JP2015039131A - 計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信遅延の推定精度を向上することができる。
【解決手段】本開示の一実施形態に係る計測装置は、複数の第１装置から該第１装置よりも少ない第２装置へのネットワークにおける第１トラフィック量が、該第２装置から該複数の第１装置への該ネットワークにおける第２トラフィック量よりも多い非対称ネットワークで用いられ、通信遅延計算部と推定遅延計算部とを含む。通信遅延計算部は、基準時刻の通知を要求する要求パケットに含まれる時刻情報と該要求パケットに対する応答である応答パケットに含まれる時刻情報とに基づいて計算される往復遅延時間の半分の時間を通信遅延として、要求パケットごとに該通信遅延を計算する。推定遅延計算部は、複数の前記通信遅延の中で、通信遅延の値が閾値以下である１以上の通信遅延のうちの１つを、前記第２装置から送信される前記応答パケットの推定遅延として算出する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、計測装置および方法に関する。

例えば、変電所間では、保護リレーが電流値および電圧値を相互に送信し、電流値および電圧値を比較することにより異常を検知する方法がある。電流値および電圧値を正確に比較するためには、正確な時刻同期が必要となる。
従前の時刻同期手法として、現在の通信遅延と直前の通信遅延とを比較して、直前のネットワーク間の通信遅延が小さい場合は、通信遅延が小さいときの時刻情報を利用して時刻同期を行なう手法がある。

特開２００１−２０２１５６号公報

しかし、上述の手法では、通信遅延のばらつきが大きいほど時刻同期精度が劣化してしまうという問題がある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高精度な時刻同期を実現できる計測装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る計測装置は、複数の第１装置から該第１装置よりも少ない第２装置へのネットワークにおける第１トラフィック量が、該第２装置から該複数の第１装置への該ネットワークにおける第２トラフィック量よりも多い非対称ネットワークで用いられ、通信遅延計算部と推定遅延計算部とを含む。通信遅延計算部は、基準時刻の通知を要求する要求パケットに含まれる時刻情報と該要求パケットに対する応答である応答パケットに含まれる時刻情報とに基づいて計算される往復遅延時間の半分の時間を通信遅延として、要求パケットごとに該通信遅延を計算する。推定遅延計算部は、複数の前記通信遅延の中で、通信遅延の値が閾値以下である１以上の通信遅延のうちの１つを、前記第２装置から送信される前記応答パケットの推定遅延として算出する。

時刻同期システムの利用例を示す概念図。 第１の実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 第１の実施形態に係る計測装置の動作を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 第２の実施形態に係る計測装置の動作を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本開示の一実施形態に係る計測装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行なうものとして、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る計測装置を含む時刻同期システムの利用例について図１を参照して説明する。ここでは、中央のサーバがデータを収集する工場用ネットワークなどの一例として変電所間の異常検知を例に説明するが、時刻同期が必要なシステムであれば本実施形態の時刻同期システムを適用可能である。
図１に示す時刻同期システム１００は、クライアント装置１０１、転送装置１０２、時刻同期サーバ装置１０３およびデータ収集装置１０４を含む。
図１において、矢印は主なトラフィックの方向と量とを表す。図１に示すように、複数のクライアント装置１０１から時刻同期サーバ装置１０３への経路は、データのトラフィック量が多い、すなわち通信遅延のばらつきが大きい。一方、時刻同期サーバ装置１０３からクライアント装置１０１への経路は、データのトラフィック量が少ない、すなわち通信遅延のばらつきが小さい。このように、複数のクライアント装置１０１から１つの時刻同期サーバ装置１０３へのデータトラフィック量が多く、１つの時刻同期サーバ装置１０３から複数のクライアント装置１０１へのデータのトラフィック量は少ない非対称ネットワークを想定する。

