对空信息通信台站供配电数据采集系统设计

2023-06-09胡笳鸣陈常明罗宏川

现代计算机 2023年6期

胡笳鸣，陈常明，罗宏川

（1.中国人民解放军94860部队，南京 210000；2.中国人民解放军94789部队，南京 210000）

0 引言

对空信息通信台站用于保障空地通信，通常分布于高山、海岛、乡镇、城郊等偏远地区，其供配电系统是台站开展通信战备工作的基础，也是军事保障工作的重要因素。随着军事通信网的日益扩张，数量庞大的供配电系统完成建设并投入使用，采用先进技术集中统一管理供配电系统的需求日益紧迫［1］。同时，由于现代供配电系统技术进步，其工况数据中状态参量的数量和类型数不断增多，特别是为了支撑大数据挖掘分析应用，采集数据的采样频率和量化精度不断提高，供配电系统工况数据的采集、传输、存储难度大幅提升。截至目前，尚无满足公开文献报道需求的供配电系统数据采集系统。

本文基于声卡模数转换单元获取供配电系统工况的高频率高数度数据，综合应用云存储、Active Data Object 接口、 TCP/IP 协议Socket 程序、服务端多线程等技术实现海量数据传输存储，设计了一种数据采集系统。该系统可实现对各个站点供配电数据的采集、存储、查询和分析，相较于现有技术具有精度高、信息粒度小的优势，可支撑配电系统工况大数据挖掘分析应用。

1 系统设计思路

对空信息通信台站部署的供配电系统通常包含供配电监测模块，安装于配电柜的通信处理框架内，针对电网中的输入输出电压、电流、频率、相位等参数实时旁路监控。虽然这些数据会存储于本地CF 卡或固态硬盘中，可以使用厂商提供的软件接口调取。但是厂商集成的数据采集功能通常缺乏电网信息细节，信息颗粒度不够，难以藉此开展后期的数据挖掘分析。吉淑娇等［2］基于声卡的模数转换单元（ADC），在Lab VIEW 程序开发环境下，实现音频范围内的信号细颗粒采集。本文利用Realtek ALC269型声卡的ADC单元采集电网旁路数据，可以实现对电网参数的高精度记录，采样频率可以达96 kHz，量化精度24 bit［3］。新设计的供配电数据采集系统将会以云存储技术为基础构建存储核心模块，实现海量数据存储和均衡数据调阅；同时配合设计的网络通信模块对站点前端声卡采集的数据进行压缩传输，如图1所示。

图1 供配电数据采集系统设计思路

2 存储核心模块

对空信息通信台站使用声卡采集数据将会积累大量电网实时监测数据，每路电源数据产生率接近6 MByte/分钟，站点监控模块中自带的CF 存储卡无法支持长时间的数据存储，需要使用集中式的数据库实现庞大数量站点上报信息的长时段记录。可以考虑对采集数据采用云存储技术，即数据分布到存储终端中，服务端提供从网络云查询数据的功能［4］。当用户需要精确查询某一台站某一时间段内的电网运行数据时，在客户端使用软件登录服务器，由服务器从网络云中调阅历史数据并进行动态展现。

存储核心模块的整体架构如图2所示，包括客户端、服务器、数据库服务器、云存储服务器集群四个部分。其中，服务器是供配电数据采集系统的服务提供者，负责面向保障部门的用户提供数据的查询、分析和动态展现；数据库服务器用于调度任务相关数据的动态缓存；所有历史的、海量的台站供配电数据存储在电网云存储服务器集群之中。

图2 存储核心模块架构

存储核心模块的架构设计必须具备以下几个技术能力：①各个通信站点上传的电网数据能够进行分布式存储；②多个客户端在使用服务器查阅数据时能实现任务的负载均衡；③随着业务量的上升可以动态添加服务器节点，同时不影响现有系统的稳定运行。

云存储是通过集群、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个服务系统。各个通信站点采集到的实时电网数据依托服务器中的分布式存储进程完成到各个云存储服务器的均匀分配存储，如图3所示。所有站点的电网数据以压缩格式存储于云中。

