CN115347965A - 带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法 - Google Patents

带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。使用时钟状态决策算法确定各个控制器设备状态，作为主时钟和从时钟节点的控制器分别根据IEEE1588时钟同步原理发送和接收带硬件时间戳的时钟同步报文，并在控制器内部建立缓存表，维护管理时钟同步报文的序列号与时间戳；从时钟节点根据IEEE1588时钟同步原理计算出时钟偏差值，利用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正从节点控制器的本地时钟。本发明方法解决了因网络内发生拥塞、时钟同步报文传输产生明显延时，从而对时钟同步过程的稳定性和精度产生影响的问题，提高了整体控制系统中各个控制器之间的时间同步精度，具有广泛的应用前景。

Description

带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法
技术领域
本发明属于网络通信领域，具体涉及一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。
背景技术
在工业生产中，随着工业生产规模的扩大和复杂程度的提高，实际应用对工业控制系统的控制要求越来越高，而基于交换式以太网技术的工业以太网分布式控制系统以其高集成度、高效性、利于远程集中控制的优点正在工业控制系统领域中得到广泛应用。
在工业以太网分布式控制系统中，各个控制器分别运行在分布式的网络环境中，整个控制系统的运行需要一个统一、准确的时间标准，从而协调各个控制器之间进行多任务控制。IEEE1588高精度时间同步标准定义了一个在工业控制系统中的时间同步协议，采用开源的IEEE1588协议实现代码即可使网络中的其他时钟同步到最精准的时钟，保证了分布式系统中各控制器之间的精确同步。
但随着工业生产技术的日益复杂，工业生产过程中的需要监测控制的参数也在不断增加，参数数据量亦成几何倍数的增涨，多控制器协同的监测参数数据与控制参数数据的混流传输已逐步成为常态，在这种情况下，时间同步过程极易受到监测控制数据的干扰，导致时钟同步报文传输延时甚至丢失的情况频繁发生，进而影响整个控制网络内部各个控制器之间的时间同步精度。在现有的产品和技术中，无论是改进IEEE1588高精度时间同步方法时间戳的获取位置，还是对IEEE1588高精度时间同步结果进行各种类型滤波处理，皆是建立在整个时间同步过程稳定可靠的基础之上，而对于时钟同步过程中同步报文频繁发生延时甚至丢失的情况，现有方法显得无能为力。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，主要用于当网络环境十分复杂时，时钟同步过程中同步报文频繁发生延时甚至丢失的情况下，分布式系统中各控制器之间的精确同步。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案：带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，包括以下步骤：
控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点；
当控制器为从时钟节点时，内部缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；根据序列号与时间戳得出时钟偏差值，并利用滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正当前控制器的本地时钟。
控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点，包括以下步骤：
通过计算当前控制器传输至网络内其他控制器传输时间总和，选取时间总和最小的控制器作为主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。
控制器内部建立多张缓存表，分别用来维护管理接收和发送的时钟同步报文的序列号和时间戳信息，以及各个时钟同步报文之间的对应关系。
采用时钟同步报文离开和进入控制器网络接口卡MAC层的时刻，以硬件时间戳的形式记录在时钟同步报文内。
所述滑动平均滤波算法包括以下步骤：
通过将计算得到的时钟偏差值Offsetnew与存储的历史时钟偏差值平均值
Figure BDA0003063963630000021
和标准差δoffset进行比较，检查本次时钟偏差值是否在
Figure BDA0003063963630000022
范围内；
如果是，则执行下一步；否则丢弃本次时钟偏差调整值，并退出此次时钟调整。
所述滑动平均滤波算法，还包括：
选取设定的窗口大小M，计算包括本次时钟偏差值Offsetnew在内的连续M个历史时钟偏差值的平均值
Figure BDA0003063963630000023
用于使用平均值
Figure BDA0003063963630000024
修正从节点控制器的本地时钟。
带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，用于分布式系统中控制器之间的同步。
