電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引設(shè)計(jì)

張志強(qiáng)

【摘要】隨著電力系統(tǒng)仿真計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量逐漸增多，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求逐漸提升，電力系統(tǒng)人員希望采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)海量電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件在 Hadoop 平臺(tái)上的檢索也很困難，給研究帶來了諸多難題。本文分析 Hadoop 的分布式文件系統(tǒng)在存儲(chǔ)和處理海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件時(shí)出現(xiàn)的問題，并分析出現(xiàn)這些問題的原因。然后介紹電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引技術(shù)的總體模塊設(shè)計(jì)，以及各個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)。包括對(duì)電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的合并設(shè)計(jì)，以及電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的全局索引和局部索引的設(shè)計(jì)，為電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);多層索引技術(shù);架構(gòu)設(shè)計(jì)

1、前言

隨著電力系統(tǒng)仿真計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量逐漸增多，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求逐漸提升，電力系統(tǒng)人員希望采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)海量電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行存儲(chǔ)。在眾多大數(shù)據(jù)平臺(tái)中，Hadoop 采用多臺(tái)廉價(jià)計(jì)算機(jī)組成集群，并具有良好的擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，成為眾多項(xiàng)目首選的大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。HDFS是 Hadoop的分布式文件系統(tǒng)，HDFS 有一個(gè)名字節(jié)點(diǎn)（Name Node）和多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)（Data Node）。

文件數(shù)據(jù)經(jīng)過分塊后存儲(chǔ)在 HDFS 的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)文件在名字節(jié)點(diǎn)中都保存有 metadata 信息。所以當(dāng)電網(wǎng)仿真計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果文件有 10million 時(shí)，由于每個(gè) block 塊默認(rèn)大小為 64M，對(duì)于文件大小遠(yuǎn)小于 64MB 的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件來說，每一個(gè)電網(wǎng)仿真計(jì)算文件將對(duì)應(yīng)一個(gè) block 塊，將占用名字節(jié)點(diǎn) 3G 內(nèi)存。如果文件的數(shù)量再多一些的話，將會(huì)超過名字節(jié)點(diǎn)所能承受的極限，因?yàn)?Hadoop 是由若干普通廉價(jià)的計(jì)算機(jī)組成的集群。同時(shí)海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件在 Hadoop 平臺(tái)上的檢索也很困難，給研究帶來了諸多難題。

2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電網(wǎng)海量仿真計(jì)算文件多層索引技術(shù)是對(duì)海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件在 Hadoop 平臺(tái)下處理前的預(yù)處理技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)包括合并電力系統(tǒng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)文件模塊、Hadoop 自定義輸入分片模塊和建立電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引模塊。電網(wǎng)海量仿真計(jì)算多層索引技術(shù)在 Hadoop 平臺(tái)下的模塊圖如圖 1 所示。

電網(wǎng)仿真計(jì)算文件通過合并具有相同文件類型的文件來大量減小電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的數(shù)量，從而達(dá)到減小 Name Node 節(jié)點(diǎn)內(nèi)存占用的效果，并通過自定義 Hadoop輸入分片使其特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠在Hadoop分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行分片處理，圖中“#”作為電網(wǎng)仿真計(jì)算文件在Hadoop平臺(tái)進(jìn)行分布式處理的分隔符。為了方便文件檢索與訪問，進(jìn)一步為所有電力系統(tǒng)仿真計(jì)算文件建立基于Trie樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多層索引。將電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的合并條件“文件類型”作為仿真計(jì)算文件的全局索引，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立基于Trie樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件名字的局部一級(jí)索引，并通過一級(jí)索引Trie樹的分裂建立電網(wǎng)仿真計(jì)算文件名首字母到一級(jí)索引分片的映射，電網(wǎng)仿真計(jì)算文件名字的首字母即為其局部二級(jí)索引。

為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求，解決海量的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算文件在分布式文件系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)的NameNode節(jié)點(diǎn)內(nèi)存占用過多問題以及提升電網(wǎng)仿真計(jì)算文件檢索效率的問題，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)模塊對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理：合并電網(wǎng)仿真計(jì)算文件模塊，自定義Hadoop輸入分片模塊，和建立電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的多層索引模塊。

