PgSQL · 實戰經驗 · 旋轉門壓縮算法在PostgreSQL中的實現 · 數據庫內核月報

## 背景在物聯網、監控、傳感器、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。? ![screenshot](https://yqfile.alicdn.com/079d62c6cf4fcf9bd7549af226088d66bd4ac431.png) 我們想象一下，如果每個傳感器或指標每100毫秒產生1個點，一天就是864000個點。而傳感器或指標是非常多的，例如有100萬個傳感器或指標，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，這么多的點，渲染估計都要很久。那么有沒有好的壓縮算法，即能保證失真度，又能很好的對數據進行壓縮呢？ ## 旋轉門壓縮算法原理旋轉門壓縮算法（SDT）是一種直線趨勢化壓縮算法,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。 ![ec9c8725c8278f69c7dc7583b5b1f1ca2cba0673](https://yqfile.alicdn.com/8b083ee57eccd614414ae1cd3a2eb3b552da0c67.png) ![8fff584de2bc090714ad56d33b708771601a6633](https://yqfile.alicdn.com/720f9de3307a9fd5cb1c1ae9e9479c0d3c7f90cc.png) 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;注意到每扇門的寬度是可以伸縮的,在一段時間間隔里面,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于180°(本文的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,然后逐步打開,后續操作與前一段類似。 ## 在PostgreSQL中實現旋轉門壓縮算法通過旋轉門算法的原理，可以了解到，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（如傳感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，則這里使用5) 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; -- 時間變量 v_x numeric; -- v_time 轉換為v_x v_val numeric; -- y坐標 v1_time timestamp; -- 前一點時間變量 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, 用于計算x偏移量 v_rownum int8; -- 用于標記是否第一行 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_rownum, v_time , v_val in select row_number() over(), t, val from tbl where t>i_time order by t limit 100 -- 這條QUERY可以做成execute的動態QUERY，本文略 LOOP -- 第一行，第一個點，是實際要記錄的點位 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，并從上一個點開始重新計算四邊形 -- raise notice 'max1 %, max2 %', v_max_angle1 , v_max_angle2; -- 復原 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秒表示1個X坐標單位。 ~~~ test=> select * from f(15,'2016-08-12 23:22:27.530318',1); 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，進行壓縮前后的對比上面是壓縮后的數據繪圖，下面是壓縮前的數據繪圖紅色標記的位置，就是通過旋轉門算法壓縮掉的數據。失真度是可控的。 ![screenshot](https://yqfile.alicdn.com/6f690f94107e0ff41a178ec323429f10b6ba5b53.png) ## 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，并執行即可。也可以寫成聚合函數，在基于PostgreSQL 的流式數據庫pipelineDB中調用，實現流式計算。 ## 小結通過旋轉門算法，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。數據不需要從數據庫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數據庫LOAD出來，在數據庫端即可完成。 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 4. http://gis.stackexchange.com/questions/25126/how-to-calculate-the-angle-at-which-two-lines-intersect-in-postgis 5. http://gis.stackexchange.com/questions/668/how-can-i-calculate-the-bearing-between-two-points-in-postgis 6. http://www.pipelinedb.com/