带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化终端，包括：
主从时钟节点判定模块，用于根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点；
同步优化模块，用于当控制器为从时钟节点时，内部缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；根据序列号与时间戳得出时钟偏差值，并利用滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正当前控制器的本地时钟。
一种时间同步优化装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。
一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。
本发明是用来实现一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。它具有如下优点：
1.稳定性高。本发明方法通过缓存管理时钟同步过程中时钟同步报文的序列号与时间戳信息，解决了因网络内发生拥塞，时钟同步报文传输产生明显延时，导致无法按照IEEE1588时钟同步原理完成当次时钟同步的问题。提高了整体控制系统中各个控制器之间时间同步的稳定性。
2.时钟同步精度高。本发明方法通过对计算的时钟偏差值使用改进的滑动平均滤波算法，去除了因网络延时抖动等原因造成的误差干扰，使经过滤波处理后的时钟偏差值更能反应主从时钟节点控制器之间的时钟偏差，从而提高整体控制系统中各个控制器之间时间同步精度。
3.通用性强。本发明方法基于成熟的高精度时钟同步技术和数据处理技术，实现该发明方法的技术难度小且技术发展成熟，系统实现的复杂度低，且只需对控制器内部控制软件进行改进，不需要改变硬件系统平台，通用性能强，易于实现。
附图说明
图1是本发明方法的整体流程图；
图2是本发明方法实施示例构建的控制网络系统结构图；
图3是本发明方法时间同步报文时间戳产生位置示意图；
图4是IEEE1588时钟同步原理示意图；
图5是本发明方法主时钟节点控制器缓存表；
图6是本发明方法从时钟节点控制器缓存表。
图7是本发明方法中改进滑动平均滤波算法的具体流程图
具体实施方式
下面结合附图及实施示例对本发明做进一步的详细说明。
一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，用于分布式系统中各控制器之间的精确同步，包括以下步骤：
各个控制器根据时钟状态决策算法确定设备状态，作为主时钟和从时钟节点的控制器分别根据IEEE1588时钟同步原理发送和接收带硬件时间戳的时钟同步报文，并缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；然后从时钟节点根据IEEE1588时钟同步原理计算出时钟偏差值，利用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正从节点控制器的本地时钟。
网络内的所有控制器根据时钟状态决策算法确定设备状态，其具体过程如下：网络内控制器A向其他控制器广播请求报文，其他控制器接收到控制器A广播的请求报文后立即进行回复，控制器A分别记录从广播请求报文开始到接收到其他控制器回复报文时的时间间隔，并累加计算所有的时间总和；然后网络内其他控制器逐一进行上述过程，比较网络内各个控制器计算的时间总和，选取时间总和最小的控制器作为主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。
主时钟节点按照IEEE1588时钟同步原理发送时钟报文，并将时钟同步报文离开控制器网络接口卡MAC层的时刻，以硬件时间戳的形式记录在时钟同步报文内。从时钟节点按照IEEE1588时钟同步原理接收时钟同步报文，记录并存储控制器网络接口卡MAC层接收到时钟同步报文的时刻。
控制器内部建立多张缓存表，分别用来存储管理接收和发送的时钟同步报文的序列号和时间戳信息，以及各个时钟同步报文之间的对应关系。
从时钟节点控制器根据IEEE1588时钟同步原理计算出与主时钟的时钟偏差值，然后利用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，使用滤波结果修正从节点控制器的本地时钟。改进滑动平均滤波算法的具体流程主要分为以下两步：
第一步：计算从时钟节点存储的历史时钟偏差值的平均值
Figure BDA0003063963630000041
和标准差δoffset，将从节点计算得到的本次时钟偏差值Offsetnew与历史时钟偏差值平均值
Figure BDA0003063963630000042
进行比较，如果本次时钟偏差值Offsetnew在
Figure BDA0003063963630000043
范围内，则存储新的时钟偏差值Offsetnew，并丢弃存储的历史时钟偏差值记录中最旧的时钟偏差值；否则丢弃此次计算的时钟偏差值Offsetnew，结束改进滑动平均滤波算法的处理，并且放弃此次时钟偏差调整。
第二步：根据实际网络抖动情况，选取合适的窗口大小M，计算包括本次时钟偏差值Offsetnew在内的连续M个历史时钟偏差值的平均值
Figure BDA0003063963630000044
