用于监测携流管道的网络的设备、方法和系统的制作方法
用于监测携流管道的网络的设备、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于监测管道中的流体流动的设备和系统，以及方法。在实施例中，本 发明涉及监测供水系统中的水流。
【背景技术】
[0002] 有时假设供水系统在稳态液压条件下操作。事实上，由于需求的随机性、阀门、栗、 故障浪涌保护设备的操作以及偶尔的爆裂等原因，这些液压条件经常是准稳定和不稳定 的。通过接近实时地降低并控制操作压力的这种管理泄露的现行驱动力，则会由于引入了 液压不稳定性而可能进一步恶化该问题。此外，栗优化包括频繁开关栗以降低能量，导致液 压条件突然变化。这造成管压力增加并引起相关的疲劳故障。这些突然和渐进的液压变化 引起爆裂等级提高和极大的修理管故障方面的成本，并且民事诉讼基于修理管故障所遭受 的相关的金融损失。
[0003] 因此，导管老化的基础装置保持在稳态液压条件以延长使用寿命是非常理想的。 这要求持续监测和分析动态液压条件，使得故障或其它不良事件可以被迅速识别并修复或 以一些其它方式解决。
[0004] 用于监测供水网的液压条件的当前的工业实践利用以每15分钟一个样本(在本发 明中指的是15min采样)的频率采样的监测设备。这些监测设备在采样期间断电以使功耗最 小化并延长电池寿命。因此利用这些设备获取的数据仅提供液压条件的定期快照，不捕捉 动态液压行为和/或瞬变和浪涌事件。
[0005] 已经存在能高频采样以监测压力瞬变现象，比如压力浪涌的设备。例子为专利号 为7,219,553的美国专利和专利号为7,357,034的美国专利公开的那些设备。随着采样率提 高，当检测到事件时，这些设备捕获预定义瞬变事件并且将这些事件存储在内部存储器中。 浪涌，瞬变事件的例子，由变化的速率(利用梯度检测器)和最大阈值确定。瞬变事件的解释 由操作人员完成，并且其需要使用专门的工程技术。
[0006] 专利号为7,219,553的美国专利和专利号为7,357,034的美国专利所述的系统和 其它浪涌监测设备的主要缺陷为：
[0007] (i)由于通过绝对值和梯度阈值触发采集，因而只捕获极端浪涌事件。事实上，动 态液压条件是随机的并且具有频率和振幅范围宽的特征。这些被现有设备忽略。
[0008] (ii)来自多个位置的事后浪涌数据的集合明显受阻，因为瞬变现象可能已经消散 成低于既定的触发阈值并且不被捕获。这明显限制用于分析浪涌事件并诊断故障的所捕获 的数据的质量和可用性；以及
[0009] (iii)该系统主要部署在地上设施中，因为其需要使用大型能源(例如，太阳能大 电池板)和视线(GPS)以使时间同步。
[0010] 发明人在液压瞬变现象领域的研究证明这些事件具有不同的特征、发生频率、振 幅、形状、变化率和能量消散。大部分这些事件不构成引起即时导管故障的突发的和极端的 瞬变现象。动态液压条件通常包括低振幅高频率的压力振荡，对于这些压力振荡，触发值， 比如梯度检测器和阈值，是不合适的。
[0011]降低触发值将导致连续采样，伴随着对数个数量级的更多数据的获取，而这些数 据是现有的浪涌（即，瞬变现象)记录仪器所无法管理的。
[0012] 所述的动态液压条件也不会立即危及导管的完整性。发明人的实验研究已经证 明，这样的事件造成疲劳故障并加速疲劳引起的腐蚀。这两种机制促进管劣化和爆裂频率。 此外，流速的快速变化增加沿管壁的剪切应力，这导致沉积物再悬浮和生物膜冲蚀。结果， 动态液压调节还影响水质，减少余氯，并导致变色和客户投诉。这些例子说明，瞬变事件比 如浪涌事件的定义和特征明显需要比专利号为7,219,553的美国专利和专利号为7,357， 034的美国专利中所述的更精细的处理和数据管理惯例。
【发明内容】
[0013] [分层存储;子采样;统计子集]
[0014] 根据本发明的第一方面，提供流体流动监测设备，其设置成监测管道中的流体流 动，该设备包括采样装置，处理装置和数据存储装置，其中：
[0015] 该采样装置设置成大致连续地接收来自传感器的、指示至少一个变量的数据，并 采集该数据以产生采样数据流，所述变量由传感器感测，表示管道中的流体流动。
[0016] 该处理装置设置成处理采样数据流以从中提取至少一个子采样流，该子采样流包 括多个数据集，每个数据集作为在各数据集时段的采样数据流的统计子集。
[0017] 该数据存储装置设置成存储该至少一个子采样流。
[0018] 根据本发明的第二方面，提供监测管道中的流体流动的方法，该方法包括流体流 动监测设备的步骤：
[0019]大致连续地接收来自传感器的数据，该数据指示管道中的流体流动，并操作设备 的采样装置以对数据进行采样，从而产生采样数据流。
[0020]利用该设备的处理装置处理采样数据流以从中提取信息；
[0021 ]将所提取的信息通过操作该设备的通信装置定期地传输至中央位置；
[0022] 利用该设备的数据存储装置存储比所提取的信息所提供的更完整的、至少一个时 间段的采样数据流的代表；
[0023] 在通信装置中接收来自所述或另一中央位置的、对该时间段期间的采样数据流的 更完整的代表的请求，并响应该请求，将更完整的代表传输至所述或另一中央位置。
[0024][解决现有设备的缺陷]
[0025]在现有设备中，是不可能追溯地"返回"并提取任意时间间隔的高频时间同步的数 据或定期数据快照之间的数据以便获得更多关于感兴趣的事件的信息;不能获得并且丢失 这些时段数据。例如，如果爆裂或另一故障发生，操作者不可能在爆裂之前查询动态(非稳 态)液压条件，或对历史数据进行上采样(增加时间分辨率），并以相同时间间隔查询多个设 备以识别故障原因和机制。通过提供至少一个子采样数据流，即，通过分层存储数据的统计 子集，使所述设备当地连接至询问设备或远程连接至通信链路可以轻易获得在感兴趣的时 间段的相关信息。
[0026][定期报告]
[0027]该设备可以包括通信装置。所述处理装置可以被进一步被设置成处理采样数据流 以从中提取概要信息。该通信装置可定期地设置成将概要信息传输至远离该设备的中央位 置。该至少一个子采样流可以包括在特定时段上的、比在在该时段所提取的概要信息提供 的更完整的采样数据流的代表。
[0028] [感测到的变量]
[0029] 感测到的变量可以为流体压力和/或流体速度和/或管道中的流动高度。感测到的 变量可以指示水质，例如氯浓度或水浊度。该设备可以包括传感器。
[0030] 包括在子采样流的每个数据集中的统计子集可以包括在各时段的数据集中的数 据的最大值和/或最小值和/或平均值和/或标准偏差和/或另一统计值。
[0031 ][追溯询问]
[0032] 该装置还可以被设置成，在所述通信装置从所述或另一中央位置接收对在具体时 间的更完整的采样数据流的代表的请求时，将一个或多个对应该具体时间的数据集传输至 所述或另一中央位置。对更完整的代表的请求可以为对所述至少一个子采集流的至少一部 分的请求。该通信装置可以传输包含在该部分中的所述或各数据集。
[0033] 可以有多个子采样流，每个子采样流包括多个数据集，该数据集包括采样数据流 的统计和或抽取子集，每个子采样流的数据集包括在各不同长度时段的统计子集。换句话 说，每个子采样流可以以不同频率进行子采样。该频率的差别可能是数量级的。
[0034] 在多个子采样流的情况下，对更完整代表的请求可以为对来自多个子采样流中的 每个子采样流的各部分的请求。该通信装置可以响应该请求，传输这些部分中的每个部分 的所述或每个数据集。
[0035] 存储的所述或每个子采样流的持续时间可以是预定义的持续时间。这对每个子采 样流可以是相同的。所述或每个子采样流可以存储在循环缓冲区中。该设备也可以存储相 应的持续时间的采样数据流的连续流。这也可以存储在环形缓冲区中。持续时间可以为几 天或几周或几个月的数量级。
[0036][米样]
[0037] 可以以高频率通过采样装置采样。例如，频率可以在每秒64和1024个样本(S/s)之 间。例如，256S/s。采样率可以是这两个比率中的任何一个;其可以为在这两个比率之间的 任何比率。在其它实施例中，可以使用另外的采样。在感测的变量为流体压力的情况下，采 样率可以在100和300S/s之间，并且可以为200S/s。在感测的变量是流体速度的情况下，采 样率可以在0.5和2S/s之间，并且可以为lS/s。水质变量(氯和浊度）以15分钟采样，但如果 检测到瞬变现象，则会触发更快的采样率(5mins)。可以将压力作为主要的变量以引起第二 变量的采样率提高。可以通过处理装置控制采样装置的采样率。采样率可以这样控制：响应 在通信装置接收来自所述或另一中央位置的信号以改变采样率。该采样装置以时间戳戳记 每个数据点，该时间戳对应感测到该数据点的时间。
[0038] 该采样装置大致实时接收来自传感器的数据。采样数据流可以由采样装置大致实 时产生。
[0039] [识别瞬变现象]
[0040] 处理采样数据流以从中提取概要信息可以包括识别瞬变事件和/或识别非瞬变事 件。瞬变和或非瞬变事件的识别可以形成所提取的概要信息的至少一部分。处理可以包括 处理部分采样数据流，每个部分对应各自的时间段。该部分可以为对应滚动时间段的部分。 换句话说，该处理可以在采样数据流上的滚动窗口上。可以选择时间段使其足够长以使每 个部分包括系统(管道和/或设备形成该系统的一部分)经历的最长瞬变事件的完整的采样 数据集。对于每个部分，可以分析采样数据以确定该部分是否包括指示瞬变事件的数据。这 可以通过对在该时间段的连续数据点之差加和以给出累计总和完成。可以比较总和与该总 和指示瞬变事件的概率，确定是否已识别瞬态事件。这可以通过比较该总和与该总和指示 瞬变现象的概率的记录完成。该记录可以为针对总和的值该总和发生的概率的概率分布函 数。该记录可以在设备操作期间通过记录每个总和及其发生频率产生。在操作期间该记录 可以持续更新，并且计算每个累计总和。该记录可以包括指示概率值的阈值指示，低于该阈 值确定总和指示瞬变事件，因此已经识别瞬变事件。可以比较计算的累计总和的发生概率 与阈值。因此，瞬变现象线性检测算法使独立设备能进行自主的自动调节并且该过程具有 网点特异性-不同供水系统会经历不同水平的动态液压行为(背景行为）。
[0041]响应于对瞬变事件的识别，该通信装置可以传递指示该事件的信号至中央位置。 这可以在没有等待所提取的概要信息的下一次定期传递的情况下发生。其可能在识别瞬变 事件时发生。该信号可以包括来自已经识别的瞬变事件的部分的数据。
[0042][概要统计信息]
[0043]处理数据流以从中提取概要信息可以包括确定来自采样数据流的概要统计信息， 该概要统计信息形成所提取的概要信息的至少一部分。该概要统计信息可以包括该一部分 流的一个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或方差和/或标准偏差值。该概要信息 可以包括时间段，称为"概要时间段"，的一个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或 方差和/或标准偏差值这可以对应该部分中的多个部分。例如，该概要时间段可以为一或多 小时、天或周。在实施例中，持续监测动态液压行为的概念还会对通信间隔有影响。如果管 网络的液压几乎没有变化并且处于稳态，该系统可以忍受在通信之间（例如，每小时一次VS 30分钟的当前趋势）的更长的时段。
[0044]通过通信装置传输所提取的信息的时段将大致与概要时间段相同。 [0045] [PDF和影响度量]
[0046]该处理装置可以产生瞬变现象描述符以响应识别瞬变事件，该瞬变现象描述符指 示识别的瞬变事件的一个或多个特征。瞬变现象描述符的例子为瞬变现象梯度，即，感测到 的变量在瞬变现象的时间或一些其它时间比如在识别瞬变现象的各部分的持续时间上随 时间变化的速率。其它瞬变现象描述符包括瞬变现象的梯度方向、开始和/或停止幅度、消 散梯度，梯度变化顺序。处理装置使用所述或每个瞬变现象描述符以产生瞬变现象严重度 指示。这可以通过比较瞬变现象描述符值和该瞬变现象描述符值的发生概率的指示完成。 这能以与识别瞬变现象的方式大致相同的方式完成。例如，可以比较该瞬变现象描述符的 值与在使用期间该瞬变现象描述符的测量值的概率分布以确定该值的概率。确定的概率可 以与一个或多个阈值比较以给出瞬变现象的严重度。因此，该设置可以提供自动地自主调 节和具有网点特异性的阈值。该阈值可以用于将瞬变现象按其严重度分类。瞬变现象可以 分为三类。对应低关注度、中关注度和高、高关注度的瞬变现象。这些严重度的测量可以被 称为"影响度量"。影响度量可以结合概要统计信息的结果。该影响度量可以形成定期发送 至中央位置的所提取的概要信息的一部分。
[0047]影响度量可以确定从通信装置传输所提取的概要信息的频率。为了响应上升高于 预定阈值的影响度量，可以更频繁地传递所提取的概要信息。为了响应低于所述或另一预 定阈值的影响度量，可以较不频繁地传递所提取的概要信息。指示高关注度的瞬变现象的 影响度量可以大致立即开始将所提取信息传输至中央位置。
[0048][多个通道]
[0049]该设备可以具有所感测的数据的多个通道。该设备可以大致持续接收来自多个传 感器中的各个传感器的各数据，该传感器指示由各传感器感测到的各变量。采样装置可以 对数据进行采样样本以产生感测到的各变量的各采样数据流。该设备可以这样设置，以及 该方法使得每个流以大致相同方式平行处理。
[0050][时钟漂移]
[0051 ]根据另一方面，提供感测设备，其被设置成接收来自传感器的高频数据并且使该 数据的数据点各与各自的时间戳相关联，该设备包括时钟模块和接收装置，该时钟模块包 括本地时钟，该本地时钟用于计时并进一步包括信号接收装置，该信号接收装置被设置成 定期接收来自指示精确时间的远程来源的无线时间信号，该时钟模块被设置成比较本地时 钟保持的时间与时间信号，并调节本地时钟，从而提高其计时的准确性。
[0052] 该时钟模块可以重复地，并且可选地定期地被设置成比较本地时钟保持的时间与 时间信号，并且调节本地时钟。该时钟模块可以通过在一段时间使时钟加速或减慢不同时 间可变地调节本地时钟。该时钟模块可以获知本地时钟如何在一时间段参照精确时间趋于 变化并通过调节该时钟补偿此变化以大致实现精确的计时。该时钟模块还可以接收指示本 地温度的信号并至少部分地基于该信号改变本地时钟。该设备起初可以更频繁地操作该接 收装置从而接收时间信号，以便获知本地时钟如何趋于变化，并且接着，在已经得知本地时 钟的变化时，较不频繁地操作该接收装置。
[0053] 另外，此方面的设备可以为第一方面的设备，具有相同的特征和可选的特征。类似 地，该方面的特征还可以为任何其它方面的特征。
[0054] [模块化]
[0055] 任何方面的设备可以模块化。该设备的组件可以容纳在各自的壳体中，壳体可以 局部地，并且可选地，可拆卸地连接在一起操作。处理装置可以容纳在主模块中，存储装置 以及可选地，所述通信装置（如果有）可以容纳在内存模块中；所述传感器以及可选地所述 采样装置可以容纳在传感器模块中。电源，比如电池，可以容纳在电源模块中。该内存模块 可以包括在其壳体中的显示器，该显示器指示该设备的操作和获取的数据。该显示器可以 指示前期是否已经确定瞬变事件;其可以指示任何确定的瞬变事件的严重度。该显示器可 以指示应力影响度量。该内存模块可以设置成与询问仪器，比如便携式计算机，进行本地通 信。其可以是有线或无线通信。该内存模块可以设置成在这种通信期间作为微型服务器的 服务器操作。所述或各增压模块可以包括气压传感器，该气压传感器设置成向处理装置提 供数据。当检测到气压下降低于特定阈值时，该处理装置可以识别有问题，应该检查的模 块，并产生指示信号。该信号可以传送至中央位置。还可以关闭处理器以进行响应。
[0056] 电池模块可以包括ID芯片以独特地识别该电池，当连接该电池模块以进行操作 时，可以通过处理装置读取该ID芯片。
[0057] [中央处理]
[0058] 根据本发明的第三方面，提供中央控制站，用于识别流体流动的管道网络中的瞬 变事件的起因的大概位置，该中央控制站包括处理装置和通信装置，其中：
[0059] 该通信装置设置成从多个远程设备接收指示在与远程设备相关联的各长度的管 道中的流体流动瞬变事件的各自提取的信息，该提取的信息包括与瞬变事件相关联的大致 精确的时间戳;并且
[0060] 该处理装置设置成基于所提取的信息设置和对各设备的地理位置的了解确定瞬 变事件的起因的大概位置。
[0061] 该第三方面的远程设备每个都可以为第一方面的设备之一。
[0062] 该中央控制和处理装置可以包括至少一个计算机处理器，相关的计算机可读的非 易失性存储器和相关的可视显示装置。