合并電力系統(tǒng)仿真計(jì)算文件模塊負(fù)責(zé)將海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件通過合并算法進(jìn)行合并。通過調(diào)研電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，可根據(jù)電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的文件類型進(jìn)行文件的合并。自定義Hadoop輸入分片文件通過重寫Hadoop的InputFormat類，自定義適用于電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的split分隔符。建立多層索引模塊為電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果文件建立索引，其中全局索引是文件類型，局部索引借鑒Trie樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的文件名建立Trie樹索引。這樣設(shè)計(jì)的好處是利用Trie樹空間換時(shí)間思想減小檢索時(shí)間開銷。為了減小電網(wǎng)仿真計(jì)算文件索引臃腫帶來的檢索困難問題，接著為其建立以電網(wǎng)仿真計(jì)算文件名首字母的局部二級(jí)索引，配合進(jìn)行檢索。

3、電網(wǎng)仿真計(jì)算文件合并設(shè)計(jì)

通過調(diào)研分析，對(duì)電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⒖梢杂行p小分布式文件系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存占用。借鑒相關(guān)技術(shù)中的合并思想，本課題通過自定義的合并算法對(duì)海量電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行合并。

由于BPA， PSASP， PSCAD等電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件多種多樣，電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的模型也是多種多樣，其產(chǎn)生的大量的電力系統(tǒng)方針計(jì)算數(shù)據(jù)可以稱之為海量。由電網(wǎng)仿真計(jì)算文件數(shù)據(jù)可得，電力系統(tǒng)仿真計(jì)算主要包括潮流計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，其產(chǎn)生的結(jié)果文件皆為單個(gè)文件體積很小的小文件。通過將這些電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，可以從宏觀上減少需要分布式文件系統(tǒng)處理的文件數(shù)目，進(jìn)而減小Block塊數(shù)目，那么它在NameNode節(jié)點(diǎn)上的元數(shù)據(jù)信息就得到減小，從而減小其占用的內(nèi)存。

通過分析電力系統(tǒng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)文件的文件類型，發(fā)現(xiàn)有一些不同格式的文件，例如JPg.格式、 .txt格式等等，按照仿真計(jì)算數(shù)據(jù)文件的文件類型進(jìn)行合并不僅能夠減小在HDFS中NameNode節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存消耗，還可以將文件類型作為全局索引配合多層索引的建立，從而提高電網(wǎng)仿真計(jì)算結(jié)果文件的檢索效率。

電網(wǎng)仿真計(jì)算文件具體合并過程如下，新建一個(gè)文件路徑印用來存放合并后的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件，新建一個(gè)字符串?dāng)?shù)組fl用來存放要合并的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件，遍歷印路徑下的所有電網(wǎng)仿真計(jì)算文件，讀取它們的后綴名進(jìn)而得到電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的文件類型，創(chuàng)建文件類型對(duì)應(yīng)的文件夾，并將屬于該類型的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件進(jìn)行集合，具體流程如圖2所示，判斷該電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的文件類型，判斷是否新建了該類型的字符串?dāng)?shù)組，若存在，則放入該字符串?dāng)?shù)組;若不存在，則新建該類型的文件集合。直到所有電網(wǎng)仿真計(jì)算文件被處理完成，即可完成合并操作。

4、電網(wǎng)仿真計(jì)算文件索引設(shè)計(jì)

電網(wǎng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)文件按照文件的類型進(jìn)行合并后，使用Hadoop的分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。HDF S的原理是將需要處理的文件塊自動(dòng)分成若干塊，這些數(shù)據(jù)塊分布在各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)有一些需求需要檢索電網(wǎng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)文件時(shí)，由于合并后的仿真計(jì)算文件與原仿真計(jì)算文件的對(duì)應(yīng)以及海量的文件僅憑文件類型很難進(jìn)行檢索，所以需要為其設(shè)計(jì)建立索引，方便進(jìn)行快速檢索。

如圖3所示是電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的多層索引模塊圖，其中電網(wǎng)仿真計(jì)算文件根據(jù)文件后綴名進(jìn)行合并后交給HDFS進(jìn)行處理，合并后的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件通過block分塊進(jìn)而存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，NameNode節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)著每個(gè)合并后的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件數(shù)據(jù)塊的元數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的合并依據(jù)：電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的文件類型將作為全局索引，也將存儲(chǔ)于主節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中。為減小內(nèi)存壓力，電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的局部索引存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中。

5、結(jié)論

本文分析了 Hadoop 的分布式文件系統(tǒng)在存儲(chǔ)和處理海量的電網(wǎng)仿真計(jì)算文件時(shí)出現(xiàn)的問題，并分析出現(xiàn)這些問題的原因。然后介紹電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引技術(shù)的總體模塊設(shè)計(jì)，以及各個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)。包括對(duì)電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的合并設(shè)計(jì)，以及電網(wǎng)仿真計(jì)算文件的全局索引和局部索引的設(shè)計(jì)，為電網(wǎng)仿真計(jì)算文件多層索引技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

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