一种5G仪器仪表自动报警方法及系统与流程

本发明涉及5g通信、仪器仪表监测，具体为一种5g仪器仪表自动报警方法及系统。

背景技术：

1、5g仪器仪表在工业测量、远程监控和移动巡检等场景中，其信号传输受到设备运行状态、5g信道环境以及外部电磁干扰的共同作用。现有自动报警手段通常对采集到的连续信号计算幅值方差、短时能量、功率谱变化或误码率等参数，并将计算结果与固定门限进行比较，超过门限时输出报警。部分方案采用滑动窗口或频域分析方法，检测某一时间段内的能量突变或频谱异常。实际运行中，5g仪器仪表信号包含正常业务引起的幅值波动和异常引起的持续扰动，二者在单一时刻的幅值或能量上可能较为接近。固定门限和窗口统计在面对动态变化的信号基线时，难以自适应调整，正常波动超过门限会产生误报，持续扰动未达到瞬时门限时又无法及时报警。现有方法在处理多个单位信号帧时，多独立计算每一帧的特征，未关注相邻帧之间稳定性的变化方向，无法识别稳定度连续变化所对应的持续扰动帧链。对于扰动能量序列，现有方法通常采用均值、峰值或超过门限的次数进行异常判断，缺少对扰动能量极值出现密度这一时间分布特征的度量，使得异常状态判定对随机扰动较为敏感，持续性扰动的累积特征未被充分体现。如何从帧间稳定度变化中定位持续扰动帧，并利用扰动能量序列的极值分布密度判断信号传输状态，是现有技术面临的主要困难。

技术实现思路

1、针对现有5g仪器仪表自动报警方法对持续扰动识别不足、固定阈值适应性差的问题，本发明提供一种5g仪器仪表自动报警方法及系统，通过时域分割和帧间幅值稳定度差分提取活跃信号链，并基于时域扰动能量序列的极值分布密度判定信号传输状态，在异常状态时利用5g通信链路输出报警触发信号，从而减少瞬时波动引起的误报和持续扰动漏报。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种5g仪器仪表自动报警方法，包括：

3、获取5g仪器仪表的连续信号序列，对所述连续信号序列执行时域分割操作，得到多个单位信号帧；分别提取每个所述单位信号帧的信号平坦区段和信号扰动区段，计算所述信号平坦区段的幅值稳定度与所述信号扰动区段的扰动能量比；将相邻所述单位信号帧的所述幅值稳定度进行差分处理，得到稳定度差分序列，并将所述稳定度差分序列中连续上升的局部序列标记为活跃信号链；将所述活跃信号链所对应的单位信号帧作为扰动持续帧，提取所述扰动持续帧中的扰动能量比，构建时域扰动能量序列，计算所述时域扰动能量序列的极值分布密度；根据所述极值分布密度确定所述5g仪器仪表的信号传输状态，并在所述信号传输状态为异常状态时，通过5g通信链路输出报警触发信号。

4、作为本发明的一个技术方案，所述时域分割操作包括：获取所述5g仪器仪表的连续信号序列，提取所述连续信号序列的采样频率和信号时长，根据所述采样频率和所述信号时长计算单位信号帧的帧长；根据所述帧长将所述连续信号序列划分为多个初始信号帧，将相邻的所述初始信号帧按照预设的重叠率执行重叠采样，得到多个单位信号帧；其中，所述重叠率为相邻两个初始信号帧之间重叠部分的长度与所述帧长的比值。通过在相邻帧之间保留重叠区域，能够提升帧间信息的连续性，减少因分割造成的扰动特征丢失。

5、作为本发明的一个技术方案，提取每个所述单位信号帧的信号平坦区段和信号扰动区段时，计算每个所述单位信号帧中各个采样点的幅值变化率，将所述幅值变化率低于第一阈值的采样点归入信号平坦区段，将所述幅值变化率高于第二阈值的采样点归入信号扰动区段；计算所述信号平坦区段内所有采样点的幅值方差，将所述幅值方差的倒数作为所述信号平坦区段的幅值稳定度；计算所述信号扰动区段内所有采样点的幅值平方和与所述单位信号帧的总能量之比，将所述比值作为所述信号扰动区段的扰动能量比。由此实现平坦区段和扰动区段的自动区分与量化，使信号异常特征能够以稳定度和能量比形式表达。

6、作为本发明的一个技术方案，所述将相邻所述单位信号帧的所述幅值稳定度进行差分处理，得到稳定度差分序列，并将所述稳定度差分序列中连续上升的局部序列标记为活跃信号链，包括：将所述单位信号帧按照时间顺序排列，依次计算后一个单位信号帧的幅值稳定度与前一个单位信号帧的幅值稳定度之间的差值，将所述差值按时间顺序排列得到稳定度差分序列；遍历所述稳定度差分序列，提取所有差值符号为正且连续出现的序列段，将每个所述序列段所对应的单位信号帧序列标记为一个活跃信号链。利用稳定度连续上升特性可以准确锁定潜在异常扰动持续发生的帧段。