[0063] 根据本发明的第四方面，提供用于监测组成网络的多条管道中的流体的流动的流 体流动监测系统，该系统包括第一方面中定义的多个设备和第三方面中定义的处理装置。
[0064] [综述]
[0065] 对于上述所有方面，除了上述引用的可选特征参照第一特征工作所需的另一可选 特征外，上述引用的可选特征中的每个可以与其它可选特征分开在实施例中提供。还设想 可选特征可以以任何可行的组合一起包含在实施例中。如果进一步设想，每个方面的可选 特质也是每个其它方面的可选特征。
[0066] 按照设想，在优选的实施例中，管道为供水系统，比如，向居民和/或工业水用户供 水的供水系统，的供水管道。在其它实施例中，该管道可以为废水系统的管道、油或天然气 管、制炼厂或核电厂的管道。其它应用也是可能的和设想的。特别地，按照设想，该设备、方 法和系统可以用于感测影响结构，比如，桥梁、道路、建筑物和其它结构的参数，而非指示管 道中的流体流动的变量。在这些应用中，可以感测下面的另一个或所有：力、频率和/或振 幅、声音幅度和/或频率、位移。不能一一列举。
[0067]实施例的至少一些特征提供如下：
[0068] (i)连续监测和追溯查询并且从多个嵌入式记录/遥测设备提取高频数据以表征 动态液压条件，并促进故障的事后分析和浪涌保护设备的诊断。这排除了专利号为7,219， 553的美国专利和专利号为7,357,034(频繁地忽略关键事件，不捕获关键数据并且不可以 提供用户选择的任意事件的历史高频数据)所述的复杂的变速记录设定。
[0069] (ii)检测与所设计的复杂供水系统内的稳态液压条件的近实时的偏离。从准稳态 和导管物理的瞬变数据提取的相关信息和拓扑信息用于计算瞬变现象指数（系统应力水 平）以便于迅速识别非最优化的操作并触发维修。这也会包括由于故障或错误设置控制阀 导致的液压不稳定性检测。使配水系统保持在稳态液压条件下将显著延长基础设施生命周 期，减少修复爆裂的年度成本，并减少色变事件的数量。
[0070] (iii)诊断浪涌保护设备的操作和与其设计规范的偏离;该数据用于检测、定位和 安排故障控制和气阀及失灵的浪涌保护装备的维修。其也可以用作浪涌保护设备根据其设 计规范操作的安全保证和预防措施。比较供水系统对液压瞬变现象的范围的应答。
[0071] (iv)确保并监测栗优化方案的安全执行。
[0072] (V)通过连续获得高频压力信号和在不同的压力变化下检测梯度变化监测泄漏的 输水干线。
[0073] (vi)使用仪器作为存储原始高频数据、在预定义间隔(例如，ls，l分钟，15分钟)组 的压力变化的统计测量和瞬变事件的标记的分布式数据库。该设置对以非常低的功耗完成 连续高速时间同步数据至关重要。
[0074] (Vii)降低由液压瞬变现象产生的亚大气压引起的水质污染的风险。
[0075] (vi i i)控制余氯的突然变化(降低)的风险。
[0076] (ix)降低液压条件的可变性将提高近实时液压模拟模型的准确性。
[0077] (X)连续采样/监测的节能的数据管理和优化的数据存储。
【附图说明】
[0078] 现结合附图，仅通过实施例的方式描述本发明的特定实施例，其中：
[0079] 图1为包括中央控制站和五个远程设备的流体流动监测系统的示意形式的总貌；
[0080] 图2为远程设备的一个代表的硬件设置的示意图；
[0081] 图3为图1的远程设备的操作的示意图；
[0082] 图4为图2的远程设备的一部分操作的详细的示意图；
[0083] 图5为图2的远程设备的另一部分操作的详细的示意图；
[0084] 图6为中央服务器的硬件设置的示意图；
[0085] 图7为中央控制站的操作的示意图；
[0086] 图8为中央控制站的一部分操作的详细的示意图；
[0087]图9展示了瞬变事件和瞬变现象描述符的代表；
[0088]图10为该系统的组件的地理位置的示意性代表；
[0089] 图11为图2的远程设备的模块化组件的透视图；
[0090] 图12为手动访问设备和加载数据的流程图；
[0091] 图13展示访问、下载和处理数据的数据管理程序；
[0092] 图14展示用于广域监控的时间同步；
[0093] 图15展示时间广播信号的不确定性；
[0094] 图16为展示估计延迟的方法的流程图；
[0095] 图17为展示使抖动最小化并破译准确的时间基准的方法的流程图；以及
[0096] 图18为展示延长过保持时段的方法的流程图;并且 [0097]表1为展示存储在图2的远程设备中的数据的例子的表格。
【具体实施方式】
[0098] 输水和配水系统是控制等级高、故障后果严重的重要基础设施。对动态液压行为 所致使的负载条件的连续监测，有助于维持老化管线的基础设施的结构强度、以及保护水 质。监测和控制动态液压条件需要用于收集连续高频时间同步数据并在严苛的电力约束下 管理大容量数据的新方法和仪器。该监测系统也应该能近实时查询并追溯查询任意时间段 所提取的、高频的、时间同步的液压数据。当发生爆裂或其它故障并且要求起因分析以在系 统故障之前和之时通过提取高频的、时间同步的数据识别故障机制时，这特别有用。
[0099] 图1展示了包含本发明的系统100的总貌。可见，该系统100由若干远程设备10组 成，该远程设备被设置成与服务器200形式的中央控制站通信。在该实施例中，该通信为无 线通信，下文将进行解释。每个远程设备10为流体流动监测设备，其被设置成监测管道中的 流体流动。每个设备10由若干硬件组件组成，每个硬件组件实施若干功能。
[0100] 图2更详细地、示意性展示了组成设备10的一个代表的主要的硬件组件。
[0101] 该设备包括传感器12形式的感测装置。虽然在其它实施例中设想该传感器可以用 于其它应用，但在该实施例中，该传感器12被设置在供水网的管道中。该传感器12被设置成 感测指示管道中的水流动的变量。该变量可以包括，例如:流体压力、速度、高度或温度，或 任何其它特征。在该实施例中，感测的变量是压力。该传感器12以连续信号实时提供指示感 测到的压力的数据。
[0102] 该设备10也包括模/数转换器(ADC)20形式的采样装置20,模/数转换器(ADC)20接 收来自感测装置12指示感测到的压力的数据。ADC20被设置成以高频率对数据25进行采样。 在该实施例中，以200S/s的速率对指示水压的数据进行采样。ADC使用时间戳戳记每个数据 点，以输出用时间戳戳记的采样数据流27。该数据用高准确度的时间戳戳记，在该实施例 中，时间戳准确到毫秒内。结合附图X，下文更详细地描述了该时间戳。
[0103] 该ADC20的输出向微型处理器30形式的处理装置提供输入，RAM35与该微型处理器 30相关联并且通过该微型处理器30可以访问该RAM35。该设备还包括非易失性存储器40形 式的存储装置，在该实施例中，非易失性存储器40为闪速存储器。该微型处理器40设置成与 NVM40通信以从中读取数据，并将数据存储在该微型处理器中。该设备10进一步包括无线电 模块50形式的通信装置，无线电模块可操作地连接至微型处理器30并被设置成根据GSM和 GPRS标准通过移动蜂窝电话网络（图2未展示)通信。
[0104]系统100的每个设备10具有来自各传感器12的数据流的一个或多个输入通道。
[0105] 虽然为了简化，图2展示的设备10具有单个传感器12和来自该传感器的数据的单 个通道。可以设想，系统100的其它设备10可以具有多个传感器，每个传感器感测指示流体 流动的不同变量。每个传感器12具有各连续数量流，并且在设备10的单独通道中各被看作 是独立的自变量。对具体的变量，采样率可能不同：例如，
[0106] 以200S/s测量流体压力，并且以lS/s测量流体流速，而仅每15分钟一次测量温度 或电池电压。以15分钟对水质变量(氯和浊度)进行采样，但如果检测到瞬变现象，则触发更 快的采样率(5min)。压力可用作出触发次变量的采样率提高的主要变量。数据源也可以通 过在一个或多个其它数据源上计算产生。例如，可以从流体压力数据源产生代表"已经检测 到瞬变现象"声明的布尔数据源(仅具有值"真"和"假"的数据源）。
[0107] 参见图3,该图展示了设备10中的数据流动而非硬件设置，来自ADC20的时间戳的 采样数据经历两个主要的处理操作:瞬变现象信号分析110,其中微型处理器30从信号中提 取信息；以及分层存储120,其中来自ADC20的时间戳数据通过微型处理器30进行子采样，分 成若干平行的子采样流并存储在非易失性存储器40中，其可用于后期检索。该模块被设计 成以高采样率维持连续采样，而使能量使用和通信最小化。该系统操作被配置成通过"查 询"，由中央服务器200发送指令和请求，设备10与中央服务器200通过无线电模块50通信。 这些查询设定瞬变现象信号分析110的参数并定义由设备10利用"持续查询"有规律地传输 的数据:存储在设备10上并持续运行直到由另一查询停止。瞬变现象信号分析的结果和由 查询产生的数据传递至中央服务器200。
[0108] [分层存储]
[0109] 图4展示了扩展的"分层存储"系统。设备10中感测到的每个变量（来自各传感器 12)，在被ADC20采样后，存储为"分层流"。因此，由于有多个传感器12,所以将有许多分层 流。图4展示了分层流130,在该实施例中，分层流130为分层流的代表。该分层流130包含来 自ADC20的原始数据和与原始数据平行存储的数据的若干子采样流（由微型处理器30进行 子采样）。该子采样流由许多数据集组成。子采样流中的每个数据集由元组组成，元组由子 采样项的开始时间和原始数据随数据集项涵盖的时间的一些统计描述组成。
[0110]由微型处理器30执行的统计子抽样的类型取决于数据的类型：对于连续变量数 据，计算最小值、最大值、平均值和方差值;对于布尔数据，可以计算数据项的逻辑或。在产 生子采样集时，也可以计算其它统计值，比如标准偏差。表1展示了每15秒读取一次的数据 源和设想从该数据源创建的一分钟的统计子样本。
[0111] 这些子采样流能使长时段的数据能够被检索到，而没有仅访问原始数据的情况下 要获得针对相同时间段的信息而需要的大量的数据访问。这对管理大容量数据，同时使通 信时间和能量最小化是至关重要的。例如，如果仅存在原始数据，一小时200S/S数据要求读 取720，000次数据，但仅要求读取60次一分钟子采样集。
[0112] 原始数据，以及子采样数据集，以其测量顺序存储。因而，通过增加时间值对每个 数据流进行排序。这使得在不使用检索的情况下，能够查找到在特定时间值的数据，因为可 以使用有效的二进制搜索（区间分半搜索）算法。存储介质是环形缓冲区，新记录的数据项 将因此总是存储在该环形缓冲区上。如果介质是满的，则最旧的数据将被删除以腾出空间。 一旦写入，数据将永远不会被修改。因此，不管设备10后续发生了什么，从该设备复制的数 据都可以被认为是可靠的。子采样集的使用带来存储损失，通常在5%和10%之间，但考虑 到存储成本低，该损失是微不足道的。
[0113][瞬变现象信号分析]
[0114] 与上述分层存储系统平行，每个设备10也在ADC 20提供的原始(流)数据上进行分 析。如图5所示。这些处理操作在设备10测得的每个数据源上平行实施。
[0115] 每个设备10的RAM35和处理功率是有限的，因此所有的数学操作在滚动的窗口缓 冲区中进行。这一缓冲区的尺寸是特定于实现的，但其范围通常在30秒（s)至300s:足够长 以保持最长瞬变现象的完整图像(瞬变现象的最大持续时间取决于一些因素，比如系统拓 扑结构、管尺寸、瞬变事件的性质和来源，等等）。在该实施例中，对于指示水压的数据，该缓 冲区为300s。
[0116] 滤除传感器噪声(例如，使用移动平均法)之后，第一数据处理任务是"瞬变现象选 择"功能方块140。这包括将数据划分为可能的瞬变现象和可能的非瞬变现象。假设，在窗口 缓冲区的短时段内平均信号值不会改变，因此差的总和始终大约为零。构建窗口中的后续 样本之间的差的总和的累计分布函数(CDF) XDF是基于测得的发生频率，总和的值针对其 发生概率的记录。如果根据CDF总和是"不太可能的"（例如，〈0.1%的机会），那么该窗口声 明保留瞬变现象。通过该系统的数据越多，CDF变得越好。该方法使得勉强高于信号噪声基 底的瞬变现象能够被检测到，与现有设备(通常为简单的斜率检测器并且仅检测较大的瞬 变现象)上的瞬变现象检测形成鲜明对比。该方法还是自调整的，因此具有网点特异性。
[0117] 在一周中的每一天从非瞬变现象信号收集汇汇总统计（"定期统计指示器"），比 如，最小值、最大值、平均值和方差/标准偏差。功能方块150展示了该汇总统计。这些汇总统 计被存储在本地，并且被定期传输至中央服务器。在本实施例中，收集所有的这些统计。
[0118] 方块160的"瞬变现象现象分类"任务使一组变量拟合至检测到的瞬变现象(在方 块140检测到的），以便提供该事件的压缩描述(例如，瞬变现象矢量）。在图7的系统中可以 看见测得的瞬变现象的顶部上的拟合的变量组的例子。其展示了在y轴上由传感器12测得 的和通过ADC20采样的压力针对在X轴上的时间的图。在这些实施例中的描述包括瞬变现象 振幅(也称为起始幅度）、瞬变现象梯度(在图7中未示出）、瞬变现象消散梯度，其可以被认 为是从第一峰或瞬变现象的波谷至瞬变现象基本消散的点的斜率和交替的梯度的顺序。对 于每个描述，除了通过瞬变现象的时间(对于每个瞬变现象，时间明显不同）之外，使用描述 值构建概率分布函数(PDF)。这在方块162中完成。该PDF展示特定类型的瞬变现象的发生概 率并且是定期的（例如，每24小时一次）。这些PDF发送至中央服务器200。随着设备10的运 行，聚合的数据越多，PDF变得越准确。
[0119] 使用瞬变现象PDF，收集变量组、包括其起始时间的时间、描述代表性瞬变现象并 发送至中央服务器200。这在方块165完成。代表性瞬变现象为根据瞬变现象TOF有规律地重 复或是"独特的"（概率低）的瞬变现象。中央服务器使用瞬变现象的快照，以便使来自不同 测量位置的事件交叉相关。
[0120] 使用定期统计指示器和瞬变现象PDF在记录器上计算简单的"影响度量"（impact metric)。这在方块180完成。该影响度量利用关于平均管道的物理性质，以便对应力的量进 行分类;通俗地说，被测量的管节段处于有限数量的状态中。接着，这些信息可以在设备10 的显示装置上显示(在该实施例中，该设备进一步包括可移动的内存模块，该内存模块容纳 NVM 40并且包括三个不同颜色的LED，LED用于在方块185指示影响度量），以便使本领域技 术人员能够评估在该点的网络的情况。对于不能与中央服务器200通信和依靠内存模块的 手动收集的设备10,本地"应力"指示可以展示是否值得在特定时间收集该内存模块。也可 以使用本地影响度量改变数据传输的速率：当检测到那些产生高影响度量的极端瞬变现象 时，设备10可以自动地设定成将事件数据立即传输至中央服务器而非等待其正常传输时 间。利用交通灯系统将本地影响度量分等级。使用红色警报触发与中央服务器200的即时通 ?目。
[0121] [中央处理]
[0122] 图6以示意形式展示了中央服务器200。该服务器200包括通信装置，形式为模块 210,其被设置成与互联网通信，并因此通过任何合适的用于通信的装置与每个设备10通 信。该服务器200还包括与无线电模块210通信的微型处理器220，RAM23 0和非易失性存储 器240,两者都与微型处理器220进行读/写通信。NVM240构成中央数据存储区240。还提供图 形用户界面250形式的输入/输出装置。
[0123]图7展示了中央服务器的功能设置的概况。该服务器200通过互联网模块210接收 由事件、瞬变现象统计和来自在其控制下的所有的记录器记录器云"210的波形数据构成 的数据。
[0124]该中央服务器200执行两个主要任务:在其永久数据存储区中存储并请求来自记 录器10的数据；以及将来自所有的记录器的瞬变现象分析数据结合到广泛的网络分析中。 该中央服务器还提供用户界面，其由用于查看传感器数据的交互式图形和用于显示地理位 置数据的交互式地图组成。按照设想，该中央服务器还从各种位置(检测到具有不同严重度 的瞬变现象)偶然地提取高频数据的片段以调整并更新瞬变现象估计值。这样，服务器/监 测系统自动改进其检测能力。接着，更新的瞬变现象估计值被"推回"至嵌入式监测设备。 [0125]服务器上的中央数据存储区240具有与在设备10上的分层数据存储区相同的结 构，但明显更大并且并非构建成环形缓冲区。旧数据不会被覆盖。当从设备10请求数据时， 数据被复制到该存储区并保持作为永久记录。
