基于时间戳冻结机制的流量积算控制器数据同步方法与流程

本发明涉及工业过程控制与流体测量数据处理，具体为基于时间戳冻结机制的流量积算控制器数据同步方法。

背景技术：

1、分布式流量监测系统在管网的节点部署多个流量积算控制器，监控服务器通过采集各个节点回传的流量数据构建管网状态模型,为保证数据在时间维度上的匹配，各个流量积算控制器需要依赖网络通信协议实现内部时钟的同步，并按照设定的周期向服务器发送带有时间戳的累积流量和瞬时流量数据。

2、现有的数据同步机制仅关注网络通信层面的时钟对齐，未充分考虑积算控制器内部物理测量与数字处理链路所引入的延迟,在实际应用中，从模拟前端发送激励信号到模数转换器输出有效数据，再到微处理器完成数字滤波处理，整个信号链路存在固定的硬件耗散时间与数字群延迟，当控制器底层采用自适应数字滤波器时，权重系数的动态更新会导致群延迟参数不断波动，这种物理硬件与数字算法叠加产生的动态耗时，使得积算控制器最终生成的数据时间戳与流体状态实际发生的物理时间存在偏差，无法满足多节点网络对数据同步的精度要求。

3、同时，流量积算控制器底层的硬件定时器受晶体振荡器温漂等物理环境因素影响，其中断触发时刻存在微秒级的边缘触发偏差，在长时间的高频次流量积算过程中，这种微观的触发偏差会引起单一节点局部积算误差的不断累加，此外，在流体管网运行中，设备启停或阀门动作会引发局部的流体瞬态畸变，传统的流量积算控制器直接将受到流体瞬态畸变干扰的原始数据计入累积量，缺乏对底层流体动力学平稳度的评估机制与异常数据的重构补偿手段，这导致回传至监控服务器的数据包含瞬态失真误差，影响全局管网质量平衡模型计算的可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于时间戳冻结机制的流量积算控制器数据同步方法，解决了现有分布式流量监测系统中多节点数据时间戳存在偏差，以及底层硬件触发抖动与流体瞬态畸变导致流量积算误差累积的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、基于时间戳冻结机制的流量积算控制器数据同步方法，方法包括以下步骤：

4、解析监控服务器广播的绝对时间冻结周期方程式，结合底层建立的绝对时间坐标系生成目标绝对时间冻结序列；

5、计算总延迟时间，利用总延迟时间与目标绝对时间冻结序列调整硬件定时器的触发相位，控制输出物理激励信号，使产生的有效数字流体数据刚性对齐至目标绝对时间冻结序列中的目标绝对冻结时刻；

6、当绝对时间坐标系进入预警时间窗时，发送状态覆写指令，将数字群延迟时间参数固定为数学常数；

7、当到达目标绝对冻结时刻时，触发硬件中断，提取微观时间偏移量并直接读取主累积流量数值与瞬时流量数值，计算流体差分斜率并捕获原始离散序列以生成流体动力学瞬态置信度系数；

8、将目标绝对冻结时刻、主累积流量数值、瞬时流量数值、微观时间偏移量、流体差分斜率及流体动力学瞬态置信度系数封装为快照帧向量发送至监控服务器；

9、监控服务器利用流体差分斜率及微观时间偏移量对边缘触发偏差进行补偿，在流体动力学瞬态置信度系数低于预设阈值时结合卡尔曼滤波器执行质量流量状态平滑重构。

10、进一步的，解析监控服务器广播的绝对时间冻结周期方程式，结合底层建立的绝对时间坐标系生成目标绝对时间冻结序列，包括：

11、提取出广播数据包中的初始基准时间和时间切片周期并在内部存储区建立时间序列生成函数；依据初始基准时间和时间切片周期运算生成未来预设时间段内触发硬件中断动作的时刻集合，将生成的时刻集合存入硬件定时器的比较匹配寄存器队列中。

12、进一步的，计算总延迟时间，利用总延迟时间与目标绝对时间冻结序列调整硬件定时器的触发相位，包括：

13、将固定硬件损耗时间参数与数字群延迟时间参数相加得出总延迟时间；从目标绝对时间冻结序列中提取每一个目标绝对时间冻结时刻，将提取的目标绝对时间冻结时刻与总延迟时间进行减法运算得到对应的物理激励触发时刻；将计算得出的连续物理激励触发时刻作为独立的时间戳序列压入内部高级硬件定时器的捕获比较寄存器通道中。

14、进一步的，当绝对时间坐标系进入预警时间窗时，发送状态覆写指令，将数字群延迟时间参数固定为数学常数，包括：

15、将绝对时间坐标系数值与目标绝对冻结时刻执行做差比对运算以生成时间差值；当时间差值缩小并等于预警时间窗参数时，响应状态覆写指令并挂起当前正在执行的自适应滤波器权重系数更新线程；将原始输入数据流转入静态有限脉冲响应滤波器处理通道的内存缓冲区，将数字群延迟时间参数转化为确定的数学常数。

