CN102860036A - 用于在空间上扩展的供应网络中传输测量信号的设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用测量装置在空间上扩展的供应网络(28)中传输测量信号的设备和方法，供应网络(28)具有至少一个传感器(10)，用于将与运行特性相关的统计特征值传输到至少一个被用于监视和控制供应网络(28)的控制站(30)，其中所述至少一个控制站(30)具有集中地和/或者分散地布置的控制室，为了当前在本地确定所定义的特征值，在不同位置设置相应的传感器(10)，其中，为将各个测量值传递到至少一个控制站(30)，设置无线数据传输并且无线数据传输在确定的时间分别以分组形式传输数据，其中，动态地进行测量信号的传输，使得因此在正确的时刻以正确的数量和正确的质量提供正确的数据，并且为分析的目的，在所传输数据与供应网络(28)的运行的相关性方面对所传输数据分类。

Description

用于在空间上扩展的供应网络中传输测量信号的设备与方法

技术领域

本发明涉及一种用于在空间上扩展的供应网络中传输测量信号的设备和方法，供应网络具有至少一个传感器，所述传感器用于将与运行特性相关的统计特征值或测量值传输到至少一个被用于监视和控制相应供应网络的控制站。

背景技术

为监视供应网络、尤其是空间上扩展的供应网络、尤其是用于流动媒介（例如用于水、气体或者油供应）的供应网络的当前状态，设置多个测量装置，所述测量装置被安装在准确定义的位置，以便测量当前的测量值（例如压力、流量或者流动速度）并且将其传递到控制站。

所述控制站通常是具有相应设备的集中控制室或者分散控制室，从该控制室管理供应网络，也就是说，从这里对所述网络的运行进行监视和控制。在该控制室中，相应地进一步处理所传输测量信号和测量值并使所传输测量信号和测量值可视化。

由于供应网络经常有很大的空间扩展，经常不通过线缆，而是通过无线电提供多个传感器到控制站的数据传输。由此省去对沿着供应线路昂贵的线缆安装的布线和维护。

分别由所述传感器确定的测量值通过无线电（例如借助于GPRS（通用分组无线业务，General Packet Radio Service））被传输到兼容的接收器，然后接收器将其转发到所述控制站。

测量装置和发送装置以及接收装置的供电通常在本地通过电池或者通过来源于在传感器周围获得的能量的供应（例如太阳能）提供。

为节省能量，待传输的单个数据被组合成数据分组和/或被进一步处理，例如形成平均值、将平均值压缩并且优选地在确定时间例如每30分钟通过无线电传输。

然而，其缺点在于，关于网络状态的当前信息仅仅在确定的时刻存在并且在网络有问题时出现信息传递时的延迟。

另一方面，在纯电池驱动的传感器的情况下，数据传输频率不合理的提高导致：电池容量较早耗尽并且因此必须较频繁地更换电池，使得部分维护雇员仅仅被用于此目的并且不能被用于其它维护措施。在执行这种措施时由此造成的额外人员费用或者时间上的延迟代表相当大的成本因素。

在该上下文中起作用且要考虑的另一个方面涉及所使用的传感器的数量。尽管在众多、尤其较长时间以来已经存在的供应系统中，传感器的数量和因此传感器的分配由于当时的采购和维护成本而受限，在安装的较新系统中，尤其在大小较小、空间上扩展的供应系统中，由于在最近比较小的传感器系统采购和运行费用，必须存在明显更多的传感器。尤其是，这种情况导致越来越多的传感器在现场投入使用。

在控制站中传输的数据量一方面很大，另一方面也经常质量差，这导致所述数据不能被用于分析目的或者仅仅非常受限地用于分析目的。

发明内容

基于现有技术，本发明的任务是开发新的数据传输策略，所述新的数据传输策略实现简化且成本不太高的数据传输并且避免所示出的缺点。

根据本发明采用权利要求1的区别性特征解决所述任务。因此，不是如先前那样静态地而是动态地设置测量信号的传输频率。在这方面，基本途径是为分析目的在正确的时刻以正确的数量和质量提供正确的数据。

因此根据本发明优选的实施形式，所述测量装置配备有评估单元，所述评估单元使得每个传感器能够分析所测得的信号过程和信号趋势。所应用的评估算法不仅仅局限于各种界限监视，还包括统计的和基于模型的复杂信号评估方法和分类方法。

在本发明的另一改进方案中，基于评估结果将信号过程分配到各类。例如，为了借助用于流动媒体的供应网络对此进行说明，将标准“压力”如下分类是可能的：“压力过程正常”；“压力在所允许的区域之外”，“小的压力改变”、“大的异常压力改变”。

