童 星

(青島理工大學(xué)，山東 臨沂 273400)

1 引言

數(shù)據(jù)采集是計算機應(yīng)用的重要領(lǐng)域，通過數(shù)據(jù)處理與采集能夠改善復(fù)雜信息量激增的問題。常見的數(shù)據(jù)采集方法為利用ADC多通道系統(tǒng)實現(xiàn)采集過程，但該方法無法確保數(shù)據(jù)同步采集的時間間隔合理性，會對后續(xù)數(shù)據(jù)分析造成影響，并且對計算機系統(tǒng)的運行速度利用不夠充分，占用大量CPU時間，采集效率較低，不能實現(xiàn)高速采集。因此，如何實現(xiàn)多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層高速采集，已經(jīng)成為該領(lǐng)域急需解決的問題。

為滿足通信數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性與實時性，相關(guān)學(xué)者提出如下研究。文獻[1]提出基于FPGA的多通道實時高速數(shù)據(jù)采集方法。對采集系統(tǒng)的信號監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)處理、核心控制與數(shù)據(jù)顯示等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并分析該系統(tǒng)的工作原理；把獲取的數(shù)據(jù)儲存到FPGA儲存器中等待處理，此時設(shè)計信號調(diào)制電路，使調(diào)整后的電路能夠確保電壓信號的平穩(wěn)；另外設(shè)置軟件功能，降低數(shù)據(jù)與時鐘之間的偏斜程度，待系統(tǒng)判讀生效后，將上述待處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鬟M行處理，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集功能。文獻[2]針對現(xiàn)有方法無法有效匹配事件序列的不足，提出基于TCN的量化時序約束表示模型，運用該模型將事件轉(zhuǎn)化為簡單的時序約束問題，使復(fù)雜事件檢測方法更加高效，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的有效控制。

上述采集方法在一定程度上減少了數(shù)據(jù)沖突，達到了延長系統(tǒng)使用壽命的目的，但不能實現(xiàn)采集精度與效率之間的平衡。因此，本文在時序控制的基礎(chǔ)上，對多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集方法進行研究。在許多領(lǐng)域中存在按照時間順序發(fā)生的具有概率特征的隨機事件，根據(jù)先后順序?qū)l(fā)生的事件記錄下來，就形成了時間序列。本文通過對多層數(shù)據(jù)的挖掘，確定數(shù)據(jù)采集原理，根據(jù)該原理對時序進行設(shè)計，實現(xiàn)對時序的控制，最后通過對比實驗驗證了所提方法的優(yōu)越性能。

2 多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層挖掘與采集

2.1 基于免疫遺傳算法的通信數(shù)據(jù)無冗余挖掘

在多通道跨層冗余通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘過程中，不同通道與層次的取值和閾值存在密切關(guān)系，取值數(shù)量和閾值大小存在反比關(guān)系，將通道最底層的不同數(shù)值當(dāng)作先驗知識，在此基礎(chǔ)上對所有通道中最底層的閾值進行定義，每個通道的高層閾值根據(jù)對比所在層中的不同取值產(chǎn)生，并對其閾值上限進行限定，確保閾值小于等于1。因此獲取第i個通信到最底層最小支持度與最低可信度[3，4]的表達式分別為

(1)

(2)

因此第i個通道j層的閾值表達式為

(3)

(4)

式中，n表示多通道多層數(shù)據(jù)的通道數(shù)量，dij代表第i通道j層具有的不同取值數(shù)量；X表示集合規(guī)則結(jié)構(gòu)。

利用免疫遺傳算法[5]，將關(guān)聯(lián)原則作為依據(jù)對跨層數(shù)據(jù)進行挖掘，挖掘過程包括最小支持向量的頻繁規(guī)則選擇與強度關(guān)聯(lián)原則的發(fā)生兩部分。

假設(shè)一個多通道跨層數(shù)據(jù)集合{Ai，Bj}，Ai與Bj分別代表決策與任務(wù)屬性，集合規(guī)則結(jié)構(gòu)生成一串編碼X={b1…bm.x1…xn}，b1…bm與跨層數(shù)據(jù)的任務(wù)屬性相對應(yīng)，x1…xn與決策屬性相對應(yīng)，則適應(yīng)度函數(shù)表達式為

(5)

對式(5)進行遺傳操作，將免疫原則選取策略作為基礎(chǔ)，結(jié)合濃度概率[6]Pd與適應(yīng)度概率Pf確定跨層數(shù)據(jù)的選取機率P，個體濃度d通過群體中相同個體數(shù)目q與數(shù)據(jù)群體規(guī)模M之比獲得，因此，Pd與Pf可以通過以下描述進行表示

