一种基于滑动窗口控制数据处理的双机冗余机制研究

朱敬华

（国华徐州发电有限公司，江苏徐州221166）

0 引言

随着我国环保形势日趋严峻，环境保护要求也日益提高，作为主要环境污染因子的SO2、NOx、烟尘等指标成为重点关注对象，而火力发电企业作为这几项指标的排放大户，也面临着污染物排放考核的各方压力。伴随着2011版《大气污染物排放标准》的颁布和实施，江苏省迎来了一轮又一轮的环保设施改造高峰期，相关考核政策和措施也相继出台，对于发电企业来说，压力和动力并存。因此，如何保障环保数据传输系统的稳定可靠运行成为当前实践研究的热点。鉴于此，本文提出了一种基于滑动窗口控制数据处理的双机冗余机制，其能为数据传输提供保障，并在生产系统中实现了部署应用。

现有的环保数据传输系统采用的是单通道传输机制，这种机制在系统发生故障时，只有通过人工干预，才能对系统进行修复，这既影响了环保数据的正常传输，又对系统的运维人员造成很大的压力。双机冗余机制可以很好地解决系统运行时的单点故障问题，但是如何实现故障的实时感知，如何进行故障的无感切换，在故障恢复时如何进行传输通道的还原，都是在实现双机冗余机制时面临的挑战难点。本文对上述几个问题进行了深入的分析研究，提出了一种有效的解决方案，并在生产系统中进行了应用。

1 硬件架构

双机冗余机制的硬件架构如图1所示，主数据采集单元与冗余数据采集单元同时从SIS服务器中采集环保数据，并且两个采集单元之间形成采集通道的冗余，把采集到的数据经调度网络交换机传输至电力调度网络。

主数据采集单元，包含SIS侧采集服务器1、隔离装置1、调度侧采集服务器1，是数据采集传输的主要通道。

冗余数据采集单元，包含SIS侧采集服务器2、隔离装置2、调度侧采集服务器2，是数据采集传输的备用通道。

2 软件平台

冗余机制的软件平台如图2所示，主要包含心跳侦测模块、参数配置模块、数据处理模块、冗余控制模块、自动报警模块、监控模块共6个模块。

图1 双机冗余机制的硬件架构

（1）心跳侦测模块。该模块是整个冗余机制的基础，主要完成热备双机之间的心跳侦测和保活判断，为了保证双机心跳的实时性，设计该功能作为最高优先级任务运行，避免被其他任务抢占。

（2）参数配置模块。该模块实现双机冗余机制的软件平台的运行参数配置，包括故障切换的敏捷性、自动报警模块的告警接受人等。

（3）数据处理模块。该模块实现对双通道采集的冗余数据进行消冗余处理，使得最终传送至省调侧的数据只是一份，不影响考核。

（4）冗余控制模块。该模块实现双机主从运行模式的自动判断和故障状态下主从模式的自动切换功能。

（5）自动报警模块。该模块把通道运行的情况以报警的方式告知用户，保证在主通道发生故障时，用户可以及时知道并进行处理，以防止二次故障发生导致的数据传输中断。

（6）监控模块。该模块实现对通道的监控以及对环保数据传输情况的监控。

图2 冗余机制的软件平台

3 基于滑动窗口控制的数据处理算法

滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方往往不会考虑网络的拥挤情况，都是直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，造成中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。本文借鉴滑动窗口的思路，设置实时传输的环保数据测点的缓冲时间段，对在滑动时间窗口内的数据进行消重处理，以此来保证数据既不会丢失，又不会重复发送。

基于滑动窗口控制的数据处理算法是针对数据传输的双机冗余业务设计的，通过监控两个通道的数据，并对其进行消重以实现数据的高可靠传输。消重监控程序的核心是设计了基于滑动时间窗口的算法，该算法不仅实现了数据的消重，同时也保证了数据的实时传输，其实现原理如图3所示。

图3 基于滑动窗口控制的数据处理算法实现原理

（1）当接收到通道发送过来的测点时，在缓冲池中搜索该测点的标志，如果缓冲池中没有，就把测点及相应时间戳发往省调网络，并存入缓冲池；如果缓冲池中有该测点，则把测点及相应时间戳发往省调网络，并更新缓冲池中该测点的时间戳。

（2）滑动时间窗口，检查缓冲池中已有测点与最新时间戳的差值，如果大于时间窗大小t，向前滑动时间窗口，把该测点从缓冲池中删除；如果小于时间窗大小t，则保持时间窗口位置不变。

基于滑动窗口控制的数据处理算法具体实现思路如下：

（1）在队列Q中使用双指针的左右指针技巧，初始化left=right=0，把索引的闭合区间[left，right]称为一个“窗口”，其中队列中的元素就是按顺序排列的环保数据上传的每个测点。

（2）不断增加right指针的值，扩大窗口[left，right]，直到窗口中的总体冗余测点数量满足预设的比例r。

（3）符合要求后，停止增加right，转而增加left指针来缩小窗口[left，right]，直到窗口中的测点数据不再满足时间刷新的要求。注意，每次增加left，都要更新一轮结果。

（4）重复第2步和第3步，直到right到达队列Q的尽头或者满足一次完整上传的测点全部上传完成。

4 结语

目前，本文提出的基于滑动窗口控制数据处理的双机冗余机制已经在国华徐州发电有限公司进行部署应用，实际应用表明，本文提出的机制可以有效保证环保数据传输的稳定性，提高通道故障时的响应处理速度，针对冗余通道设计的数据处理算法可以有效保证实时数据的唯一性，保障环保数据双通道传输系统的正常运行。