根据本发明的一个有利的扩展方案，优选地，根据所述分类为每个信号过程分配传输频率。例如，假如信号特征位于类“压力过程正常”中，那么能够继续降低发送频率，以便节省能量。所测得的值仅仅被暂时存储在传感器存储器中并且在确定的时间后被分别发送。

然而，根据本发明的另一实施形式规定，在信号过程有大的降低梯度并且这导致信号过程被分配到类“大的异常改变”的情况下，相应传感器以较短的时间间隔传输所述信号。然后例如不再如先前以30分钟的间隔，而是例如每10分钟或者甚至更短地传递测量值到控制室。

在相应缩短的时段内传递数据也提供供应网络中当前情形的明显更精确的图，这是因为典型地，仅仅将例如在15分钟的时段(其由传感器确定)上的平均值传输到控制系统。信号传输的时间间隔越短，状态图就越精确。

其优点是：因为在错误情况下测量值更频繁地被传递到控制站，所以能够更快确定在相关的供应网络中对于运行或者可靠性重要的改变。

根据本发明另一有利的改进方案，除了所传递的信号，传感器还向位于所述控制站中的决策支持系统传递确定的分类信息。

根据本发明的改进方案，在最简单的情况下，这么称呼的决策支持系统可以是具有告警界限和相应错误报告以及用于消除问题的简单指令的传统告警系统，所述传统告警系统仅仅单独考虑每个信号其仅仅单独为其本身考虑每个信号。

在此被证明是有利的是：所述决策支持系统分析系统状态（以其整体复杂性）并且根据单独的以及合并的信号测量值、各个系统状态、从中获得的信息以及学到的专家知识，有针对性地通过动作建议来支持操作人员。

根据本发明的另一改进方案规定，此外，附加地，向控制和决策支持系统传递传感器的错误信息和诊断信息以及传感器的状态信息（例如电池状态）并且在那进行进一步处理。

本发明的另一有利的改进方案规定，控制和决策支持系统除了评估所测得的信号信息之外，还例如产生对有缺陷的传感器或者其下降的电池功率的识别，也产生工作任务。

因此，根据本发明的另一改进方案，所述传感器分别具有特别分配的信号预处理和诊断单元，所述信号预处理和诊断单元有能力从所测得的信号中识别错误的信号状态并对其分类以及监视所述传感器（包括与其连接的部件、例如电池）的状态，这是有利的。

在此，通过合适地选择分类特征和分类界限避免不适用的或者不适当的分类，因而避免有缺陷的分类，这被证明特别有利。否则，这导致过于频繁的信号传输，这将显著缩短传感器的电池寿命。分类特征可以理解为从所测得的信号中提取的和/或处理的信号特征。

虽然对于正常运行而言，在此如下不是强制性必需的：所描述的传感器也可以接收数据。然而，假如可以在控制站和传感器之间进行双向通信，这是有利的。其优点是，也可以从控制站通过远程维护进行传感器配置，也就是说，对发送频率、分类界限、分类特征等等的配置。

此外，另一个优点在于，一旦由传感器产生的告警由操作人员识别并且证实，所述告警被回发到传感器，由此传感器又可以减小发送频率以便节省能量。

为节约电池的容量，也就是说，为提高电池寿命，在本发明的扩展方案中提供这种传感器：在所述传感器中可以在多个发送选项和接收选项中选择。因此，不仅发送频率和接收频率可调，而且接收持续时间可调。

例如，在正常运行下，可以提供每x分钟持续时间为y分钟的接收或者例如在发送之后进行z分钟的接收。与此相反，在信号和/或传感器中识别到错误(n)的情况下，提供持续时间为y _F或者z _F分钟的接收。

此外，适当设置在传感器和控制系统之间的同步例程，所述同步例程允许可靠地传递来自于控制系统的配置信息。

本发明的这些和其它有利的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。

附图说明

应该按照在附图中表示的本发明的实施例进一步说明和描述本发明、本发明有利的扩展方案和改进方案以及本发明特殊的优点。

图1示意性地示出根据本发明的传感器，其中说明各个过程。

图2示出具有传感器和控制站的供应网络。

图1中，根据本发明的传感器10被示意性地表示为椭圆，其中在所述椭圆中说明各个以数字标记的过程点。所述过程点对应带决策盒的流程图，在所述决策盒中可以按照此处到达的测量值或者信息进行关于其它动作的决策。

