鄭寶鋒，劉修國，崔芳姿，范振林，張 超

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）國家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

中國地質(zhì)調(diào)查局積極響應(yīng)國務(wù)院《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要》，在進(jìn)行找礦任務(wù)時，本著以人為本、安全第一的原則，結(jié)合安全生產(chǎn)和應(yīng)急救援的工作經(jīng)驗，研發(fā)了一套地質(zhì)調(diào)查安全保障（CGSsafety）系統(tǒng)，以提升地質(zhì)調(diào)查單位的安全生產(chǎn)管理和安全保障技術(shù)水平。CGSsafety系統(tǒng)采用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的天地圖和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），從數(shù)字化管理的角度出發(fā)，集成了BDS、移動通信網(wǎng)（GPRS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和終端設(shè)備，利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將文字信息、地理信息、圖片信息、業(yè)務(wù)內(nèi)容等統(tǒng)一建立在可實時訪問的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)下，實現(xiàn)了地質(zhì)調(diào)查野外人員、車輛、飛機(jī)、船舶的衛(wèi)星定位、軌跡跟蹤、緊急呼救、雙向通信、應(yīng)急救援，野外安全環(huán)境條件分析以及地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)規(guī)范化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化管理。該系統(tǒng)于2013年1月正式運行，是中國地質(zhì)調(diào)查局以及局屬單位日常安全生產(chǎn)管理、年度安全考核的重要抓手，也是地質(zhì)調(diào)查生產(chǎn)調(diào)度的重要依據(jù)。CGSsafety系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)中心（服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境）、調(diào)度指揮中心（指揮大屏、遠(yuǎn)程會商）、軟件（安全保障平臺、手機(jī)App和野外安全保障終端軟件）、北斗集群式指揮機(jī)和野外安全保障終端設(shè)備等組成[1-2]。

隨著地質(zhì)調(diào)查任務(wù)以及與地質(zhì)調(diào)查單位、野外工作者、物力等配套的北斗設(shè)備、車輛、船舶、飛機(jī)的逐年增加，數(shù)據(jù)量逐年增大，對數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性、安全保障時效性提出了更高的要求。為了使CGSsafety系統(tǒng)能更加適應(yīng)今后工作的要求、更好地保障野外工作者的安全，同時建立更加全面、迅速、準(zhǔn)確、靈活的安全生產(chǎn)信息平臺，本文對CGSsafety系統(tǒng)進(jìn)行了升級，重點介紹了時間序列數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)中的應(yīng)用，旨在解決系統(tǒng)中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所遇到的問題以及針對目前系統(tǒng)提出解決方案。

1 系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的需求分析

CGSsafety系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源以野外安全保障終端回傳的定位數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)為主，還包括用戶單位的日常安全生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。野外安全保障終端以北斗終端為主，主要包括兩大功能：①實時定位，提供全天候的實時定位系統(tǒng)；②短信報文通信，民用服務(wù)每min可傳送一條120個漢字以內(nèi)的短信息。

截至2018年12月，CGSsafety系統(tǒng)注冊的安全保障終端有4 000余臺，個人終端每30 min自動報位 一次，車載終端每min自動報位一次，且個人終端在野外期間，每日9：00、12：00、16：00各主動報位一次。每天北斗設(shè)備的報位數(shù)據(jù)包括北斗位置信息和北斗短報文信息兩類。按照目前的北斗設(shè)備數(shù)量，CGSsafety系統(tǒng)每日接收和處理的數(shù)據(jù)量可達(dá)幾萬到十幾萬，同時系統(tǒng)還要為安全生產(chǎn)管理提供統(tǒng)計、分析、管理等必要的數(shù)據(jù)支持，因此CGSsafety系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)訪問性能方面都有較高的要求。

