CN109728869B - 一种自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法。该自来水管网监测节点间的时间同步系统，包括设于自来水管网监测节点上的北斗模块、监测模块及控制模块，所述北斗模块用于接收北斗卫星导航系统的时间信号并对各节点进行授时，用于将授时信息反馈给控制模块；所述监测模块为设于监测节点处的各种监测传感器，用于监测管网的流量、压力、水质情况，并将监测信息反馈给控制模块；所述控制模块用于接收北斗模块和监测模块的信息，并反馈给后台监控计算机；该自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法，解决现有的自来水管网监测系统中存在的节点间监测数据不在同一时间导致数据分析发生错误的问题，具有极大的实用价值。

Description

一种自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法。

背景技术

我国已进入现代化信息爆炸时代，精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。在自来水管网监测系统中，有很多个不同位置的监测节点，它们组成一个监测系统，监测管网的流量、压力和水质情况，预警爆管、漏损、水质污染的发生。水是流动的液体，而监测节点分布在各个位置，如果这些节点采集数据时不是在准确的同一时间，就会造成数据分析错误，发生错的预警。如何保证每个监测节点监测到的数据是同一时间的，是一个重要的工作。在现有的自来水管网监测的方法中，各节点间的监测数据不在同一时间时，会对监测数据产生较大的误差，对调度中心的管理人员的决策应对也会产生很大的困难。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的自来水管网监测节点间的时间同步系统及其方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种自来水管网监测节点间的时间同步系统，包括设于自来水管网监测节点上的北斗模块、监测模块及控制模块，所述北斗模块用于接收北斗卫星导航系统的时间信号并对各节点进行授时，用于将授时信息反馈给控制模块；所述监测模块为设于监测节点处的各种监测传感器，用于监测管网的流量、压力、水质情况，并将监测信息反馈给控制模块；所述控制模块用于接收北斗模块和监测模块的信息，并反馈给后台监控计算机。

作为本发明的进一步优化方案，所述控制模块为由型号为PIC18FK22的单片机芯片及其外围震荡电路组成。

一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，包括以下步骤：

步骤S1：确定当前待进行时间同步的监测节点的位置和数量，并对这些监测节点进行唯一标识；

步骤S2：利用后台监控计算机获取当前待进行时间同步的监测节点的时间信息，并判断这些监测节点的时间信息是否同步，具体如下：

步骤S21：利用所取节点i的时间数据，根据各节点i获取的时间数据的自身方差σ_i，计算最优加权平均值

为：

式中，X_i为步骤S2获取的各节点i的时间信息值；n为待检测节点数量；

步骤S22：将各节点i的时间信息值X_i与最优加权平均值

比较，若有30％以内的节点的时间信息值出现误差，则将出现误差的节点数据去除，剩余的节点进入步骤S3进行时间同步；若有大于30％的节点的时间信息出现误差，则所有节点都进入步骤S3重新授时；

步骤S3：时间同步，利用北斗模块接收北斗卫星信号，对各监测节点进行授时，授时信息通过控制模块发送给后台监控计算机，完成节点的时间同步，并回到步骤S1进行下一轮监测；

步骤S4：若某一节点连续出现误差，则报警，工作人员去现场检查硬件设备

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，对监测节点8进行唯一标识方法包括：

使用3个字节对节点标识，即用6位十六进制数标识，其中第一个字节为主管标号和一级支管标号，第二个字节为二级支管标号，第三个字节为节点数标号，节点19标号为100001，节点20标号为100002，节点21标号为110001，节点22标号为120001，节点23标号为130001，节点24标号为130002，节点25标号为130101。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，确定待进行时间同步的监测节点的位置和数量的方法包括：

(1)正常状态：每天进行一次时间同步，在每天24:00:00触发，对所有节点进行授时完成时间同步；

(2)异常状态：某节点数据异常时，即数据突变时，首先通过选取算法进行同步节点选取，然后对选取的节点进行时间授时以达到时间同步。

选取算法如下：

1)若发生爆管：对爆管位置用abc三个字节表示上下游节点，做时间同步，

即ab(c±2)

