在物聯網、監控、感測器、金融等應用領域，數據在時間維度上流式的產生，而且數據量非常龐大。 例如我們經常看到的性能監控視圖，就是很多點在時間維度上描繪的曲線。 又比如金融行業的走勢數據等等。 我們想象一下，如果每個感測器或指標每100毫秒產生1個點，一天就是864000個點。 而感測器或指標是非... ...
背景
在物聯網、監控、感測器、金融等應用領域，數據在時間維度上流式的產生，而且數據量非常龐大。
例如我們經常看到的性能監控視圖，就是很多點在時間維度上描繪的曲線。
又比如金融行業的走勢數據等等。
我們想象一下，如果每個感測器或指標每100毫秒產生1個點，一天就是864000個點。
而感測器或指標是非常多的，例如有100萬個感測器或指標，一天的量就接近一億的量。
假設我們要描繪一個時間段的圖形，這麼多的點，渲染估計都要很久。
那麼有沒有好的壓縮演算法，即能保證失真度，又能很好的對數據進行壓縮呢？
旋轉門壓縮演算法原理
旋轉門壓縮演算法（SDT）是一種直線趨勢化壓縮演算法,其本質是通過一條由起點和終點確定的直線代替一系列連續數據點。
該演算法需要記錄每段時間間隔長度、起點數據和終點數據, 前一段的終點數據即為下一段的起點數據。
其基本原理較為簡單, 參見圖。
第一個數據點a上下各有一點,它們與a點之間的距離為E(即門的寬度), 這兩個點作為“門”的兩個支點。
當只有第一個數據點時,兩扇門都是關閉的;隨著點數越來越多,門將逐步打開;註意到每扇門的寬度是可以伸縮的,在一段時間間隔裡面,門一旦打開就不能閉;
只要兩扇門未達到平行,或者說兩個內角之和小於180°(本文的演算法將利用這一點進行判斷),這種“轉門”操作即可繼續進行。
圖中第一個時間段是從a到e, 結果是用a點到e點之間的直線代替數據點(a,b,c,d,e); 起到了可控失真(E)的壓縮作用。
第二個時間間隔從e點開始,開始時兩扇門關閉,然後逐步打開,後續操作與前一段類似。
在PostgreSQL中實現旋轉門壓縮演算法
通過旋轉門演算法的原理，可以瞭解到，有幾個必要的輸入項。
-
有x坐標和y坐標的點（如果是時間軸上的點，可以通過epoch轉換成這種形式）
-
E，即門的寬度，起到了控制壓縮失真度的作用
例子
創建測試表
create table tbl(id int, -- ID，可有可無 val numeric, -- 值（如感測器或金融行業的點值） t timestamp -- 取值時間戳 );
插入10萬條測試數據
insert into tbl select generate_series(1,100000), round((random()*100)::numeric, 2), clock_timestamp()+(generate_series(1,100000) || ' second')::interval ; test=> select * from tbl limit 10; id | val | t ----+-------+---------------------------- 1 | 31.79 | 2016-08-12 23:22:27.530318 2 | 18.23 | 2016-08-12 23:22:28.530443 3 | 5.14 | 2016-08-12 23:22:29.530453 4 | 90.25 | 2016-08-12 23:22:30.530459 5 | 8.17 | 2016-08-12 23:22:31.530465 6 | 97.43 | 2016-08-12 23:22:32.53047 7 | 17.41 | 2016-08-12 23:22:33.530476 8 | 0.23 | 2016-08-12 23:22:34.530481 9 | 84.67 | 2016-08-12 23:22:35.530487 10 | 16.37 | 2016-08-12 23:22:36.530493 (10 rows)
時間如何轉換成X軸的數值，假設每1秒為X坐標的1個單位
test=> select (extract(epoch from t)-extract(epoch from first_value(t) over())) / 1 as x, -- 除以1秒為1個單位 val, t from tbl limit 100; x | val | t ------------------+-------+---------------------------- 0 | 31.79 | 2016-08-12 23:22:27.530318 1.00012493133545 | 18.23 | 2016-08-12 23:22:28.530443 2.00013494491577 | 5.14 | 2016-08-12 23:22:29.530453 3.00014090538025 | 90.25 | 2016-08-12 23:22:30.530459 4.00014686584473 | 8.17 | 2016-08-12 23:22:31.530465 5.00015187263489 | 97.43 | 2016-08-12 23:22:32.53047 6.00015807151794 | 17.41 | 2016-08-12 23:22:33.530476 7.00016307830811 | 0.23 | 2016-08-12 23:22:34.530481 8.00016903877258 | 84.67 | 2016-08-12 23:22:35.530487
編寫實現螺旋門演算法的函數
