趙增印，弓 宇，吳 哲，韓肖君

（1.北京航宇天穹科技公司，北京 100043；2.中機生產(chǎn)力促進中心，北京 100044）

0 引言

旋轉(zhuǎn)部件是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件，需要實時監(jiān)測這些部件的運行狀態(tài)，以確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件運轉(zhuǎn)正常。由于旋轉(zhuǎn)部件的特殊性，遙測系統(tǒng)在獲取轉(zhuǎn)子的測量參數(shù)后通常需要采用無線通訊設(shè)備進行高效率、高可靠性的傳輸，方便地面人員接收數(shù)據(jù)并進行判讀。

旋轉(zhuǎn)部件的高速參數(shù)遙測系統(tǒng)屬于典型的時域系統(tǒng)，需要實時、快速地傳輸測量參數(shù)[1]。不同設(shè)備采集信號帶寬和采樣速率有差異，以設(shè)計的12點測量系統(tǒng)為例，濾波帶寬1.2KHz，采樣率3.1Ksps，精度16bit，總體數(shù)據(jù)速率為595200bps，這表明在單位時間內(nèi)需要傳輸?shù)男D(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)量非常大。在無線傳輸信道帶寬有限的情況下，為了滿足最大傳輸測量參數(shù)數(shù)據(jù)的要求，在傳輸旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)之前需要壓縮時間區(qū)間和頻譜區(qū)域[1]。

本文以旋轉(zhuǎn)部件12路參數(shù)遙測系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)為研究對象，通過對旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)特征進行研究，設(shè)計一套專用于旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的信源壓縮方案，降低其對信息通信帶寬需求，解決遙測升級后數(shù)據(jù)傳輸帶寬不足問題。

1 旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)特征

1.1 旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)采集和傳輸

旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)應(yīng)變遙測系統(tǒng)主要包括應(yīng)變傳感器、信號放大濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)合路器和無線傳輸單元等，見圖1。

圖1 應(yīng)變遙測數(shù)據(jù)傳輸框圖

分布在旋轉(zhuǎn)軸相應(yīng)測量點的應(yīng)變傳感器產(chǎn)生應(yīng)變測量信號，經(jīng)適當放大和濾波后，形成需要的測量信號，確保合適的信號取值范圍，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，同時進行數(shù)字濾波，完成信源數(shù)據(jù)采集。然后各測量點產(chǎn)生的數(shù)字信號按照一定規(guī)則串行化合路，最后通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的發(fā)射，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

無線接收單元接收到相應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)后，傳輸?shù)降孛嫣幚硐到y(tǒng)進行后續(xù)解碼處理。在旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的傳輸過程中，通過信源編碼技術(shù)和信道編碼技術(shù)對數(shù)據(jù)進行編碼。其中信源編碼技術(shù)保證無線傳輸通道帶寬能夠充分被旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)利用，信道編碼技術(shù)保證地面設(shè)備能夠正確無誤地接收旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)[1]。

1.2 旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)特征

旋轉(zhuǎn)軸有轉(zhuǎn)動和停止、正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)、加速和減速等狀態(tài)，尤其是對于風(fēng)電系統(tǒng)，有風(fēng)強度瞬變和風(fēng)向瞬變等，因此，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出非穩(wěn)定的瞬變特征。

應(yīng)變數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)有顯著區(qū)別，一般變化緩慢，干擾嚴重。旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)不僅具有數(shù)據(jù)量大、冗余度高的特點，而且具有其獨特的規(guī)律。從接收的數(shù)據(jù)看，旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)普遍數(shù)較小，見圖2。

圖2 12點應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

圖2中橫向為12路采集某一時刻數(shù)據(jù)，共24字節(jié)，每兩個字節(jié)表示一路樣點，16位有符號short類型表示（第 一 排 樣 點 數(shù) 值 分 別 為：-31，8，-49，-14，41，-18，10，10，18，21，-47，-2）?？v向為各路不同時刻樣點，可以看出，每路樣點數(shù)值隨時間變化比較小。以波形的方式畫出應(yīng)變數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 部分應(yīng)變數(shù)據(jù)波形圖

針對上述旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)特征，設(shè)計先使用預(yù)測方法，然后對預(yù)測殘差采用霍夫曼壓縮編碼算法，會有效地減少傳輸數(shù)據(jù)總量，滿足通信帶寬要求。

2 旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)壓縮算法

2.1 壓縮模式選擇

數(shù)據(jù)壓縮模式很多，分類方式多種多樣?？梢愿鶕?jù)信息丟失情況分為有損壓縮和無損壓縮兩大類，也可以根據(jù)實時性要求分為實時壓縮和非實時壓縮。為了保證信息完整和時效性，系統(tǒng)設(shè)計采用實時無損壓縮。