16、进一步的，提取微观时间偏移量，计算流体差分斜率，包括：

17、提取底层绝对时间坐标系的当前高精度实际响应计数值并与目标绝对冻结时刻进行做差运算以生成微观时间偏移量；调用本次非屏蔽中断周期获取的瞬时流量数值与上一非屏蔽中断周期锁存的瞬时流量数值执行一阶差分运算生成流体差分斜率。

18、进一步的，捕获原始离散序列以生成流体动力学瞬态置信度系数，包括：

19、利用直接内存访问控制器从模拟前端模块的模数转换器输出端抓取连续的原始离散序列；提取流体管网处于零流量标定工况下的底层系统噪声测量方差作为参考基准并计算参考基准的倒数以生成归一化惩罚常数；引入归一化惩罚常数对原始离散序列执行信号方差计算操作，输出收敛于无量纲闭区间内的流体动力学瞬态置信度系数。

20、进一步的，封装为快照帧向量发送至监控服务器，包括：

21、按照时间戳顺序进行比特级拼接装配为结构化的快照帧向量，在快照帧向量的比特流首部添加固定的帧头标识与设备物理地址标识并在比特流尾部附加循环冗余校验码；在底层操作系统任务调度器中配置针对异步发送任务的低优先级调度策略，在不抢占系统高优先级硬实时控制中断资源的前提下利用微处理器空闲时间片执行快照帧向量的异步网络发送操作。

22、进一步的，发送至监控服务器的步骤中，还包括：

23、持续监测物理网络的链路连接状态并在检测到网络心跳包丢失或握手失败时响应链路中断异常信号；将后续生成的各个快照帧向量按目标绝对冻结时刻的先后顺序依次写入内部配置的非易失性存储器中，构建基于环形缓冲区结构的本地断点队列；在重新捕获到网络通信握手信号并确认物理链路恢复建立后，依据目标绝对冻结时刻的时间戳升序规则逐个提取本地断点队列中滞留的快照帧向量，执行历史数据与实时数据的时分复用回传操作直至本地断点队列的队头地址指针与队尾地址指针重合清零。

24、进一步的，监控服务器利用流体差分斜率及微观时间偏移量对边缘触发偏差进行补偿，包括：

25、将快照帧向量内部封装的目标绝对冻结时刻作为唯一的时间索引维度项填入全局管网状态矩阵中；将微观时间偏移量与流体差分斜率执行乘法运算得到瞬态流量误差补偿值；在全局管网状态矩阵中基于一阶泰勒展开式机制将瞬态流量误差补偿值叠加至原始瞬时流量数值上，对原始瞬时流量数值执行动态误差补偿修正操作。

26、进一步的，在流体动力学瞬态置信度系数低于预设阈值时结合卡尔曼滤波器执行质量流量状态平滑重构，包括：

27、调用全局管网状态矩阵中处于畸变发生时间点前后且高于流体动力学瞬态置信度预设阈值的相邻高置信度快照帧数据作为内置卡尔曼滤波器的观测输入矩阵；提取稳态无扰动工况下的出厂测试样本序列并计算物理状态波动方差以构建初始误差协方差矩阵与系统过程噪声协方差，提取底层模数转换器的量化底噪参数建立固有测量噪声方差常数，完成内置卡尔曼滤波器模型的初始化配置；运行内置卡尔曼滤波器的状态预测与测量更新数学迭代步骤求解当前时刻的卡尔曼增益系数，基于卡尔曼增益系数执行平滑重构求解操作并将最优重构数据插补至全局管网状态矩阵断层位置中。

28、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

29、1、本发明通过计算包含硬件损耗与数字群延迟的总延迟时间，提前调整硬件定时器的触发相位，并在到达预警时间窗时将数字滤波过程的群延迟参数固定为数学常数，该设定将底层硬件的物理响应时间与算法计算耗时转化为控制器触发的提前补偿量，使多节点网络中生成的有效数字流体数据能够准确对齐至设定的目标绝对冻结时刻，降低分布式架构下的时间戳偏差。

30、2、本发明在积算控制器触发中断时提取微观时间偏移量并利用相邻周期数据计算流体差分斜率，监控服务器接收数据后基于一阶泰勒展开式机制将二者的乘积作为误差补偿值叠加至原始瞬时流量数值中，此数据处理流程针对底层微控制器由晶体振荡器温漂等物理因素引起的边缘触发偏差进行动态修正，减少单一测量节点在长时间运行中的局部积算误差累积。

31、3、本发明利用底层模数转换器输出的原始离散序列信号方差与系统噪声参考基准生成流体动力学瞬态置信度系数，用以评估当前数据的平稳度，当该置信度系数低于预设阈值时，监控服务器调用管网状态矩阵中相邻周期的高置信度数据，结合初始化配置的内置卡尔曼滤波器执行质量流量的状态预测与断层插补，降低流体瞬态畸变对全局管网状态监测数据完整性造成的干扰。