クライアント装置１０１は、計測装置を含み、電流値および電圧値に関する情報を転送装置１０２を介してデータ収集装置１０４に送信する。また、クライアント装置１０１は、時刻同期を行う場合、基準時刻を要求するパケットである要求パケットを転送装置１０２を介して時刻同期サーバ装置１０３へ送信する。その後、クライアント装置１０１は、時刻同期サーバ装置１０３からの要求パケットに対する応答であり、基準時刻に関する情報を含む応答パケットを受け取り、現在時刻を補正する。
転送装置１０２は、一般的なリレー装置であり、クライアント装置１０１または時刻同期サーバ装置１０３からのパケットを宛先に向けて転送する。
時刻同期サーバ装置１０３は、基準時刻を有し、クライアント装置１０１からの要求パケットに応じて応答パケットをクライアント装置１０１に送信する。
データ収集装置１０４は、複数のクライアント装置１０１から電流値および電圧値に関する情報を収集して格納する。

第１の実施形態に係るクライアント装置１０１に含まれる計測装置について図２のブロック図を参照して説明する。
第１の実施形態に係る計測装置２００は、時刻設定部２０１、パケット生成部２０２、送信処理部２０３、ネットワークインタフェース部２０４、受信処理部２０５、通信遅延計算部２０６、通信遅延記憶部２０７、推定遅延計算部２０８、時刻算出部２０９およびアプリケーション実行部２１０を含む。

時刻設定部２０１は、要求パケットを生成する際に、自装置における現在時刻に関する情報を抽出する。また、後述する時刻算出部２０９から補正時刻に関する情報を受け取った場合は、補正時刻を用いて現在時刻を補正する。
パケット生成部２０２は、時刻設定部２０１から現在時刻に関する情報を受け取り、要求パケットを生成する。

送信処理部２０３は、パケット生成部２０２から要求パケットを受け取り、外部へ送信するための信号処理（デジタルアナログ変換、変調処理など）を行い、ネットワークインタフェース部２０４を介して外部の装置へ送信する。この際、要求パケットを送信するときの時刻を時刻情報として含むようにする。
ネットワークインタフェース部２０４は、送信処理部２０３から要求パケットを受け取り、時刻同期サーバ装置１０３へ要求パケットを送信する。また、ネットワークインタフェース部２０４は、時刻同期サーバ装置１０３から応答パケットを受信する。なお、ネットワークインタフェース部２０４は、外部とのパケットの送受信を行なう一般的なネットワークインタフェースであればよい。

受信処理部２０５は、ネットワークインタフェース部２０４を介して応答パケットを受信し、応答パケットについて信号処理（アナログデジタル変換、復調処理など）を行う。なお、応答パケットには、時刻同期サーバ装置１０３において要求パケットを受信した時刻と応答パケットを送信した時刻との時刻情報が含まれる。
通信遅延計算部２０６は、受信処理部２０５から応答パケットを受け取り、要求パケットと応答パケットとの時刻情報に基づいて往復遅延時間（ＲＴＴ）を計算し、往復遅延時間の半分の時間を通信遅延として計算する。
通信遅延記憶部２０７は、通信遅延計算部２０６から通信遅延を受け取り、通信遅延を記憶する。通信遅延記憶部２０７は、過去に通信遅延計算部２０６で計算された通信遅延も含め累積して通信遅延を記憶する。

推定遅延計算部２０８は、通信遅延記憶部２０７に記憶された過去の通信遅延を参照して、通信遅延の値が閾値以下である１以上の通信遅延のうちの１つを、時刻同期サーバ装置１０３から送信される応答パケットの推定遅延として取得する。
時刻算出部２０９は、推定遅延計算部２０８から推定遅延を、受信処理部２０５から応答パケットに含まれる時刻情報をそれぞれ受け取り、推定遅延および時刻情報に基づいて現在時刻を補正するための補正時刻を算出する。
アプリケーション実行部２１０は、時刻設定部２０１から基準時刻に補正された補正時刻を受け取り、補正時刻を用いてアプリケーションを実行する。

