicht darstellbarer Informationen
wird ein so genannter RICE-Code eingefügt. Dies wird im Folgenden
erläutert.
-
Für
das RICE-Verfahren wird ein RICE-Vorhersagewert für die erwartete
Datenbreite des jeweils folgenden Differenzwertes benötigt. Die
mittels des RICE-Verfahrens erzeugten komprimierten Werte werden dann
generell in der mit dem RICE-Vorhersagewert
vorhergesagten Datenbreite gespeichert. Ist die Datenbreite der
gemäß dem vorangehenden
Prediktor-Verfahren
erzeugten Differenzwerte größer als
die mit dem RICE-Vorhersagewert vorhergesagte Datenbreite, wird
der Überlauf
(höchstwertige
Bits, die sich nicht mehr in der vorhergesagten Datenbreite darstellen
lassen) in dem RICE-Code verschlüsselt.
Der RICE-Code umfaßt eine
Anzahl von binären
Werten 0, die sich direkt aus dem Überlauf ergibt, und einen abschließenden binären Wert
1. Der RICE-Code und ein resultierender Wert, der sich unter Berücksichtigung
der vorhergesagten Datenbreite aus dem jeweiligen Differenzwert
ergibt, werden unter Gewinnung eines komprimierten Wertes direkt aneinander
gefügt.
-
Der RICE-Vorhersagewert für die Datenbreite
ergibt sich aus Werten für
die Datenbreite einer bestimmten Anzahl vorhergehender digitaler
Messdaten, wobei diese gegebenenfalls in Abhängigkeit vom zeitlichen Abstand
zu dem gegenwärtig
abzu schätzenden
RICE-Vorhersagewert unterschiedlich gewichtet werden.
-
Bei zu großen Abweichungen der tatsächlichen
Datenbreite des jeweiligen Differenzwertes von der mit dem RICE-Vorhersagewert vorhergesagten
Datenbreite wird das RICE-Verfahren
uneffektiv. Aus diesem Grund wird das RICE-Verfahren nur bis zu einer bestimmten
Differenz zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen
Datenbreite verwendet. Wenn bei dem Verfahren dieser Grenzwert überschritten
wird, wird anstelle des RICE-Vorhersagewertes eine maximale Datenbreite
verwendet. Dass der Grenzwert überschritten wurde,
wird mit einen besonderen Wert der RICE-Codes gekennzeichnet, der
im Normalfall (Grenzwert nicht überschritten)
nicht auftreten kann.
-
Zur weiteren Erläuterung des Komprimierverfahrens
wird im Folgenden auf drei aufeinanderfolgende Differenzwerte Bezug
genommen, die sich beispielhaft als Zahlenfolge eines ersten binären Wertes (11001110110),
eines zweiten binären
Wertes (10110) sowie eines dritten binären Wertes (1101111) darstellen lassen.
Der RICE-Vorhersagewert für
die Datenbreite ergibt sich aus der Datenbreite des jeweils vorangegangenen
Differenzwertes des entsprechenden binären Wertes. Der Grenzwert bzw.
die maximal zugelassene Differenz zwischen der tatsächlichen
Datenbreite des jeweiligen binären
Wertes und dem vorhergesagten RICE-Vorhersagewert sei 4, wobei die
maximal übertragbare
Datenbreite 16 betrage. Bei diesen Annahmen ergibt sich der in Tabelle
1 dargestellte Sachverhalt, wenn der erste binäre Wert in seiner tatsächlichen
Datenbreite übertragen
wird.
-
Tabelle
1 Ermittlung
des komprimierten Wertes für
den zweiten binären
Wert (10110)
-
Code
für dritten
binären
Wert (1101111)
-
Als Bitfolge für den zweiten und den dritten
binären
Wert ergibt sich also 100000010110 00101111. Zum Vergleich sei erwähnt, dass
sich für
den zweiten und dritten binären
Wert ohne Einsatz des RICE-Verfahrens unter Verwendung der maximal
auftretenden Datenbreite (11, Datenbreite des ersten binären Werts)
als Bitfolge 00000010110 00001101111 ergeben hätte, also 22 Bit, anstelle
der durch das RICE-Verfahren erzeugten 20 Bit.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Dekomprimierverfahrens.
Hierbei läuft
das in Verbindung mit 1 erläuterte Verfahren
in umgekehrter Weise ab. Die komprimierten Werte werden einer RICE-Vorrichtung 20 zugeführt (100).
Als Ergebnis des mit Hilfe der RICE-Vorrichtung 20 auszuführenden
RICE-Dekodierverfahrens werden die Differenzwerte wiedergewonnen,
die in einer Additionsvorrichtung 21 mit den Vorhersagewerten
für das
Prediktor-Verfahren, welche mit Hilfe einer Prediktor-Vorrichtung 22 erzeugt
werden, zusammengeführt
(200) bzw. (300), so dass schließlich wieder
die digitalen Messdaten ausgegeben werden (400). Die Startwerte
für die
Vorhersagewerte bei der Dekomprimierung (vgl. 2) müssen entweder
mit den Vorhersagewerten für
die Komprimierung (vgl. 1)
fest vereinbart sein oder zusammen mit den komprimierten Werten übertragen
werden.
-
Um die Verarbeitung der komprimierten
Werte für
praktische Anwendungen in industriellen Anlagen, insbesondere energietechnischen
Anlagen, zu optimieren, kann vorgesehen sein, dass die komprimierten Werte
mit Kopfdaten versehen werden. Die Kopfdaten können beispielsweise Informationen über eine
Datenbreite der Differenzwerte, die Anzahl der Differenzwerte, einen
Typ und Parameter des jeweiligen Vorhersagewerts für das Prediktor-Verfahren
sowie einen Typ und Parameter des jeweiligen RICE-Vorhersagewerts
für die
Datenbreite (RICE-Kodierverfahren)
umfassen. Darüber
hinaus können
Informationen über
die Startwerte der Vorhersagewerte für das Prediktor-Verfahren und/oder
des RICE-Vorhersagewerts enthalten sein.
-
Das Komprimieren mit Hilfe des in
Verbindung mit 1 beschriebenen
Verfahrens kann zweckmäßig unmittelbar
nach dem Erfassen der digitalen Messwerte in Echtzeit erfolgen.
Eine Dekomprimierung der komprimierten Werte kann dann für eine weitere
Verwendung vorteilhaft kurz vor deren Verwendung ausgeführt werden,
wobei die (dekomprimierten) digitalen Messdaten bei der Verwendung
beispielsweise zum Anzeigen oder zu einer Simulation genutzt werden
können.
