CN109039516B - 一种工业物联网多源异构数据时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工业物联网多源异构数据时间同步方法，涉及工业物联网技术领域。该方法首先通过IEEE 1588时钟同步协议对工厂中的过程数据测控装置和视频数据采集装置进行时间戳同步，保证工业物联网内所有装置的时间戳一致；然后，将工厂中生产设备的过程数据和现场监控的视频数据，通过工业云进行无线传输和存储，并转发至远程监控端；最后，在远程监控端进行过程数据和视频数据的时间同步，保证过程数据显示的时间和所采集的视频数据精准同步。本发明充分考虑工业互联网在工业自动化应用中高实时需求，能够保证工业现场中多源异构数据的精准同步传输和融合，有助于工程人员和研究人员实时掌握企业生产状态，优化生产过程。

Description

一种工业物联网多源异构数据时间同步方法

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，尤其涉及一种工业物联网多源异构数据时间同步方法。

背景技术

互补性日趋鲜明的工业物联网，表现出其接入技术具有不同的覆盖范围、不同的使用区域、不同的技术针对性、不同的接入速率等。针对用户的多样化和多层次应用需求，推进工业物联网的多元化成为新一轮研究热点，各类网络技术互补发展、各尽所长，向网络一体化和应用综合化发展。随着工厂智能化程度的逐步提升，而针对不同需求(现场小数据传输、视频/音频大数据传输、长距离/短距离传输等)部署的不同类网络之间在有限“骨感”的频段上传输过程中的严格时间同步问题，直接影响整个工业物联网的实时性和可靠性。

以电熔镁砂冶炼生产为例。电熔镁炉在正常加热熔炼工况下，炉内温度在2750℃-2850℃之间，恶劣的现场环境导致工人对于异常工况巡检的危险性较高，而且巡检工人劳动强度大，易出现漏检和误检等情况。此外，通过实时采集的电极电流、电压以及功率数据来建立的工况判别模型准确率低，尚无法替代人工观察。因此，综合视频监控图像和生产过程数据对工况进行综合判别能够稳定、准确地在欠烧工况初期预警。电熔镁炉的“欠烧”工况可通过摄像头采集生产过程中炉口火焰的形态、亮度、火星，以及炉壁是否有过热烧红区域特征来判别。通过对电熔镁炉生产工况的有效识别，可以使电熔镁炉控制系统有效感知生产过程的变化。若PLC控制系统中的数据未能与炉口火焰视频数据严格同步，将会使底层控制过程出现明显的滞后现象，降低了系统感知的灵敏度，进而影响生产过程中的控制和决策过程。

目前典型的工业时间同步方法包括：全球定位系统(Global Position System，GPS)同步，编码同步和报文同步。其中，(1)GPS同步精度可达纳秒级，但需要专用硬件设备，成本高，施工难度大；(2)编码同步，如IRIG-B时间码，需要占用专门的传输信道，且同步精度受传输距离的影响较大；(3)报文同步，如网络时间同步协议(Network Time Protocol，NTP)及其衍生的简单网络时间协议(SimpleNetworkTime Protocol，SNTP)，实现简单，但其同步精度仅能达到毫秒级。IEEE 1588精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)在NTP技术基础上，凭借容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等优势，适用于大部分的以太网通信网络，而且时间同步精度可达亚微秒级。

然而，上述方法仅面向单一的数据源，目前尚未存在生产过程数据和视频大数据之间的时间同步方法。目前针对多媒体的同步技术多集中在视频和音频的同步，例如基于参考点的同步、基于时间轴的同步、基于反馈机制的同步以及基于时间戳交互的同步等。由于电熔镁炉生产现场环境中有大量的干扰噪声存在，无线传输过程中大规模接入控制与资源分配问题和″反馈应答″机制将不可避免地增加了传输过程中的延时，为远程监控端异构数据的时间同步造成较大干扰。嵌入编码方法将生产过程数据与视频数据混合编码，不仅增加了编码过程中的嵌入开销，而且需要专门编码器和解码器，硬件成本较高，且开发周期长；视频数据向生产过程数据单向同步方法需要根据当前工艺数据的时间戳在视频流中向前遍历去寻找关键帧，并让解码器根据关键帧与该帧之后的帧进行逐一解码，最后再将视频与工艺数据进行同步播放，占用大量的计算资源，导致解码时的速率较慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种工业物联网多源异构数据时间同步方法，采用双向分级的时间同步方法，实现异构多源数据的本地同步以及远程同步。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种工业物联网多源异构数据时间同步方法，包括以下步骤：