并使用平均值
Figure BDA0003063963630000045
修正从节点控制器的本地时钟。
图1是本发明方法的整体流程图，该方法首先使用时钟状态决策算法确定各个控制器设备状态，作为主时钟和从时钟节点的控制器分别根据IEEE1588时钟同步原理发送和接收带硬件时间戳的时钟同步报文，并缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；然后从时钟节点根据IEEE1588时钟同步原理计算出时钟偏差值，利用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正从节点控制器的本地时钟。
本发明方法通过缓存管理时钟同步过程中时钟同步报文的序列号与时间戳信息以及对计算的时钟偏差值使用改进的滑动平均滤波算法，解决了因网络内发生拥塞，时钟同步报文传输产生明显延时，进而对时钟同步过程的稳定性和精度产生影响的问题，提高了整体控制系统中各个控制器之间的时间同步精度，接下来通过结合图2所示实施示例具体介绍本方法各个步骤的实现过程。
首先根据时钟状态决策算法确定设备状态，即依次分别计算控制系统网络内各个控制器传播数据至其他控制器的时间总和，选取时间总和最小的控制器作为主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。图2中各个控制器传播数据至其他控制器的时间如下表所示：
表1
Figure BDA0003063963630000046
上表中控制器1～5传输数据至其他控制器的时间总和分别为41ms，41ms，34ms，39ms，39ms。控制器3传输数据至其余控制器的时间总和最少，因此作为本控制系统网络内的主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。
在传统的IEEE1588开源实现协议中，以在图3所示的应用层tA处获取的软件时间戳作为时间同步报文中时间戳信息,但在该处获取的时间戳极易受到协议栈延迟和抖动的影响，因此时间同步精度相对较低；而一些改进的IEEE1588开源实现协议中将时间戳获取位置下移至网络层tN处，虽然可以有效减少协议栈延迟和抖动对时间戳精度的影响，但依然会受到网络传输延时和抖动的影响；在MAC层与物理层接口处tM获取的时间戳可以真实反映时间同步报文的时间信息，其时间戳精度最高，但其需要控制器硬件辅助支持，而随着数字化技术的不断发展，目前市面上多数控制器已经支持IEEE1588硬件时间戳相关功能，因此本发明方法中主从节点选取在MAC层与物理层接口处tM获取的硬件时间戳记录存储进时间同步报文，作为时间同步报文进入和离开控制器的时刻信息。
根据图4所示的IEEE1588时钟同步原理示意图，一个完整的时间同步过程需要获取4个时刻信息，分别是Sync报文离开主时钟节点的时刻t1、从时钟节点接收到时钟同步Sync报文的时刻t2、主时钟节点接收到从时钟发送的Req请求报文后回复给从时钟节点Resp报文的时刻t3、以及从时钟节点接收到Resp报文的时刻t4，在传统的应用过程中，控制系统网络内监测控制数据量相对较少，主从时钟节点之间时钟同步报文传输稳定，传输延时也相对较小，t1、t2、t3、t4四个时刻获取准确稳定，时钟同步精度亦相对较高。但是随着工业生产过程的日益复杂，监测控制数据量急剧增大，时间同步过程极易受到监测控制数据的干扰造成时钟同步报文传输的延时和抖动，导致从时钟节点接收到的Resp报文并非当前同步过程的报文，而是下个甚至更久以后同步过程的Resp报文，进而严重影响时钟同步的精度。因此本发明方法通过控制器内部建立多张缓存表，存储管理接收和发送的时钟同步报文的序列号和时间戳信息，从而保证计算时钟偏差值使用的t1、t2、t3、t4为同一时钟同步过程的时刻，确保时钟同步过程的稳定性，提高控制器之间的时钟同步精度。
其中主时钟节点控制器管理维护的缓存表如图5所示，t1时刻缓存表主要管理维护主时钟节点传输的Sync报文的序列号以及Sync报文离开主时钟节点的时间信息，t3时刻缓存表主要管理维护主时钟节点传输的Resp报文的序列号以及Resp报文离开主时钟节点的时间信息和目标节点信息。从时钟节点控制器管理维护的缓存表如图6所示，t2时刻缓存表主要管理维护从时钟节点接收的Sync报文的序列号以及Sync报文到达从时钟节点的时间信息，t4时刻缓存表主要管理维护从时钟节点接收的Resp报文的序列号以及Resp报文到达从时钟节点的时间信息，根据IEEE1588时钟同步原理，同一时钟同步过程中，t1和t2时刻分别为同一Sync报文离开主时钟节点与到达从时钟节点的时刻，因此所对应的序列号完全相同即为Sync报文的序列号，同样t3和t4时刻对应的序列号亦完全相同即为Resp报文的序列号，但与t1和t2时刻对应的Sync报文的序列号并不相同，所以从时钟节点需要额外维护管理一张缓存表将同一时钟同步过程中Resp报文的序列号与Sync报文的序列号相对应。
根据IEEE1588时钟同步原理计算出从时钟节点与主时钟节点的时钟偏差值Offsetnew后，使用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，改进滑动平均滤波算法的具体流程如图7所示，接下来将结合实施示例对其进行具体介绍，改进滑动平均滤波算法其主要分为以下两个步骤：
第一步：首先根据公式
