Arquitetura Proposta

            O conjunto de amostras realizadas por um único sensor ao longo do tempo é chamada de Série Temporal. Uma das características que difere séries temporais de outros conjuntos de dados é a necessidade de armazenar o momento em que os dados foram amostrados. Os conjuntos de amostras geradas são de extrema importância, pois podem ser utilizados para previsões, simulações, detecção de falhas, etc.

A manutenção de informações de séries temporais consiste em operações principalmente de escrita de objetos, os quais contêm o identificador da série, o identificador de tempo da amostra, e o valor amostrado.

Em um Banco de Dados Relacional, comumente utiliza-se o modelo apresentado na Figura 1a. Como em Bancos de Dados SQL o tipo de dados armazenados é limitado e a estrutura das tabelas é fixa, cada amostra precisa armazenar consigo metadados de relação e de tempo.

Figura 1 – Arquiteturas para armazenamento de séries temporais

            Fonte: Desenvolvida pelos Autores.

Em contrapartida, Bancos de Dados Não-Relacionais suportam o armazenamento de dados não estruturados, permitindo assim o desenvolvimento de uma arquitetura de tabelas mais flexível. O formato proposto, apresentado na Figura 1b, armazena séries temporais com amostragem constante em blocos de tamanhos variáveis. Com isto é possível diminuir o espaço utilizado por metadados, e garantir uma melhor escalabilidade.

Apesar de ser visualmente semelhante à arquitetura SQL, a implementação do modelo NoSQL segue um curso de desenvolvimento distinto. A estrutura de dados é mantida pela aplicação, e não pelo Servidor de Banco de Dados, e pode ser alterada sem prejuízos à estrutura do Banco de Dados.

Resultados e Discussões

            Em uma aplicação de análise de tensão de uma rede elétrica, esta arquitetura pode ser implementada conforme descrito na Figura 2. Nesta implementação, para se otimizar o tempo de pesquisa, cada entrada possui informações temporais da amostra anterior e posterior, indicando precisamente o intervalo de tempo referente à cada bloco.

Figura 2 - Estrutura de dados proposta

Fonte: Desenvolvida pelos Autores.

            Como forma de verificar se a arquitetura proposta é mais eficiente que o modelo SQL tradicional, foi feita uma estimativa do crescimento de um Banco de Dados que amostra 4 sensores a uma taxa de 480 amostras por segundo, cada. A implementação SQL foi realizada no Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados (SGBD) MariaDB (MARIADB FOUNDATION, 2018). O modelo NoSQL foi projetado e implementado no SGBD MongoDB (MONGODB INC, 2018). Em ambas implementações, foram utilizadas chaves de 32 bits e os valores numéricos foram armazenados como inteiros sem sinal de 8 ou 10 bits. Optou-se por assinaturas de tempo com precisão de milissegundos baseada no padrão Unix, que utiliza inteiros sem sinal de 32 bits. Os resultados estão na Tabela 1.

Tabela  1 – Tamanho das entradas nos Bancos de Dados SQL e NoSQL

1.  Banco de Dados SQL

2. Banco de Dados NoSQL

Considerações Finais

O modelo proposto possui uma taxa de crescimento bem inferior à outras arquiteturas existentes, fazendo dele a opção mais adequada encontrada para o armazenamento de séries temporais. A divisão das amostras em segmentos de tamanhos variáveis facilita a redução de dimensionalidade dos dados, o que é de suma importância para a geração de previsões e outras análises estatística.