王正明

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BPL監(jiān)控室時(shí)間頻率信號(hào)異常報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

王正明

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600）

作為BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造工程的重要組成部分，BPL監(jiān)控室比對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備的信號(hào)異常（超差）的自動(dòng)報(bào)警軟件已經(jīng)正常運(yùn)行了2年。介紹了該報(bào)警軟件的設(shè)計(jì)思想和工作界面，給出了數(shù)據(jù)分析方法和信號(hào)異常判斷依據(jù)。設(shè)計(jì)了多種在出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警的方式,以確保報(bào)警的有效性。

BPL；時(shí)間頻率；信號(hào)異常；全自動(dòng)監(jiān)控；軟件

在BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造工程中，要求BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺(tái)的時(shí)間頻率設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。在這次升級(jí)改造中，BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺(tái)的時(shí)間頻率設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了通過計(jì)數(shù)器每15 min與監(jiān)控室的工作鐘進(jìn)行一次時(shí)間比對(duì)。本文介紹的BPL監(jiān)控室時(shí)間頻率信號(hào)異常報(bào)警軟件用NTSC（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心）基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室原子鐘數(shù)據(jù)的加權(quán)平均得到的紙面時(shí)間TA作為參考[1]，分析各個(gè)設(shè)備的頻率和相位相對(duì)于TA的變化，根據(jù)各設(shè)備正常信號(hào)的歷史統(tǒng)計(jì)結(jié)果判斷每個(gè)信號(hào)的超差與否，并在某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)超差時(shí)用電話發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于涉及的各種時(shí)間頻率設(shè)備的工作性質(zhì)和性能各不相同，它們的超差判別標(biāo)準(zhǔn)也大不相同；另外，考慮到盡管設(shè)備本身工作正常，但是比對(duì)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)丟失的情況，必須排除由此造成的超差誤報(bào)。正因?yàn)檫@些原因，所以該軟件的設(shè)計(jì)有一定的復(fù)雜性。為了便于工作人員監(jiān)控時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)，該軟件提供了可視性強(qiáng)，操作方便的工作界面。BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺(tái)的時(shí)間頻率設(shè)備工作情況有所不同，對(duì)超差報(bào)警的要求也有所不同。本軟件在編寫時(shí)對(duì)2者設(shè)計(jì)了基本相同的數(shù)據(jù)分析方法，不同的運(yùn)轉(zhuǎn)界面，本文僅以BPL監(jiān)控室的超差報(bào)警為代表進(jìn)行闡述。本軟件2008年末投入試運(yùn)行，2009年7月通過驗(yàn)收，現(xiàn)在已經(jīng)正常運(yùn)行2年，為BPL發(fā)播工作起到了保障作用。

1 軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 BPL監(jiān)控室設(shè)備、信號(hào)和原始數(shù)據(jù)

BPL監(jiān)控室時(shí)間頻率設(shè)備和信號(hào)結(jié)構(gòu)由圖1示意。各路信號(hào)通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器與主鐘系統(tǒng)輸出的1PPS（設(shè)定為（Pu）），進(jìn)行時(shí)間比對(duì)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器和多路選擇開關(guān)2個(gè)設(shè)備的工作，同時(shí)采集計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)文件。計(jì)數(shù)器采集的數(shù)據(jù)記錄在2個(gè)數(shù)據(jù)文件中，每15 min進(jìn)行一次時(shí)間比對(duì)，得到的數(shù)據(jù)記錄在名為CCP的文件中，另外還把每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻記錄的數(shù)據(jù)存放在名為MCP的文件中。這2個(gè)文件分別用于每15 min的設(shè)備超差報(bào)警和主鐘系統(tǒng)時(shí)間與頻率的控制。

需要進(jìn)行超差報(bào)警的信號(hào)包括時(shí)間頻率設(shè)備和各路時(shí)間信號(hào)（以Signal表示，即圖1中的各信號(hào)源的輸出信號(hào)），它們是：BPL主鐘系統(tǒng)信號(hào)、3臺(tái)原子鐘（圖2中的Cs 1818、Cs 0325和Cs 0328）、NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的（NTSC）通過微波傳輸系統(tǒng)送過來的信號(hào)MW和其他各路時(shí)間頻率信號(hào)（備用主鐘系統(tǒng)信號(hào)、分頻鐘輸出的1 PPS（Digit），BPL，LTU1，LTU2，CAPST，BPM1_1，BPM1_2，BPMC_1和BPMC_2）。另外需要監(jiān)測(cè)并報(bào)警的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的正常與否、當(dāng)前時(shí)刻BPL監(jiān)控室每小時(shí)的比對(duì)數(shù)據(jù)文件MCP是否正常，以及NTSC時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室采集的比對(duì)數(shù)據(jù)通過微波傳輸系統(tǒng)送過來的數(shù)據(jù)文件MCT是否正常。