[0126]中央服务器200上的数据存储系统240的关键方面是"追溯性数据检索和任意时间 段的高频数据查询"的概念。如果用户希望查看过去（随后有警报）的详细信息，其可以发送 查询至记录器云以便检索来自一个或多个记录器的具有较高的空间分辨率的过去的数据。 这样，用户可以查看来自记录器的任意的详细数据，而记录器不必经常将高带宽信息传输 至中央服务器。过程是迭代的-用户接收传统的15分钟数据连同低分辨率的瞬变事件数据， 所述瞬变事件需要进一步调查，然后用户发布追溯查询以提取在特定事件/时间间隔具有 高时间分辨率的过去的数据。追溯性数据检索也可以通过在服务器上运行自动分析例程而 触发:例如，如果在一个设备10上检测到瞬变现象，则生成自动查询以从周围的本地网络中 的相邻设备10提取数据。接着 ，该数据用来定位事件的来源，调查复杂的拓扑结构系统内的 液压连接并诊断浪涌保护设备的性能。
[0127]地理信息系统(GIS)提供管材料和直径、网络布局，记录器位置的信息，以及信息， 比如当规划记录器部署时使用的照片和笔记的信息。
[0128]中央服务器200接收定期的统计指示器、瞬变现象PDF和瞬变现象分类以及来自每 个设备10的代表性快照。
[0129] 在设备10具有一个以上的测量通道的情况下，每个通道被视为该通道是用于分析 目的的单独的设备1〇(尽管在该实施例中，在特定的设备10上的所有通道的数据为了效率 在通信链路上一起传输）。图6展示了对这些数据执行的分析。
[0130] 来自每个设备10的数据与来自GIS的简单的管信息（材料、使用年限、直径和可能 的状态，如果知道)结合，以便利用与设备10本身上使用的相同方法计算每个记录器的影响 度量。
[0131] 每个设备的位置是已知的并且这些位置被设置成分级的地理定位图表，该地理定 位图表存储这些位置彼此之间的关系。系统图10展示了该图表的例子。出于区域分析的目 的，不使用每个设备10的实际GPS位置，只使用在地理位置图表中描述的关系。但是，该GPS 位置用于数据的可视化。在该示例图表中，设备"L1"的通道0和1被认为是密切相关的，因为 其共享相同的亲代。"L1"的通道0和"L2"的通道0较不密切相关，因为其仅共享祖代。两者都 被认为几乎不与"L4"的通道0相关(共同的曾祖)并且与所有"L9"的通道0完全不相关(没有 共同的祖先）。
[0132] 在代表性瞬变现象快照上使用时间戳以便尝试识别在不同的网点发生的相同的 瞬变现象。使用瞬变现象之间的时间差和瞬变现象的幅度以通过与瞬变现象来源的紧密度 将网点分级。
[0133] 此分析的最后阶段是将每个设备的影响度量、与瞬变现象来源的紧密度，和在地 理位置图表上的位置结合到"区域影响度量"中。在地理位置树上的每个级别中，低于该级 别的节点的影响度量的加权平均值（"较差"度量比"好"度量具有较高权重)给出区域影响 度量。可以将这些区域度量绘制在地图上，使用户能够利用交通灯系统在较大的地理区域 上一目了然地看到网络的强调部段，并缩小至个体记录器的水平。此外，所获取的数据可以 用来识别与所提取的"应力"指示器相关的爆裂频率的概率。这将帮助网络运营商选择最佳 的控制策略，以使其系统中的动态液压行为最少化并量化这种前瞻性管理的好处。
[0134] 与统计分析平行，可以使用记录器传输瞬变现象快照从而驱动瞬变现象分析模 型，以便预测其在网络的传播。基于所获得的高频时间同步的数据定期执行瞬变现象模拟 将提供模型化vs观察到的系统的瞬变现象反应的快照。这些残留的分析用于识别并诊断故 障和次优操作。例如，作为阀的、网络部分之间的液压连接件，比如阀，保持打开或甚至一段 管未记录在网络地图上。
[0135] 设备10之间的度量和链路可以与传统的数据可视化一起使用，以便转动选择数据 来源:例如，用户可以放大到数据集以便查看瞬变现象并能要求系统自动展示同样测量该 瞬变现象的其它所有记录器的数据集。如果该数据目前不存在于中央服务器上，则可以发 送请求，以便追溯检索高频率数据。
[0136] 利用在代表性网点（不一定在正在记录的区域中）收集的一段时间的原始数据计 算并在中央服务器200上处理控制过程的各种参数的初始设置，比如瞬变现象/非瞬变现象 CDF阈值。在设备10的运行时间，这些参数由中央服务器进行无线更新。
[0137][手动的和远程的(无线的)数据管理]
[0138]本实施例的系统支持永久和临时监测设施。在该实施例中，设备10包括存储器和 通信追加模块（图11中的45所示），该通信追加模块能够通过远程询问对无线监测情况和通 过现场实际检查对本地询问情况进行灵活和最佳的数据处理。该存储器和通信模块45在主 感测和数据获取模块46的外部并且其可以在原位更换。如果访问大容量数据或分析需要获 取的所有高分辨率数据(或如果无线通信不可用），这排除了耗时的数据下载。还可以完成 低成本通信和存储器升级，并且对最终用户、运行监测控制任务和设施设置的干扰最小。对 于永久性设施(遥测装置/SCADA系统），可以通过GSM或任何无线和/或有线通信技术完成远 程访问和数据传输。在此设置中，如上所述，若干设备10形成分布式感测和存储系统。
[0139]存储器和通信模块45支持其它方式下载和使所获取的高频大容量数据可视化。图 12概述了这些方式。
[0140]如图12所示，所获取的完整的大容量数据集能够以两种方式访问：
[0141] 1.手动收集存储器和通信追加模块45(图中为"mem/comms模块"）并将其连接至部 署控制器(DC)，部署控制器支持数据自动上传到安全/私有云服务器。DC是设置用于在现场 使用和用于与设备10进行本地通信的耐用笔记本电脑或平板电脑。存储器/通信模块(包括 上文描述的分层数据结构)上的所有存储数据由DC自动推至私有云服务器以通过高速上传 链路进行云数据存储、事件处理和数据浏览(例如，ADSL或使用DC的光纤宽带）。基于万维网 的界面使得用户能访问云服务器，其包括：（a)涉及记录器部署的空间/位置信息；（b)关于 所使用的传感器的校准信息；（c)数据获取设定和采样方案的概要/设置；（d)上文所述的原 始数据和所提取的/子采样数据集；（e)电池的使用、每个电池组的状态和更换电池的提示 的概要；（f)对特定数据进行查询的管理工具集和具有外部造型和分析工具的接口。
[0142] 2.存储器和通信追加模块45为微型服务器，当与外部PC设备，比如笔记本电脑/ PC/平板电脑连接时，其提供无缝界面。这样，可以访问存储在存储器/通信追加模块上的原 始和分层数据，包括所提取的瞬变事件，而无需在主机PC上安装专用软件。数据管理不依赖 于所使用的操作系统(例如，Windows、Linux和Mac OS)和PC硬件规格。基于万维网的界面共 享与选项1中的万维网界面外形相似的GUI AUI使数据能被下载到主机PC。但是，用户不需 要下载数据以便查看所获取的数据并浏览特定事件和信号部分。
[0143] 此外，本设置包括在不访问无线数据的情况下或在需要完整的数据集以用于调整 嵌入算法的情况下，用于访问、下载和处理从临时传感器设施获取的数据的程序和技术。如 图13所示并可以概括如下：
[0144] 1.技术人员参观部署设备10的网点。嵌入式瞬变现象算法已经检测到通过存储 器/通信模块45的透明部分可视的极端事件或一系列触发红色LED(交通灯警告系统的一部 分)的事件。技术人员用新的模块替换内存模块45,从而对传感器安装设置的干扰和数据获 取过程的停机时间最小化。
[0145] 2.可以通过将存储器/通信模块45连接至耐用的笔记本/平板电脑在网点（例如， 在受保护的环境中，比如服务车辆而非户外)检查并显现数据。该连接可以通过可以连接至 存储器/通信模块45的电缆或802.1 IWiFi追加模块进行。还设想，将内存模块连接至DC，并 使该存储器主持微型服务器(而非在内存模块本身设有微型服务器），笔记本电脑可以通过 电缆(例如，以太网/USB)或无线（例如，WiFi/蓝牙)连接至该微型服务器。在内存模块45上 访问、显现或浏览数据不需要专门的软件-这通过上文所述的分层存储模型推进。
[0146] 3.技术人员还可以通过访问高速数据网络（例如，ADSL、光纤宽带）或使用高速无 线服务比如4G将存储器/通信模块45带到办公室。该存储器/通信模块45连接至部署控制 器，该部署控制器用于将数据推向自定义设计的云服务器以进行云数据存储、事件处理和 数据浏览。
[0147] [时间戳、修改时钟漂移、在运行时间修正时钟]
[0148] 使形成系统的设备10时间同步准确并且稳定以便连续地分析供水系统中的准稳 态和瞬变现象液压条件。参见图2,设备10包括时钟模块90。这给本系统的分布式高频率监 测提供时间同步解决方案。时钟模块90包含在分布式感测设备中维持达到5ms的时间同步 准确性的无线电时间-信号接收器、振荡器和嵌入式信号处理算法。
[0149] 现在参见图14,通过利用带外时间源，实现可扩展的、不依赖于拓扑结构的和快速 趋同的时间同步服务，其支持传感器的广域稀疏网络。继续参见图14,本发明的分布式监测 和控制系统执行实时时钟(RTC)的计时功能。RTC通常整合低功率晶体振荡器，该低功率晶 体振荡器使用压电材料的振荡晶体的机械共振，从而以精确的频率(例如，32.768kHz)产生 电信号。
[0150] 环境影响，如温度、电源变化以及苛刻的工业环境中的其它典型的因素引起频率 和时间段的不稳定性(例如，漂移和偏斜）（图14)。以百万分率(ppm)为单位测量时钟性能。 常用于能量受限的分布式感测系统的低功率晶体振荡器（XO)的频率稳定性在IOppm至 IOOppm的范围。低功耗温度补偿振荡器(TCXO)的最新进展使稳定性提高到0.1 ppm至IOppm (办〇〇6瓜2011、1^1?)112011、5丨111116 2011)(^0的稳定性可能在24小时的时段导致8601118到 8.6s的时间误差而TCXO在24小时的时间误差为86ms至860ms。在本实施例的分布式感测环 境内，所需的+/-5ms的时间准确度(相当于0.05ppm)仅可以通过利用外部信号以提供本地 振荡器遵循的可靠的时间和频率基准来实现。
[0151]为了提供必要的时间准确度和精确度，本系统的每个设备10中的时钟模块90与 UTC(协调世界时）同步，UTC是全球性的时标。利用无线电信号广播使嵌入式晶体振荡器遵 循UTC被认为是控制时钟漂移的潜在解决方案。但是，将这种手段应用于本实施例的高速压 力采样方法具有明显的挑战。使用于连续高速采样的所述仪器时间同步的主要挑战在于：
[0152] 在分布式设备10之间使准确的并且稳健的时间同步在+/_5ms(0.05ppm)内，并且 在设备10之间不进行直接通信(参照UTC);
[0153] 在地下条件中的设施（例如，沙井、检查室、消防栓和冲洗室），并且没有直接的视 线和复杂的无线电传播环境。这阻止了 GPS在多数的设施位置的使用。
[0154] 可变的信号质量和在所描述的操作环境内的外部无线电时间/频率信号的抖动。
[0155] 低功耗，这可以通过使与外部时间/频率基准信号的连接数量最小化来实现。因 此，较长的过保持时段需要选项适当地控制这些时段，从而确保5ms的阈值。
[0156] 本地晶体振荡器的倾斜会不同，并且其可能迅速超过5ms的阈值。例如，在0°C至40 °C的范围内，2ppm准确度的好质量的TCXO在1 -2小时内可能超过+/-5ms。为了使能耗最小 化，每24小时与外部时间/频率源的时间同步应不超过一段时间。这相当于晶体振荡器的准 确度为最小〇. 〇5ppm，或更高。虽然存在这样的设备，但能耗显然较高，这限制了此设备在本 申请的应用。
[0157] 除了延长晶体振荡器的操作的过保持时段，显著挑战是在影响接收到的无线电信 号的质量的操作环境内破译时间基准信号。
[0158] 由于处理传输的信号产生的累计延迟和无线电传播延时与抖动结合可在接收到 的时间中引入显著的偏移。参照图15，这些包括：
[0159] 发射机延迟~Ims
[0160] 信号传播和接收器处理时间~IO-IOOms
[0161] 抖动~5-lOms。
[0162] 本发明的设置提供：
[0163] -种利用部署控制器在其部署期间评估每个测量设备的延迟的方法 ，如图16所 示；
[0164] -种评估抖动并且使抖动最小化的方法，如图17所示。
[0165] -种在无需分解完整的时间和日期基准码信号的情况下接收/破译准确的时间基 准的方法，同样如图17所示。
[0166] -种延长过保持时段并改进晶体振荡器的性能的方法，如图18所示。
[0167] -种适当地改变时间同步间隔(过保持时段）以确保维持自定义的准确的阈值(例 如，5ms)的方法，同样如图18所示。
[0168] 设置每个设备10的时钟模块90并且使用该时钟模块实施这些方法的步骤。
[0169] 现在将更详细地描述图15至18的方法。
[0170]在分布式设备中的RTC(实时时钟）的时间同步包括共同时间[协调世界时（UTC)] 的使用，该共同时间对齐时钟之间的偏移，并且提供定期检查，以维持和修正嵌入式振荡器 操作的速率。该设备之间没有直接的通信，并且因此交换无线电信息以使时间同步的方法 是不适用的。协调世界时（UTC)为规定时钟和时间的主要时间标准。RTC的特征在于其时间 (图14)、偏移(分布式设备的时钟报道的时间相对于基准/UTC时间的差异）、频率(时钟前进 的速率）、偏斜(时钟和基准/UTC时间之间的频率差，例如，稳定的振荡器具有恒定的偏斜） 和漂移（由偏斜的变化限定）。
[0171]分布式设备使用的RTC时钟的操作和得到的时间准确度可能经历显著变化。非线 性和相位噪声与热和电压波动，以及晶体振荡器的老化结合。结果，每个RTC的漂移不同，并 且由初始时钟偏移，瞬时时钟偏斜和附加的观察和测量噪声决定。这些成分中的不确定因 素需要准确地量化和最小化，因为这些不确定因素具有设备和网点特异性并且也随时间变 化，图14。
[0172]图15展示了与定期用于接收正确时间(UTC时间）的时间和频率基准信号相关的不 确定因素。可以利用来自不同国家发射机的时间基准信号-例如，UK的MSF，德国的DCF7 7和 美国的WWVB(用于通过RF信号传输准确的时间数据的振幅/相位调制时间码）。当前实施例 使用多频带接收器[UK(MSF)、欧洲/德国(DCF)、美国(WffVB)和日本(JJY)]。目前的分析是基 于从MSF(UK)接收到的数据，但列举的其它时间广播系统是适用的。图15展示了以# ￡传输 但以C而非接收的全球时间基准(UTC)。该应用要求限定时间同步误差应该不超过
但是，发明人完成的广泛的测量表明接收时间基准信号的总延
在20ms至350ms之间变化。尽管这在大多数无线电控制的时 钟所需要的Is的界限内，但幅度超过用于分析瞬变现象所需的时间同步准确度。当前时间 同步解决方案需要可靠地满足特定的时间同步误差界限，其也可以是用户通过如下方式在 部署上限定:系统地评估并使与（i)广播的时间基准信号(t TR)的特征和准确度、传播延时和 延迟(tlT)、抖动破译时间基准信号的持续时间（和准确度）（t PD)相关的不确定因素主 动最小化；以及在同步之间模仿本地石英晶体振荡器的行为并补偿其偏斜。这通过使用定 期评估修正项完成，使得在过保持时段、内的时间偏移在5ms内
并 理想地接近时间同步的上限（例如，5ms)。主要目的是通过使过保持时段最大化的同时在分 布式设备之间维持所需的时间同步准确度，从而使电耗最小化。偏移的修正项K定义为
,修正项K是评估的时间
和接收的UTC时间
之差。
[0173] 实施例包括可靠地限定在变化的环境和操作条件下评估的延时HI的方法和算法
丨:在该评估中，定义为
该总延时作为部署设置的一部分利用图16中概述的方法进行现场校准。抖动测量在连续调 制的第二时间标记之间的差异，该差异可以显著降低时间同步的准确度。与抖动C相关的 时间误差随影响通信的环境条件而变化并且对于每个同步事件，需要使其最小化；图17展 示了用于使f最小化的方法。
[0174] 理想的是，RT C可以维护时间同步事件之间的准确时间或"过保持"。过保持间隔 越长，而维持准确的时间同步的能耗越低。另一方面，过保持间隔受限于分析瞬时现象传播 的应用要求限定的时间同步的最大误差;这取决于在相对短的时间段，例如，数小时至数 天，晶体振荡器的漂移和偏斜以及环境条件(例如，温度）。图18描述了一种延长过保持时段 并改进晶体振荡器的性能的方法。在目前的实施例中，温度补偿晶体振荡器，TCX0,用作准 确度和低功耗之间的折衷。所描述的方法的过保持能力的范围从几个小时到几天不等，因 此显著提高TCXO的性能(例如，从2ppm至0.05ppm)。