第一阶段：本地时间同步；

第二阶段：远程时间同步；

第三阶段：客户端时间同步；

所述本地时间同步过程基于IEEE 1588协议，具体包括以下步骤：

步骤1.1：本地的主机向从机发送时间同步Sync报文，并记录发送Sync报文时间T₁；从机在接收到Sync报文后，会记录接收到Sync的时间T₂；

步骤1.2：主机发送Sync报文后，紧接着发送一个携带有T₁值的Follow_Up报文；

步骤1.3：从机向主机回复Delay_Req报文，并记录发送Delay_Req报文的时间T₃；主机收到Delay_Req报文后，记录接收到Delay_Req报文的时间T₄；

步骤1.4：主机收到Delay_Req报文之后，回复带有T₄值的Delay_Resp报文；

步骤1.5：从机根据4个时间值T₁～T₄，计算单向平均延时Delay和时钟偏差Offset，

步骤1.6：若时间偏差Offset大于阈值τ，则使用绝对时间进行调整，即从机时钟校准后的时间为原从机时钟T_从与Offset之和；否则，从机设备需调整时钟频率f_从与主机频率f_主一致，若从机无法调整时钟频率，则使用绝对时间调整方式进行同步；

所述远程时间同步包括以下步骤：

步骤2.1：依次获取上行数据传输过程中的时间戳值；

上行数据传输是指将PLC控制器采集到的生产现场数据经由无线现场设备和工业无线路由器传输至工业云，并经过PC监控端进行显示的数据传输过程；

上行数据传输过程中的时间戳值，包括PLC控制器发送数据时的时间戳值t₁；无线现场设备解析PLC数据并将其转发至工业云的时间戳值t₂；工业云接收到数据并进行持久化时的时间戳值t₃；远程PC监控端读取数据到本地的时间戳值t₄；

步骤2.2：依次获取下行数据传输过程中的时间戳值；

下行数据传输是指从PC监控端将优化决策后的决策数据传输工业云，并由工业无线路由器转发和无线现场设备获取后，传输至PLC控制器，对生产现场进行优化控制的数据传输过程；

下行数据传输过程中的时间戳值，包括工业云发送决策数据的时间戳值t₅；工业云存储决策数据并进行持久化时的时间戳值t₆；无线现场设备从工业云获取决策数据的时间戳值t₇；PLC从无线现场设备获取到决策数据时的时间戳值t₈；

步骤2.3：分别计算上行和下行数据传输过程中相邻时刻的延时Δt_j，其具体计算公式为：

步骤2.4：计算第k次统计时上行传输过程中的总延时δ_k，1和下行传输过程中的总延时δ_k，2，其具体计算公式为：

所述客户端时间同步包括以下步骤：

步骤3.1：首先解析从视频服务器获取的最新视频数据的时间戳值t_video，并从工业云的数据库中获取最新一条生产现场数据的时间戳值t_text；

步骤3.2：判断视频数据时间戳值t_video与生产现场数据时间戳值t_text之间的差值是否满足边界条件，以便执行客户端同步过程，具体判断过程为：

若0≤t_text-t_video≤σ，其中，σ为时间戳值差值上限，则PC客户端直接显示当前生产现场数据，即id_play＝id_text，其中，id_play表示客户端即将显示的生产现场数据的序列号，id_text为从工业云的数据库中获取到的最新一条生产现场数据的序列号；

若不满足上述边界条件，则继续判断，若t_text-t_video＜0，视频数据超前于生产现场数据，则使用最新一条生产现场数据记录并显示，即id_play＝i_dtext；

否则，此时视频数据滞后于牛产现场数据，直接从本地数据库中取出序列号并显示相应数据，即

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的工业物联网多源异构数据时间同步方法，针对工业现场中的生产现场数据和视频数据等异构数据源，采用本地-远程-客户端分级双向时间同步原理，实现了异构数据源之间的严格时间同步，支撑工业物联网中多源数据的联合决策；通过灵活设置时间同步偏差阈值取值范围，一方面降低了视频解码器同步过程中的资源消耗，另一方面增加了监控端视频播放的流畅性，提升了服务质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于IEEE 1588协议的多源异构数据本地时间同步原理图；

图2为本发明实施例提供的多源异构数据远程传输过程中的时间同步原理图；

图3为本发明实施例提供的客户端多源异构数据时间同步流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提出一种工业物联网多源异构数据时间同步方法，采用双向分级的时间同步原理，实现本地、远程以及客户端三级时间同步。具体方法如下所述。