圖1 BPL監(jiān)控室設(shè)備與信號(hào)連接示意圖

1.2 數(shù)據(jù)分析

BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制監(jiān)測(cè)軟件[2]共包含硬件控制和數(shù)據(jù)分析2個(gè)大的部分。本軟件是這套軟件中數(shù)據(jù)分析部分的幾個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的軟件之一。在數(shù)據(jù)分析部分中幾個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的軟件都會(huì)對(duì)各種數(shù)據(jù)處理后生成數(shù)據(jù)文件，被本軟件調(diào)用。其中2個(gè)軟件分別名為“NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室守時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件”和“臨潼主鐘與BPL工作鐘遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理軟件”。前一個(gè)軟件每小時(shí)一次對(duì)NTSC時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室采集的比對(duì)數(shù)據(jù)通過微波傳輸系統(tǒng)送過來的數(shù)據(jù)文件MCT進(jìn)行計(jì)算，得到時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所有原子鐘相位的加權(quán)平均值，實(shí)際上所給出的數(shù)據(jù)是（NTSC）-。后一個(gè)軟件每小時(shí)計(jì)算一次，得到（NTSC）-（Pu）。通過換算，可以得到每個(gè)小時(shí)的-（Pu）。由于是20多臺(tái)原子鐘相位的加權(quán)平均，是比較穩(wěn)定的原子時(shí)間尺度，-（Pu）1 h內(nèi)的相位變化可以看成是線性變化。我們通過內(nèi)插，得到每相隔15 min的-（Pu）。BPL監(jiān)控室的CCP文件給出的是每15 min各路信號(hào)與（Pu）比對(duì)的結(jié)果，由此可以得到每15 min的-Signal。

因?yàn)樯鲜龈鞣N信號(hào)的性質(zhì)不同，我們把信號(hào)分為4類。

1）第1類信號(hào)相對(duì)于的頻偏在一個(gè)常數(shù)值上下有波動(dòng)，原子鐘屬于這一類，我們用-Signal來監(jiān)測(cè)原子鐘信號(hào)的變化。在BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制監(jiān)測(cè)軟件中還包含了一個(gè)獨(dú)立的軟件“BPL發(fā)播工作鐘監(jiān)控軟件”，它每小時(shí)運(yùn)行一次，除了控制（Pu）的頻率和相位外，還給出每臺(tái)原子鐘相對(duì)于的速率（即頻偏，以d表示，單位為ns/d），每天一個(gè)值，記錄在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中。我們以此作為參考來監(jiān)測(cè)各原子鐘當(dāng)前的頻率變化。

2）第2類信號(hào)（例如LTU和BPL）本身是以（Pu）作為時(shí)間源或頻率源的，因此它們相對(duì)于（Pu）的固定頻偏為零，但相位的隨機(jī)變化明顯。我們用（Pu）-Signal來分析這些信號(hào)的變化。

3）第3類信號(hào)相對(duì)于有基本固定的頻偏（d），只有微小變化，少數(shù)數(shù)字鐘有這種情況。我們也用-Signal來監(jiān)測(cè)這些信號(hào)的變化。

4）BPMC和BPM1都是短波信號(hào)。但BPMC是UTC信號(hào)；BPM1是UT1信號(hào)，與UTC有頻率差。由于BPM信號(hào)本身相位差的波動(dòng)比上述各類信號(hào)要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在分析超差時(shí)，我們給它們以很大的相位允差，對(duì)于BPM1給予一個(gè)常數(shù)頻偏（d）。

根據(jù)每個(gè)信號(hào)的歷史表現(xiàn)，我們制定了一個(gè)判斷各信號(hào)是否異常的允差常數(shù)文件，如表1所示。該文件包括每路信號(hào)的名稱、數(shù)據(jù)常數(shù)、信號(hào)類別和允差等信息。

表1的“信號(hào)使用情況”一欄中，“1”表示原子鐘，“2”表示其他信號(hào)，“9.999”表示不是被檢測(cè)的信號(hào)。表中“信號(hào)類別”一欄中，“rate”表示該信號(hào)有頻偏，檢測(cè)時(shí)要扣除頻偏引起的相位變化之后再判斷是否相位超差，“phase”表示只用扣除常數(shù)后的相位時(shí)間差來判斷超差。