[0175] 图16展示了评估延迟Consteal的方法。该过程在设备部署期间进行并且其包括： (i)在最小2min时段(每分钟120个连续的第二时间标志)或设备(记录器)接收器的IOmin的 平均时段接收并记录在调幅时间广播信号内的第二时间标志；（ii)通过嵌入部署控制器的 GPS接收器接收GPS PPS(脉冲-每秒)信号（I PPS GPS信号准确到1微秒)并通过有线或无线 链路使GPS PPS信号传送至该设备；（iii)计算GPS PPS信号和连续或累计的第二时间标志 的时间广播信号之差diff{GPSPPS-TimeTB}。然后应用统计测量和过滤技术以定义估计的延 迟并表征初始抖动。在部署阶段，用户还可以定义时间准确度的最大误差(例如，对于瞬变 现象分析为+/_5ms)。使用GPS PPS设定初始RTC时间（DD.MM. YYYY HH:MM: SS);该过程不要 求破译时间广播信号。
[0176] 图17描述了使抖动最小化的方法。无线电接收器通电，从调幅时间广播信号获取 第二时间标记组。第二时间标记之间的时间间隔应该确切为1秒。本地振荡器，其在短时段 (例如，几分钟）具有高稳定性，用于测量连续时间标记之间的时间间隔
I其中μ为经验阈值。在部署阶段评估嵌入式晶体振荡器在短时间段 的频率稳定性并且用阿伦方差描述。发明人获取的试验数据表明该抖动通常遵循高斯分 布。一旦接收到时间标记组，过程也终止。如果该过程超过了超时时段(例如，360s)而没有 成功获取连续的第二时间标志组，则过程也终止;在这样的情况下，该过程在预定义的时间 间隔（例如，60分钟）重复。超时时段的原因是可能出现偶然的通信问题，例如，车辆停放在 井盖上。基于圍__議圓__|_圍__计算P的平均值。这种方法比在每个同步事例破译时 间广播信号的传统方法具有明显的优势。该方法成功地处理弱信号。弱信号可能导致第二 时间标记频繁遗漏，从而显著延长破译过程的时间和能耗。
[0177] 图18展示了延迟过保持时段并提高晶体振荡器的性能的方法。在该实施例中使用 温度补偿晶体振荡器。TCXO使用温度模型以在温度范围补偿振荡器信号的漂移。该模型准 确到2ppm内。如果校准并根据个体振荡器调整先验温度模型，则可以显著提高晶体振荡器 (例如，TCX0)的性能。这是昂贵且耗时的过程。本发明基于个体振荡器性能及其操作条件 (例如，放置在地下室中的设备外壳内的温度变化不会显著改变)更新温度模型。从定期时 间同步获取的实际的误差漂移测量用于对温度模型进行微调。这样，可以实现~〇.〇5ppm的 改进的性能。该过程包括初始学习阶段，在该阶段进行更频繁的时间同步(例如，对于第一 个24小时，每3hr)。该设备还具有高准确度的温度传感器，其紧密靠近晶体振荡器；；每5分 钟测量一次温度。将测定的偏移，计算出的偏斜和测定的温度用于推断晶体振荡器、温度梯 度和偏斜之间的相关性。这以查找表、多项式曲线或仿射函数组完成。随着越来越多的数据 变得可用，该过程更新这些相关性及对其值进行自我调整。例如，如果测得的偏移在最大界 限内并且测得的温度在已知的F-T:频率-温度关系内，则增加过保持时段（例如，3hr S - 6hrs. . .->24hrs)。如果测得的温度或温度梯度在已知关系的范围之外，则进行更频繁的时 间同步以扩展F-T关系。这种方法保证时间同步过程是自动的，且通过适应性地控制时间同 步之间的时段以进行自我调整从而优化能耗和要求的准确度。
[0178][机械设计]
[0179] 如图11所示，设备10具有模块化设计，具有独立的主处理器模块46,电池模块47和 内存模块45。
[0180] 该电池模块47可以用功率转换模块(未示出）代替以便使设备10能够以任意的固 定电源运行(或能量收集器，例如，微型涡轮机）。电池模块47内的电池被最终用户轻易更换 (此功能性是现有的记录器不具备的）。当前的数据记录器配有独立的电池组，但这些电池 运行完时必须发送回制造商，这给最终用户增加大量的成本。本实施例提供IP68(非常高的 进入防护等级)外壳，最终用户可以轻易打开以更换电池。
[0181]设备10具有外部(可拆卸的）内存模块45。内存模块45上提供LED以便指示系统状 态，从而使技术人员能够看出是否需要更换模块。此方法也使主处理器模块46上的额外指 示器的安装最少化，从而使水进侵入和故障的危险最小化。
[0182] 在生产和安装期间，内存模块45和电池模块47都是填充空气并且加压的。这减少 水侵入的机会。其还防止该单元在被水淹的室中淹没在水下。在部署设置期间，测量和检查 独立的外壳上的压力以保证安全操作(安全和设备检查协议）。信息通过部署控制器向操作 者显示，同时也发送到中央服务器。
[0183] 可以用其他单元更换各个模块以升级关键功能，例如，设备10的通信选择、存储容 量、传感器接口，而不需要更换主设备硬件。例如，可以使用含有GPRS调制解调器的内存模 块45为缺乏通信能力的设备增加通信能力，相比更换整个设备10的成本，这能以该成本的 一部分使该设备升级至LTE。这在延长设备10的生命周期及其功能中具有显著的商业优势。 [0184][电池生命周期预测]
[0185] 现有的"智能电池系统"由可充电电池组成，该可充电电池与监测电池使用并且用 "充电状态"（SoC)表明系统正由电池供电的某些类型的数字控制器结合的。电池控制器在 多个放电/再充电周期测量电池电压和充入/充出，并用此信息来对自身进行校准。
[0186] 但是，数据记录器通常使用一次性电池，以便获得较高的能量密度和较低的自放 电速率（电池随着时间自发地损失电量的趋势）。只有已知存储在电池的初始能量，电池监 测芯片（"气体压力计"芯片，例如Texas Instruments BQ27000)才能准确监测电池在其寿 命中提供的功率。一次性电池在其寿命中可以提供的能量很大程度上取决于耗用电流，所 以，除非系统仅使用一种类型的电池供电，或者用户愿意录制电池消耗图，电池已提供的能 量并不能用指示于剩余寿命。锂电池的输出电压，主要记录器电池化学特性，在电池的大部 分寿命中是几乎不变的，所以也不能用于指示电池的剩余寿命(其还会随着系统温度而变 化)。
[0187]本实施例的设备的电池模块47包含的小存储器芯片（也提供唯一的ID用于资产跟 踪），可以被设备10的微型处理器30在正常运行中读和写。电池模块47设计成使用户可以自 行更换电池。在电池更换后，用户使电池模块47与中央服务器200通信（通过"上传单元"或 者"部署控制器"），该中央服务器在电池存储器芯片中记录更换电池的时间和日期，并重置 天数的计数，使之归零。同时，用户告诉中央服务器200其插入到模块47的电池的商标/型 号，该信息与电池模块的ID数字相关联直到下次更换电池的时间。
[0188]当启动设备10时，电池 ID写入其日志文件中，以便上传的数据具有与之相关联的 电池 ID。在运行期间，设备10会对电池模块的运行时间计数器进行一天一次或者多次更新 (此操作的次数仅受限于内存模 块EEPROM芯片的写入寿命，例如，具有50K周期寿命的芯片 以每2小时计算器更新可以持续11年）。设备10在单日的能耗一般大致是不变的，所以电池 寿命基于简单测量运行时间是有效的。
[0189]设备10具有多个安全设施，当电池耗尽时，其可以正常的关闭，并且在这种情况发 生时，会把电池寿命记录在其数据文件中。上传数据时，中央服务器200将因此能够建立电 池构造/模型的表格和已知的更好的寿命。该数据可以供部署控制器使用或者简单地手动 展示给用户。
[0190] 当用户将设备10部署在现场时，记录器可以从电池模块47读取电池寿命计数器， 并将其传送至用户的部署控制器，该部署控制器可以在预测的剩余寿命天数展示该信息。
[0191] 如上所述，电池外壳47的机械设计符合IP68。此外，在封闭在超过大气气压0.2-1 巴的范围时提供过压，电池外壳包含嵌入式数字气压传感器（主动式数字压力传感器 MS5534C Measurement Specialties)。当由电池供电的主模块46单元运行时，定期测量电 池外壳47的压力，如果检测到10%的变化，触发警报并可选择地与服务器200通信。程序还 可以在警报后短时段内关闭该设备10。用户可以设置此选项以另外防止水侵入并增加安全 性。在部署设置期间，测量并检查单独的外壳的压力，以确保安全操作（安全与设备检查协 议）。信息通过部署控制器向操作者显示并发送至中央处理器。
【主权项】
1. 一种流体流动监测设备，其设置成监测管道中的流体流动，所述设备包括采样装置、 处理装置和数据存储装置，其中： 所述采样装置设置成大致连续地从传感器接收数据并对该数据进行采样，以产生采样 数据流，所述数据指示由所述传感器感测到的至少一个变量，该变量指示管道中的流体流 动； 所述处理装置设置成处理所述采样数据流以从中提取至少一个子采样流，所述子采样 流包括多个数据集，每个数据集为所述采样数据流在各数据集时段的统计子集;并且 所述数据存储装置设置成存储所述至少一个子采样流。2. -种监测管道中的流体流动的方法，所述方法包括流体流动监测设备的步骤： 大致连续地接收来自传感器的数据，该数据指示管道中的流体流动，并操作所述设备 的采样装置以对数据进行采样，从而产生采样数据流； 利用所述设备的处理装置处理所述采样数据流，以从中提取至少一个子采样流;所述 子采样流包括多个数据集，每个数据集作为采样数据流在各数据集时段上的统计子集；以 及 利用所述设备的存储装置存储所述至少一个子采样流。3. 根据权利要求1所述的设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括在子采 样流的每个数据集中的所述统计子集包括:在所述数据集的各时段上，数据的最大值和/或 最小值和/或平均值和/或标准偏差和/或另一统计值。4. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括处理装置处理 采样数据流以从中提取概要信息的步骤。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设备包括通信装置，并且所述方法包 括通信装置定期将所述概要信息传输至远离所述设备的中央位置的步骤。6. 根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个子采样流包括 在特定时段的、比在在该时段所提取的概要信息提供的更完整的采样数据流的代表。7. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，包括在子采样流的每个数据 集中的所述统计子集包括:在所述数据集的各时段上，数据的最大值和/或最小值和/或平 均值和/或标准偏差和/或另一统计值。8. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在接收到对具 体时刻上的采样数据流的更完整的代表的请求时，传输对应该具体时刻的一个或多个数据 集。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从远离所述设备的中央位置或从与所述设 备本地连接的询问仪器接收所述请求。10. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，存在多个子采样流，每个子 采样流包括多个数据集，所述数据集包括采样数据流的统计子集，每个子采样流的数据集 包括在各不同长度的时段上的统计子集。11. 根据引用权利要求8时的权利要求10所述的方法，其特征在于，所述对更完整的代 表的请求为对多个子采样流中的每个子采样流的各部分的请求，并且其中所述通信装置响 应该请求而传输这些部分的每个部分中的所述或各个数据集。12. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述或每个子采样流存储在 环形缓冲区中。13. 根据权利要求4至权利要求12中的任意一项所述的方法，其特征在于，处理采样数 据流以从中提取概要信息包括:通过对在一段时期内的流中的连续数据点之差进行加和以 给出累计总和，且将该总和与指示瞬变事件的该总和的概率进行比较，以确定是否已经识 别瞬变事件，从而处理该流以识别瞬变事件。14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，处理所述采样数据流以识别瞬变和/或 非瞬变事件包括在该流的滚动时间段上处理所述流。15. 根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述总和是与指示瞬变现象的所述 总和的概率的记录进行比较的，该记录为针对总和的值该总和的发生概率的概率分布函 数。16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括通过记录每个总和及其发生频率， 在所述设备操作期间产生所述记录。17. 根据权利要求13至权利要求16中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述记录包 括指示概率值的阈值的指标，低于该阈值则判断所述总和指示瞬变事件，由此识别了瞬变 事件，所述方法包括通过参考所述记录，比较针对该阈值的所计算的累计总和的概率。18. 根据权利要求13至权利要求16中的任意一项所述的方法，其特征在于，响应于对瞬 变事件的识别，所述设备运行所述设备的显示装置，以指示该对瞬变事件的识别。19. 根据权利要求13至权利要求17中的任意一项所述的方法，其特征在于，响应于对瞬 变事件的识别，所述通信装置将指示所述对瞬变事件的识别的信号传输至中央位置。20. 根据权利要求4至权利要求19中的任意一项所述的方法，其特征在于，处理数据流 以从中提取概要信息可以包括:从采样数据流中确定概要统计信息，所述概要统计信息形 成所提取的概要信息的至少一部分;可选地，所述概要统计信息包括所述流的一部分的一 个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或方差和/或标准偏差值。21. 根据权利要求13,或引用权利要求13时的权利要求14至20中任意一项所述的方法， 其特征在于，响应于对瞬变事件的识别，所述处理装置产生瞬变现象描述符，该瞬变现象描 述符指示所识别的瞬变事件的一个或多个特征，瞬变现象描述符指示例如瞬变现象的梯 度、梯度的方向，瞬变现象的开始和/或停止幅度，或消散梯度。22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述处理装置利用所述或每个瞬变现象 描述符，以通过将所述瞬变现象描述符的值与瞬变现象描述符的值的发生概率指标相比 较，来产生瞬变现象的严重度的指标。23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在使用期间，将所述瞬变现象描述符的 值与所述瞬变现象描述符的多个测得值的概率分布进行比较，以确定所述值的概率。24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，将所确定的概率与一个或多个阈值相比 较，以提供瞬变现象的严重度，可选地，将瞬变现象在管道上的影响分类为低影响、中影响 或高影响。25. 根据权利要求22至权利要求24中任意一项所述的方法，其特征在于，使用所确定的 瞬变现象严重度，来确定来自通信装置的所提取的概要信息的传输频率。26. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述设备具有所感测数据的 多个通道，并且所述方法包括:所述设备大致持续地接收来自多个传感器中的各个传感器 的各数据，所述数据指示由各传感器感测到的各变量;所述采样装置对所述数据进行采样， 以为感测到的每个变量产生各采样数据流，所述方法使得每个流以大致相同的方式并行处 理。27. 根据权利要求1或权利要求3所述的设备，其特征在于，设置该设备实施根据前述任 意一项权利要求所述的方法。28. 根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述设备为模块，所述设备的组件容纳 在各壳体中，该壳体可以局部地或可选地，可拆卸地连接在一起操作。29. 根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述存储装置以及可选地所述通信装 置，如果有的话，容纳在内存模块中，该内存模块包括可被用户读取的显示器以指示所述设 备的操作。30. 根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述存储装置容纳在内存模块中并且设 置用于与询问仪器比如便携式计算机进行本地通信，并且可选地设置成在这种通信期间， 作为服务器操作。31. 根据权利要求28至权利要求30中任意一项所述的设备，其特征在于，其中将一个或 多个模块加压至含有高于大气压力的空气，使得所述模块趋于浮在水中并且抗腐蚀。32. 根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述或每个加压的模块可以包括气压传 感器，所述气压传感器设置成向所述处理装置提供数据， 其中，在检测到空气压力的下降低于一特定阈值时，所述处理装置被设置成标识出所 述模块有问题、应当被检查，并产生指示这的信号。33. 根据权利要求32所述的设备，其特征在于，电池模块包括ID芯片以唯一地识别所述 电池，当连接所述电池模块用于操作时，所述ID芯片可被所述处理装置读取。34. 中央控制和处理装置，其设置成：响应于来自所述中央控制和处理装置的请求，从 根据前述任意一项权利要求所述的多个设备中的每个设备中接收信息。35. -种分析管道网络中的流体流动的方法，其包括在中央控制和处理装置接收来自 多个设备中的每个设备的信息，所述设备设置成测量网络的管道中的流体流动，来自每个 设备的信息指示瞬变事件并包括该事件的发生的大致准确的时间戳。36. 中央控制和处理装置，其用于识别流体流经的管道网络中的瞬变事件的起因的大 致位置，该中央控制和处理装置包括处理装置，所述处理装置设置成基于来自多个设备中 的每个设备的信息、以及每个设备的地理位置的知识，确定瞬变事件的起因的大致位置，其 中所述设备设置成测量指示管道中的流体流动的参数。37. 根据权利要求34所述的中央控制和处理装置，其特征在于，进一步包括通信装置， 所述通信装置设置成从多个远程设备接收各所提取的信息，所提取的信息指示所述远程设 备相关联的各长度管道中的流体流动瞬变事件，所述所提取的信息包括与所述瞬变事件相 关联的大致精确的时间戮。38. -种用于监测组成网络的多条管道中的流体流动的流体流动监测系统，所述系统 包括多个根据前述任意一项权利要求所述的设备和根据权利要求34,36或37中任意一项所 述的中央控制和处理装置。