图3 供配电数据存储过程

各个通信站点采集数据存储详细流程如下：

（1）通信站点数据采集客户端周期性向系统服务器请求云存储，服务器采用任务调度技术为每个采集客户端定制任务时间和云存储块资源；

（2）服务器向站点客户端通报下一个周期内的资源分配计划单；

（3）站点客户端收到服务器授权的计划单后，按照调度计划将供配电数据上传；

（4）站点客户端完成数据推送后告知云存储服务器，云端回复服务器确认该任务周期内数据完成写入。

3 网络通信模块

本文供配电数据采集系统中数据传输使用TCP/IP 协议，协议实现依托Socket 套接字。在IP 网络进程中，每一个Socket 编程界面由一个三元组描述：协议、本地地址、本地端口。一个完整的Socket 链接则用一个五元组描述：协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口。每一个Socket 有一个本地唯一的ID 号，由操作系统分配［5］。

3.1 数据帧设计及网络传输过程

数据的网络传输通常使用帧格式进行。一个完整的数据帧由帧头及具体内容组成，帧头中包含了该数据帧的预处理方式，例如帧的序号、信道编码滤波方式有中值滤波和低通滤波、压缩方式为有损及无损压缩等，帧内容中包含声卡采集电网数据的时间、地点和各类测量参数。完成数据帧格式定义后，还需进一步开展网络传输流程设计，流程内容主要包括客户端主动采集电压数据传输过程、服务器控制数据采集过程及数据查询传输过程。

（1）客户端主动采集电压数据传输过程。站点客户端首先向服务器发送传输请求，服务器收到请求后根据服务调度进程响应。在传输过程中，客户端会发送采集的供配电数据容量信息（以Byte 计）；随后将数据文件分割为5 KByte的片段排序发送。数据传输成功后关闭Socket接口，服务器对收到的数据进行分析。

（2）服务器端控制数据采集过程。首先站点客户端启动传输控制进程监听服务器的指令信息，服务器通常采用手动和自动电压采集两种模式。手动模式即管理人员使用服务端Web页面远程遥控具体站点客户端的数据采集进程；自动模式即服务器根据调度任务安排以一定周期发送数据采集命令，客户端监听后立即执行；如果服务器端向客户端发送的request控制帧中包含有中止数据采集命令，则客户端立即停止数据采集工作。

（3）数据查询传输过程。首先查询服务器端发送数据查询请求，请求帧格式中包含目标数据属性信息。数据存储云服务器收到后便从数据文件中查找到相应的数据文件，随后利用数据传输过程（首先发送数据文件的大小，然后再发送数据文件）将相应的、已压缩的电网数据文件传输到查询服务器端，查询服务器端对接收到的供配电数据进行解压缩和拼装后恢复原始的采集数据。

3.2 Socket编程的注意事项

军事通信台站供配电数据采集系统中，客户端采集的数据要通过TCP/IP 协议传输到服务器端，然后服务器端对其进行存储。必须考虑数量庞大的各级站点接入时，海量数据传输会导致严重的网络拥塞问题。本文在设计具体程序时可以适当调整Socket 缓冲区的大小，同时让服务器端的守护进程周期读取Socket 通信端口状态信息，有效监测Socket 关闭事件，确保资源占用率来规避拥塞的发生。

3.3 多线程技术的实现

为满足海量网络用户的并发式接入，本系统基于Java 采用多线程技术，多线程技术具有同时处理多项任务、提升服务端资源利用效率的优势，给用户更佳的体验感。根据实际需要，应用程序可分解成许多独立执行的线程，每个线程并行地运行在同一进程中［6］。在客户端数据传输时，新用户接入可能因为现有用户占用资源而导致数据无法接收处理，程序设计采用对不同用户分配不同线程进行单独处理技术。线程间的区分使用数据接入时不同的套接字实现，多用户接入与线程分配框图如图4所示。