CN116155433B - 一种多域跨尺度数据采集校时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多域跨尺度数据采集校对时方法，包括以下步骤：步骤一、GPS信号转发模块构建；步骤二、确定车体相关系统和地面相关系统的主时钟；步骤三、完成地面相关系统内部IEEE‑1588时钟同步；步骤四、系统内各采集节点达到时钟同步，车体相关系统和地面相关系统以不同的方式进行数据传输；步骤五、各节点数据通过异常值处理、降噪和平滑处理后进行配准处理，将不同采集频率的数据统一到统一尺度。本发明的时钟同步方法不受环境影响，并对获取的量测数据进行配准处理，可获得跨尺度下的同步数据。

Description

一种多域跨尺度数据采集校时方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域，完成“低真空管道磁浮动模试验台”数据采集系统中各子系统之间时间同步并完成多尺度数据采集与处理，特别是一种多域跨尺度数据采集校时方法。

背景技术

在分布式数据采集系统中，采集节点的控制器通过无线或者有线的方式与采集设备(传感器等感知设备)进行通信，实现统一的控制与采集。为了保证主从节点交互信息的实时性，整个系统网络中的时钟需要保持同步，在分布式数据采集系统中，各个采集结点区域分散且具有各自独立的时钟，同时时钟特性受到工作环境的影响，时钟精度和稳定性低，导致各个采集结点不同步，时钟之间存在较大的时钟偏差，同时，采集节点之间的不同采集要求会导致采集频率具有倍数级的较大差异。因此，分布式数据采集系统的时钟网络需要进行时钟同步，以此来保证各个采集结点通信的实时性与数据采集的准确性。

近年来，全球定位系统(GPS)时钟同步分布式数据采集技术开始兴起，并迅速应用到各个领域，在定形复杂，人类不宜行动的区域进行数据采集工作时，使用GPS时钟同步分布式采集网可以满足长期不间断的数据采集以及对分撒区域同步的数据采集。IEEE-1588时钟同步协议是一种通过网络通信、本地计算以及分布对象并应用于分布式测量和控制系统的时钟同步协议。该协议设备间通过消息包进行通信，并且能够应用于多个制造商设备间的时钟同步。该协议采用主-从模式的时钟同步，即：在网络中设置一个主时钟，其他设备结点时钟为从时钟。将各采集节点下传感器不同步的量测信息同步到同一时刻即是时间配准，在确保系统中各个采集节点已经达到时钟同步的情况下，应该选择适当的方法进行时间配准。常用的时间配准方法有均值插补法、最小二乘法以及拉格朗日插值法等。

GPS具有时间精度高、价格低等优点，将其作为同步时钟的公共时间基准具有突出的优越性，而最新发布的IEEE-1588v2进一步提高了精度，支持纳秒级别的同步精度。该协议具有适用于采用多播技术的网络(以太网)和总线，占用网络带宽小，对系统资源要求低等优点。采用GPS和IEEE-1588协议相结合的同步原理可以满足大型分布式数据采集系统采集结点的时钟同步。由于低真空管道磁浮动模试验台的工作环境为真空管道(真空管道子系统)，无法正常接受到GPS信号，因此传统的时间配准方法不再适用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不受环境影响的精准时钟同步方法，并对获取的量测数据进行配准处理，可获得跨尺度下的同步数据的多域跨尺度数据采集校时方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多域跨尺度数据采集校时方法，包括以下步骤：

步骤一、GPS信号转发模块构建：在管外空旷环境中安装GPS接收天线来获取GPS信号，为管道内部提供GPS信号，GPS接收天线连接信号转发器；在管道内部安装信号发射器，信号发射器与信号转发器相连；同时，信号转发器对接收到的GPS信号进行卡尔曼滤波；