次に、第１の実施形態に係る計測装置２００の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ３０１では、パケット生成部２０２が、要求パケットを生成し、送信処理部２０３がネットワークインタフェース部２０４を介して要求パケットを送信する。
ステップＳ３０２では、受信処理部２０５が、時刻同期サーバ装置１０３からネットワークインタフェース部２０４を介して応答パケットを受信する。

ステップＳ３０３では、通信遅延計算部２０６が、通信遅延を計算する。通信遅延の算出方法は、例えば、要求パケットと応答パケットとに含まれる時刻情報を用いて計算すればよい。具体的には、時刻情報として、要求パケットを送信するときの時刻ｔ１と、時刻同期サーバ装置１０３が要求パケットを受信した時刻ｔ２、時刻同期サーバ装置１０３が応答パケットを送信した時刻ｔ３が記録され、受信処理部２０５において応答パケットを受信した時刻ｔ４が得られる。要求パケットには、時刻ｔ１が時刻情報として含まれ、応答パケットには、時刻ｔ２および時刻ｔ３が時刻情報として含まれる。よって、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４を用いて、（１）式より通信遅延を算出する。

なお、時刻ｔ２および時刻ｔ３は、応答パケットから抽出せずに、別のパケットから得てもよいし、他の通知方法によって取得してもよい。

ステップＳ３０４では、通信遅延記憶部２０７が、ステップＳ３０３で算出した通信遅延を記憶する。
ステップＳ３０５では、推定遅延計算部２０８が、通信遅延記憶部２０７に記憶されている通信遅延の中から推定遅延を計算する。ここでは、最も新しく計算された通信遅延も含め過去Ｎ（Ｎは自然数）回前の通信遅延の中で、最小の値となる通信遅延を推定遅延として取得する。なお、推定遅延として、最小の通信遅延と所定の値とを加算して、推定遅延としてもよい。所定の値は、例えば、過去Ｎ回分における時刻ｔ４と時刻ｔ３との差分の平均値または中央値といった、ばらつきを平均化する値を用いればよい。（ご確認下さい）これにより、通信遅延の推定精度を向上することができる。

ステップＳ３０６では、時刻算出部２０９が、補正時刻を算出する。補正時刻は、受信した応答パケットのうちの最新の応答パケットから得られる時刻ｔ３と、推定遅延とに基づいて、（２）式より算出すればよい。
補正時刻＝ｔ３＋推定遅延 （２）
以上で、第１の実施形態に係る計測装置の動作を終了する。なお、ステップＳ３０５に示す推定遅延の取得処理は、計測装置２００が応答パケットを受信するたびに行なってもよいし、一定期間は推定遅延の取得処理を行わず、同じ推定遅延の値を補正時刻の算出に用いてもよい。
過去Ｎ回分の通信遅延のサンプルの中で、最小の値を用いることは、要求パケットと応答パケットとの通信遅延がどちらも最小であることに等しく、要求パケットと応答パケットとの通信遅延が等しいことを前提とした（１）式の結果と、そのサンプルの実通信遅延の誤差を小さくする効果がある。また、本実施形態で想定するような、要求パケットの通信遅延のばらつきが大きく、応答パケットの通信遅延のばらつきが小さいネットワークでは、応答パケットの通信遅延の値が小さく、かつばらつきも小さい。よって、毎回の応答パケットの現在時刻の計算に精度の高い推定遅延の値を用いることができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、過去Ｎ回分のサンプルのうちの最小の通信遅延を用いて推定遅延を算出することで、通信遅延の推定精度を向上することができる。さらに、応答パケットの送信間隔と到着間隔との誤差の平均値、または中央値を現在時刻に加えてもよい。これによって、応答パケットのばらつきを軽減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、算出した推定遅延に有効期限を設け、再度推定遅延を算出するかどうかを判定する点が第１の実施形態と異なる。このようにすることで、ネットワークの通信状態が変化するような場合でも、通信遅延の推定精度を向上させることができる。