1.1 存儲容量的需求

目前，CGSsafety系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（SQLServer），隨著時間的推移，采用的磁盤陣列設(shè)備已越來越不能滿足日益增加的北斗數(shù)據(jù)的存儲和管理需要。根據(jù)系統(tǒng)運行以來的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和目前設(shè)備的采樣周期計算，一年的數(shù)據(jù)量約為1 000多萬條，存儲空間約為10G，隨著未來安全生產(chǎn)管理工作的進(jìn)一步發(fā)展和監(jiān)控頻率的提高，數(shù)據(jù)量可能會呈幾何級增長。隨著監(jiān)控頻率和設(shè)備數(shù)量的增加，對磁盤陣列的空間要求將越來越高，需要不斷增加磁盤空間，使得運行成本持續(xù)增長。

CGSsafety系統(tǒng)的實時性強、發(fā)送頻率高，具有海量的數(shù)據(jù)空間要求，普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫雖能滿足一定的要求，但隨著時間的推移、監(jiān)控頻率和設(shè)備數(shù)量的提高，將越來越捉襟見肘，不能適應(yīng)未來的發(fā)展需求。然而，時序數(shù)據(jù)庫可以很好地滿足CGSsafety系統(tǒng)未來發(fā)展的要求。時序數(shù)據(jù)累計速度非?？?，時序數(shù)據(jù)庫通過提高效率來處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，能提供更高的容納率、更快的大規(guī)模查詢以及更好的數(shù)據(jù)壓縮。

1.2 訪問性能的需求

CGSsafety系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)庫具有較高的低延遲性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時展示、快速查詢等功能，為地質(zhì)安全生產(chǎn)和安全救援工作的順利進(jìn)行提供進(jìn)一步的保障。這就要求數(shù)據(jù)庫能適應(yīng)持久的、高性能負(fù)荷的數(shù)據(jù)存儲、處理和快速讀寫。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存在訪問速度較慢的問題，且在上述環(huán)境中會產(chǎn)生較大的訪問性能瓶頸。

1.3 應(yīng)用開發(fā)的需求

傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用開發(fā)上具有一些得天獨厚的優(yōu)勢，可為開發(fā)者提供更加豐富的開發(fā)接口和相關(guān)的輔助功能，使開發(fā)的應(yīng)用程序能更快速地讀寫數(shù)據(jù)。時序數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品具備了普遍的應(yīng)用程序二次開發(fā)接口、系統(tǒng)開發(fā)套件，提供了標(biāo)準(zhǔn)的API方法來訪問數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ODBC），為CGSsafety系統(tǒng)進(jìn)一步的功能擴(kuò)展提供了技術(shù)支撐，解決了系統(tǒng)升級改造的問題[3-5]。

2 基于時序數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)

中國地質(zhì)調(diào)查局配備的北斗終端發(fā)送的實時位置信息和短報文都屬于典型的時序數(shù)據(jù)，由設(shè)備在一段時間內(nèi)連續(xù)間隔一定時間生成定位坐標(biāo)信息或短報文信息。時序數(shù)據(jù)庫很好地解決了物聯(lián)網(wǎng)下的大數(shù)據(jù)存儲和高并發(fā)等問題，本文采用InfoEarthThingDB進(jìn)行應(yīng)用。

2.1 InfoEarthThingDB簡介

InfoEarthThingDB是面向物聯(lián)網(wǎng)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、管理和調(diào)度設(shè)計的一個時序數(shù)據(jù)庫，采用最新的Go語言和NodeJS開發(fā)，無需任何外部依賴即可獨立部署，支持Windows、Linux等操作系統(tǒng)[6-8]。

InfoEarthThingDB具有的特點為：①物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)往往需要嚴(yán)苛的運行環(huán)境，InfoEarthThingDB只需安裝一個二進(jìn)制文件，即可運行于Windows、Linux等系統(tǒng)，完全沒有任何的外部依賴；②底層采用基于NoSQL架構(gòu)的存儲引擎，提供了極強的寫能力和高壓縮率；③提供了RESTAPI讀寫、查詢接口以及SQLLike的查詢語言，方便使用；④TimeSeries Index，對Tags進(jìn)行索引，提供了高效的檢索。