步骤二、确定车体相关系统和地面相关系统的主时钟：地面相关系统包括低真空管道、管内和管外的多个采集节点；车体相关系统是在低真空管道内运行的列车模型上设置的采集节点；在地面相关系统的采集节点中选择一个采集节点添加GPS接收天线，作为地面相关系统的主时钟，地面相关系统的其他信号采集结点作为从时钟，将以该主时钟作为时间基准进行时间误差调整；在车体相关系统的采集节点处添加GPS接收天线，作为车体相关系统的主时钟；

步骤三、完成地面相关系统内部IEEE-1588时钟同步：各从时钟与主时钟根据IEEE-1588协议进行四次时间信息交互，得到4个时间节点，然后按照式(1)进行时钟修正，使得各采集结点具有相同的时间基准：

式中，T₁为主时钟第一次发送报文时打上时间戳的时间，T₂为主时钟第一次发送报文时从时钟接收报文信息的时间，T₃为从时钟反馈主时钟信息时发送报文的时间，T₄则为主时钟收到反馈报文时的接收时间，Offset为主从时钟偏差，T_sm和T_ms分别为主时钟到从时钟的传播延时和从时钟到主时钟的传播延时；

系统中主从时钟之间报文传输经由同一以太网线，双向传播延时看作相等，即T_sm＝T_ms＝T_d，由此得到主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset如式(2)所示：

从时钟根据主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset来修正自身时钟。

步骤四、系统内各采集节点达到时钟同步，车体相关系统和地面相关系统以不同的方式进行数据传输：车体相关系统将所采集的数据通过WIFI无线传输的方式发送至附近无线访问接入点，然后通过以太网传输的方式到达后台服务器；地面相关系统的各采集节点所采集的数据通过交换机同样以以太网的传输方式到达后台服务器；

步骤五、各节点数据通过异常值处理、降噪和平滑处理后进行配准处理，将不同采集频率的数据统一到统一尺度：将低频采集的数据通过拉格朗日数据插值法的方式向高频数据进行配准，由于传感器采集频率较高，在相邻间隔时的移动距离插值不大，因此把连续多次测量值的采样时刻看作为等间隔的，即t_i-t_i-1＝t_i+1-t_i＝T，假设配准时间点为t，如式(3)所示：

式中x(i-1)、x(i)、x(i+1)为某采样区间的三次测量值；计算得到低频数据的配准结果x(t)后，完成数据尺度的统一。

本发明的有益效果是：本发明以GPS和IEEE-1588时钟同步协议为基础实现分布式系统中各采集结点的时钟同步，通过GPS信号接收器、GPS信号转发器、GPS信号发射器组成的信号转发模块将GPS信号由外部空间转发并扩散到真空管道中，采用GPS授时的方法确定系统内主时钟，以此为各子系统时间基准，在各主时钟下的从时钟通过IEEE-1588协议进行通信并完成时钟同步，将同步数据进行配准处理。然后再将所采集的数据经由具有时钟同步模块的采集节点通过以太网的方式传输到数据处理中心进行配准处理，实现采集数据的同步。本发明通过以上不受环境影响的精准时钟同步方法对获取的量测数据进行配准处理，可获得跨尺度下的同步数据。

附图说明

图1为本发明所述的多域跨尺度数据采集校时步骤示意图；

图2为GPS信号转发方法图；

图3为滤波工作流程图；

图4为系统时钟同步拓扑图原理图；

图5为配准处理示例图。

具体实施方式

本发明针对“低真空管道磁浮动模试验台”提出一种分布式数据采集系统时钟同步网络的校时方法，该方法以全球定位系统(GPS)和IEEE-1588时钟同步协议为基础实现分布式系统中各采集结点的时钟同步，将所采集的数据经由具有时钟同步模块的采集节点通过以太网的方式传输到数据处理中心进行配准处理，实现数据采集。系统主要分为车体相关系统和地面相关系统(含管内、管道、管外)，车体相关系统单独为一个数据采集节点，地面相关系统则包括多个测试断面的数据采集节点。本发明的核心思想为：通过GPS信号接收器、GPS信号转发器、GPS信号发射器组成的信号转发模块将GPS信号由外部空间转发并扩散到真空管道中，采用GPS授时的方法确定系统内主时钟，以此为各子系统时间基准，在各主时钟下的从时钟通过IEEE-1588协议进行通信并完成时钟同步，最后将同步数据进行配准处理。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种多域跨尺度数据采集校时(校时：即校对时钟，时钟同步的一种说法)方法，包括以下步骤：