第２の実施形態に係る計測装置について図４のブロック図を参照して説明する。
第２の実施形態に係る計測装置４００は、時刻設定部２０１、パケット生成部２０２、送信処理部２０３、ネットワークインタフェース２０４、受信処理部２０５、通信遅延計算部２０６、通信遅延記憶部２０７、時刻算出部２０９、アプリケーション実行部２１０、推定遅延記憶部４０１、期限判定部４０２および推定遅延計算部４０３を含む。
時刻設定部２０１、パケット生成部２０２、送信処理部２０３、ネットワークインタフェース２０４、受信処理部２０５、通信遅延計算部２０６、通信遅延記憶部２０７、時刻算出部２０９およびアプリケーション実行部２１０は、第１の実施形態と同様の処理を行なうのでここでの説明を省略する。

推定遅延記憶部４０１は、推定遅延計算部２０８から推定遅延を受け取り、推定遅延を格納する。
期限判定部４０２は、推定遅延記憶部４０１に記憶される推定遅延の有効期限が切れているかどうかを判定する。有効期限が切れているかどうかの判定は、例えば、最後に推定遅延を算出した時刻を推定遅延記憶部４０１に格納しておき、推定遅延を算出した時刻と有効期限の時刻とを比較する。そして、推定遅延を算出した時刻が有効期限として設定された時刻を超過していれば、有効期限が切れていると判定すればよい。推定遅延の有効期限が切れている場合は、再度推定遅延を計算するための指示信号を生成する。有効期限は、ユーザからの入力により設定されてもよいし、予め有効期限となる時間を設定しておいてもよい。
推定遅延計算部４０３は、第１の実施形態に係る推定遅延計算部２０８とほぼ同様の動作を行なうが、期限判定部４０２から指示信号を受け取った場合に。推定遅延の算出処理を行なう点が異なる。

次に、第２の実施形態に係る計測装置４００の動作について図５のフローチャートを参照して説明する。
なお、図５に示すステップＳ３０１からステップＳ３０６までの処理は、図３に示すステップＳ３０１からステップＳ３０６と同じであるのでここでの説明を省略する。

ステップＳ５０１では、期限判定部４０２が、推定遅延の有効期限が切れているかどうかを判定する。推定遅延の有効期限が切れていれば、ステップＳ３０３へ進み、推定遅延の有効期限が切れていなければ、ステップＳ３０６に進む。

ステップＳ５０２では、推定遅延記憶部４０１が、ステップＳ３０５で取得した推定遅延を記憶する。以上で第２の実施形態に係る計測装置４００の動作を終了する。なお、ステップＳ３０１の要求パケットの送信処理は、推定遅延の有効期限が切れた場合に要求パケットを送信するようにしてもよい。

以上に示した第２の実施形態によれば、推定遅延に有効期限を設定することにより、計測装置の計算負荷を減らしつつ、ネットワークの通信状態が変化するような場合でも、通信遅延の推定精度を向上させることができる。

上述の実施形態の中で示した処理手順に示された指示は、ソフトウェアであるプログラムに基づいて実行されることが可能である。汎用の計算機システムが、このプログラムを予め記憶しておき、このプログラムを読み込むことにより、上述した計測装置による効果と同様な効果を得ることも可能である。上述の実施形態で記述された指示は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、磁気ディスク（フレキシブルディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ±Ｒ、ＤＶＤ±ＲＷ、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）Ｄｉｓｃなど）、半導体メモリ、又はこれに類する記録媒体に記録される。コンピュータまたは組み込みシステムが読み取り可能な記録媒体であれば、その記憶形式は何れの形態であってもよい。コンピュータは、この記録媒体からプログラムを読み込み、このプログラムに基づいてプログラムに記述されている指示をＣＰＵで実行させれば、上述した実施形態の計測装置と同様な動作を実現することができる。もちろん、コンピュータがプログラムを取得する場合又は読み込む場合はネットワークを通じて取得又は読み込んでもよい。
また、記録媒体からコンピュータや組み込みシステムにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）や、データベース管理ソフト、ネットワーク等のＭＷ（ミドルウェア）等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。
さらに、本実施形態における記録媒体は、コンピュータあるいは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記録媒体も含まれる。
また、記録媒体は１つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も、本実施形態における記録媒体に含まれ、媒体の構成は何れの構成であってもよい。