create or replace function f ( i_radius numeric, -- 壓縮半徑 i_time timestamp, -- 開始時間 i_interval_s numeric, -- 時間轉換間隔 (秒，例如每5秒在坐標上表示1個單位間隔，則這裡使用5) query text, -- 需要進行旋轉門壓縮的數據, 例子 'select t, val from tbl where t>=%L order by t limit 100' ， select 子句必須固定， 必須按t排序 OUT o_val numeric, -- 值，縱坐標 y (跳躍點y) OUT o_time timestamp, -- 時間，橫坐標 x (跳躍點x) OUT o_x numeric -- 跳躍點x, 通過 o_time 轉換 ) returns setof record as $$ declare v_time timestamp; -- 時間變數 v_x numeric; -- v_time 轉換為v_x v_val numeric; -- y坐標 v1_time timestamp; -- 前一點 時間變數 v1_x numeric; -- 前一點 v_time 轉換為v_x v1_val numeric; -- 前一點 y坐標 v_start_time numeric; -- 記錄第一條的時間坐標, 用於計算x偏移量 v_rownum int8 := 0; -- 用於標記是否第一行 v_max_angle1 numeric; -- 最大上門夾角角度 v_max_angle2 numeric; -- 最大下門夾角角度 v_angle1 numeric; -- 上門夾角角度 v_angle2 numeric; -- 下門夾角角度 begin for v_time , v_val in execute format(query, i_time) LOOP -- 第一行，第一個點，是實際要記錄的點位 v_rownum := v_rownum + 1; if v_rownum=1 then v_start_time := extract(epoch from v_time); v_x := 0; o_val := v_val; o_time := v_time; o_x := v_x; -- raise notice 'rownum=1 %, %', o_val,o_time; return next; -- 返回第一個點 else v_x := (extract(epoch from v_time) - v_start_time) / i_interval_s; -- 生成X坐標 SELECT 180-ST_Azimuth( ST_MakePoint(o_x, o_val+i_radius), -- 門上點 ST_MakePoint(v_x, v_val) -- next point )/(2*pi())*360 as degAz, -- 上夾角 ST_Azimuth( ST_MakePoint(o_x, o_val-i_radius), -- 門下點 ST_MakePoint(v_x, v_val) -- next point )/(2*pi())*360 As degAzrev -- 下夾角 INTO v_angle1, v_angle2; select GREATEST(v_angle1, v_max_angle1), GREATEST(v_angle2, v_max_angle2) into v_max_angle1, v_max_angle2; if (v_max_angle1 + v_max_angle2) >= 180 then -- 找到四邊形外的點位，輸出上一個點，並從上一個點開始重新計算四邊形 -- raise notice 'max1 %, max2 %', v_max_angle1 , v_max_angle2; -- 複原 v_angle1 := 0; v_max_angle1 := 0; v_angle2 := 0; v_max_angle2 := 0; -- 門已完全打開，輸出前一個點的值 o_val := v1_val; o_time := v1_time; v1_x := (extract(epoch from v1_time) - v_start_time) / i_interval_s; -- 生成前一個點的X坐標 o_x := v1_x; -- 用新的門，與當前點計算新的夾角 SELECT 180-ST_Azimuth( ST_MakePoint(o_x, o_val+i_radius), -- 門上點 ST_MakePoint(v_x, v_val) -- next point )/(2*pi())*360 as degAz, -- 上夾角 ST_Azimuth( ST_MakePoint(o_x, o_val-i_radius), -- 門下點 ST_MakePoint(v_x, v_val) -- next point )/(2*pi())*360 As degAzrev -- 下夾角 INTO v_angle1, v_angle2; select GREATEST(v_angle1, v_max_angle1), GREATEST(v_angle2, v_max_angle2) into v_max_angle1, v_max_angle2; -- raise notice 'new max %, new max %', v_max_angle1 , v_max_angle2; -- raise notice 'rownum<>1 %, %', o_val, o_time; return next; end if; -- 記錄當前值，保存作為下一個點的前點 v1_val := v_val; v1_time := v_time; end if; END LOOP; end; $$ language plpgsql strict;