步骤一、GPS信号转发模块构建：在管外空旷环境中安装GPS接收天线来获取GPS信号，为管道内部提供GPS信号，GPS接收天线连接信号转发器；在管道内部安装信号发射器，信号发射器与信号转发器相连；GPS信号转发通过接收天线、转发器、发射天线完成，以接收天线作为外界GPS信号的接收设备，通过信号转发器转发至GPS信号发射天线作为系统中GPS信号的扩散设备，如图2所示。同时，信号转发器对接收到的GPS信号进行卡尔曼滤波，能够有效地削弱GPS信号误差，增强接收天线的抗干扰性能，提升其在信号较弱位置下接收GPS信号的能力。卡尔曼滤波过程为：初始化先验值后进行时间预测以及测量修正更新，时间预测更新包括计算先验状态值和计算先验误差协方差两个步骤，测量修正更新包括计算卡尔曼增益、通过观测值更新预测值和更新方差三个步骤，如图3所示。

步骤二、确定车体相关系统和地面相关系统的主时钟：地面相关系统包括低真空管道、管内和管外的多个采集节点；车体相关系统是在低真空管道内运行的列车模型上设置的采集节点，每个采集节点处设置一个采集仪，地面相关系统的采集仪用于采集加速度传感器、震动传感器和温度传感器等数据，地面相关系统的采集仪通过交换机与后台服务器通信；车体相关系统的采集仪用于采集车体的速度传感器、噪声传感器、激光传感器和加速度传感器等数据，车体相关系统的采集仪通过WIFI无线传输与后台服务器通信(具体的数据采集不是本发明的保护点，传感器种类可以由用户自行添加或减少)，如图4所示；在地面相关系统的采集节点中选择一个采集节点添加GPS接收天线，作为地面相关系统的主时钟，地面相关系统的其他信号采集结点作为从时钟，将以该主时钟作为时间基准进行时间误差调整；在车体相关系统的采集节点处添加GPS接收天线，作为车体相关系统的主时钟；车体相关系统的主时钟和地面相关系统的主时钟接收的是同一个GPS信号，因此能够保证时钟同步，车体相关系统只有一个采集仪，无需再次进行同步。地面相关系统具有多个从时钟，需要将从时钟与地面相关系统的主时钟进行同步。

步骤三、完成地面相关系统内部IEEE-1588时钟同步：各从时钟与主时钟根据IEEE-1588协议进行四次时间信息交互，得到4个时间节点，然后按照式(1)进行时钟修正，使得各采集结点具有相同的时间基准：

式中，T₁为主时钟第一次发送报文时打上时间戳的时间，T₂为主时钟第一次发送报文时从时钟接收报文信息的时间，T₃为从时钟反馈主时钟信息时发送报文的时间，T₄则为主时钟收到反馈报文时的接收时间，Offset为主从时钟偏差，T_sm和T_ms分别为主时钟到从时钟的传播延时和从时钟到主时钟的传播延时；

系统中主从时钟之间报文传输经由同一以太网线，双向传播延时看作相等，即T_sm＝T_ms＝T_d，由此得到主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset如式(2)所示：

从时钟根据主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset来修正自身时钟。

步骤四、系统内各采集节点达到时钟同步，车体相关系统和地面相关系统以不同的方式进行数据传输：车体相关系统将所采集的数据通过WIFI无线传输的方式发送至附近无线访问接入点，然后通过以太网传输的方式到达后台服务器；地面相关系统的各采集节点所采集的数据通过交换机同样以以太网的传输方式到达后台服务器；