2.1.1 無損壓縮技術(shù)

目前主流無損壓縮算法包括霍夫曼編碼、算術(shù)編碼等。

霍夫曼編碼是霍夫曼在1952年提出，霍夫曼編碼[2]首先統(tǒng)計輸入信號中符號出現(xiàn)的頻率，然后按照符號出現(xiàn)頻率大小對符號排序，最后構(gòu)造二叉樹為所有符號分配不同長度的碼字，其中符號分配的碼字越短表示其出現(xiàn)的頻率越高。

步驟1：待編碼信號中的m個符號按概率由大到小進行排序，確保上面符號的概率大，下面符號的概率小，將這些符號作為二叉樹樹葉，保證pk≤pk+1。

步驟2：兩片概率最小的樹葉連接一點，作為一個新符號，其概率是兩片樹葉的概率之和，即p1，2=p1+p2，然后對新符號和剩余符號共m-1個符號進行編碼。

步驟3：重復(fù)步驟2中的方法，再次對m-1個符號中兩個概率最小的符號連接一點作為新符號，然后對新符號和剩余符號共m-2個符號進行編碼，按照上述方法一直循環(huán)直至樹根，最后可通過樹根的概率是否為1進行檢查。

步驟4：將0和1賦值給每個節(jié)點的樹枝，從樹根開始取每片樹葉所經(jīng)過的樹枝上的值，依次排列作為各個符號的霍夫曼碼字。

霍夫曼編碼碼字是異字頭碼，能夠保證編碼結(jié)果的唯一可譯性；由于霍夫曼編碼采用符號碼字字典，接收端出現(xiàn)誤碼時只影響當前符號解碼，不會影響后續(xù)符號解碼，可靠性強。

算術(shù)編碼[3]同樣基于統(tǒng)計概率進行編碼，編碼器也需要先將輸入信號中的符號進行出現(xiàn)概率統(tǒng)計，然后按輸入信號符號出現(xiàn)的順序在編碼區(qū)間上按概率進行區(qū)間的劃分表示。與霍夫曼編碼中每個字符采用整數(shù)個位的碼字表示不同，算術(shù)編碼方法是將待編碼的輸入信號的符號串表示成[0，1）區(qū)間上的一個浮點數(shù)。輸入信號的符號序列越長，算術(shù)編碼最終劃分的區(qū)間長度越小，而區(qū)間需要更多的位數(shù)進行表示。由于計算機的精度的限制，算術(shù)編碼通常需要使用比例縮放進行區(qū)間表示。算術(shù)編碼過程實際上就是依據(jù)輸入信號符號的發(fā)生概率劃分編碼區(qū)間的過程，與霍夫曼相比，可以獲得更高的編碼效率。

算術(shù)編碼器將整個輸入信號的符號序列表示為一個在間隔[0，1）中的實數(shù)碼字，因此解碼器需要接收到這個實數(shù)的所有位的數(shù)據(jù)才能進行解碼，這也暗示著算術(shù)編碼對錯誤很敏感。算術(shù)編碼的編、解碼計算復(fù)雜度要明顯高于霍夫曼編碼，這也決定了算術(shù)編碼的實時性不如霍夫曼編碼。

綜合對比，為了實時無損壓縮旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，選擇霍夫曼編碼方法進行旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的壓縮。

2.1.2 基于預(yù)測和霍夫曼編碼的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)壓縮方法

由于旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)具有緩變的特征，為了進一步壓縮數(shù)據(jù)，可以先采用線性預(yù)測的方法，用已有的數(shù)據(jù)預(yù)測未來的數(shù)據(jù)，使預(yù)測誤差形成殘差數(shù)據(jù)，將信源信息在零附近進行有效集中，使得符號的概率分布發(fā)生集中變化，降低數(shù)據(jù)的信息熵，從而有利于提高霍夫曼編碼的壓縮倍數(shù)。

由于旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的預(yù)測過程會帶來信息時延，為了保證實時性，需要降低預(yù)測級數(shù)。每一級的預(yù)測延時是一個樣點的采樣時間，因為采樣速率比較低，樣點間隔時間比較長，所以預(yù)測的級數(shù)不能太高。圖4為一階預(yù)測后殘差數(shù)值的波形。

圖4 預(yù)測后殘差數(shù)據(jù)波形

從圖4可以看出，經(jīng)過一階預(yù)測，旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)數(shù)值很好的集中在零點附近，分布嚴重失衡，非常不均勻。當信源的概率分布的不均勻程度越大，霍夫曼編碼壓縮的效果越好[4]。