壓縮測試
門寬為15，起始時間為'2016-08-12 23:22:27.530318'，每1秒錶示1個X坐標單位。
test=> select * from f ( 15, -- 門寬度=15 '2016-08-12 23:22:27.530318', -- 開始時間 1, -- 時間坐標換算間隔，1秒 'select t, val from tbl where t>=%L order by t limit 100' -- query ); o_val | o_time | o_x -------+----------------------------+------------------ 18.23 | 2016-08-12 23:22:28.530443 | 0 5.14 | 2016-08-12 23:22:29.530453 | 1.00001287460327 90.25 | 2016-08-12 23:22:30.530459 | 2.00001883506775 ...... 87.90 | 2016-08-12 23:24:01.53098 | 93.0005400180817 29.94 | 2016-08-12 23:24:02.530985 | 94.0005450248718 63.53 | 2016-08-12 23:24:03.53099 | 95.0005497932434 12.25 | 2016-08-12 23:24:04.530996 | 96.0005559921265 83.21 | 2016-08-12 23:24:05.531001 | 97.0005609989166 (71 rows)
可以看到100個點，壓縮成了71個點。
對比一下原來的100個點的值
test=> select val, t, (extract(epoch from t)-extract(epoch from first_value(t) over()))/1 as x from tbl where t>'2016-08-12 23:22:27.530318' order by t limit 100; val | t | x -------+----------------------------+------------------ 18.23 | 2016-08-12 23:22:28.530443 | 0 5.14 | 2016-08-12 23:22:29.530453 | 1.00001001358032 90.25 | 2016-08-12 23:22:30.530459 | 2.0000159740448 ...... 83.21 | 2016-08-12 23:24:05.531001 | 97.0005581378937 87.97 | 2016-08-12 23:24:06.531006 | 98.0005631446838 58.97 | 2016-08-12 23:24:07.531012 | 99.0005691051483 (100 rows)
使用excel繪圖，進行壓縮前後的對比
上面是壓縮後的數據繪圖，下麵是壓縮前的數據繪圖
紅色標記的位置，就是通過旋轉門演算法壓縮掉的數據。
失真度是可控的。
流式壓縮的實現
本文略，其實也很簡單，這個函數改一下，創建一個以數組為輸入參數的函數。
以lambda的方式，實時的從流式輸入的管道取數，並執行即可。
《HTAP資料庫 PostgreSQL 場景與性能測試之 32 - (OLTP) 高吞吐數據進出(堆存、行掃、無需索引) - 閱後即焚(JSON + 函數流式計算)》
《HTAP資料庫 PostgreSQL 場景與性能測試之 31 - (OLTP) 高吞吐數據進出(堆存、行掃、無需索引) - 閱後即焚(讀寫大吞吐並測)》
《HTAP資料庫 PostgreSQL 場景與性能測試之 27 - (OLTP) 物聯網 - FEED日誌, 流式處理 與 閱後即焚 (CTE)》
《在PostgreSQL中實現update | delete limit - CTID掃描實踐 (高效閱後即焚)》
方法1，閱後即焚：
流計算結果表（即有效位點），增加2個欄位：PK於明細表關聯，時間戳代表最後一條記錄。下次閱後即焚從最後一個有效位點開始，從明細表繼續消費。
方法2，直接在明細表上更新狀態（點、當前記錄是否可見）。
其他，所有涉及到中間計算結果的，都可以用類似方法實現：
計算當前記錄時，更新計算結果到當前記錄上（也就是通過直接更新明細表的流計算方法）。如果計算時需要用到上一條或者上若幹條流計算結果，通過遞歸，或者使用UDF調用都很容易得到。
例子
create table 明細表 ( 上報內容欄位定義...., 中間結果欄位...., 可見性欄位.... );
也可以寫成聚合函數，在基於PostgreSQL 的流式資料庫pipelineDB中調用，實現流式計算。
小結
通過旋轉門演算法，對IT監控、金融、電力、水利等監控、物聯網、等流式數據進行實時的壓縮。
數據不需要從資料庫LOAD出來即可在庫內完成運算和壓縮。
用戶也可以根據實際的需求，進行流式的數據壓縮，同樣數據也不需要從資料庫LOAD出來，在資料庫端即可完成。
PostgreSQL的功能一如既往的強大，好用，快用起來吧。
參考
1. http://baike.baidu.com/view/3478397.htm
2. http://postgis.net/docs/manual-2.2/ST_Azimuth.html
3. https://www.postgresql.org/docs/devel/static/functions-conditional.html
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