其中a为主管标号和一级支管标号，b为二级支管标号，c为节点数；

当该节点abc附近无节点时，对其最近的支管上的节点做时间同步，

即(a±1)bc或a(b±1)c

其中a±1表示爆管位置在主管，对最近的一级支管做时间同步，b±1表示爆管位置在一级支管，对最近的二级支管做时间同步；

2)若发生漏损：当监控计算机监测到某一段节点间的自来水漏损率超过5％，则对这一区域内的节点做时间同步。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S22中，出现误差指节点的时间信息值X与最小加权平均值

的误差大于1ms的情况。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中，对各监测节点进行授时的方法，包括：使用北斗单向授时方法，在单向授时模式下，各监测节点的北斗模块不与地面中心站进行交互信息，只接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中，对各监测节点进行授时的方法，包括：使用北斗模块接收北斗卫星信号并进行延时矫正，得到可靠的时间信息并进行授时。

作为本发明的进一步优化方案，所述延时矫正包括对卫星轨道误差、多普勒效应、电离层时延、对流层时延和下行时延的矫正。

本发明的有益效果在于：

本发明使用北斗时间同步的方法就可以解决各监测点时间不统一的问题，利用此方法来对各节点进行精密授时，使自来水管网监测数据更加科学；并且北斗系统具有更高的可靠性，是我国自主研发的卫星定位导航系统，不存在非正常停运事件，适用于我国的自来水管网监测，更具备长期使用的稳定性，此外，北斗的短报文通信可监视自身的运行情况，及时调整和维护，减少修复时间，可减少故障率；本方法能解决现有的自来水管网监测系统中存在的节点间监测数据不在同一时间导致监测发生错误的问题，具有极大的实用价值。

附图说明

图1为北斗卫星与自来水监测节点结构示意图；

图2为北斗模块结构示意图；

图3为自来水管网节点示意图；

图4为自来水管网监测节点正常状态算法流程图；

图5为自来水管网监测节点异常状态算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1与图2所示，本实施例提供了一种自来水管网监测节点间的时间同步系统，包括设于自来水管网监测节点8上的北斗模块7、监测模块及控制模块，所述北斗模块7用于接收北斗卫星导航系统的时间信号并对各节点进行授时，用于将授时信息反馈给控制模块，授时采用的为单向授时方法；所述监测模块为设于监测节点8处的各种监测传感器，用于监测管网的流量、压力、水质情况，并将监测信息反馈给控制模块；所述控制模块用于接收北斗模块7和监测模块的信息，并反馈给后台监控计算机；所述控制模块为由型号为PIC18FK22的单片机芯片及其外围震荡电路组成

如图4及图5所示，本实施例提供了一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，包括以下步骤：

步骤S1：确定当前待进行时间同步的监测节点的位置和数量，并对这些监测节点进行唯一标识；

利用监测模块，实时采集监测节点的流量信息和压力信息，并反馈给控制中心；当发生下述情况之一时，对当前节点进行时间同步：

(1)正常状态：每天进行一次时间同步，在每天24:00:00触发，对所有节点进行授时完成时间同步；

(2)异常状态：某节点数据异常时，即数据突变时，首先通过选取算法进行同步节点选取，然后对选取的节点进行时间授时以达到时间同步。

选取算法如下：

1)若发生爆管：对爆管位置用abc三个字节表示上下游节点，做时间同步，

即ab(c±2)