【专利摘要】一种流体流动监测设备(10)，其设置成监测管道中的流体的流动。所述设备(10)包括采样装置(20)、处理装置(30)和数据存储装置(40)。所述采样装置设置成大致连续地接收来自传感器(12)的、指示至少一个变量的数据，并对所述数据进行采样以产生采样数据流，所述至少一个变量由指示管道中的流体流动的所述传感器(12)感测。所述处理装置(30)被设置成处理采样数据流以从中提取至少一个子采样流。所述子采样流包括多个数据集，每个数据集为在各数据集时段的采样数据流的统计子集。所述数据存储装置(40)被设置成存储所述至少一个子采样流。
【IPC分类】G05B21/00, G01F1/00
【公开号】CN105492874
【申请号】CN201380071950
【发明人】亚瑟-约翰·霍斯金斯, 伊凡-约尔丹诺夫·斯托亚诺夫
【申请人】英佩雷尔创新有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2013年11月28日
【公告号】EP2926094A1, US20150308627, WO2014083340A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于监测管道中的流体流动的设备和系统，以及方法。在实施例中，本 发明涉及监测供水系统中的水流。
【背景技术】
[0002] 有时假设供水系统在稳态液压条件下操作。事实上，由于需求的随机性、阀门、栗、 故障浪涌保护设备的操作以及偶尔的爆裂等原因，这些液压条件经常是准稳定和不稳定 的。通过接近实时地降低并控制操作压力的这种管理泄露的现行驱动力，则会由于引入了 液压不稳定性而可能进一步恶化该问题。此外，栗优化包括频繁开关栗以降低能量，导致液 压条件突然变化。这造成管压力增加并引起相关的疲劳故障。这些突然和渐进的液压变化 引起爆裂等级提高和极大的修理管故障方面的成本，并且民事诉讼基于修理管故障所遭受 的相关的金融损失。
[0003] 因此，导管老化的基础装置保持在稳态液压条件以延长使用寿命是非常理想的。 这要求持续监测和分析动态液压条件，使得故障或其它不良事件可以被迅速识别并修复或 以一些其它方式解决。
[0004] 用于监测供水网的液压条件的当前的工业实践利用以每15分钟一个样本(在本发 明中指的是15min采样)的频率采样的监测设备。这些监测设备在采样期间断电以使功耗最 小化并延长电池寿命。因此利用这些设备获取的数据仅提供液压条件的定期快照，不捕捉 动态液压行为和/或瞬变和浪涌事件。
[0005] 已经存在能高频采样以监测压力瞬变现象，比如压力浪涌的设备。例子为专利号 为7,219,553的美国专利和专利号为7,357,034的美国专利公开的那些设备。随着采样率提 高，当检测到事件时，这些设备捕获预定义瞬变事件并且将这些事件存储在内部存储器中。 浪涌，瞬变事件的例子，由变化的速率(利用梯度检测器)和最大阈值确定。瞬变事件的解释 由操作人员完成，并且其需要使用专门的工程技术。
[0006] 专利号为7,219,553的美国专利和专利号为7,357,034的美国专利所述的系统和 其它浪涌监测设备的主要缺陷为：
[0007] (i)由于通过绝对值和梯度阈值触发采集，因而只捕获极端浪涌事件。事实上，动 态液压条件是随机的并且具有频率和振幅范围宽的特征。这些被现有设备忽略。
[0008] (ii)来自多个位置的事后浪涌数据的集合明显受阻，因为瞬变现象可能已经消散 成低于既定的触发阈值并且不被捕获。这明显限制用于分析浪涌事件并诊断故障的所捕获 的数据的质量和可用性；以及
[0009] (iii)该系统主要部署在地上设施中，因为其需要使用大型能源(例如，太阳能大 电池板)和视线(GPS)以使时间同步。
[0010] 发明人在液压瞬变现象领域的研究证明这些事件具有不同的特征、发生频率、振 幅、形状、变化率和能量消散。大部分这些事件不构成引起即时导管故障的突发的和极端的 瞬变现象。动态液压条件通常包括低振幅高频率的压力振荡，对于这些压力振荡，触发值， 比如梯度检测器和阈值，是不合适的。
[0011]降低触发值将导致连续采样，伴随着对数个数量级的更多数据的获取，而这些数 据是现有的浪涌（即，瞬变现象)记录仪器所无法管理的。
[0012] 所述的动态液压条件也不会立即危及导管的完整性。发明人的实验研究已经证 明，这样的事件造成疲劳故障并加速疲劳引起的腐蚀。这两种机制促进管劣化和爆裂频率。 此外，流速的快速变化增加沿管壁的剪切应力，这导致沉积物再悬浮和生物膜冲蚀。结果， 动态液压调节还影响水质，减少余氯，并导致变色和客户投诉。这些例子说明，瞬变事件比 如浪涌事件的定义和特征明显需要比专利号为7,219,553的美国专利和专利号为7,357， 034的美国专利中所述的更精细的处理和数据管理惯例。
【发明内容】
[0013] [分层存储;子采样;统计子集]
[0014] 根据本发明的第一方面，提供流体流动监测设备，其设置成监测管道中的流体流 动，该设备包括采样装置，处理装置和数据存储装置，其中：
[0015] 该采样装置设置成大致连续地接收来自传感器的、指示至少一个变量的数据，并 采集该数据以产生采样数据流，所述变量由传感器感测，表示管道中的流体流动。
[0016] 该处理装置设置成处理采样数据流以从中提取至少一个子采样流，该子采样流包 括多个数据集，每个数据集作为在各数据集时段的采样数据流的统计子集。
[0017] 该数据存储装置设置成存储该至少一个子采样流。
[0018] 根据本发明的第二方面，提供监测管道中的流体流动的方法，该方法包括流体流 动监测设备的步骤：
[0019]大致连续地接收来自传感器的数据，该数据指示管道中的流体流动，并操作设备 的采样装置以对数据进行采样，从而产生采样数据流。
[0020]利用该设备的处理装置处理采样数据流以从中提取信息；
[0021 ]将所提取的信息通过操作该设备的通信装置定期地传输至中央位置；
[0022] 利用该设备的数据存储装置存储比所提取的信息所提供的更完整的、至少一个时 间段的采样数据流的代表；
[0023] 在通信装置中接收来自所述或另一中央位置的、对该时间段期间的采样数据流的 更完整的代表的请求，并响应该请求，将更完整的代表传输至所述或另一中央位置。
[0024][解决现有设备的缺陷]
[0025]在现有设备中，是不可能追溯地"返回"并提取任意时间间隔的高频时间同步的数 据或定期数据快照之间的数据以便获得更多关于感兴趣的事件的信息;不能获得并且丢失 这些时段数据。例如，如果爆裂或另一故障发生，操作者不可能在爆裂之前查询动态(非稳 态)液压条件，或对历史数据进行上采样(增加时间分辨率），并以相同时间间隔查询多个设 备以识别故障原因和机制。通过提供至少一个子采样数据流，即，通过分层存储数据的统计 子集，使所述设备当地连接至询问设备或远程连接至通信链路可以轻易获得在感兴趣的时 间段的相关信息。
[0026][定期报告]
[0027]该设备可以包括通信装置。所述处理装置可以被进一步被设置成处理采样数据流 以从中提取概要信息。该通信装置可定期地设置成将概要信息传输至远离该设备的中央位 置。该至少一个子采样流可以包括在特定时段上的、比在在该时段所提取的概要信息提供 的更完整的采样数据流的代表。
[0028] [感测到的变量]
[0029] 感测到的变量可以为流体压力和/或流体速度和/或管道中的流动高度。感测到的 变量可以指示水质，例如氯浓度或水浊度。该设备可以包括传感器。
[0030] 包括在子采样流的每个数据集中的统计子集可以包括在各时段的数据集中的数 据的最大值和/或最小值和/或平均值和/或标准偏差和/或另一统计值。
[0031 ][追溯询问]
[0032] 该装置还可以被设置成，在所述通信装置从所述或另一中央位置接收对在具体时 间的更完整的采样数据流的代表的请求时，将一个或多个对应该具体时间的数据集传输至 所述或另一中央位置。对更完整的代表的请求可以为对所述至少一个子采集流的至少一部 分的请求。该通信装置可以传输包含在该部分中的所述或各数据集。
[0033] 可以有多个子采样流，每个子采样流包括多个数据集，该数据集包括采样数据流 的统计和或抽取子集，每个子采样流的数据集包括在各不同长度时段的统计子集。换句话 说，每个子采样流可以以不同频率进行子采样。该频率的差别可能是数量级的。
[0034] 在多个子采样流的情况下，对更完整代表的请求可以为对来自多个子采样流中的 每个子采样流的各部分的请求。该通信装置可以响应该请求，传输这些部分中的每个部分 的所述或每个数据集。
[0035] 存储的所述或每个子采样流的持续时间可以是预定义的持续时间。这对每个子采 样流可以是相同的。所述或每个子采样流可以存储在循环缓冲区中。该设备也可以存储相 应的持续时间的采样数据流的连续流。这也可以存储在环形缓冲区中。持续时间可以为几 天或几周或几个月的数量级。
[0036][米样]
[0037] 可以以高频率通过采样装置采样。例如，频率可以在每秒64和1024个样本(S/s)之 间。例如，256S/s。采样率可以是这两个比率中的任何一个;其可以为在这两个比率之间的 任何比率。在其它实施例中，可以使用另外的采样。在感测的变量为流体压力的情况下，采 样率可以在100和300S/s之间，并且可以为200S/s。在感测的变量是流体速度的情况下，采 样率可以在0.5和2S/s之间，并且可以为lS/s。水质变量(氯和浊度）以15分钟采样，但如果 检测到瞬变现象，则会触发更快的采样率(5mins)。可以将压力作为主要的变量以引起第二 变量的采样率提高。可以通过处理装置控制采样装置的采样率。采样率可以这样控制：响应 在通信装置接收来自所述或另一中央位置的信号以改变采样率。该采样装置以时间戳戳记 每个数据点，该时间戳对应感测到该数据点的时间。
[0038] 该采样装置大致实时接收来自传感器的数据。采样数据流可以由采样装置大致实 时产生。
[0039] [识别瞬变现象]
[0040] 处理采样数据流以从中提取概要信息可以包括识别瞬变事件和/或识别非瞬变事 件。瞬变和或非瞬变事件的识别可以形成所提取的概要信息的至少一部分。处理可以包括 处理部分采样数据流，每个部分对应各自的时间段。该部分可以为对应滚动时间段的部分。 换句话说，该处理可以在采样数据流上的滚动窗口上。可以选择时间段使其足够长以使每 个部分包括系统(管道和/或设备形成该系统的一部分)经历的最长瞬变事件的完整的采样 数据集。对于每个部分，可以分析采样数据以确定该部分是否包括指示瞬变事件的数据。这 可以通过对在该时间段的连续数据点之差加和以给出累计总和完成。可以比较总和与该总 和指示瞬变事件的概率，确定是否已识别瞬态事件。这可以通过比较该总和与该总和指示 瞬变现象的概率的记录完成。该记录可以为针对总和的值该总和发生的概率的概率分布函 数。该记录可以在设备操作期间通过记录每个总和及其发生频率产生。在操作期间该记录 可以持续更新，并且计算每个累计总和。该记录可以包括指示概率值的阈值指示，低于该阈 值确定总和指示瞬变事件，因此已经识别瞬变事件。可以比较计算的累计总和的发生概率 与阈值。因此，瞬变现象线性检测算法使独立设备能进行自主的自动调节并且该过程具有 网点特异性-不同供水系统会经历不同水平的动态液压行为(背景行为）。
[0041]响应于对瞬变事件的识别，该通信装置可以传递指示该事件的信号至中央位置。 这可以在没有等待所提取的概要信息的下一次定期传递的情况下发生。其可能在识别瞬变 事件时发生。该信号可以包括来自已经识别的瞬变事件的部分的数据。
[0042][概要统计信息]
[0043]处理数据流以从中提取概要信息可以包括确定来自采样数据流的概要统计信息， 该概要统计信息形成所提取的概要信息的至少一部分。该概要统计信息可以包括该一部分 流的一个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或方差和/或标准偏差值。该概要信息 可以包括时间段，称为"概要时间段"，的一个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或 方差和/或标准偏差值这可以对应该部分中的多个部分。例如，该概要时间段可以为一或多 小时、天或周。在实施例中，持续监测动态液压行为的概念还会对通信间隔有影响。如果管 网络的液压几乎没有变化并且处于稳态，该系统可以忍受在通信之间（例如，每小时一次VS 30分钟的当前趋势）的更长的时段。
[0044]通过通信装置传输所提取的信息的时段将大致与概要时间段相同。 [0045] [PDF和影响度量]
[0046]该处理装置可以产生瞬变现象描述符以响应识别瞬变事件，该瞬变现象描述符指 示识别的瞬变事件的一个或多个特征。瞬变现象描述符的例子为瞬变现象梯度，即，感测到 的变量在瞬变现象的时间或一些其它时间比如在识别瞬变现象的各部分的持续时间上随 时间变化的速率。其它瞬变现象描述符包括瞬变现象的梯度方向、开始和/或停止幅度、消 散梯度，梯度变化顺序。处理装置使用所述或每个瞬变现象描述符以产生瞬变现象严重度 指示。这可以通过比较瞬变现象描述符值和该瞬变现象描述符值的发生概率的指示完成。 这能以与识别瞬变现象的方式大致相同的方式完成。例如，可以比较该瞬变现象描述符的 值与在使用期间该瞬变现象描述符的测量值的概率分布以确定该值的概率。确定的概率可 以与一个或多个阈值比较以给出瞬变现象的严重度。因此，该设置可以提供自动地自主调 节和具有网点特异性的阈值。该阈值可以用于将瞬变现象按其严重度分类。瞬变现象可以 分为三类。对应低关注度、中关注度和高、高关注度的瞬变现象。这些严重度的测量可以被 称为"影响度量"。影响度量可以结合概要统计信息的结果。该影响度量可以形成定期发送 至中央位置的所提取的概要信息的一部分。
[0047]影响度量可以确定从通信装置传输所提取的概要信息的频率。为了响应上升高于 预定阈值的影响度量，可以更频繁地传递所提取的概要信息。为了响应低于所述或另一预 定阈值的影响度量，可以较不频繁地传递所提取的概要信息。指示高关注度的瞬变现象的 影响度量可以大致立即开始将所提取信息传输至中央位置。
[0048][多个通道]
[0049]该设备可以具有所感测的数据的多个通道。该设备可以大致持续接收来自多个传 感器中的各个传感器的各数据，该传感器指示由各传感器感测到的各变量。采样装置可以 对数据进行采样样本以产生感测到的各变量的各采样数据流。该设备可以这样设置，以及 该方法使得每个流以大致相同方式平行处理。
