王正明

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BPL監(jiān)控室時間頻率信號異常報警軟件設(shè)計

王正明

（中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600）

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

BPL；時間頻率；信號異常；全自動監(jiān)控；軟件

在BPL長波授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造工程中，要求BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺的時間頻率設(shè)備實現(xiàn)自動實時監(jiān)控。在這次升級改造中，BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺的時間頻率設(shè)備都實現(xiàn)了通過計數(shù)器每15 min與監(jiān)控室的工作鐘進(jìn)行一次時間比對。本文介紹的BPL監(jiān)控室時間頻率信號異常報警軟件用NTSC（中國科學(xué)院國家授時中心）基準(zhǔn)實驗室原子鐘數(shù)據(jù)的加權(quán)平均得到的紙面時間TA作為參考[1]，分析各個設(shè)備的頻率和相位相對于TA的變化，根據(jù)各設(shè)備正常信號的歷史統(tǒng)計結(jié)果判斷每個信號的超差與否，并在某個設(shè)備出現(xiàn)超差時用電話發(fā)出報警信號。由于涉及的各種時間頻率設(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。正因為這些原因，所以該軟件的設(shè)計有一定的復(fù)雜性。為了便于工作人員監(jiān)控時間比對系統(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)播臺的時間頻率設(shè)備工作情況有所不同，對超差報警的要求也有所不同。本軟件在編寫時對2者設(shè)計了基本相同的數(shù)據(jù)分析方法，不同的運轉(zhuǎn)界面，本文僅以BPL監(jiān)控室的超差報警為代表進(jìn)行闡述。本軟件2008年末投入試運行，2009年7月通過驗收，現(xiàn)在已經(jīng)正常運行2年，為BPL發(fā)播工作起到了保障作用。

1 軟件設(shè)計要點

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

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

需要進(jìn)行超差報警的信號包括時間頻率設(shè)備和各路時間信號（以Signal表示，即圖1中的各信號源的輸出信號），它們是：BPL主鐘系統(tǒng)信號、3臺原子鐘（圖2中的Cs 1818、Cs 0325和Cs 0328）、NTSC時頻基準(zhǔn)實驗室的（NTSC）通過微波傳輸系統(tǒng)送過來的信號MW和其他各路時間頻率信號（備用主鐘系統(tǒng)信號、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)測并報警的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的正常與否、當(dāng)前時刻BPL監(jiān)控室每小時的比對數(shù)據(jù)文件MCP是否正常，以及NTSC時間頻率基準(zhǔn)實驗室采集的比對數(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)備與信號連接示意圖

1.2 數(shù)據(jù)分析

BPL授時發(fā)播時頻控制監(jiān)測軟件[2]共包含硬件控制和數(shù)據(jù)分析2個大的部分。本軟件是這套軟件中數(shù)據(jù)分析部分的幾個可以獨立運行的軟件之一。在數(shù)據(jù)分析部分中幾個可獨立運行的軟件都會對各種數(shù)據(jù)處理后生成數(shù)據(jù)文件，被本軟件調(diào)用。其中2個軟件分別名為“NTSC時頻基準(zhǔn)實驗室守時系統(tǒng)自動監(jiān)測軟件”和“臨潼主鐘與BPL工作鐘遠(yuǎn)程時間傳遞數(shù)據(jù)處理軟件”。前一個軟件每小時一次對NTSC時間頻率基準(zhǔn)實驗室采集的比對數(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)行計算，得到時間頻率基準(zhǔn)實驗室所有原子鐘相位的加權(quán)平均值，實際上所給出的數(shù)據(jù)是（NTSC）-。后一個軟件每小時計算一次，得到（NTSC）-（Pu）。通過換算，可以得到每個小時的-（Pu）。由于是20多臺原子鐘相位的加權(quán)平均，是比較穩(wěn)定的原子時間尺度，-（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各路信號與（Pu）比對的結(jié)果，由此可以得到每15 min的-Signal。

因為上述各種信號的性質(zhì)不同，我們把信號分為4類。

1）第1類信號相對于的頻偏在一個常數(shù)值上下有波動，原子鐘屬于這一類，我們用-Signal來監(jiān)測原子鐘信號的變化。在BPL授時發(fā)播時頻控制監(jiān)測軟件中還包含了一個獨立的軟件“BPL發(fā)播工作鐘監(jiān)控軟件”，它每小時運行一次，除了控制（Pu）的頻率和相位外，還給出每臺原子鐘相對于的速率（即頻偏，以d表示，單位為ns/d），每天一個值，記錄在一個數(shù)據(jù)文件中。我們以此作為參考來監(jiān)測各原子鐘當(dāng)前的頻率變化。

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

3）第3類信號相對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)測這些信號的變化。

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

根據(jù)每個信號的歷史表現(xiàn)，我們制定了一個判斷各信號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的名稱、數(shù)據(jù)常數(shù)、信號類別和允差等信息。

表1的“信號使用情況”一欄中，“1”表示原子鐘，“2”表示其他信號，“9.999”表示不是被檢測的信號。表中“信號類別”一欄中，“rate”表示該信號有頻偏，檢測時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)后的相位時間差來判斷超差。

本軟件設(shè)置為自動定時運行。CCP文件每隔15min（在每小時的第5，20，35，50分鐘）更新一次，本軟件在每小時的第10，25，40，55分鐘之后的30 s內(nèi)自動運行，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)計算機(jī)當(dāng)前時間為c，CCP文件最新一行記錄的時間為last，如果c-last>15 min，則最近一次計算機(jī)采集數(shù)據(jù)失??；

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

對于各類信號判斷是否超差的方法是：

表1 允差常數(shù)文件

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

1.3 報警信息設(shè)置

為了確保報警的有效性，我們采用多重報警形式：1）在計算機(jī)屏幕上給出報警界面；2）各信號正常與否用一個文本文件每15 min寫一條記錄，便于查看歷史情況，信號正常以“0”標(biāo)記，異常以“1”標(biāo)記；3）出現(xiàn)異常時在監(jiān)控室內(nèi)用警報聲和語音報告交替提醒值班人員查看計算機(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)置語音報警信號。

計算機(jī)報警界面如圖2所示?！皥缶缑妗鄙嫌眉t綠燈表示信號數(shù)據(jù)的異、常情況。

圖2 報警界面

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，用戶只要在“報警界面”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)控室長期以來人工運行的方式，結(jié)合自動運行、方便用戶操作等要求，本軟件從數(shù)據(jù)分析方法到多種報警方式，進(jìn)行了較全面的安排。運行結(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時頻基準(zhǔn)實驗室守時系統(tǒng)自動監(jiān)測軟件[J]. 時間頻率學(xué)報, 2009, 32(1): 29-35.

[2] 王正明. BPL授時發(fā)播時頻控制監(jiān)測軟件設(shè)計[J].時間頻率學(xué)報, 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

中國科學(xué)院重大科學(xué)裝置維修改造項目

王正明，女，研究員，主要從事時間頻率方面的研究。