在此，以12标记所测得的传感器信号，所述传感器信号到达未详细示出的传感器10中的评估单元20。以参考数字14标记传感器诊断信息。

在盒16中对由传感器10获取的传感器信号进行分类，其中为此在盒子18中检测和评估相应的分类诊断信息。

在盒子20中布置了在所述传感器中设置的评估单元，所述评估单元准备和实现关于是否应该进行自动提高或者降低待传输的信号的传输频率的决策。

与此相应，盒子22代表降低传输频率和暂时存储测量值和诊断信息，而盒子24代表信号和诊断信息的恒定传输频率并且盒子26代表提高信号和诊断信息的传输频率。

在图2中示意性地示出供应网络28，其具有传感器10或者带传输单元32的传感器以及具有带控制站30的传感器，以便示出各个传感器10、32与控制站30之间的合作。

在供应网络中出现干扰（例如在水供应网络中可能的泄漏、管子爆裂或者很高移除（Entnahmen））的情况下，所述干扰有时以某时延经由供应线路（例如沿着连续的水供应线路）传播。在此，经常发生的是：所述干扰首先被传感器识别并且然后时延地也由其它传感器诊断。通过基于信号或者模型的方法，在此可能的是：从所测得的或者仿真的信号中推断出当前的干扰并定位干扰源。

假如由传感器诊断干扰或者异常，根据分类有意义的是，不仅提高所述一个传感器的传输频率而且提高相邻传感器的传输频率；即使所述相邻传感器由于传播干扰时的时间延迟本身还没有诊断干扰。由此比以前更可靠的识别、更快的干扰定位和干预是可能的。

如下传感器被称作相邻传感器：所述传感器虽然位置上可以相距得远但例如通过媒介流经的公共水管相互连接并且测量相同的或者物理上相似的量。智能传感器网络的原理是仿真传感器位置和网络之间的关系，其或者可以存放在控制系统中或者也可以存放在传感器评估单元中。

例如，可能的是：传感器彼此直接同步或者经由控制系统同步，其中，所述传感器在其相邻传感器不发送时总发送，以便避免长的间歇。这意味着，两个相邻传感器的测量信号例如不总是在整点和半点在控制系统中到达，而是在正常运行下传感器1例如总是在整点和半点发送而相邻传感器2在正常运行下总是与传感器1偏移一刻钟，也就是说，在第一刻钟和第三刻钟发送。因此，例如在正常运行下在每个整点不是每个在网络中设置的传感器接收至少一个测量值，而是各种不同传感器的相关信号总是时间偏移地到达。这意味着所述控制站更频繁接收当前的测量信号，而所述测量信号仅仅代表网络中一部分传感器。然而，有经验的操作人员从所述当前测量值至少可以部分识别整个网络是否工作在其允许的正常范围内。

用于激活相邻传感器的通信可以或者直接在传感器之间进行或者通过控制系统进行。经由控制系统通信具有如下优点：可以充分使用现有的通信路段以及存在关于相邻传感器位置、线路网、供应区域和干扰传播方向的附加信息。可以在借助于控制系统通信时较容易地执行并且动态地调整关于哪些相邻传感器以哪个传输频率在哪些干扰情况下活动多长时间的配置。此外，各个传感器用于数据传递的接收窗对于控制系统而言是已知的。

然而，也可能的是：尤其当传感器在相互的无线电范围内的时候相互交换信息，其中，没有直接充分利用通信基础设施，经由可能存在的控制系统从一个（例如集中的）传感器转发数据到相连的控制系统。根据使用，这在所需发送和接收能量或者通信成本方面可能是有利的，因为至少部分本地无线电协议相比到控制站的传输可以能效更高并且在传输时也可以更经济。

传输频率的提高虽然降低了电池寿命，但有如下优点：可以更快识别干扰并且因此也可以更快速消除干扰，这造成供应质量的上升。

在此允许的是，找到合适的平衡，这又通过对传感器的灵活配置来实现。根据控制系统中传感器的集成度，直接从控制系统对传感器进行配置或者可以通过附加软件远程配置传感器。

此外本发明还包括有利的实施形式以及各个扩展方案特征或者改进方案的任意组合，只要它们不相互排斥即可。

参考标记列表 

10 传感器

12 测得的传感器信号

14 传感器诊断信息

16 分类传感器信号

18 分类诊断信息

20 用于在自动提高或者降低传输频率方面进行决策的评估单元

22 降低传输频率并且暂时存储测量值和诊断信息

24 恒定的传输频率(信号 + 诊断信息) 

26 提高传输频率(信号 + 诊断信息) 

28 供应网络

30 控制站 

32 具有传输单元的传感器。

Claims (21)

