BPL监控室时间频率信号异常报警软件设计

王正明



BPL监控室时间频率信号异常报警软件设计

王正明

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

作为BPL长波授时系统现代化技术改造工程的重要组成部分，BPL监控室比对系统各设备的信号异常（超差）的自动报警软件已经正常运行了2年。介绍了该报警软件的设计思想和工作界面，给出了数据分析方法和信号异常判断依据。设计了多种在出现异常时发出报警的方式,以确保报警的有效性。

BPL；时间频率；信号异常；全自动监控；软件

在BPL长波授时系统现代化技术改造工程中，要求BPL监控室和发播台的时间频率设备实现自动实时监控。在这次升级改造中，BPL监控室和发播台的时间频率设备都实现了通过计数器每15 min与监控室的工作钟进行一次时间比对。本文介绍的BPL监控室时间频率信号异常报警软件用NTSC（中国科学院国家授时中心）基准实验室原子钟数据的加权平均得到的纸面时间TA作为参考[1]，分析各个设备的频率和相位相对于TA的变化，根据各设备正常信号的历史统计结果判断每个信号的超差与否，并在某个设备出现超差时用电话发出报警信号。由于涉及的各种时间频率设备的工作性质和性能各不相同，它们的超差判别标准也大不相同；另外，考虑到尽管设备本身工作正常，但是比对数据可能出现丢失的情况，必须排除由此造成的超差误报。正因为这些原因，所以该软件的设计有一定的复杂性。为了便于工作人员监控时间比对系统，该软件提供了可视性强，操作方便的工作界面。BPL监控室和发播台的时间频率设备工作情况有所不同，对超差报警的要求也有所不同。本软件在编写时对2者设计了基本相同的数据分析方法，不同的运转界面，本文仅以BPL监控室的超差报警为代表进行阐述。本软件2008年末投入试运行，2009年7月通过验收，现在已经正常运行2年，为BPL发播工作起到了保障作用。

1 软件设计要点

1.1 BPL监控室设备、信号和原始数据

BPL监控室时间频率设备和信号结构由图1示意。各路信号通过时间间隔计数器与主钟系统输出的1PPS（设定为（Pu）），进行时间比对。计算机控制系统控制时间间隔计数器和多路选择开关2个设备的工作，同时采集计数器输出的数据，形成数据文件。计数器采集的数据记录在2个数据文件中，每15 min进行一次时间比对，得到的数据记录在名为CCP的文件中，另外还把每个整点时刻记录的数据存放在名为MCP的文件中。这2个文件分别用于每15 min的设备超差报警和主钟系统时间与频率的控制。

需要进行超差报警的信号包括时间频率设备和各路时间信号（以Signal表示，即图1中的各信号源的输出信号），它们是：BPL主钟系统信号、3台原子钟（图2中的Cs 1818、Cs 0325和Cs 0328）、NTSC时频基准实验室的（NTSC）通过微波传输系统送过来的信号MW和其他各路时间频率信号（备用主钟系统信号、分频钟输出的1 PPS（Digit），BPL，LTU1，LTU2，CAPST，BPM1_1，BPM1_2，BPMC_1和BPMC_2）。另外需要监测并报警的是数据采集系统工作的正常与否、当前时刻BPL监控室每小时的比对数据文件MCP是否正常，以及NTSC时间频率基准实验室采集的比对数据通过微波传输系统送过来的数据文件MCT是否正常。

图1 BPL监控室设备与信号连接示意图

1.2 数据分析

BPL授时发播时频控制监测软件[2]共包含硬件控制和数据分析2个大的部分。本软件是这套软件中数据分析部分的几个可以独立运行的软件之一。在数据分析部分中几个可独立运行的软件都会对各种数据处理后生成数据文件，被本软件调用。其中2个软件分别名为“NTSC时频基准实验室守时系统自动监测软件”和“临潼主钟与BPL工作钟远程时间传递数据处理软件”。前一个软件每小时一次对NTSC时间频率基准实验室采集的比对数据通过微波传输系统送过来的数据文件MCT进行计算，得到时间频率基准实验室所有原子钟相位的加权平均值，实际上所给出的数据是（NTSC）-。后一个软件每小时计算一次，得到（NTSC）-（Pu）。通过换算，可以得到每个小时的-（Pu）。由于是20多台原子钟相位的加权平均，是比较稳定的原子时间尺度，-（Pu）1 h内的相位变化可以看成是线性变化。我们通过内插，得到每相隔15 min的-（Pu）。BPL监控室的CCP文件给出的是每15 min各路信号与（Pu）比对的结果，由此可以得到每15 min的-Signal。