步骤五、各节点数据通过异常值处理、降噪和平滑处理后进行配准处理，将不同采集频率的数据统一到统一尺度：将低频采集的数据通过拉格朗日数据插值法的方式向高频数据进行配准，由于传感器采集频率较高，在相邻间隔时的移动距离插值不大，因此把连续多次测量值的采样时刻看作为等间隔的，即t_i-t_i-1＝t_i+1-t_i＝T，假设配准时间点为t，如式(3)所示：

式中x(i-1)、x(i)、x(i+1)为某采样区间的三次测量值；计算得到低频数据的配准结果x(t)后，完成数据尺度的统一(时钟同步保证了所有采集节点时钟相同，但不同传感器采集频率不同，x(t)就是低频传感器本身不存在，但需要的数据，数据处理中心根据公式计算出这些数据点，此时低频相当于变成了跟其他传感器一样的高频，这样尺度就相同了)。以车体相关系统上采集频率为500Hz的三项加速度传感器z轴向地面相关系统上采集频率为800Hz的风速传感器为例。配准处理后，三向加速度传感器z轴计算值与真实值差距仅为0.0016g，如图5所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多域跨尺度数据采集校时方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、GPS信号转发模块构建：在管外空旷环境中安装GPS接收天线来获取GPS信号，为管道内部提供GPS信号，GPS接收天线连接信号转发器；在管道内部安装信号发射器，信号发射器与信号转发器相连；同时，信号转发器对接收到的GPS信号进行卡尔曼滤波；

步骤二、确定车体相关系统和地面相关系统的主时钟：地面相关系统包括低真空管道、管内和管外的多个采集节点；车体相关系统是在低真空管道内运行的列车模型上设置的采集节点；在地面相关系统的采集节点中选择一个采集节点添加GPS接收天线，作为地面相关系统的主时钟，地面相关系统的其他信号采集结点作为从时钟，将以该主时钟作为时间基准进行时间误差调整；在车体相关系统的采集节点处添加GPS接收天线，作为车体相关系统的主时钟；

步骤三、完成地面相关系统内部IEEE-1588时钟同步：各从时钟与主时钟根据IEEE-1588协议进行四次时间信息交互，得到4个时间节点，然后按照式(1)进行时钟修正，使得各采集结点具有相同的时间基准：

式中，T₁为主时钟第一次发送报文时打上时间戳的时间，T₂为主时钟第一次发送报文时从时钟接收报文信息的时间，T₃为从时钟反馈主时钟信息时发送报文的时间，T₄则为主时钟收到反馈报文时的接收时间，Offset为主从时钟偏差，T_sm和T_ms分别为主时钟到从时钟的传播延时和从时钟到主时钟的传播延时；

系统中主从时钟之间报文传输经由同一以太网线，双向传播延时看作相等，即T_sm＝T_ms＝T_d，由此得到主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset如式(2)所示：

从时钟根据主从时钟的传播延时T_d和时间偏差Offset来修正自身时钟；

步骤四、系统内各采集节点达到时钟同步，车体相关系统和地面相关系统以不同的方式进行数据传输：车体相关系统将所采集的数据通过WIFI无线传输的方式发送至附近无线访问接入点，然后通过以太网传输的方式到达后台服务器；地面相关系统的各采集节点所采集的数据通过交换机同样以以太网的传输方式到达后台服务器；

步骤五、各节点数据通过异常值处理、降噪和平滑处理后进行配准处理，将不同采集频率的数据统一到统一尺度：将低频采集的数据通过拉格朗日数据插值法的方式向高频数据进行配准，由于传感器采集频率较高，在相邻间隔时的移动距离插值不大，因此把连续多次测量值的采样时刻看作为等间隔的，即t_i-t_i-1＝t_i+1-t_i＝T，假设配准时间点为t，如式(3)所示：

式中x(i-1)、x(i)、x(i+1)为某采样区间的三次测量值；计算得到低频数据的配准结果x(t)后，完成数据尺度的统一。