第一阶段：本地时间同步，即通过IEEE 1588时钟同步协议对工厂中的过程数据测控装置和视频数据采集装置进行时间戳同步，以保证工业物联网内所有装置的时间戳一致。

如图1所示，为本实施例中基于IEEE 1588协议的多源异构数据本地时间同步原理图，包括以下实现步骤：

步骤1.1：本地的主机向从机发送时间同步Sync报文，并记录发送Sync报文时间T₁；从机在接收到Sync报文后，会记录接收到Sync的时间T₂；

步骤1.2：主机发送Sync报文后，紧接着发送一个携带有T₁值的Follow_Up报文；

步骤1.3：从机向主机回复Delay_Req报文，并记录发送Delay_Req报文的时间T₃；主机收到Delay_Req报文后，记录接收到Delay_Req报文的时间T₄；

步骤1.4：主机收到Delay_Req报文之后，回复带有T₄值的Delay_Resp报文；

步骤1.5：从机根据接收到的T₁～T₄共4个时间值，计算单向平均延时Delay和时钟偏差Offset；

所述单向平均延时Delay，计算公式如下：

所述时钟偏差Offset是指从时钟相对于主时钟的时钟偏差，计算公式如下：

步骤1.6：若时间偏差Offset大于阈值τ，则使用绝对时间进行调整，即从机时钟校准后的时间为原从机时钟T_从与offset之和；否则，从机设备需调整时钟频率f_从与主机频率f_主一致，若从机无法调整时钟频率，则使用绝对时间调整方式进行同步。本实施例中，阈值τ取值为10ms。

从机时钟T_从校准的计算公式如下：

第二阶段：远程时间同步，将工厂中生产设备的过程数据和现场监控的视频数据，通过工业云进行无线传输和存储，并转发至远程监控端。

本地时间同步完成后，执行远程时间同步，如图2所示，为多源异构数据远程传输过程中的时间同步原理图，包括以下实现步骤：

步骤2.1：依次获取上行数据传输过程中的时间戳值；

所述上行数据传输是指将PLC控制器采集到的生产现场数据经由无线现场设备和工业无线路由器传输至工业云，并经过PC监控端进行显示的数据传输过程；

所述上行数据传输过程中的时间戳值，包括PLC控制器发送数据时的时间戳值t₁；无线现场设备解析PLC数据并将其转发至工业云的时间戳值t₂；工业云的接收到数据并进行持久化时的时间戳值t₃；远程PC监控端读取数据到本地的时间戳值t₄；

步骤2.2：依次获取下行数据传输过程中的时间戳值；

所述下行数据传输是指从PC监控端将优化决策后的决策数据传输工业云，并由工业无线路由器和无线现场设备定时获取后，传输至PLC控制器，对生产现场进行优化控制的数据传输过程。

所述下行数据传输过程中的时间戳值，包括工业云发送决策数据的时间戳值t₅；工业云存储决策数据并进行持久化时的时间戳值t₆；无线现场设备从工业云获取决策数据的时间戳值t₇；PLC从无线现场设备获取到决策数据时的时间戳值t₈；

步骤2.3：分别计算各阶段的延时Δt_j，j＝1，...，6，其具体计算公式为：

步骤2.4：计算第k次统计时上行传输过程中的总延时δ_k，1和下行传输过程中的总延时δ_k，2，其具体计算公式为：

设在单位时间T内上行数据的传输时延变化量为f_pc，其计算公式为：

其中T为本系统评价网络性能时的计算周期，其推荐取值为5s，N为在周期T内所统计到的上行/下行传输过程中的总延时个数；

同理，设在单位时间T内下行数据传输时延变化量为其计算公式为：

第三阶段：客户端时间同步，在远程监控端进行过程数据和视频数据的时间同步，以实现过程数据显示的时间和所采集的视频数据精准同步。

如图3所示，为客户端多源异构数据时间同步流程图，包括以下实现步骤：

步骤3.1：首先，从视频服务器获取最新的视频数据，将HTTP格式的视频数据流按协议解码，其解码周期为0.5s，所获取的视频流时间戳为t_video；然后，从工业云的数据库中获取最新的生产现场数据，并将其在客户端解析时间字段值，从而获取生产现场数据的时间戳t_text；其中，数据库中序列号最大的数据即为上述的最新数据，设其序列号为id_text；

步骤3.2：根据视频数据与生产现场数据之间的时间戳差值t_text-t_video进行判断；若0≤t_text-t_video≤σ，σ为时间戳值差值上限，本实施例中取σ＝1s，则PC客户端即将显示的生产现场数据的序列号为id_play，且id_play＝id_text；若不满足上述边界条件，则继续判断，若t_text-t_video＜0，则说明此时视频数据超前于生产现场数据，从云端数据库中读取最新一条生产现场数据记录并显示，其序列号为i_dplay＝i_dtext；若t_text-t_video＞σ，则说明此时视频数据滞后于生产现场数据，直接从数据库中取出序列号为的数据进行显示。