為了減少設(shè)備的復(fù)雜性，設(shè)計選擇使用經(jīng)驗霍夫曼壓縮。經(jīng)驗霍夫曼壓縮基于信息熵，依賴于統(tǒng)計方法。

2.2 壓縮編碼和傳輸過程

通過上述討論，設(shè)計選擇簡單實用的線性預(yù)測和經(jīng)驗霍夫曼編碼對旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)進行壓縮。在編碼端，旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的信源數(shù)據(jù)先進行一個樣本的延時，前一個數(shù)據(jù)作為的預(yù)測值，兩者相減得到預(yù)測殘差，然后利用霍夫曼編碼方法對預(yù)測殘差進行壓縮得到壓縮后的數(shù)據(jù)，最后進行無線傳輸。在解碼端，地面接收到壓縮數(shù)據(jù)后，首先進行霍夫曼解碼，得到預(yù)測殘差，然后與預(yù)測殘差相加得到恢復(fù)的信源數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 壓縮和解壓縮框圖

2.2.1 信源數(shù)據(jù)各路獨自進行預(yù)測。

對旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)預(yù)測后的殘差數(shù)值進行頻次統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 殘差數(shù)據(jù)頻次統(tǒng)計

2.2.2 確定霍夫曼編碼符號數(shù)和對應(yīng)的頻次

根據(jù)表1計算各符號對應(yīng)頻次，如表2所示。其中，⊿表示所有大于9，小于-9數(shù)值的之和對應(yīng)的符號。

表2 霍夫曼編碼符號與對應(yīng)頻率

2.2.3 霍夫曼編碼

根據(jù)各符號出現(xiàn)的頻次進行霍夫曼編碼，形成霍夫曼編碼表，見表3。

表3 經(jīng)驗霍夫曼編碼符號編碼表

2.2.4 霍夫曼壓縮

按照流程圖5給出的過程，對每個樣點進行預(yù)測，并按照霍夫曼碼表對殘差數(shù)據(jù)進行編碼，完成數(shù)據(jù)壓縮。⊿為轉(zhuǎn)義標識符號，對殘差數(shù)據(jù)大于9，小于-9數(shù)值編碼時，先輸出⊿編碼，再加上輸出16位數(shù)值源碼，形成壓縮數(shù)據(jù)流進行傳輸發(fā)送。

2.2.5 解壓縮

地面接收到的數(shù)據(jù)按照霍夫曼碼表進行解碼，恢復(fù)出殘差數(shù)據(jù)。然后通過已恢復(fù)樣點的數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)測數(shù)據(jù)，恢復(fù)出該樣點數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解壓縮。

3 仿真結(jié)果分析

利用提出的算法進行旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的仿真測試實驗，測試旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的總傳輸數(shù)量為22799496字節(jié)，其中包括12路，每路數(shù)據(jù)949978字節(jié)，474989采樣點。壓縮后的數(shù)據(jù)量為1678134字節(jié)，平均碼率約43809bps。

提出的算法使用了一階預(yù)測，延時一個樣點，實時性非常好。由于使用一階預(yù)測，算法復(fù)雜度非常低，實現(xiàn)簡單；整數(shù)運算，對處理器要求很低；算法使用經(jīng)驗霍夫曼壓縮方法，只使用查表運算，實現(xiàn)起來也非常簡單。算法使用無損壓縮，無失真。

該壓縮方法對出現(xiàn)極少的大數(shù)值，采用源碼傳遞，未進行壓縮，且需要添加轉(zhuǎn)義標識⊿編碼，數(shù)據(jù)長度非但沒有壓縮，還增加了數(shù)據(jù)傳輸量，這會增加數(shù)據(jù)傳輸抖動。實際數(shù)據(jù)如果連續(xù)性差，出現(xiàn)突變或者有突發(fā)強干擾信號，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變，預(yù)測后就會出現(xiàn)大數(shù)值數(shù)據(jù)。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，輸入端應(yīng)有良好的濾波。

由于使用了預(yù)測編碼方法，傳輸差錯會出現(xiàn)偏心（零點偏移）問題。通過傳輸時定時插入原始數(shù)據(jù)進行解決，利用⊿轉(zhuǎn)義標識符號后加原始真實數(shù)據(jù)實現(xiàn)糾偏。

經(jīng)驗霍夫曼編碼需要長時間大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，形成的碼表才具有代表性。要得到一個穩(wěn)定可信的碼表，還有很多工作要做。

4 結(jié)論

本文分析了旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量數(shù)據(jù)的特點，針對其特點設(shè)計了一種簡單實用的壓縮方法，經(jīng)實驗證明能夠滿足實際工作需求。同時通過以上分析不難看出，該壓縮方法仍有很大的改進空間，可以進行繼續(xù)研究。