基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統設計

袁獻忠，馬成功，彭競飛，陳瑋

（國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北武漢 430000）

跨平臺消息的共享是用比較直觀的方式將各類消息充分、全面地展示出來[1]，在一定程度上促進了網絡消息發送與接收的靈活性。跨平臺消息共享系統的主要問題是無法實時更新和讀取網絡中的海量數據，且當大量網絡用戶訪問高并發的消息系統時，協同共享的效率較低[2-4]。

基于以上問題，文中設計了一種基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統，該系統采用了主成分分析方法，將大量的網絡消息數據進行實時傳送與讀取，實現網絡各類消息的協同共享，能夠很好地解決共享效率較低的問題。

1 基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統硬件設計

文中設計的跨平臺消息實時協同共享系統硬件結構由數據采集器、處理器、存儲器、控制器組成[5]。系統結構如圖1 所示。

圖1 基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統硬件結構

1.1 數據采集器設計

跨平臺消息實時協同共享系統的數據采集器采用了A/D 多路的轉換方式，該采集器選用三星公司最新推出的SX 系列AR38C6529 采集芯片，該采集芯片如圖2 所示。

圖2 AR38C6529采集芯片

圖2 中的采集芯片內置4 K 字節快速可編程程序存儲器和64 字節采集區，該區域的編程存儲空間可以滿足協作共享系統中少量網絡消息數據的存儲。數據采集器的外圍電路芯片選用SD 公司生產的SD6584 電源芯片，該芯片電路集成度高，電路的電壓控制在1.8～3.3 V 范圍內，電流最高為2 A，整個電路采用串聯的方式為采集器供電。

在每次數據采樣前，通過外圍電路與復數域運算，使各個數據采集器保持同步采樣，以控制A/D 轉換器轉換數據參數，根據數據量，對采集器的通道進行切換，數據采集器的采集芯片驅動6位數碼管[6-7]，對測量數據進行微處理，該處理器以ST 公司生產的ST6539單片機為處理中心，對信號進行變換、放大，并對采集器采集的數據進行傳輸、存儲，顯示最終的處理結果。

處理器結構如圖3 所示。

圖3 處理器結構

根據圖3 可知，處理器內部的傳感器可以根據采集到的信號屬性自動選擇不同的傳感器型號。處理器的儀表放大器可以對處理器的外圍電路進行放大，外圍電路可以選擇8 種增益，即采用ST 公司生產的ST4693 轉換芯片，完成高低電平之間的轉換，并由處理器對采集到的數據進行微處理，處理器配有8個模擬數據輸入通道。輸入完成后，由A/D 轉換器完成轉換，轉換方式為連續轉換。

此時的數據處理可采用實時處理和非實時處理。兩者的區別為在工作模式下實時處理更具時效性，處理器處理的各種數據通過USB 接口立即傳送到單片機。

將轉換結果存儲在單片機的擴展存儲器中，所有數據經過處理后，統一傳送到處理器中[8-10]。

1.2 存儲器設計

由于跨平臺消息實時協同共享系統的存儲器需要實時處理網絡信號，為了提高系統的采樣率，將存儲器的瞬時帶寬控制在0～250 MHz 范圍內，A/D 轉換器的采樣速率必須為輸入網絡信號的4倍，在嵌入少量冗余的條件下，可以選擇2.4 GHz作為存儲器的標準采樣速率，存儲器可以一次性采集256 kB 的信號數據，采樣速率為標準的2.4 GHz，這樣可以節約0.2 s 的存儲時間，存儲器的最低存儲容量為32 kB，能夠支持最高512位的數據寬度，存儲的最大深度為52 874 MPts。如果存儲器自身存在較大的動態范圍，可通過降低接收信號的速率加以控制，存儲器在正常存儲信號及數據過程中，采用實存慢采的存儲方式，由此，整個跨平臺消息實時協同共享系統的存儲器的實時存儲可以通過兩種分布方式來實現[11-12]。

為了最大程度地存儲數據，存儲器的存儲芯片選用SD 公司生產的SD7643，該存儲芯片集成度較高，可以實時控制內部的字節數并擴大存儲器的存儲容量，此時，A/D 轉換器轉換數據過程中需要分路鎖存數據，使數據降速，并傳輸到含有128 kB 存儲容量的存儲器中，讀取的時鐘速率最高可達350 MHz[13]。

1.3 控制器設計

系統采用三星公司生產的SC8051F543 單片機為控制器的核心，該單片機能夠兼容傳統單片機的指令，性能較好，單片機內具有標準的外部設備，為了滿足系統需要，又擴展了較多的外設，所以該單片機功能比較齊全，容易訪問其他的設備卡。控制器的外部具有豐富的流水線結構，指令傳輸的速度較高，是普通單片機的20 倍，運行的速度最高可達60 MIPS，具有多個SPI 接口，方便與片內其他設備進行接口對接，控制器還具有6 個12 位的I/O 端口，基本滿足了采集器采集數據的需要，除了具有I/O 端口外，同時具有較多的分線，分線可以由USB 接口進行配置，從而提高其接口性能。控制器的核心單片機具有中斷系統、30 個中斷源以及4 個優先級，包括SDI 接口產生的中斷，控制器內設64 kB 的存儲器，所以在外部不需要再擴展其他的存儲器。控制器外圍電路的電壓最高為3.3 V，電流最低為1.2 A，外圍電路為整個控制器提供工作電壓，控制器內部和外部均設置了時鐘，方便控制器對數據及其他設備的控制[14-16]。