通过上述过程本方法实现了远程传输系统在本地、远程以及客户端的三级时间同步，能够实时感知网络传输环境的变化，并能够在PC监控端进行视频数据的同步，提高了传输系统的服务质量，从而实现了工业物联网多源异构数据远程同步传输。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种工业物联网多源异构数据时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一阶段：本地时间同步，包括以下步骤：

步骤1.1：本地的主机向从机发送时间同步Sync报文，并记录发送Sync报文时间T₁；从机在接收到Sync报文后，会记录接收到Sync的时间T₂；

步骤1.2：主机发送Sync报文后，紧接着发送一个携带有T₁值的Follow_Up报文；

步骤1.3：从机向主机回复Delay_Req报文，并记录发送Delay_Req报文的时间T₃；主机收到Delay_Req报文后，记录接收到Delay_Req报文的时间T₄；

步骤1.4：主机收到Delay_Req报文之后，回复带有T₄值的Delay_Resp报文；

步骤1.5：从机根据4个时间值T₁～T₄，计算单向平均延时Delay和时钟偏差Offset，

步骤1.6：若时间偏差Offset大于阈值τ，则使用绝对时间进行调整，即从机时钟校准后的时间为原从机时钟T_从与Offset之和；否则，从机设备需调整时钟频率f_从与主机频率f_主一致，若从机无法调整时钟频率，则使用绝对时间调整方式进行同步；

第二阶段：远程时间同步，包括以下步骤：

步骤2.1：依次获取上行数据传输过程中的时间戳值；

步骤2.2：依次获取下行数据传输过程中的时间戳值；

步骤2.3：分别计算上行和下行数据传输过程中相邻时刻的延时；

步骤2.4：计算第k次统计时上行传输过程中的总延时δ_k，1和下行传输过程中的总延时δ_k，2；

第三阶段：客户端时间同步，包括以下步骤：

步骤3.1：首先解析从视频服务器获取的最新视频数据的时间戳值t_video，并从工业云的数据库中获取最新一条生产现场数据的时间戳值t_text；

步骤3.2：判断视频数据时间戳值t_video与生产现场数据时间戳值t_text之间的差值是否满足边界条件，以便执行客户端同步过程。

2.根据权利要求1所述的工业物联网多源异构数据时间同步方法，其特征在于：所述步骤2.1中的上行数据传输是指将PLC控制器采集到的生产现场数据经由无线现场设备和工业无线路由器传输至工业云，并经过PC监控端进行显示的数据传输过程；

上行数据传输过程中的时间戳值，包括PLC控制器发送数据时的时间戳值t₁；无线现场设备解析PLC数据并将其转发至工业云的时间戳值t₂；工业云的接收到数据并进行持久化时的时间戳值t₃；远程PC监控端读取数据到本地的时间戳值t₄。

3.根据权利要求2所述的工业物联网多源异构数据时间同步方法，其特征在于：所述步骤2.2中的下行数据传输是指从PC监控端将优化决策后的决策数据传输工业云，并由工业无线路由器和无线现场设备定时获取后，传输至PLC控制器，对生产现场进行优化控制的数据传输过程；

下行数据传输过程中的时间戳值，包括工业云发送决策数据的时间戳值t₅；工业云存储决策数据并进行持久化时的时间戳值t₆；无线现场设备从工业云获取决策数据的时间戳值t₇；PLC从无线现场设备获取到决策数据时的时间戳值t₈。

4.根据权利要求3所述的工业物联网多源异构数据时间同步方法，其特征在于：

所述步骤2.3中上行和下行数据传输过程中相邻时刻的延时为Δt_j，j＝1、…、6，其具体计算公式为：

所述步骤2.4中总延时δ_k，1和δ_k，2的具体计算公式为：

5.根据权利要求1至4任一项所述的工业物联网多源异构数据时间同步方法，其特征在于：所述步骤3.2中的具体判断过程为：

若0≤t_text-t_video≤σ，σ为时间戳值差值上限，则PC客户端直接显示当前生产现场数据，即id_play＝id_text，id_play表示客户端即将显示的生产现场数据的序列号，id_text为从工业云的数据库中获取到的最新的生产现场数据的序列号；

否则，若t_text-t_video＜0，视频数据超前于生产现场数据，则使用最新一条生产现场数据记录并显示，即id_play＝id_text；否则，若t_text-t_video＞0，此时视频数据滞后于生产现场数据，直接从本地数据库中取出序列号并显示相应数据，即