時序數(shù)據(jù)庫解決了大量用戶更新和查詢定位信息的性能問題，特別是在附近點查詢和最近設(shè)備查詢方面能實現(xiàn)非常高效的性能，且具有高效的截面數(shù)據(jù)查詢能力，能瞬時恢復(fù)某一時刻的整體場景。一般時序數(shù)據(jù)庫支持的大量數(shù)據(jù)插入和高效單點查詢，InfoEarthThingDB同樣具有[9-13]。

2.2 基于時序數(shù)據(jù)庫的CGSsafety系統(tǒng)設(shè)計

CGSsafety系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，具有設(shè)備接入、大數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等功能，能對人員、車輛等的北斗終端、通信衛(wèi)星終端、手機(jī)終端上報的位置信息、短信信息、報平安信息、報警信息等進(jìn)行接收、解析、存儲、管理，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提供位置信息展示、歷史軌跡回放、報警信息反饋、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層通過北斗終端設(shè)備實時采集戶外人員和車輛的位置信息、用戶安全確認(rèn)信息短報文數(shù)據(jù)，然后在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的支持下，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)對原始報文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理、入庫，并提供數(shù)據(jù)服務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)面向安全監(jiān)控業(yè)務(wù)人員，通過基本的業(yè)務(wù)操作和空間數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)對人員、車輛等位置、安全狀態(tài)的監(jiān)控以及發(fā)送危險預(yù)警信息。

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

CGSsafety系統(tǒng)主要由基本操作、監(jiān)控欄、圖層管理、信息標(biāo)牌、北斗交互、分度盤等功能模塊組成，如圖2所示。

圖2 CGSsafety系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1）基本操作。該模塊主要包括地圖窗口前進(jìn)或后退，地圖顯示回到初始比例尺，地圖漫游，移動地圖，放大或縮小地圖，在地圖上量算任意兩點間距離或多點間的累計距離，在地圖上繪制任意區(qū)域并量算其面積，按省份、矩形、任意多邊形以及范圍面查詢等功能。

2）監(jiān)控欄。該模塊用于記錄統(tǒng)計所有單位工作組的野外情況，分為全局統(tǒng)計、本單位統(tǒng)計和歸口管理部門統(tǒng)計。該模塊可分別針對項目、工作組和個體進(jìn)行查詢，在地圖上回放人員或車輛在固定時間段內(nèi)的活動軌跡，按照多單位或多省份對全局所有野外工作組中配備有北斗設(shè)備的人員、車輛、飛機(jī)和輪船等個體進(jìn)行查找等。監(jiān)控欄界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控欄界面

3）圖層管理。該模塊用于控制地圖上顯示的地圖圖層。

4）信息標(biāo)牌。該模塊用于顯示當(dāng)前野外作業(yè)人員、車輛或飛機(jī)的相關(guān)信息，可查看人員、車輛、飛機(jī)等的軌跡信息，為作業(yè)人員發(fā)送北斗消息等。

5）北斗交互。該模塊包括交互通信、報警記錄、報平安記錄、短信記錄、報警聯(lián)系人等功能。

6）分度盤。該模塊用于控制地圖的縮放級別，并可控制地圖移動。

系統(tǒng)建成后，北斗和天通設(shè)備的位置信息、短報文信息的實時展示，設(shè)備、人員、車輛等查詢性能均得到了明顯的提升，極大地提高了數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析能力，為安全生產(chǎn)管理和人員財產(chǎn)安全提供了更加穩(wěn)固的保障。