因为上述各种信号的性质不同，我们把信号分为4类。

1）第1类信号相对于的频偏在一个常数值上下有波动，原子钟属于这一类，我们用-Signal来监测原子钟信号的变化。在BPL授时发播时频控制监测软件中还包含了一个独立的软件“BPL发播工作钟监控软件”，它每小时运行一次，除了控制（Pu）的频率和相位外，还给出每台原子钟相对于的速率（即频偏，以d表示，单位为ns/d），每天一个值，记录在一个数据文件中。我们以此作为参考来监测各原子钟当前的频率变化。

2）第2类信号（例如LTU和BPL）本身是以（Pu）作为时间源或频率源的，因此它们相对于（Pu）的固定频偏为零，但相位的随机变化明显。我们用（Pu）-Signal来分析这些信号的变化。

3）第3类信号相对于有基本固定的频偏（d），只有微小变化，少数数字钟有这种情况。我们也用-Signal来监测这些信号的变化。

4）BPMC和BPM1都是短波信号。但BPMC是UTC信号；BPM1是UT1信号，与UTC有频率差。由于BPM信号本身相位差的波动比上述各类信号要大几个数量级，因此在分析超差时，我们给它们以很大的相位允差，对于BPM1给予一个常数频偏（d）。

根据每个信号的历史表现，我们制定了一个判断各信号是否异常的允差常数文件，如表1所示。该文件包括每路信号的名称、数据常数、信号类别和允差等信息。

表1的“信号使用情况”一栏中，“1”表示原子钟，“2”表示其他信号，“9.999”表示不是被检测的信号。表中“信号类别”一栏中，“rate”表示该信号有频偏，检测时要扣除频偏引起的相位变化之后再判断是否相位超差，“phase”表示只用扣除常数后的相位时间差来判断超差。

本软件设置为自动定时运行。CCP文件每隔15min（在每小时的第5，20，35，50分钟）更新一次，本软件在每小时的第10，25，40，55分钟之后的30 s内自动运行，读取CCP文件最新的10行记录。判断数据文件、数据采集系统和各类信号正常与否的方法分别阐述如下。

MCT，MCP和数据采集系统正常与否的判断条件是：

1）当计算机当前时间为c，CCP文件最新一行记录的时间为last，如果c-last>15 min，则最近一次计算机采集数据失败；

2）MCT和MCP文件每小时更新一次。文件记录正常与否的检测与CCP检测方法相同，但是为确保MCT文件已经从临潼传到蒲城，故检测在每整小时的30 分钟之后进行。设MCT或MCP文件最新一行记录的时间为last，如果c-last>60 min，则MCP或MCT文件最新的数据行缺失。

对于各类信号判断是否超差的方法是：

表1 允差常数文件

3）当计算机采集正常，根据1）和2）判断，如果所有信号都异常，说明时间间隔计数器开门信号（即主钟信号）异常。

1.3 报警信息设置

为了确保报警的有效性，我们采用多重报警形式：1）在计算机屏幕上给出报警界面；2）各信号正常与否用一个文本文件每15 min写一条记录，便于查看历史情况，信号正常以“0”标记，异常以“1”标记；3）出现异常时在监控室内用警报声和语音报告交替提醒值班人员查看计算机界面；4）为值班人员或监控室负责人的随身电话设置语音报警信号。

计算机报警界面如图2所示。“报警界面”上用红绿灯表示信号数据的异、常情况。

图2 报警界面

1.4 允差常数文件的修改

为了便于修改表1所示的文本文件，本软件设计了在软件窗体上修改文件，用户无需到数据库中打开本文件直接修改，以免破坏数据库。需要修改该文本文件时，用户只要在“报警界面”上单击窗体下方的“修改ccp Readme文件”按钮，则出现图3所示窗体。用户只需在窗体上修改各个数据，然后单击“确认修改”按钮，允差常数文件就修改好了。

图3 允差常数文件修改窗体

2 结语

考虑到BPL监控室长期以来人工运行的方式，结合自动运行、方便用户操作等要求，本软件从数据分析方法到多种报警方式，进行了较全面的安排。运行结果证明，软件提供了可视性强，操作方便的工作界面，为BPL发播工作起到了保障作用。

[1] 王正明. NTSC时频基准实验室守时系统自动监测软件[J]. 时间频率学报, 2009, 32(1): 29-35.

[2] 王正明. BPL授时发播时频控制监测软件设计[J].时间频率学报, 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

中国科学院重大科学装置维修改造项目

王正明，女，研究员，主要从事时间频率方面的研究。