本軟件設(shè)置為自動(dòng)定時(shí)運(yùn)行。CCP文件每隔15min（在每小時(shí)的第5，20，35，50分鐘）更新一次，本軟件在每小時(shí)的第10，25，40，55分鐘之后的30 s內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行，讀取CCP文件最新的10行記錄。判斷數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各類信號(hào)正常與否的方法分別闡述如下。

MCT，MCP和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常與否的判斷條件是：

1）當(dāng)計(jì)算機(jī)當(dāng)前時(shí)間為c，CCP文件最新一行記錄的時(shí)間為last，如果c-last>15 min，則最近一次計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)失??；

2）MCT和MCP文件每小時(shí)更新一次。文件記錄正常與否的檢測(cè)與CCP檢測(cè)方法相同，但是為確保MCT文件已經(jīng)從臨潼傳到蒲城，故檢測(cè)在每整小時(shí)的30 分鐘之后進(jìn)行。設(shè)MCT或MCP文件最新一行記錄的時(shí)間為last，如果c-last>60 min，則MCP或MCT文件最新的數(shù)據(jù)行缺失。

對(duì)于各類信號(hào)判斷是否超差的方法是：

表1 允差常數(shù)文件

3）當(dāng)計(jì)算機(jī)采集正常，根據(jù)1）和2）判斷，如果所有信號(hào)都異常，說明時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器開門信號(hào)（即主鐘信號(hào)）異常。

1.3 報(bào)警信息設(shè)置

為了確保報(bào)警的有效性，我們采用多重報(bào)警形式：1）在計(jì)算機(jī)屏幕上給出報(bào)警界面；2）各信號(hào)正常與否用一個(gè)文本文件每15 min寫一條記錄，便于查看歷史情況，信號(hào)正常以“0”標(biāo)記，異常以“1”標(biāo)記；3）出現(xiàn)異常時(shí)在監(jiān)控室內(nèi)用警報(bào)聲和語音報(bào)告交替提醒值班人員查看計(jì)算機(jī)界面；4）為值班人員或監(jiān)控室負(fù)責(zé)人的隨身電話設(shè)置語音報(bào)警信號(hào)。

計(jì)算機(jī)報(bào)警界面如圖2所示?！皥?bào)警界面”上用紅綠燈表示信號(hào)數(shù)據(jù)的異、常情況。

圖2 報(bào)警界面

1.4 允差常數(shù)文件的修改

為了便于修改表1所示的文本文件，本軟件設(shè)計(jì)了在軟件窗體上修改文件，用戶無需到數(shù)據(jù)庫中打開本文件直接修改，以免破壞數(shù)據(jù)庫。需要修改該文本文件時(shí)，用戶只要在“報(bào)警界面”上單擊窗體下方的“修改ccp Readme文件”按鈕，則出現(xiàn)圖3所示窗體。用戶只需在窗體上修改各個(gè)數(shù)據(jù)，然后單擊“確認(rèn)修改”按鈕，允差常數(shù)文件就修改好了。

圖3 允差常數(shù)文件修改窗體

2 結(jié)語

考慮到BPL監(jiān)控室長(zhǎng)期以來人工運(yùn)行的方式，結(jié)合自動(dòng)運(yùn)行、方便用戶操作等要求，本軟件從數(shù)據(jù)分析方法到多種報(bào)警方式，進(jìn)行了較全面的安排。運(yùn)行結(jié)果證明，軟件提供了可視性強(qiáng)，操作方便的工作界面，為BPL發(fā)播工作起到了保障作用。

[1] 王正明. NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室守時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2009, 32(1): 29-35.

[2] 王正明. BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2010, 33(1): 5-10.

Software design for abnormal time/frequency signals alarming at BPL Controlling and Monitoring Lab

WANG Zheng-ming

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

As a part of the renovation project of BPL long wave time/frequency broadcasting system at National Time Service Center(NTSC), thesoftware for abnormal time/frequency signals alarming at BPL Controlling and Monitoring Lab was developed and has been successfully run for 2 years. The software design and the operating windows on computer screen are described here. The methods of data analysis and the base of judgment for abnormalsignals are included. A few modes for alarming are offered in order to ensure the alarming effectiveness.

BPL; time and frequency; signal abnormal; automatically monitoring and controlling; software

P127.1+2

A

1674-0637(2011)02-0125-06

2010-11-29

中國(guó)科學(xué)院重大科學(xué)裝置維修改造項(xiàng)目

王正明，女，研究員，主要從事時(shí)間頻率方面的研究。