其中a为主管标号和一级支管标号，b为二级支管标号，c为节点数；

当该节点abc附近无节点时，需对其最近的支管上的节点做时间同步，

即(a±1)bc或a(b±1)c

其中a±1表示爆管位置在主管，对最近的一级支管做时间同步，b±1表示爆管位置在一级支管，对最近的二级支管做时间同步；

2)若发生漏损：当监控计算机监测到某一段节点间的自来水漏损率超过5％，则对这一区域内的节点做时间同步。

如图3所示，为待检测自来水管网节点分布。自来水管包括主管14与第一支管15、第二支管16和第三支管17相连接，第三支管17与其二级支管18相连，其节点19与节点20分别为监控主管14上下游的节点，节点21监控第一支管15的节点，节点22监控第二支管16的节点，节点23监控第三支管17的节点，节点24为监测第三支管17分流后的监测节点，节点25为监测第三支管17的二级支管18的节点。

对待监测节点进行唯一标识，监测节点的标识方法为：使用3个字节对节点标识，即用6位十六进制数标识，其中第一个字节为主管标号和一级支管标号，第二个字节为二级支管标号，第三个字节为节点数标号，节点19标号为100001，节点20标号为100002，节点21标号为110001，节点22标号为120001，节点23标号为130001，节点24标号为130002，节点25标号为130101。

下面以节点23有发生漏损的可能为例，并此节点为参照对附近节点进行时间同步分析。

步骤S2：利用后台监控计算机获取当前待进行时间同步的监测节点8的时间信息，该时间节点信息为监控模块与监控计算机建立的“节点号；流量值/压力值；时间；校验”协议，其中节点号使用3个字节，6位十六进制数表示，流量值和压力值用32位浮点数表示，时间用32位浮点数表示，校验码用一个字节表示，并判断这些监测节点8的时间信息是否同步，如上述节点23存在发生漏损的可能，后台监控计算机收到如图3中的七个节点的时间信息如下表：

节点	时间	精准时间区别
			100001	am10:00:00:500:565	500.565ms
100002	am10:00:00:500:300	500.300ms
			110001	am10:00:00:500:420	500.420ms
120001	am10:00:00:501:235	501.235ms
			130001	am10:00:00:501:102	501.102ms
130002	am10:00:00:500:204	500.204ms
			130101	am10:00:00:501:384	501.284ms

则选取节点23以及以上附近的节点进行分析，执行下述步骤：

步骤S21：利用所取节点i的时间数据，根据各节点i中获取的时间数据的自身方差σ_i，计算最优加权平均值

具体为：

各节点i中获取的时间数据的加权平均值为

满足：

式中，X_i为步骤S2获取的各节点i的时间信息值；n为待检测节点数量；W_i为节点i的加权因子，且有：

基于X₁,X₂,…,X_n相对独立，且是X的无偏估计，总均方差σ²为：

根据多元函数求极值的法则,求出总均方差最小时所对应的加权因子为：

对应的最小均方差为：

通过以上公式可以计算最优加权因子，根据实际的测量值计算出融合以后的最优值

为：

步骤S22：将各节点i的时间信息值X_i与最优加权平均值

比较，若有30％以内的节点的时间信息值出现误差，则将出现误差的节点数据去除，剩余的节点进入步骤S3进行时间同步；若有大于30％的节点的时间信息出现误差，则所有节点都进入步骤S3重新授时；出现误差指节点的时间信息值X与最小加权平均值

的误差大于1ms的情况；

通过上述两步骤得到最终得到七个节点的时间数据的加权平均值，

五个节点的时间数据与加权平均值

的差分别为：Δ₁＝-0.11786ms,Δ₂＝0.14714ms,Δ₃＝0.02714ms，Δ₄＝-0.78786ms,Δ₅＝-0.65486ms，Δ₆＝0.24314ms，Δ₇＝-0.83686ms。误差均未达到1ms，所以，图3中的七个节点达到时间同步，监测到的管网数据准确。

假设，七个数据中有三个数据的误差达到1ms，则所有节点均需要进行时间同步，具体包括以下步骤：

步骤S3：时间同步，利用北斗模块7接收北斗卫星信号，对各监测节点8进行授时，授时信息通过控制模块发送给后台监控计算机，完成节点的时间同步，并回到步骤S1进行下一轮监测；