1.一种用于在具有测量装置的空间上扩展的供应网络(28)中传输测量信号的设备，所述供应网络(28)具有至少一个传感器(10)，用于将与运行特性相关的统计特征值传输到至少一个被用于监视和控制供应网络(28)的控制站，其中所述至少一个控制站(30)具有集中地和/或者分散地布置的控制室，并且为了当前在本地确定所定义的特征值，在不同位置设置相应传感器(10)，并且其中，为将相应测量值传递到所述至少一个控制站(30)，设置完全的无线数据传输或者也设置部分无线数据传输，其在确定的时间分别以分组方式传输所述数据，其特征在于，动态地设置测量信号的传输，以便为了分析的目的在正确的时刻以正确的数量和正确的质量提供正确的数据。

2.按照权利要求1的设备，其特征在于，所述测量装置配备有评估单元，所述评估单元分析所测得的信号过程和信号趋势。

3.按照权利要求1或者2的设备，其特征在于，根据所述评估的结果将所述信号过程分配到不同类。

4.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，根据所述分类，为每个信号过程定义传输频率。

5.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，当由所述传感器(10)测得的信号诊断在常规运行范围内的正常测量信号过程时，降低发送频率。

6.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，对所述传感器(10)的位置和所述供应网络(28)之间关系的所述仿真为智能的传感器网络构成基础，其中所述仿真或者被存放在所述控制系统中或者也被存放在所述传感器评估单元中。

7.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，所述传感器(10)直接彼此同步或者组织彼此或者经由所述控制系统彼此同步或者组织彼此，在此，所述各个被设置的传感器(10)提供时间延迟的信号并且从中可以推导出关于整个网络的工作方式的结论。

8.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，通过直接在所述传感器(10)之间通信或者借助于所述控制系统通信激活相邻传感器(10)。

9.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，在异常测量信号过程的情况下，在较小的时间间隔内相应传感器(10)将所述测量值传递到相邻传感器(10)或者传递到所述控制站(30)中的所述控制室。

10.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，所测得的值暂时存储在被设置在所述传感器(10)内的存储器中，所述测得的值在确定的时间后从所述存储器以压缩的形式被发送或者被调用。

11.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，除了所传递的信号之外，所述传感器(10)还将所确定的分类信息传递到工作在所述控制站(30)中的决策支持系统。

12.按照权利要求11的设备，其特征在于，所述决策支持系统是传统的告警系统，其仅仅单独为其本身考虑每个信号。

13.按照权利要求11的设备，其特征在于，所述决策支持系统以其整体复杂性分析所述系统状态并且根据单独的以及合并的信号测量值、各个系统状态、从中获得的信息以及学到的专家知识，有针对性地通过动作建议来支持操作人员。

14.按照权利要求13的设备，其特征在于，所述传感器的错误信息和诊断信息以及所述传感器的状态信息被传递到所述控制和决策支持系统并且在那里得到进一步处理。

15.按照权利要求9到14之一的设备，其特征在于，所述控制和决策支持系统产生工作任务。

16.按照权利要求15的设备，其特征在于，所述传感器(10)拥有自己的信号预处理和诊断单元，所述信号预处理和诊断单元有能力从所测得的信号中识别错误的信号状态并对其分类以及监视所述传感器的状态、包括与其连接的部件，例如电池。

17.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，至少部分所述传感器(10)不仅配备有信号发送器而且配备有信号接收器，其允许双向通信。

18.按照前述权利要求之一的设备，其特征在于，为节约所述电池设置这种传感器(10)：在所述传感器中以对电池容量的不同利用并且根据电池容量在发送选项和接收选项之间进行选择是可能的。

19.一种用于在具有测量装置的空间上扩展的供应网络中传输测量信号的方法，所述供应网络(28)具有至少一个传感器(10)，用于将与运行特性相关的统计特征值传输到至少一个被用于监视和控制所述供应网络(28)的控制站（30），其中，所述至少一个控制站(30)具有集中地和/或分散地布置的控制室，并且为当前在本地确定所定义的特征值，在不同位置设置相应传感器(10)，并且其中，为将相应测量值传递到所述至少一个控制站(30)，设置无线数据传输，其分别在确定的时间以分组的方式传输数据，其特征在于，动态地进行所述测量信号的传输，因此在正确的时刻以正确的数量和正确的质量提供正确的数据，并且为了分析目的，在所传输数据与所述供应网络的运行的相关性方面对所传输数据分类。

20.按照权利要求19的方法，其特征在于，定义所述分类特征和分类界限，定义的方式使得避免了因为错误分类造成的频繁测量信号传输，并且因此显著提高所述传感器(10)的电池寿命。

21.按照权利要求19或者20的方法，其特征在于，一旦由传感器(10)产生的告警由操作人员识别并且证实，则所述告警被回发到所述传感器(10)，所述传感器(10)于是进一步减小发送频率以便节省能量。

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