[0050][时钟漂移]
[0051 ]根据另一方面，提供感测设备，其被设置成接收来自传感器的高频数据并且使该 数据的数据点各与各自的时间戳相关联，该设备包括时钟模块和接收装置，该时钟模块包 括本地时钟，该本地时钟用于计时并进一步包括信号接收装置，该信号接收装置被设置成 定期接收来自指示精确时间的远程来源的无线时间信号，该时钟模块被设置成比较本地时 钟保持的时间与时间信号，并调节本地时钟，从而提高其计时的准确性。
[0052] 该时钟模块可以重复地，并且可选地定期地被设置成比较本地时钟保持的时间与 时间信号，并且调节本地时钟。该时钟模块可以通过在一段时间使时钟加速或减慢不同时 间可变地调节本地时钟。该时钟模块可以获知本地时钟如何在一时间段参照精确时间趋于 变化并通过调节该时钟补偿此变化以大致实现精确的计时。该时钟模块还可以接收指示本 地温度的信号并至少部分地基于该信号改变本地时钟。该设备起初可以更频繁地操作该接 收装置从而接收时间信号，以便获知本地时钟如何趋于变化，并且接着，在已经得知本地时 钟的变化时，较不频繁地操作该接收装置。
[0053] 另外，此方面的设备可以为第一方面的设备，具有相同的特征和可选的特征。类似 地，该方面的特征还可以为任何其它方面的特征。
[0054] [模块化]
[0055] 任何方面的设备可以模块化。该设备的组件可以容纳在各自的壳体中，壳体可以 局部地，并且可选地，可拆卸地连接在一起操作。处理装置可以容纳在主模块中，存储装置 以及可选地，所述通信装置（如果有）可以容纳在内存模块中；所述传感器以及可选地所述 采样装置可以容纳在传感器模块中。电源，比如电池，可以容纳在电源模块中。该内存模块 可以包括在其壳体中的显示器，该显示器指示该设备的操作和获取的数据。该显示器可以 指示前期是否已经确定瞬变事件;其可以指示任何确定的瞬变事件的严重度。该显示器可 以指示应力影响度量。该内存模块可以设置成与询问仪器，比如便携式计算机，进行本地通 信。其可以是有线或无线通信。该内存模块可以设置成在这种通信期间作为微型服务器的 服务器操作。所述或各增压模块可以包括气压传感器，该气压传感器设置成向处理装置提 供数据。当检测到气压下降低于特定阈值时，该处理装置可以识别有问题，应该检查的模 块，并产生指示信号。该信号可以传送至中央位置。还可以关闭处理器以进行响应。
[0056] 电池模块可以包括ID芯片以独特地识别该电池，当连接该电池模块以进行操作 时，可以通过处理装置读取该ID芯片。
[0057] [中央处理]
[0058] 根据本发明的第三方面，提供中央控制站，用于识别流体流动的管道网络中的瞬 变事件的起因的大概位置，该中央控制站包括处理装置和通信装置，其中：
[0059] 该通信装置设置成从多个远程设备接收指示在与远程设备相关联的各长度的管 道中的流体流动瞬变事件的各自提取的信息，该提取的信息包括与瞬变事件相关联的大致 精确的时间戳;并且
[0060] 该处理装置设置成基于所提取的信息设置和对各设备的地理位置的了解确定瞬 变事件的起因的大概位置。
[0061] 该第三方面的远程设备每个都可以为第一方面的设备之一。
[0062] 该中央控制和处理装置可以包括至少一个计算机处理器，相关的计算机可读的非 易失性存储器和相关的可视显示装置。
[0063] 根据本发明的第四方面，提供用于监测组成网络的多条管道中的流体的流动的流 体流动监测系统，该系统包括第一方面中定义的多个设备和第三方面中定义的处理装置。
[0064] [综述]
[0065] 对于上述所有方面，除了上述引用的可选特征参照第一特征工作所需的另一可选 特征外，上述引用的可选特征中的每个可以与其它可选特征分开在实施例中提供。还设想 可选特征可以以任何可行的组合一起包含在实施例中。如果进一步设想，每个方面的可选 特质也是每个其它方面的可选特征。
[0066] 按照设想，在优选的实施例中，管道为供水系统，比如，向居民和/或工业水用户供 水的供水系统，的供水管道。在其它实施例中，该管道可以为废水系统的管道、油或天然气 管、制炼厂或核电厂的管道。其它应用也是可能的和设想的。特别地，按照设想，该设备、方 法和系统可以用于感测影响结构，比如，桥梁、道路、建筑物和其它结构的参数，而非指示管 道中的流体流动的变量。在这些应用中，可以感测下面的另一个或所有：力、频率和/或振 幅、声音幅度和/或频率、位移。不能一一列举。
[0067]实施例的至少一些特征提供如下：
[0068] (i)连续监测和追溯查询并且从多个嵌入式记录/遥测设备提取高频数据以表征 动态液压条件，并促进故障的事后分析和浪涌保护设备的诊断。这排除了专利号为7,219， 553的美国专利和专利号为7,357,034(频繁地忽略关键事件，不捕获关键数据并且不可以 提供用户选择的任意事件的历史高频数据)所述的复杂的变速记录设定。
[0069] (ii)检测与所设计的复杂供水系统内的稳态液压条件的近实时的偏离。从准稳态 和导管物理的瞬变数据提取的相关信息和拓扑信息用于计算瞬变现象指数（系统应力水 平）以便于迅速识别非最优化的操作并触发维修。这也会包括由于故障或错误设置控制阀 导致的液压不稳定性检测。使配水系统保持在稳态液压条件下将显著延长基础设施生命周 期，减少修复爆裂的年度成本，并减少色变事件的数量。
[0070] (iii)诊断浪涌保护设备的操作和与其设计规范的偏离;该数据用于检测、定位和 安排故障控制和气阀及失灵的浪涌保护装备的维修。其也可以用作浪涌保护设备根据其设 计规范操作的安全保证和预防措施。比较供水系统对液压瞬变现象的范围的应答。
[0071] (iv)确保并监测栗优化方案的安全执行。
[0072] (V)通过连续获得高频压力信号和在不同的压力变化下检测梯度变化监测泄漏的 输水干线。
[0073] (vi)使用仪器作为存储原始高频数据、在预定义间隔(例如，ls，l分钟，15分钟)组 的压力变化的统计测量和瞬变事件的标记的分布式数据库。该设置对以非常低的功耗完成 连续高速时间同步数据至关重要。
[0074] (Vii)降低由液压瞬变现象产生的亚大气压引起的水质污染的风险。
[0075] (vi i i)控制余氯的突然变化(降低)的风险。
[0076] (ix)降低液压条件的可变性将提高近实时液压模拟模型的准确性。
[0077] (X)连续采样/监测的节能的数据管理和优化的数据存储。
【附图说明】
[0078] 现结合附图，仅通过实施例的方式描述本发明的特定实施例，其中：
[0079] 图1为包括中央控制站和五个远程设备的流体流动监测系统的示意形式的总貌；
[0080] 图2为远程设备的一个代表的硬件设置的示意图；
[0081] 图3为图1的远程设备的操作的示意图；
[0082] 图4为图2的远程设备的一部分操作的详细的示意图；
[0083] 图5为图2的远程设备的另一部分操作的详细的示意图；
[0084] 图6为中央服务器的硬件设置的示意图；
[0085] 图7为中央控制站的操作的示意图；
[0086] 图8为中央控制站的一部分操作的详细的示意图；
[0087]图9展示了瞬变事件和瞬变现象描述符的代表；
[0088]图10为该系统的组件的地理位置的示意性代表；
[0089] 图11为图2的远程设备的模块化组件的透视图；
[0090] 图12为手动访问设备和加载数据的流程图；
[0091] 图13展示访问、下载和处理数据的数据管理程序；
[0092] 图14展示用于广域监控的时间同步；
[0093] 图15展示时间广播信号的不确定性；
[0094] 图16为展示估计延迟的方法的流程图；
[0095] 图17为展示使抖动最小化并破译准确的时间基准的方法的流程图；以及
[0096] 图18为展示延长过保持时段的方法的流程图;并且 [0097]表1为展示存储在图2的远程设备中的数据的例子的表格。
【具体实施方式】
[0098] 输水和配水系统是控制等级高、故障后果严重的重要基础设施。对动态液压行为 所致使的负载条件的连续监测，有助于维持老化管线的基础设施的结构强度、以及保护水 质。监测和控制动态液压条件需要用于收集连续高频时间同步数据并在严苛的电力约束下 管理大容量数据的新方法和仪器。该监测系统也应该能近实时查询并追溯查询任意时间段 所提取的、高频的、时间同步的液压数据。当发生爆裂或其它故障并且要求起因分析以在系 统故障之前和之时通过提取高频的、时间同步的数据识别故障机制时，这特别有用。
[0099] 图1展示了包含本发明的系统100的总貌。可见，该系统100由若干远程设备10组 成，该远程设备被设置成与服务器200形式的中央控制站通信。在该实施例中，该通信为无 线通信，下文将进行解释。每个远程设备10为流体流动监测设备，其被设置成监测管道中的 流体流动。每个设备10由若干硬件组件组成，每个硬件组件实施若干功能。
[0100] 图2更详细地、示意性展示了组成设备10的一个代表的主要的硬件组件。
[0101] 该设备包括传感器12形式的感测装置。虽然在其它实施例中设想该传感器可以用 于其它应用，但在该实施例中，该传感器12被设置在供水网的管道中。该传感器12被设置成 感测指示管道中的水流动的变量。该变量可以包括，例如:流体压力、速度、高度或温度，或 任何其它特征。在该实施例中，感测的变量是压力。该传感器12以连续信号实时提供指示感 测到的压力的数据。
[0102] 该设备10也包括模/数转换器(ADC)20形式的采样装置20,模/数转换器(ADC)20接 收来自感测装置12指示感测到的压力的数据。ADC20被设置成以高频率对数据25进行采样。 在该实施例中，以200S/s的速率对指示水压的数据进行采样。ADC使用时间戳戳记每个数据 点，以输出用时间戳戳记的采样数据流27。该数据用高准确度的时间戳戳记，在该实施例 中，时间戳准确到毫秒内。结合附图X，下文更详细地描述了该时间戳。
[0103] 该ADC20的输出向微型处理器30形式的处理装置提供输入，RAM35与该微型处理器 30相关联并且通过该微型处理器30可以访问该RAM35。该设备还包括非易失性存储器40形 式的存储装置，在该实施例中，非易失性存储器40为闪速存储器。该微型处理器40设置成与 NVM40通信以从中读取数据，并将数据存储在该微型处理器中。该设备10进一步包括无线电 模块50形式的通信装置，无线电模块可操作地连接至微型处理器30并被设置成根据GSM和 GPRS标准通过移动蜂窝电话网络（图2未展示)通信。
[0104]系统100的每个设备10具有来自各传感器12的数据流的一个或多个输入通道。
[0105] 虽然为了简化，图2展示的设备10具有单个传感器12和来自该传感器的数据的单 个通道。可以设想，系统100的其它设备10可以具有多个传感器，每个传感器感测指示流体 流动的不同变量。每个传感器12具有各连续数量流，并且在设备10的单独通道中各被看作 是独立的自变量。对具体的变量，采样率可能不同：例如，
[0106] 以200S/s测量流体压力，并且以lS/s测量流体流速，而仅每15分钟一次测量温度 或电池电压。以15分钟对水质变量(氯和浊度)进行采样，但如果检测到瞬变现象，则触发更 快的采样率(5min)。压力可用作出触发次变量的采样率提高的主要变量。数据源也可以通 过在一个或多个其它数据源上计算产生。例如，可以从流体压力数据源产生代表"已经检测 到瞬变现象"声明的布尔数据源(仅具有值"真"和"假"的数据源）。
[0107] 参见图3,该图展示了设备10中的数据流动而非硬件设置，来自ADC20的时间戳的 采样数据经历两个主要的处理操作:瞬变现象信号分析110,其中微型处理器30从信号中提 取信息；以及分层存储120,其中来自ADC20的时间戳数据通过微型处理器30进行子采样，分 成若干平行的子采样流并存储在非易失性存储器40中，其可用于后期检索。该模块被设计 成以高采样率维持连续采样，而使能量使用和通信最小化。该系统操作被配置成通过"查 询"，由中央服务器200发送指令和请求，设备10与中央服务器200通过无线电模块50通信。 这些查询设定瞬变现象信号分析110的参数并定义由设备10利用"持续查询"有规律地传输 的数据:存储在设备10上并持续运行直到由另一查询停止。瞬变现象信号分析的结果和由 查询产生的数据传递至中央服务器200。
[0108] [分层存储]
[0109] 图4展示了扩展的"分层存储"系统。设备10中感测到的每个变量（来自各传感器 12)，在被ADC20采样后，存储为"分层流"。因此，由于有多个传感器12,所以将有许多分层 流。图4展示了分层流130,在该实施例中，分层流130为分层流的代表。该分层流130包含来 自ADC20的原始数据和与原始数据平行存储的数据的若干子采样流（由微型处理器30进行 子采样）。该子采样流由许多数据集组成。子采样流中的每个数据集由元组组成，元组由子 采样项的开始时间和原始数据随数据集项涵盖的时间的一些统计描述组成。
[0110]由微型处理器30执行的统计子抽样的类型取决于数据的类型：对于连续变量数 据，计算最小值、最大值、平均值和方差值;对于布尔数据，可以计算数据项的逻辑或。在产 生子采样集时，也可以计算其它统计值，比如标准偏差。表1展示了每15秒读取一次的数据 源和设想从该数据源创建的一分钟的统计子样本。
[0111] 这些子采样流能使长时段的数据能够被检索到，而没有仅访问原始数据的情况下 要获得针对相同时间段的信息而需要的大量的数据访问。这对管理大容量数据，同时使通 信时间和能量最小化是至关重要的。例如，如果仅存在原始数据，一小时200S/S数据要求读 取720，000次数据，但仅要求读取60次一分钟子采样集。
[0112] 原始数据，以及子采样数据集，以其测量顺序存储。因而，通过增加时间值对每个 数据流进行排序。这使得在不使用检索的情况下，能够查找到在特定时间值的数据，因为可 以使用有效的二进制搜索（区间分半搜索）算法。存储介质是环形缓冲区，新记录的数据项 将因此总是存储在该环形缓冲区上。如果介质是满的，则最旧的数据将被删除以腾出空间。 一旦写入，数据将永远不会被修改。因此，不管设备10后续发生了什么，从该设备复制的数 据都可以被认为是可靠的。子采样集的使用带来存储损失，通常在5%和10%之间，但考虑 到存储成本低，该损失是微不足道的。
[0113][瞬变现象信号分析]
[0114] 与上述分层存储系统平行，每个设备10也在ADC 20提供的原始(流)数据上进行分 析。如图5所示。这些处理操作在设备10测得的每个数据源上平行实施。
[0115] 每个设备10的RAM35和处理功率是有限的，因此所有的数学操作在滚动的窗口缓 冲区中进行。这一缓冲区的尺寸是特定于实现的，但其范围通常在30秒（s)至300s:足够长 以保持最长瞬变现象的完整图像(瞬变现象的最大持续时间取决于一些因素，比如系统拓 扑结构、管尺寸、瞬变事件的性质和来源，等等）。在该实施例中，对于指示水压的数据，该缓 冲区为300s。
[0116] 滤除传感器噪声(例如，使用移动平均法)之后，第一数据处理任务是"瞬变现象选 择"功能方块140。这包括将数据划分为可能的瞬变现象和可能的非瞬变现象。假设，在窗口 缓冲区的短时段内平均信号值不会改变，因此差的总和始终大约为零。构建窗口中的后续 样本之间的差的总和的累计分布函数(CDF) XDF是基于测得的发生频率，总和的值针对其 发生概率的记录。如果根据CDF总和是"不太可能的"（例如，〈0.1%的机会），那么该窗口声 明保留瞬变现象。通过该系统的数据越多，CDF变得越好。该方法使得勉强高于信号噪声基 底的瞬变现象能够被检测到，与现有设备(通常为简单的斜率检测器并且仅检测较大的瞬 变现象)上的瞬变现象检测形成鲜明对比。该方法还是自调整的，因此具有网点特异性。
[0117] 在一周中的每一天从非瞬变现象信号收集汇汇总统计（"定期统计指示器"），比 如，最小值、最大值、平均值和方差/标准偏差。功能方块150展示了该汇总统计。这些汇总统 计被存储在本地，并且被定期传输至中央服务器。在本实施例中，收集所有的这些统计。
[0118] 方块160的"瞬变现象现象分类"任务使一组变量拟合至检测到的瞬变现象(在方 块140检测到的），以便提供该事件的压缩描述(例如，瞬变现象矢量）。在图7的系统中可以 看见测得的瞬变现象的顶部上的拟合的变量组的例子。其展示了在y轴上由传感器12测得 的和通过ADC20采样的压力针对在X轴上的时间的图。在这些实施例中的描述包括瞬变现象 振幅(也称为起始幅度）、瞬变现象梯度(在图7中未示出）、瞬变现象消散梯度，其可以被认 为是从第一峰或瞬变现象的波谷至瞬变现象基本消散的点的斜率和交替的梯度的顺序。对 于每个描述，除了通过瞬变现象的时间(对于每个瞬变现象，时间明显不同）之外，使用描述 值构建概率分布函数(PDF)。这在方块162中完成。该PDF展示特定类型的瞬变现象的发生概 率并且是定期的（例如，每24小时一次）。这些PDF发送至中央服务器200。随着设备10的运 行，聚合的数据越多，PDF变得越准确。