7、作为本发明的一个技术方案，所述极值分布密度的计算包括：将每个所述活跃信号链所包含的单位信号帧标记为扰动持续帧，按照时间顺序提取各个所述扰动持续帧的扰动能量比，将提取到的扰动能量比排列为时域扰动能量序列；遍历所述时域扰动能量序列，将序列中同时大于相邻两个元素的元素标记为极大值，将序列中同时小于相邻两个元素的元素标记为极小值；统计所述时域扰动能量序列中极大值和极小值的出现总次数，将所述出现总次数除以所述时域扰动能量序列的总帧数，得到极值分布密度。通过统计扰动能量序列的极值出现频率，能够反映异常扰动的波动密集程度，为状态判定提供稳定依据。

8、作为本发明的一个技术方案，所述根据所述极值分布密度确定所述5g仪器仪表的信号传输状态，并在所述信号传输状态为异常状态时，通过5g通信链路输出报警触发信号，包括：获取预设的极值密度告警阈值，将所述极值分布密度与所述极值密度告警阈值进行比较，当所述极值分布密度大于所述极值密度告警阈值时，判定所述5g仪器仪表的信号传输状态为异常状态；在判定所述信号传输状态为异常状态后，读取所述5g仪器仪表的设备标识和当前时间戳，将所述设备标识和所述当前时间戳封装为报警触发信号，通过所述5g通信链路向中央控制室发送所述报警触发信号。这样能够及时将异常设备信息上传，提高报警响应效率。

9、优选的，所述极值密度告警阈值的获取包括：获取所述5g仪器仪表在正常工作时段内的历史信号序列，按照所述时域分割操作和所述极值分布密度的计算方式，计算所述历史信号序列在多个连续时间段上的历史极值分布密度序列，将所述历史极值分布密度序列的均值与标准差之和作为极值密度告警阈值；将当前计算得到的所述极值分布密度与所述极值密度告警阈值进行比较，若所述极值分布密度大于所述极值密度告警阈值，则判定所述信号传输状态为异常状态。采用历史统计阈值能够适应不同设备的正常波动范围，降低固定阈值造成的误报或漏报。

10、作为本发明的一个技术方案，所述通过5g通信链路输出报警触发信号包括：读取所述报警触发信号的有效载荷长度和传输优先级等级，根据所述有效载荷长度和所述传输优先级等级选择5g通信链路的逻辑信道，其中，所述逻辑信道包括高优先级信道和普通优先级信道；当所述传输优先级等级为高优先级时，将所述报警触发信号映射至所述高优先级信道进行发送；当所述传输优先级等级为普通优先级时，将所述报警触发信号映射至所述普通优先级信道进行发送。通过区分优先级信道，可以保障高优先级报警信号的传输资源。

11、优选的，当所述传输优先级等级为高优先级时，将所述报警触发信号映射至所述高优先级信道进行发送包括：获取所述高优先级信道的当前待发队列长度，若所述当前待发队列长度小于队列长度阈值，则直接将所述报警触发信号插入所述高优先级信道的待发队列尾部；若所述当前待发队列长度大于等于所述队列长度阈值，则中断当前待发队列中位于队首的一个非报警数据包的发送操作，将所述报警触发信号插入所述高优先级信道的待发队列队首。由此在高负载情况下仍能优先保证报警触发信号的及时发送。

12、本发明还提供一种5g仪器仪表自动报警系统，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述5g仪器仪表自动报警方法的步骤。该系统可对5g仪器仪表信号进行自动分割、特征提取、异常判定和5g报警触发，具备较高的实时性和准确性。

13、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

14、将相邻单位信号帧的幅值稳定度按时间顺序进行差分处理，得到稳定度差分序列，并提取其中连续上升的局部序列作为活跃信号链，将活跃信号链对应的单位信号帧标记为扰动持续帧。该处理不再依赖单帧幅值稳定度是否超过固定界限，而是利用帧间稳定度差值的方向和连续性识别扰动发展过程。幅值稳定度连续上升表示相邻帧之间信号平坦区段的波动状态发生定向变化，连续上升的差分序列段能够从随机出现的幅值起伏中区分出具有时间持续性的扰动帧链。采用该方式后，孤立的瞬时扰动由于无法形成连续上升的差分序列段，不会单独触发扰动持续帧标记，减少因瞬时波动造成的报警误判；缓变或累积性扰动即使单帧稳定度变化不明显，只要相邻帧稳定度差值保持正向连续，仍可被捕获为活跃信号链，使持续扰动帧的识别时延低于常规单帧阈值检测方式。由于活跃信号链由连续上升的稳定度差分值构成，帧间差分过程对信号中的缓变趋势敏感，能够跟踪持续扰动从弱到强的演变过程，用于报警的扰动持续帧具有时间连续性特征。提取活跃信号链对应扰动持续帧的扰动能量比，按时序形成时域扰动能量序列，并计算该序列中极大值和极小值出现总次数与总帧数的比值作为极值分布密度。该极值分布密度不同于常规均值、峰值或累计能量统计，反映扰动能量在时间轴上反复交替变化的频繁程度。持续扰动状态下的信号扰动区段往往出现能量峰谷交替密集的特征，极值分布密度随之增大；正常状态或偶发瞬时扰动下，扰动能量序列变化相对平缓，极值分布密度较低。通过比较极值分布密度与预设阈值判定信号传输状态，可以使报警判据直接关联扰动能量的时间分布特征，对动态信号基线和噪声波动具有更强适应能力，减少固定能量阈值在复杂电磁环境下引起的误报和漏报。极值分布密度的计算对象为扰动持续帧序列，非持续扰动帧不参与统计，使报警触发与持续扰动过程关联更紧密，报警结果受随机瞬时干扰的影响更小。