(6)

(7)

式中，fij表示多通道跨層群體中個體的適應(yīng)值；ftotal表示群體中全部個體適應(yīng)值之和。

根據(jù)上述公式獲得跨層數(shù)據(jù)的選擇機率P的表達式為

P=aPf+(1-a)Pd

(8)

式中，a為一個常數(shù)，滿足a∈(0，1)的條件。

由于會產(chǎn)生濃度較高的抗體，因此必須對濃度群體進行更新，確保適應(yīng)度較好的個體被選擇出來的機率更高，假設(shè)抗體濃度為W，它代表群體中適應(yīng)度最強的抗體數(shù)量和全部抗體數(shù)量的比值，則調(diào)控個體的選擇機率p(i)的表達式為

(9)

式中，β表示可以調(diào)整的參數(shù)，并且β∈[0，1]。通過上述分析得出抗體最大程度的適應(yīng)性，因此完成多通道數(shù)據(jù)無冗余跨層挖掘[7]。

2.2 基于最短路徑的數(shù)據(jù)跨層采集

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果，依據(jù)最短路徑原則對數(shù)據(jù)進行跨層采集。在對通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的過程中，獲取通信網(wǎng)絡(luò)實際傳輸數(shù)據(jù)的總數(shù)量，并取得數(shù)據(jù)采集總數(shù)量最大化的限制條件和全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收信息總量與跳數(shù)存在的關(guān)系。將通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集問題轉(zhuǎn)變成最大數(shù)據(jù)量采集的最優(yōu)路徑選擇問題，確定通信數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。具體過程如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

根據(jù)上述通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集原理實現(xiàn)對多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的跨層采集，但是采集過程耗能較高，容易出現(xiàn)延時現(xiàn)象，下面結(jié)合時序控制方法對其進行改善。

3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集時序控制

3.1 時序設(shè)計

結(jié)合上述對數(shù)據(jù)采集原理的描述，時序控制應(yīng)該提供和接收下述時序信號內(nèi)容：

主機系統(tǒng)存在的啟動脈沖TTR；信息緩沖帶發(fā)生器原始脈沖TRS；定時脈沖TSH；轉(zhuǎn)換器的啟動脈沖TST；轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號EOC；通道地址的統(tǒng)計數(shù)量脈沖TCA；信息緩沖帶脈沖TWE，地址記錄脈沖TBA，采集結(jié)束脈沖TCE。

結(jié)合采集原理，上述信號的時序關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集工作時序圖

定時采集脈沖TSH的時間間隔Δt可以根據(jù)具體程序設(shè)置，從上圖中可以看出Δt不能小于ΔT。ΔT由采集系統(tǒng)的工作速度決定，它可以體現(xiàn)采集系統(tǒng)的時序關(guān)系操控采集過程所達到的最快速度，根據(jù)圖1的工作時序圖實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集。

3.2 時序邏輯控制實現(xiàn)

根據(jù)圖1中顯示的工作時序，獲取多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集的控制原理圖，如圖2所示。

圖2 時序控制原理實現(xiàn)圖

圖2中，主系統(tǒng)利用一條輸出命令就可以觸動啟發(fā)器脈沖TTR，它將主系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線DBO中的數(shù)據(jù)“1”傳輸?shù)接|發(fā)器D1的Q端，因此能夠啟動系統(tǒng)中的定時器與計數(shù)器的控制信號GATE，表明此時這兩個程序開始工作，觸發(fā)器D1的Q端啟動了單穩(wěn)3，令其出現(xiàn)一個初始歸零脈沖TRS，此時脈沖信息緩沖帶地址發(fā)生器為清零狀態(tài)，并將DMA請求信號同時清零。