3 應(yīng)用效果

本文在原有業(yè)務(wù)體系的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)整體技術(shù)方案進(jìn)行了整體升級改造，很好地解決了系統(tǒng)卡頓、經(jīng)常沒有反應(yīng)的問題，首頁面加載時間控制在3 s以內(nèi)，系統(tǒng)操作平均響應(yīng)時間為0.5 s。為了進(jìn)一步精確分析時序數(shù)據(jù)庫與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之間的性能優(yōu)勢，本文分別從數(shù)據(jù)庫讀寫性能、并發(fā)性、可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行比較。

1）批量讀寫性能測試比較。本文分別在同一類型的3個主機(jī)上安裝SQLServer 2012、MySQL 5.6和InfoEarthThingDB 1.0，對其在不同數(shù)據(jù)量下數(shù)據(jù)讀寫完成的響應(yīng)時間進(jìn)行測試，每條數(shù)據(jù)2個字段。多次測試獲得的平均結(jié)果如表1所示。

表1 不同數(shù)據(jù)庫讀寫完成的平均時間/s

從數(shù)據(jù)庫寫入的響應(yīng)時間來看（圖4），在數(shù)據(jù)量較小的情況下，MySQL和InfoEarthThingDB比SQLServer具有優(yōu)勢；隨著數(shù)據(jù)量的增大，SQLServer與MySQL的性能接近，而InfoEarthThingDB比二者性能高出接近一倍。從數(shù)據(jù)庫讀取的響應(yīng)時間來看（圖5），隨著數(shù)據(jù)量的增加，InfoEarthThingDB的響應(yīng)時間依舊很短，性能遠(yuǎn)勝于SQLServer和MySQL?？傮w來說，InfoEarthThingDB在簡單、大量數(shù)據(jù)存儲方面比SQLServer 和MySQL具有更大的性能優(yōu)勢。

圖4 數(shù)據(jù)庫寫入比較

圖5 數(shù)據(jù)庫讀取比較

2）數(shù)據(jù)庫并發(fā)性測試。對上述3個數(shù)據(jù)庫的并發(fā)性進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫并發(fā)性測試結(jié)果

由單機(jī)數(shù)據(jù)庫并發(fā)測試結(jié)果可知（圖6），InfoEarth ThingDB的數(shù)據(jù)庫并發(fā)性高于MySQL和SQLServer，并發(fā)性與計算機(jī)性能有直接關(guān)系，因此數(shù)據(jù)庫之間的差距都不太大。

圖6 數(shù)據(jù)庫并發(fā)比較

3）可擴(kuò)展性比較。InfoEarthThingDB的數(shù)據(jù)存儲非結(jié)構(gòu)化，基于鍵值對，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不固定，每個元組可根據(jù)自身需求增加鍵值對，從而實現(xiàn)模式自由，支持簡單復(fù)制、橫向擴(kuò)展、簡單API等。SQLServer和MySQL屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具有完整性約束，支持多表聯(lián)合查詢、視圖、存儲過程、觸發(fā)器、索引等復(fù)雜查詢，為保證數(shù)據(jù)庫的ACID，需盡可能地按照要求的范式設(shè)計，從而難于橫向擴(kuò)展。

MySQL和SQLServer在復(fù)雜業(yè)務(wù)處理方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，但應(yīng)對數(shù)據(jù)監(jiān)控業(yè)務(wù)的秒級數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)量龐大、快速響應(yīng)時，InfoEarthThingDB更具性能方面的優(yōu)勢，可緩解系統(tǒng)瞬時查詢和寫入壓力，提升用戶體驗。

4 結(jié) 語

研究結(jié)果表明，在CGSsafety系統(tǒng)中采用時序數(shù)據(jù)庫可以很好地解決海量數(shù)據(jù)存儲和高頻次數(shù)據(jù)訪問的問題；且能為CGSsafety系統(tǒng)未來的功能擴(kuò)展提供必要的功能支持。隨著北斗監(jiān)控在各領(lǐng)域的大量應(yīng)用，時序數(shù)據(jù)庫將在各行各業(yè)得到更多更好的應(yīng)用。