2 基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統軟件設計

由于跨平臺消息實時協同共享的網絡環境不能自適應調整，網絡消息數據中的冗余干擾也會影響協同共享，因此，為了解決這一問題，在基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統中，采用主成分分析方法對各大網絡平臺發送的實時消息進行分類，同時，文中應用主成分分析方法對原始數據進行處理，減少了維數，消除了數據中的冗余干擾，保存數據中的關鍵和重要組成部分，減少原始數據中重要信息的丟失，提高了數據的實時處理效率[16]。

文中設計的基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統具體軟件流程如圖5 所示。

根據圖5 可知，首先，根據網絡用戶不同的需求進行相應的文件提取、網絡信息查詢等相關操作，當網絡用戶在互聯網平臺發送查詢文檔、災害預報、站外巡線等請求時，管理員可通過網絡服務器查詢信息數據庫，并將數據編號保存至網絡文件信息系統中，將網絡文件輸出到網絡客戶端。

圖5 基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統軟件流程

將輸出層輸入及輸出描述如下：

式中，ujk是隱含層神經元j和輸出層神經元k的連接權，θk是輸出節點臨界值，Sk是第k個輸出節點的輸入，Yk是輸出層神經元的輸出。

使用BP 神經網絡的r個樣本的真實輸出和輸出樣本間的偏差作為對應的測度偏差Er，全部樣本集的誤差是E，則：

在輸出層節點至輸入層節點的傳播過程中，根據網絡用戶查詢到的結構化信息，對輔助信息管理進行分類，并對周邊環境、應急預案、應急分析等數據進行分析。將分析結果輸入網絡數據庫，然后返回到跨平臺結構化信息模塊，通過網絡服務器將實時共享的協同消息網頁呈現給網絡用戶，用戶在接收到資源查詢、人員定位后，通過移動終端實現應急演練等共享信息，并利用主成分分析對信息數據進行動態分類。

最后，對網絡消息數據進行處理，生成消息共享文件。網絡服務器將各大互聯網平臺收集到的用戶請求信息轉換成可變的數據文件，并進行相應的分析。經過分析，各種跨平臺的網絡消息都被可視化地處理并保存在網絡服務器端。保存的網絡信息最終可以在各大互聯網平臺上顯示，并輸出到網絡用戶的協同共享系統中。

3 實驗研究

為了檢測文中基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統的有效性[17-18]，與傳統的共享系統（文獻[3]方法和文獻[4]方法）進行對比實驗。

實驗環境設置如下：

1）服務器端，HP 服務器：

CPU：4 核處理器，Intel Xeon MP

內存：16 GB

操作系統：Windows Server 2003

Web 容器：Tomcat 5.5，Axis 2.0

2）客戶端，普通PC 機：

CPU：Intel Pentium4 3.0 G

內存：1 GB

操作系統：Windows XP sp2

Web 瀏覽器：Windows IE 7.0

測試軟件：LoadRunner 8.1

實驗數據來源如下：

根據時間序列的查詢需求，使某平臺中1 000 個用戶保持在線狀態，每十秒登錄50 個用戶，瀏覽節點共享數據文件，成功后不進行操作保持在線狀態，記錄該類數據，并針對該平臺后臺數據庫中的時間序列變化情況通過實時制圖來體現，對于多個要素和定義時間段的時間序列數據進行實行查詢，對各個時間序列進行最大值、最小值、個數和平均值等數據統計分析，將多個變量和要素時間序列數據查詢結果疊加顯示，對時間序列查看器內置表格數據，能夠實行復制粘貼操作，通過線型圖、柱狀圖或者點狀圖顯示分析結果，將其作為基礎樣本進行實驗分析。

在上述實驗環境中，輸入實驗樣本，最終輸出實驗結果，得到的共享傳遞時間和共享數據量實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果

根據表1 可知，文中系統的共享傳遞時間更短，共享數據量更多。

綜合上述實驗可知，文中設計的跨平臺消息實時協同共享系統能夠對主要平臺的實時消息進行過濾和處理，如日常應急管理消息、應急演練消息、應急響應消息等，消除消息中的干擾和噪聲，將關鍵信息數據留存在系統的原始消息中，并利用主成分分析方法提高跨平臺消息實時協同共享協作的效率，實現了網絡用戶與不同平臺之間各種網絡消息的數據共享，增強了網絡用戶與網絡服務器之間的協同感知，使人們能夠實現網絡信息的交流與交換。

4 結束語

文中設計的基于主成分分析的跨平臺消息實時協同共享系統，詳細設計了系統硬件與軟件，硬件方面設計了數據采集器、處理器、存儲器與控制器，提高了跨平臺消息實時協同共享的穩定性與安全性，軟件方面詳細介紹了跨平臺消息實時協同共享的流程，采用主成分分析的技術提高了系統的實用性和可靠性，可以滿足網絡用戶復雜的信息需求，解決了網絡數據量不能及時更新與實時讀取的問題，大量的網絡用戶訪問消息系統時，網絡不再出現卡頓，并且提高了網絡消息系統實現協同共享的效率。