采集系統(tǒng)啟動后，定時器發(fā)生的定時脈沖TSH控制每個通道數(shù)據(jù)的自動采集過程。每條通道地址發(fā)生器是通過一個3bit的二進制計數(shù)工具完成的，在被定時脈沖每進行一次清零時，所有的統(tǒng)計數(shù)量脈沖都會加1，此時輸出的計數(shù)情況可以當(dāng)作每條通道地址。按照上述過程，每個定時脈沖實現(xiàn)一個時間段的數(shù)據(jù)采集，同時定時脈沖還會觸發(fā)單穩(wěn)2，經(jīng)過與單穩(wěn)2的聯(lián)通，產(chǎn)生ADC的啟動脈沖，此時該通道的A/D轉(zhuǎn)換也被啟動。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC將產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC，該信號不但出現(xiàn)各通道地址的統(tǒng)計數(shù)量脈沖，使通道地址加1，并連接下一通道，而且啟動單穩(wěn)1出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖帶的脈沖信號，將轉(zhuǎn)換結(jié)果記錄在緩沖帶中。信息緩沖帶脈沖結(jié)束時出現(xiàn)的地址記錄脈沖信號會使緩沖帶的地址啟動器加1，并指向下一個緩沖區(qū)。此時，緩沖區(qū)地址啟動器同樣通過二進制計數(shù)器實現(xiàn)，它的計數(shù)位數(shù)和緩沖區(qū)的容量相對，將計數(shù)狀態(tài)當(dāng)作緩沖帶地址，并利用信息緩沖區(qū)啟動器的原始脈沖將其清零，再由地址記錄脈沖令其加1。

同時，地址記錄脈沖觸發(fā)單穩(wěn)2，獲取下一通道的轉(zhuǎn)換啟動信號。按照上述過程，實現(xiàn)高速通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的信號轉(zhuǎn)換與結(jié)果儲存。當(dāng)每層數(shù)據(jù)的最后通道采集結(jié)束后，地址計數(shù)器輸出Q2變?yōu)椤?”，此時結(jié)束信號TGE，禁止產(chǎn)生轉(zhuǎn)換啟動信號，直到下一個定時脈沖啟動下一通道的數(shù)據(jù)采集。此時實現(xiàn)了時序控制的多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的全部過程。

4 仿真與結(jié)果分析

在實驗過程中，為更好驗證基于時序控制的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法的可行性，進行對比實驗。選取模擬數(shù)據(jù)集My-Sea作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，并通過在線數(shù)據(jù)分析軟件MOA進行數(shù)據(jù)處理。

由于多通道跨層數(shù)據(jù)采集是基于計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，因此，會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，降低計算機運行效率，所以，首先利用所提方法與文獻[1]、文獻[2]方法對網(wǎng)絡(luò)運行的擁塞率進行對比實驗，計算公式如下所示

(16)

式中，v表示數(shù)據(jù)采集過程中計算機運行速度；v0表示原始計算機運行速度。

三種方法實驗結(jié)果對比圖如圖3所示。

圖3 不同方法的擁塞率對比圖

從上圖可以看出，所提方法在進行數(shù)據(jù)采集時，擁塞率保持在25%以下，而文獻[1]方法的擁塞率最高值達到了47%，文獻[2]方法的擁塞率最高值達到了36%，從上述數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)有方法的擁塞率明顯高于所提方法，說明該方法對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度不高，運行速度較快。這是由于所提方法在進行數(shù)據(jù)采集時序控制之前，采用免疫遺傳算法對通信數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)進行了剔除，實現(xiàn)了跨層無冗余數(shù)據(jù)挖掘，因此擁塞率較低。

為了突出所提方法的全面性與合理性，將數(shù)據(jù)采集延時作為評價指標(biāo)，進行對比實驗，實驗對比圖如圖4所示。

圖4 不同方法數(shù)據(jù)采集延時對比圖

根據(jù)圖4可以看出，隨著數(shù)據(jù)采集量的不斷增多，與其它兩種方法相比，所提方法的數(shù)據(jù)采集延時更短，說明該方法具有很好的采集效率，能夠滿足對數(shù)據(jù)采集的要求。這是由于所提方法在數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，參考最短路徑原則，將數(shù)據(jù)采集問題進行了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)換為最優(yōu)路徑選擇問題，并通過設(shè)計時序控制邏輯，繪制工作時序圖，設(shè)計時序控制方案等步驟實現(xiàn)對多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集的時序控制。

5 結(jié)論

為提升通信數(shù)據(jù)采集能力，本文對多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集時序控制方法進行研究。首先通過免疫遺傳算法去除大量的冗余數(shù)據(jù)，完成跨層信息挖掘；其次將最短路徑理論與數(shù)據(jù)采集相結(jié)合，分析采集原理；最后在該原理基礎(chǔ)上對時序進行設(shè)計，并實現(xiàn)高速采集通信數(shù)據(jù)的目的。測試結(jié)果表明，所提方法可以在保證數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，大幅度提升多通道通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跨層采集的能力，可以實現(xiàn)對整個采集程序的有效管理。