Figure BDA0003063963630000061
计算从节点存储的历史时钟偏差值的平均值
Figure BDA0003063963630000062
Offseti表示存储的第i个历史时钟偏差值，其中根据控制器内部存储空间大小以及处理能力选取适当的参数N值，在本实例中N＝10；然后根据公式
Figure BDA0003063963630000063
δoffset＞0计算存储的历史时钟偏差记录值的标准差δoffset，接下来检测本次时钟同步过程计算的时钟偏差值Offsetnew是否在
Figure BDA0003063963630000064
范围内，如果本次时钟偏差值Offsetnew在
Figure BDA0003063963630000065
范围内，则存储新的时钟偏差值Offsetnew，丢弃存储的历史时钟偏差值记录中最旧的时钟偏差值，并准备进行下一步；否则丢弃此次计算的时钟偏差值Offsetnew，结束改进滑动平均滤波算法的处理，并且放弃此次时钟偏差调整。
第二步：根据公式
Figure BDA0003063963630000066
计算包括本次时钟偏差值Offsetnew在内的连续M个历史时钟偏差值的平均值
Figure BDA0003063963630000067
其中滑动平均窗口大小M可根据实际网络抖动情况，选取合适的窗口大小M，本实例中选取M＝5；最后使用平均值
Figure BDA0003063963630000068
修正从节点控制器的本地时钟。

Claims (10)

1.带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点；
当控制器为从时钟节点时，内部缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；根据序列号与时间戳得出时钟偏差值，并利用滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正当前控制器的本地时钟。
2.根据权利要求1所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点，包括以下步骤：
通过计算当前控制器传输至网络内其他控制器传输时间总和，选取时间总和最小的控制器作为主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。
3.根据权利要求1所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，控制器内部建立多张缓存表，分别用来维护管理接收和发送的时钟同步报文的序列号和时间戳信息，以及各个时钟同步报文之间的对应关系。
4.根据权利要求1或3所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，采用时钟同步报文离开和进入控制器网络接口卡MAC层的时刻，以硬件时间戳的形式记录在时钟同步报文内。
5.根据权利要求1所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，所述滑动平均滤波算法包括以下步骤：
通过将计算得到的时钟偏差值Offsetnew与存储的历史时钟偏差值平均值
Figure FDA0003063963620000011
和标准差δoffset进行比较，检查本次时钟偏差值是否在
Figure FDA0003063963620000012
范围内；
如果是，则执行下一步；否则丢弃本次时钟偏差调整值，并退出此次时钟调整。
6.根据权利要求5所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于，所述滑动平均滤波算法，还包括：
选取设定的窗口大小M，计算包括本次时钟偏差值Offsetnew在内的连续M个历史时钟偏差值的平均值
Figure FDA0003063963620000013
用于使用平均值
Figure FDA0003063963620000014
修正从节点控制器的本地时钟。
7.根据权利要求1所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，其特征在于：用于分布式系统中控制器之间的同步。
8.带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化终端，其特征在于，包括：
主从时钟节点判定模块，用于根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点；
同步优化模块，用于当控制器为从时钟节点时，内部缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；根据序列号与时间戳得出时钟偏差值，并利用滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正当前控制器的本地时钟。
9.一种时间同步优化装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7任一项所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。
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