[0119] 使用瞬变现象PDF，收集变量组、包括其起始时间的时间、描述代表性瞬变现象并 发送至中央服务器200。这在方块165完成。代表性瞬变现象为根据瞬变现象TOF有规律地重 复或是"独特的"（概率低）的瞬变现象。中央服务器使用瞬变现象的快照，以便使来自不同 测量位置的事件交叉相关。
[0120] 使用定期统计指示器和瞬变现象PDF在记录器上计算简单的"影响度量"（impact metric)。这在方块180完成。该影响度量利用关于平均管道的物理性质，以便对应力的量进 行分类;通俗地说，被测量的管节段处于有限数量的状态中。接着，这些信息可以在设备10 的显示装置上显示(在该实施例中，该设备进一步包括可移动的内存模块，该内存模块容纳 NVM 40并且包括三个不同颜色的LED，LED用于在方块185指示影响度量），以便使本领域技 术人员能够评估在该点的网络的情况。对于不能与中央服务器200通信和依靠内存模块的 手动收集的设备10,本地"应力"指示可以展示是否值得在特定时间收集该内存模块。也可 以使用本地影响度量改变数据传输的速率：当检测到那些产生高影响度量的极端瞬变现象 时，设备10可以自动地设定成将事件数据立即传输至中央服务器而非等待其正常传输时 间。利用交通灯系统将本地影响度量分等级。使用红色警报触发与中央服务器200的即时通 ?目。
[0121] [中央处理]
[0122] 图6以示意形式展示了中央服务器200。该服务器200包括通信装置，形式为模块 210,其被设置成与互联网通信，并因此通过任何合适的用于通信的装置与每个设备10通 信。该服务器200还包括与无线电模块210通信的微型处理器220，RAM23 0和非易失性存储 器240,两者都与微型处理器220进行读/写通信。NVM240构成中央数据存储区240。还提供图 形用户界面250形式的输入/输出装置。
[0123]图7展示了中央服务器的功能设置的概况。该服务器200通过互联网模块210接收 由事件、瞬变现象统计和来自在其控制下的所有的记录器记录器云"210的波形数据构成 的数据。
[0124]该中央服务器200执行两个主要任务:在其永久数据存储区中存储并请求来自记 录器10的数据；以及将来自所有的记录器的瞬变现象分析数据结合到广泛的网络分析中。 该中央服务器还提供用户界面，其由用于查看传感器数据的交互式图形和用于显示地理位 置数据的交互式地图组成。按照设想，该中央服务器还从各种位置(检测到具有不同严重度 的瞬变现象)偶然地提取高频数据的片段以调整并更新瞬变现象估计值。这样，服务器/监 测系统自动改进其检测能力。接着，更新的瞬变现象估计值被"推回"至嵌入式监测设备。 [0125]服务器上的中央数据存储区240具有与在设备10上的分层数据存储区相同的结 构，但明显更大并且并非构建成环形缓冲区。旧数据不会被覆盖。当从设备10请求数据时， 数据被复制到该存储区并保持作为永久记录。
[0126]中央服务器200上的数据存储系统240的关键方面是"追溯性数据检索和任意时间 段的高频数据查询"的概念。如果用户希望查看过去（随后有警报）的详细信息，其可以发送 查询至记录器云以便检索来自一个或多个记录器的具有较高的空间分辨率的过去的数据。 这样，用户可以查看来自记录器的任意的详细数据，而记录器不必经常将高带宽信息传输 至中央服务器。过程是迭代的-用户接收传统的15分钟数据连同低分辨率的瞬变事件数据， 所述瞬变事件需要进一步调查，然后用户发布追溯查询以提取在特定事件/时间间隔具有 高时间分辨率的过去的数据。追溯性数据检索也可以通过在服务器上运行自动分析例程而 触发:例如，如果在一个设备10上检测到瞬变现象，则生成自动查询以从周围的本地网络中 的相邻设备10提取数据。接着 ，该数据用来定位事件的来源，调查复杂的拓扑结构系统内的 液压连接并诊断浪涌保护设备的性能。
[0127]地理信息系统(GIS)提供管材料和直径、网络布局，记录器位置的信息，以及信息， 比如当规划记录器部署时使用的照片和笔记的信息。
[0128]中央服务器200接收定期的统计指示器、瞬变现象PDF和瞬变现象分类以及来自每 个设备10的代表性快照。
[0129] 在设备10具有一个以上的测量通道的情况下，每个通道被视为该通道是用于分析 目的的单独的设备1〇(尽管在该实施例中，在特定的设备10上的所有通道的数据为了效率 在通信链路上一起传输）。图6展示了对这些数据执行的分析。
[0130] 来自每个设备10的数据与来自GIS的简单的管信息（材料、使用年限、直径和可能 的状态，如果知道)结合，以便利用与设备10本身上使用的相同方法计算每个记录器的影响 度量。
[0131] 每个设备的位置是已知的并且这些位置被设置成分级的地理定位图表，该地理定 位图表存储这些位置彼此之间的关系。系统图10展示了该图表的例子。出于区域分析的目 的，不使用每个设备10的实际GPS位置，只使用在地理位置图表中描述的关系。但是，该GPS 位置用于数据的可视化。在该示例图表中，设备"L1"的通道0和1被认为是密切相关的，因为 其共享相同的亲代。"L1"的通道0和"L2"的通道0较不密切相关，因为其仅共享祖代。两者都 被认为几乎不与"L4"的通道0相关(共同的曾祖)并且与所有"L9"的通道0完全不相关(没有 共同的祖先）。
[0132] 在代表性瞬变现象快照上使用时间戳以便尝试识别在不同的网点发生的相同的 瞬变现象。使用瞬变现象之间的时间差和瞬变现象的幅度以通过与瞬变现象来源的紧密度 将网点分级。
[0133] 此分析的最后阶段是将每个设备的影响度量、与瞬变现象来源的紧密度，和在地 理位置图表上的位置结合到"区域影响度量"中。在地理位置树上的每个级别中，低于该级 别的节点的影响度量的加权平均值（"较差"度量比"好"度量具有较高权重)给出区域影响 度量。可以将这些区域度量绘制在地图上，使用户能够利用交通灯系统在较大的地理区域 上一目了然地看到网络的强调部段，并缩小至个体记录器的水平。此外，所获取的数据可以 用来识别与所提取的"应力"指示器相关的爆裂频率的概率。这将帮助网络运营商选择最佳 的控制策略，以使其系统中的动态液压行为最少化并量化这种前瞻性管理的好处。
[0134] 与统计分析平行，可以使用记录器传输瞬变现象快照从而驱动瞬变现象分析模 型，以便预测其在网络的传播。基于所获得的高频时间同步的数据定期执行瞬变现象模拟 将提供模型化vs观察到的系统的瞬变现象反应的快照。这些残留的分析用于识别并诊断故 障和次优操作。例如，作为阀的、网络部分之间的液压连接件，比如阀，保持打开或甚至一段 管未记录在网络地图上。
[0135] 设备10之间的度量和链路可以与传统的数据可视化一起使用，以便转动选择数据 来源:例如，用户可以放大到数据集以便查看瞬变现象并能要求系统自动展示同样测量该 瞬变现象的其它所有记录器的数据集。如果该数据目前不存在于中央服务器上，则可以发 送请求，以便追溯检索高频率数据。
[0136] 利用在代表性网点（不一定在正在记录的区域中）收集的一段时间的原始数据计 算并在中央服务器200上处理控制过程的各种参数的初始设置，比如瞬变现象/非瞬变现象 CDF阈值。在设备10的运行时间，这些参数由中央服务器进行无线更新。
[0137][手动的和远程的(无线的)数据管理]
[0138]本实施例的系统支持永久和临时监测设施。在该实施例中，设备10包括存储器和 通信追加模块（图11中的45所示），该通信追加模块能够通过远程询问对无线监测情况和通 过现场实际检查对本地询问情况进行灵活和最佳的数据处理。该存储器和通信模块45在主 感测和数据获取模块46的外部并且其可以在原位更换。如果访问大容量数据或分析需要获 取的所有高分辨率数据(或如果无线通信不可用），这排除了耗时的数据下载。还可以完成 低成本通信和存储器升级，并且对最终用户、运行监测控制任务和设施设置的干扰最小。对 于永久性设施(遥测装置/SCADA系统），可以通过GSM或任何无线和/或有线通信技术完成远 程访问和数据传输。在此设置中，如上所述，若干设备10形成分布式感测和存储系统。
[0139]存储器和通信模块45支持其它方式下载和使所获取的高频大容量数据可视化。图 12概述了这些方式。
[0140]如图12所示，所获取的完整的大容量数据集能够以两种方式访问：
[0141] 1.手动收集存储器和通信追加模块45(图中为"mem/comms模块"）并将其连接至部 署控制器(DC)，部署控制器支持数据自动上传到安全/私有云服务器。DC是设置用于在现场 使用和用于与设备10进行本地通信的耐用笔记本电脑或平板电脑。存储器/通信模块(包括 上文描述的分层数据结构)上的所有存储数据由DC自动推至私有云服务器以通过高速上传 链路进行云数据存储、事件处理和数据浏览(例如，ADSL或使用DC的光纤宽带）。基于万维网 的界面使得用户能访问云服务器，其包括：（a)涉及记录器部署的空间/位置信息；（b)关于 所使用的传感器的校准信息；（c)数据获取设定和采样方案的概要/设置；（d)上文所述的原 始数据和所提取的/子采样数据集；（e)电池的使用、每个电池组的状态和更换电池的提示 的概要；（f)对特定数据进行查询的管理工具集和具有外部造型和分析工具的接口。
[0142] 2.存储器和通信追加模块45为微型服务器，当与外部PC设备，比如笔记本电脑/ PC/平板电脑连接时，其提供无缝界面。这样，可以访问存储在存储器/通信追加模块上的原 始和分层数据，包括所提取的瞬变事件，而无需在主机PC上安装专用软件。数据管理不依赖 于所使用的操作系统(例如，Windows、Linux和Mac OS)和PC硬件规格。基于万维网的界面共 享与选项1中的万维网界面外形相似的GUI AUI使数据能被下载到主机PC。但是，用户不需 要下载数据以便查看所获取的数据并浏览特定事件和信号部分。
[0143] 此外，本设置包括在不访问无线数据的情况下或在需要完整的数据集以用于调整 嵌入算法的情况下，用于访问、下载和处理从临时传感器设施获取的数据的程序和技术。如 图13所示并可以概括如下：
[0144] 1.技术人员参观部署设备10的网点。嵌入式瞬变现象算法已经检测到通过存储 器/通信模块45的透明部分可视的极端事件或一系列触发红色LED(交通灯警告系统的一部 分)的事件。技术人员用新的模块替换内存模块45,从而对传感器安装设置的干扰和数据获 取过程的停机时间最小化。
[0145] 2.可以通过将存储器/通信模块45连接至耐用的笔记本/平板电脑在网点（例如， 在受保护的环境中，比如服务车辆而非户外)检查并显现数据。该连接可以通过可以连接至 存储器/通信模块45的电缆或802.1 IWiFi追加模块进行。还设想，将内存模块连接至DC，并 使该存储器主持微型服务器(而非在内存模块本身设有微型服务器），笔记本电脑可以通过 电缆(例如，以太网/USB)或无线（例如，WiFi/蓝牙)连接至该微型服务器。在内存模块45上 访问、显现或浏览数据不需要专门的软件-这通过上文所述的分层存储模型推进。
[0146] 3.技术人员还可以通过访问高速数据网络（例如，ADSL、光纤宽带）或使用高速无 线服务比如4G将存储器/通信模块45带到办公室。该存储器/通信模块45连接至部署控制 器，该部署控制器用于将数据推向自定义设计的云服务器以进行云数据存储、事件处理和 数据浏览。
[0147] [时间戳、修改时钟漂移、在运行时间修正时钟]
[0148] 使形成系统的设备10时间同步准确并且稳定以便连续地分析供水系统中的准稳 态和瞬变现象液压条件。参见图2,设备10包括时钟模块90。这给本系统的分布式高频率监 测提供时间同步解决方案。时钟模块90包含在分布式感测设备中维持达到5ms的时间同步 准确性的无线电时间-信号接收器、振荡器和嵌入式信号处理算法。
[0149] 现在参见图14,通过利用带外时间源，实现可扩展的、不依赖于拓扑结构的和快速 趋同的时间同步服务，其支持传感器的广域稀疏网络。继续参见图14,本发明的分布式监测 和控制系统执行实时时钟(RTC)的计时功能。RTC通常整合低功率晶体振荡器，该低功率晶 体振荡器使用压电材料的振荡晶体的机械共振，从而以精确的频率(例如，32.768kHz)产生 电信号。
[0150] 环境影响，如温度、电源变化以及苛刻的工业环境中的其它典型的因素引起频率 和时间段的不稳定性(例如，漂移和偏斜）（图14)。以百万分率(ppm)为单位测量时钟性能。 常用于能量受限的分布式感测系统的低功率晶体振荡器（XO)的频率稳定性在IOppm至 IOOppm的范围。低功耗温度补偿振荡器(TCXO)的最新进展使稳定性提高到0.1 ppm至IOppm (办〇〇6瓜2011、1^1?)112011、5丨111116 2011)(^0的稳定性可能在24小时的时段导致8601118到 8.6s的时间误差而TCXO在24小时的时间误差为86ms至860ms。在本实施例的分布式感测环 境内，所需的+/-5ms的时间准确度(相当于0.05ppm)仅可以通过利用外部信号以提供本地 振荡器遵循的可靠的时间和频率基准来实现。
[0151]为了提供必要的时间准确度和精确度，本系统的每个设备10中的时钟模块90与 UTC(协调世界时）同步，UTC是全球性的时标。利用无线电信号广播使嵌入式晶体振荡器遵 循UTC被认为是控制时钟漂移的潜在解决方案。但是，将这种手段应用于本实施例的高速压 力采样方法具有明显的挑战。使用于连续高速采样的所述仪器时间同步的主要挑战在于：
[0152] 在分布式设备10之间使准确的并且稳健的时间同步在+/_5ms(0.05ppm)内，并且 在设备10之间不进行直接通信(参照UTC);
[0153] 在地下条件中的设施（例如，沙井、检查室、消防栓和冲洗室），并且没有直接的视 线和复杂的无线电传播环境。这阻止了 GPS在多数的设施位置的使用。
[0154] 可变的信号质量和在所描述的操作环境内的外部无线电时间/频率信号的抖动。
[0155] 低功耗，这可以通过使与外部时间/频率基准信号的连接数量最小化来实现。因 此，较长的过保持时段需要选项适当地控制这些时段，从而确保5ms的阈值。
[0156] 本地晶体振荡器的倾斜会不同，并且其可能迅速超过5ms的阈值。例如，在0°C至40 °C的范围内，2ppm准确度的好质量的TCXO在1 -2小时内可能超过+/-5ms。为了使能耗最小 化，每24小时与外部时间/频率源的时间同步应不超过一段时间。这相当于晶体振荡器的准 确度为最小〇. 〇5ppm，或更高。虽然存在这样的设备，但能耗显然较高，这限制了此设备在本 申请的应用。
[0157] 除了延长晶体振荡器的操作的过保持时段，显著挑战是在影响接收到的无线电信 号的质量的操作环境内破译时间基准信号。
[0158] 由于处理传输的信号产生的累计延迟和无线电传播延时与抖动结合可在接收到 的时间中引入显著的偏移。参照图15，这些包括：
[0159] 发射机延迟~Ims
[0160] 信号传播和接收器处理时间~IO-IOOms
[0161] 抖动~5-lOms。
[0162] 本发明的设置提供：
[0163] -种利用部署控制器在其部署期间评估每个测量设备的延迟的方法 ，如图16所 示；
[0164] -种评估抖动并且使抖动最小化的方法，如图17所示。
[0165] -种在无需分解完整的时间和日期基准码信号的情况下接收/破译准确的时间基 准的方法，同样如图17所示。
[0166] -种延长过保持时段并改进晶体振荡器的性能的方法，如图18所示。
[0167] -种适当地改变时间同步间隔(过保持时段）以确保维持自定义的准确的阈值(例 如，5ms)的方法，同样如图18所示。
[0168] 设置每个设备10的时钟模块90并且使用该时钟模块实施这些方法的步骤。
[0169] 现在将更详细地描述图15至18的方法。
[0170]在分布式设备中的RTC(实时时钟）的时间同步包括共同时间[协调世界时（UTC)] 的使用，该共同时间对齐时钟之间的偏移，并且提供定期检查，以维持和修正嵌入式振荡器 操作的速率。该设备之间没有直接的通信，并且因此交换无线电信息以使时间同步的方法 是不适用的。协调世界时（UTC)为规定时钟和时间的主要时间标准。RTC的特征在于其时间 (图14)、偏移(分布式设备的时钟报道的时间相对于基准/UTC时间的差异）、频率(时钟前进 的速率）、偏斜(时钟和基准/UTC时间之间的频率差，例如，稳定的振荡器具有恒定的偏斜） 和漂移（由偏斜的变化限定）。