所述的授时方法为：利用北斗模块7接收北斗卫星信号并进行延时矫正，得到可靠的时间信息后授时，其中的延时矫正包括对卫星轨道误差、多普勒效应3、电离层时延5、对流层时延6和下行时延4的矫正。

还可以采用北斗单向授时方法，在单向授时模式下，各监测节点8的北斗模块7不与地面中心站进行交互信息，只接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。

如果出现某一节点连续误差的情况，则报警，工作人员去现场检查硬件设备。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：确定当前待进行时间同步的监测节点(8)的位置和数量，并对这些监测节点(8)进行唯一标识；

步骤S2：利用后台监控计算机获取当前待进行时间同步的监测节点(8)的时间信息，并判断这些监测节点(8)的时间信息是否同步，具体如下：

步骤S21：利用所取节点i的时间数据，根据各节点i获取的时间数据的自身方差σ_i，计算最优加权平均值

为：

式中，X_i为步骤S2获取的各节点i的时间信息值；n为待检测节点数量；

步骤S22：将各节点i的时间信息值X_i与最优加权平均值

比较，若有30％以内的节点的时间信息值出现误差，则将出现误差的节点数据去除，剩余的节点进入步骤S3进行时间同步；若有大于30％的节点的时间信息出现误差，则所有节点都进入步骤S3重新授时；

步骤S3：时间同步，利用北斗模块(7)接收北斗卫星信号，对各监测节点(8)进行授时，授时信息通过控制模块发送给后台监控计算机，完成节点的时间同步，并回到步骤S1进行下一轮监测；

步骤S4：若某一节点连续出现误差，则报警，工作人员去现场检查硬件设备。

2.根据权利要求1所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S1中，对监测节点(8)进行唯一标识方法包括：

使用3个字节对节点标识，即用6位十六进制数标识，其中第一个字节为主管标号和一级支管标号，第二个字节为二级支管标号，第三个字节为节点数标号，节点19标号为100001，节点20标号为100002，节点21标号为110001，节点22标号为120001，节点23标号为130001，节点24标号为130002，节点25标号为130101。

3.根据权利要求1所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定待进行时间同步的监测节点(8)的位置和数量的方法包括：

(1)正常状态：每天进行一次时间同步，在每天24:00:00触发，对所有节点进行授时完成时间同步；

(2)异常状态：某节点数据异常时，即数据突变时，首先通过选取算法进行同步节点选取，然后对选取的节点进行时间授时以达到时间同步，选取算法如下：

1)若发生爆管：对爆管位置用abc三个字节表示上下游节点，做时间同步，

即ab(c±2)

其中a为主管标号和一级支管标号，b为二级支管标号，c为节点数；

当该节点abc附近无节点时，对其最近的支管上的节点做时间同步，

即(a±1)bc或a(b±1)c

其中a±1表示爆管位置在主管，对最近的一级支管做时间同步，b±1表示爆管位置在一级支管，对最近的二级支管做时间同步；

2)若发生漏损：当监控计算机监测到某一段节点间的自来水漏损率超过5％，则对这一区域内的节点做时间同步。

4.根据权利要求1所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S22中，出现误差指节点的时间信息值X与最小加权平均值

的误差大于1ms的情况。

5.根据权利要求1所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，对各监测节点(8)进行授时的方法，包括：使用北斗单向授时方法，在单向授时模式下，各监测节点(8)的北斗模块(7)不与地面中心站进行交互信息，只接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。

6.根据权利要求1所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，对各监测节点(8)进行授时的方法，包括：使用北斗模块(7)接收北斗卫星信号并进行延时矫正，得到可靠的时间信息并进行授时。

7.根据权利要求6所述的一种自来水管网监测节点间的时间同步方法，其特征在于，所述延时矫正包括对卫星轨道误差、多普勒效应(3)、电离层时延(5)、对流层时延(6)和下行时延(4)的矫正。

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