なお、本実施形態におけるコンピュータまたは組み込みシステムは、記録媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施形態における各処理を実行するためのものであって、パソコン、マイコン等の１つからなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステム等の何れの構成であってもよい。
また、本実施形態におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本実施形態における機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００・・・時刻同期システム、１０１・・・クライアント装置、１０２・・・転送装置、１０３・・・時刻同期サーバ装置、１０４・・・データ収集装置、２００，４００・・・計測装置、２０１・・・時刻設定部、２０２・・・パケット生成部、２０３・・・送信処理部、２０４・・・ネットワークインタフェース部、２０５・・・受信処理部、２０６・・・遅延計算部、２０７・・・遅延記憶部、２０８，４０３・・・推定遅延計算部、２０８・・・推定遅延計算部、２０９・・・時刻算出部、２１０・・・アプリケーション実行部、４０１・・・推定遅延記憶部、４０２・・・期限判定部。

Claims (6)

1. 複数の第１装置から該第１装置よりも少ない第２装置へのネットワークにおける第１トラフィック量が、該第２装置から該複数の第１装置への該ネットワークにおける第２トラフィック量よりも多い非対称ネットワークで用いられる計測装置であって、
   基準時刻の通知を要求する要求パケットに含まれる時刻情報と該要求パケットに対する応答である応答パケットに含まれる時刻情報とに基づいて計算される往復遅延時間の半分の時間を通信遅延として、要求パケットごとに該通信遅延を計算する通信遅延計算部と、
   複数の前記通信遅延の中で、通信遅延の値が閾値以下である１以上の通信遅延のうちの１つを、前記第２装置から送信される前記応答パケットの推定遅延として算出する推定遅延計算部と、を具備することを特徴とする計測装置。
2. 前記推定遅延計算部は、最新の通信遅延からＮ（Ｎは自然数）回前までに計算された複数の通信遅延の中で、最小の通信遅延を前記推定遅延として取得することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記推定遅延計算部は、前記推定遅延に前記通信遅延のばらつきを平均化する第１値を加算した値を新たな推定遅延として取得することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
4. 前記推定遅延と前記応答パケットに含まれる前記第２装置における基準時刻とに基づいて、現在時刻を基準時刻に補正するための補正時刻を算出する時刻算出部をさらに具備する請求項１および請求項３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記通信遅延計算部は、要求パケットを前記第２装置に送信した第１時点から該要求パケットを該２装置が受信した第２時点までの第１時間と、前記応答パケットが該第２装置から送信された第３時点から該応答パケットを受信した第４時点までの第２時間との和の半分の時間を通信遅延とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 複数の第１装置から該第１装置よりも少ない第２装置へのネットワークにおける第１トラフィック量が、該第２装置から該複数の第１装置への該ネットワークにおける第２トラフィック量よりも多い非対称ネットワークで用いられる計測方法であって、
   基準時刻の通知を要求する要求パケットに含まれる時刻情報と該要求パケットに対する応答である応答パケットに含まれる時刻情報とに基づいて計算される往復遅延時間の半分の時間を通信遅延として、要求パケットごとに該通信遅延を計算し、
   複数の前記通信遅延の中で、通信遅延の値が閾値以下である１以上の通信遅延のうちの１つを、前記第２装置から送信される前記応答パケットの推定遅延として算出することを特徴とする計測方法。

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