[0171]分布式设备使用的RTC时钟的操作和得到的时间准确度可能经历显著变化。非线 性和相位噪声与热和电压波动，以及晶体振荡器的老化结合。结果，每个RTC的漂移不同，并 且由初始时钟偏移，瞬时时钟偏斜和附加的观察和测量噪声决定。这些成分中的不确定因 素需要准确地量化和最小化，因为这些不确定因素具有设备和网点特异性并且也随时间变 化，图14。
[0172]图15展示了与定期用于接收正确时间(UTC时间）的时间和频率基准信号相关的不 确定因素。可以利用来自不同国家发射机的时间基准信号-例如，UK的MSF，德国的DCF7 7和 美国的WWVB(用于通过RF信号传输准确的时间数据的振幅/相位调制时间码）。当前实施例 使用多频带接收器[UK(MSF)、欧洲/德国(DCF)、美国(WffVB)和日本(JJY)]。目前的分析是基 于从MSF(UK)接收到的数据，但列举的其它时间广播系统是适用的。图15展示了以# ￡传输 但以C而非接收的全球时间基准(UTC)。该应用要求限定时间同步误差应该不超过
但是，发明人完成的广泛的测量表明接收时间基准信号的总延
在20ms至350ms之间变化。尽管这在大多数无线电控制的时 钟所需要的Is的界限内，但幅度超过用于分析瞬变现象所需的时间同步准确度。当前时间 同步解决方案需要可靠地满足特定的时间同步误差界限，其也可以是用户通过如下方式在 部署上限定:系统地评估并使与（i)广播的时间基准信号(t TR)的特征和准确度、传播延时和 延迟(tlT)、抖动破译时间基准信号的持续时间（和准确度）（t PD)相关的不确定因素主 动最小化；以及在同步之间模仿本地石英晶体振荡器的行为并补偿其偏斜。这通过使用定 期评估修正项完成，使得在过保持时段、内的时间偏移在5ms内
并 理想地接近时间同步的上限（例如，5ms)。主要目的是通过使过保持时段最大化的同时在分 布式设备之间维持所需的时间同步准确度，从而使电耗最小化。偏移的修正项K定义为
,修正项K是评估的时间
和接收的UTC时间
之差。
[0173] 实施例包括可靠地限定在变化的环境和操作条件下评估的延时HI的方法和算法
丨:在该评估中，定义为
该总延时作为部署设置的一部分利用图16中概述的方法进行现场校准。抖动测量在连续调 制的第二时间标记之间的差异，该差异可以显著降低时间同步的准确度。与抖动C相关的 时间误差随影响通信的环境条件而变化并且对于每个同步事件，需要使其最小化；图17展 示了用于使f最小化的方法。
[0174] 理想的是，RT C可以维护时间同步事件之间的准确时间或"过保持"。过保持间隔 越长，而维持准确的时间同步的能耗越低。另一方面，过保持间隔受限于分析瞬时现象传播 的应用要求限定的时间同步的最大误差;这取决于在相对短的时间段，例如，数小时至数 天，晶体振荡器的漂移和偏斜以及环境条件(例如，温度）。图18描述了一种延长过保持时段 并改进晶体振荡器的性能的方法。在目前的实施例中，温度补偿晶体振荡器，TCX0,用作准 确度和低功耗之间的折衷。所描述的方法的过保持能力的范围从几个小时到几天不等，因 此显著提高TCXO的性能(例如，从2ppm至0.05ppm)。
[0175] 图16展示了评估延迟Consteal的方法。该过程在设备部署期间进行并且其包括： (i)在最小2min时段(每分钟120个连续的第二时间标志)或设备(记录器)接收器的IOmin的 平均时段接收并记录在调幅时间广播信号内的第二时间标志；（ii)通过嵌入部署控制器的 GPS接收器接收GPS PPS(脉冲-每秒)信号（I PPS GPS信号准确到1微秒)并通过有线或无线 链路使GPS PPS信号传送至该设备；（iii)计算GPS PPS信号和连续或累计的第二时间标志 的时间广播信号之差diff{GPSPPS-TimeTB}。然后应用统计测量和过滤技术以定义估计的延 迟并表征初始抖动。在部署阶段，用户还可以定义时间准确度的最大误差(例如，对于瞬变 现象分析为+/_5ms)。使用GPS PPS设定初始RTC时间（DD.MM. YYYY HH:MM: SS);该过程不要 求破译时间广播信号。
[0176] 图17描述了使抖动最小化的方法。无线电接收器通电，从调幅时间广播信号获取 第二时间标记组。第二时间标记之间的时间间隔应该确切为1秒。本地振荡器，其在短时段 (例如，几分钟）具有高稳定性，用于测量连续时间标记之间的时间间隔
I其中μ为经验阈值。在部署阶段评估嵌入式晶体振荡器在短时间段 的频率稳定性并且用阿伦方差描述。发明人获取的试验数据表明该抖动通常遵循高斯分 布。一旦接收到时间标记组，过程也终止。如果该过程超过了超时时段(例如，360s)而没有 成功获取连续的第二时间标志组，则过程也终止;在这样的情况下，该过程在预定义的时间 间隔（例如，60分钟）重复。超时时段的原因是可能出现偶然的通信问题，例如，车辆停放在 井盖上。基于圍__議圓__|_圍__计算P的平均值。这种方法比在每个同步事例破译时 间广播信号的传统方法具有明显的优势。该方法成功地处理弱信号。弱信号可能导致第二 时间标记频繁遗漏，从而显著延长破译过程的时间和能耗。
[0177] 图18展示了延迟过保持时段并提高晶体振荡器的性能的方法。在该实施例中使用 温度补偿晶体振荡器。TCXO使用温度模型以在温度范围补偿振荡器信号的漂移。该模型准 确到2ppm内。如果校准并根据个体振荡器调整先验温度模型，则可以显著提高晶体振荡器 (例如，TCX0)的性能。这是昂贵且耗时的过程。本发明基于个体振荡器性能及其操作条件 (例如，放置在地下室中的设备外壳内的温度变化不会显著改变)更新温度模型。从定期时 间同步获取的实际的误差漂移测量用于对温度模型进行微调。这样，可以实现~〇.〇5ppm的 改进的性能。该过程包括初始学习阶段，在该阶段进行更频繁的时间同步(例如，对于第一 个24小时，每3hr)。该设备还具有高准确度的温度传感器，其紧密靠近晶体振荡器；；每5分 钟测量一次温度。将测定的偏移，计算出的偏斜和测定的温度用于推断晶体振荡器、温度梯 度和偏斜之间的相关性。这以查找表、多项式曲线或仿射函数组完成。随着越来越多的数据 变得可用，该过程更新这些相关性及对其值进行自我调整。例如，如果测得的偏移在最大界 限内并且测得的温度在已知的F-T:频率-温度关系内，则增加过保持时段（例如，3hr S - 6hrs. . .->24hrs)。如果测得的温度或温度梯度在已知关系的范围之外，则进行更频繁的时 间同步以扩展F-T关系。这种方法保证时间同步过程是自动的，且通过适应性地控制时间同 步之间的时段以进行自我调整从而优化能耗和要求的准确度。
[0178][机械设计]
[0179] 如图11所示，设备10具有模块化设计，具有独立的主处理器模块46,电池模块47和 内存模块45。
[0180] 该电池模块47可以用功率转换模块(未示出）代替以便使设备10能够以任意的固 定电源运行(或能量收集器，例如，微型涡轮机）。电池模块47内的电池被最终用户轻易更换 (此功能性是现有的记录器不具备的）。当前的数据记录器配有独立的电池组，但这些电池 运行完时必须发送回制造商，这给最终用户增加大量的成本。本实施例提供IP68(非常高的 进入防护等级)外壳，最终用户可以轻易打开以更换电池。
[0181]设备10具有外部(可拆卸的）内存模块45。内存模块45上提供LED以便指示系统状 态，从而使技术人员能够看出是否需要更换模块。此方法也使主处理器模块46上的额外指 示器的安装最少化，从而使水进侵入和故障的危险最小化。
[0182] 在生产和安装期间，内存模块45和电池模块47都是填充空气并且加压的。这减少 水侵入的机会。其还防止该单元在被水淹的室中淹没在水下。在部署设置期间，测量和检查 独立的外壳上的压力以保证安全操作(安全和设备检查协议）。信息通过部署控制器向操作 者显示，同时也发送到中央服务器。
[0183] 可以用其他单元更换各个模块以升级关键功能，例如，设备10的通信选择、存储容 量、传感器接口，而不需要更换主设备硬件。例如，可以使用含有GPRS调制解调器的内存模 块45为缺乏通信能力的设备增加通信能力，相比更换整个设备10的成本，这能以该成本的 一部分使该设备升级至LTE。这在延长设备10的生命周期及其功能中具有显著的商业优势。 [0184][电池生命周期预测]
[0185] 现有的"智能电池系统"由可充电电池组成，该可充电电池与监测电池使用并且用 "充电状态"（SoC)表明系统正由电池供电的某些类型的数字控制器结合的。电池控制器在 多个放电/再充电周期测量电池电压和充入/充出，并用此信息来对自身进行校准。
[0186] 但是，数据记录器通常使用一次性电池，以便获得较高的能量密度和较低的自放 电速率（电池随着时间自发地损失电量的趋势）。只有已知存储在电池的初始能量，电池监 测芯片（"气体压力计"芯片，例如Texas Instruments BQ27000)才能准确监测电池在其寿 命中提供的功率。一次性电池在其寿命中可以提供的能量很大程度上取决于耗用电流，所 以，除非系统仅使用一种类型的电池供电，或者用户愿意录制电池消耗图，电池已提供的能 量并不能用指示于剩余寿命。锂电池的输出电压，主要记录器电池化学特性，在电池的大部 分寿命中是几乎不变的，所以也不能用于指示电池的剩余寿命(其还会随着系统温度而变 化)。
[0187]本实施例的设备的电池模块47包含的小存储器芯片（也提供唯一的ID用于资产跟 踪），可以被设备10的微型处理器30在正常运行中读和写。电池模块47设计成使用户可以自 行更换电池。在电池更换后，用户使电池模块47与中央服务器200通信（通过"上传单元"或 者"部署控制器"），该中央服务器在电池存储器芯片中记录更换电池的时间和日期，并重置 天数的计数，使之归零。同时，用户告诉中央服务器200其插入到模块47的电池的商标/型 号，该信息与电池模块的ID数字相关联直到下次更换电池的时间。
[0188]当启动设备10时，电池 ID写入其日志文件中，以便上传的数据具有与之相关联的 电池 ID。在运行期间，设备10会对电池模块的运行时间计数器进行一天一次或者多次更新 (此操作的次数仅受限于内存模 块EEPROM芯片的写入寿命，例如，具有50K周期寿命的芯片 以每2小时计算器更新可以持续11年）。设备10在单日的能耗一般大致是不变的，所以电池 寿命基于简单测量运行时间是有效的。
[0189]设备10具有多个安全设施，当电池耗尽时，其可以正常的关闭，并且在这种情况发 生时，会把电池寿命记录在其数据文件中。上传数据时，中央服务器200将因此能够建立电 池构造/模型的表格和已知的更好的寿命。该数据可以供部署控制器使用或者简单地手动 展示给用户。
[0190] 当用户将设备10部署在现场时，记录器可以从电池模块47读取电池寿命计数器， 并将其传送至用户的部署控制器，该部署控制器可以在预测的剩余寿命天数展示该信息。
[0191] 如上所述，电池外壳47的机械设计符合IP68。此外，在封闭在超过大气气压0.2-1 巴的范围时提供过压，电池外壳包含嵌入式数字气压传感器（主动式数字压力传感器 MS5534C Measurement Specialties)。当由电池供电的主模块46单元运行时，定期测量电 池外壳47的压力，如果检测到10%的变化，触发警报并可选择地与服务器200通信。程序还 可以在警报后短时段内关闭该设备10。用户可以设置此选项以另外防止水侵入并增加安全 性。在部署设置期间，测量并检查单独的外壳的压力，以确保安全操作（安全与设备检查协 议）。信息通过部署控制器向操作者显示并发送至中央处理器。
【主权项】
1. 一种流体流动监测设备，其设置成监测管道中的流体流动，所述设备包括采样装置、 处理装置和数据存储装置，其中： 所述采样装置设置成大致连续地从传感器接收数据并对该数据进行采样，以产生采样 数据流，所述数据指示由所述传感器感测到的至少一个变量，该变量指示管道中的流体流 动； 所述处理装置设置成处理所述采样数据流以从中提取至少一个子采样流，所述子采样 流包括多个数据集，每个数据集为所述采样数据流在各数据集时段的统计子集;并且 所述数据存储装置设置成存储所述至少一个子采样流。2. -种监测管道中的流体流动的方法，所述方法包括流体流动监测设备的步骤： 大致连续地接收来自传感器的数据，该数据指示管道中的流体流动，并操作所述设备 的采样装置以对数据进行采样，从而产生采样数据流； 利用所述设备的处理装置处理所述采样数据流，以从中提取至少一个子采样流;所述 子采样流包括多个数据集，每个数据集作为采样数据流在各数据集时段上的统计子集；以 及 利用所述设备的存储装置存储所述至少一个子采样流。3. 根据权利要求1所述的设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括在子采 样流的每个数据集中的所述统计子集包括:在所述数据集的各时段上，数据的最大值和/或 最小值和/或平均值和/或标准偏差和/或另一统计值。4. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括处理装置处理 采样数据流以从中提取概要信息的步骤。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设备包括通信装置，并且所述方法包 括通信装置定期将所述概要信息传输至远离所述设备的中央位置的步骤。6. 根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个子采样流包括 在特定时段的、比在在该时段所提取的概要信息提供的更完整的采样数据流的代表。7. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，包括在子采样流的每个数据 集中的所述统计子集包括:在所述数据集的各时段上，数据的最大值和/或最小值和/或平 均值和/或标准偏差和/或另一统计值。8. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在接收到对具 体时刻上的采样数据流的更完整的代表的请求时，传输对应该具体时刻的一个或多个数据 集。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从远离所述设备的中央位置或从与所述设 备本地连接的询问仪器接收所述请求。10. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，存在多个子采样流，每个子 采样流包括多个数据集，所述数据集包括采样数据流的统计子集，每个子采样流的数据集 包括在各不同长度的时段上的统计子集。11. 根据引用权利要求8时的权利要求10所述的方法，其特征在于，所述对更完整的代 表的请求为对多个子采样流中的每个子采样流的各部分的请求，并且其中所述通信装置响 应该请求而传输这些部分的每个部分中的所述或各个数据集。12. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述或每个子采样流存储在 环形缓冲区中。13. 根据权利要求4至权利要求12中的任意一项所述的方法，其特征在于，处理采样数 据流以从中提取概要信息包括:通过对在一段时期内的流中的连续数据点之差进行加和以 给出累计总和，且将该总和与指示瞬变事件的该总和的概率进行比较，以确定是否已经识 别瞬变事件，从而处理该流以识别瞬变事件。14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，处理所述采样数据流以识别瞬变和/或 非瞬变事件包括在该流的滚动时间段上处理所述流。15. 根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述总和是与指示瞬变现象的所述 总和的概率的记录进行比较的，该记录为针对总和的值该总和的发生概率的概率分布函 数。16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括通过记录每个总和及其发生频率， 在所述设备操作期间产生所述记录。17. 根据权利要求13至权利要求16中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述记录包 括指示概率值的阈值的指标，低于该阈值则判断所述总和指示瞬变事件，由此识别了瞬变 事件，所述方法包括通过参考所述记录，比较针对该阈值的所计算的累计总和的概率。18. 根据权利要求13至权利要求16中的任意一项所述的方法，其特征在于，响应于对瞬 变事件的识别，所述设备运行所述设备的显示装置，以指示该对瞬变事件的识别。19. 根据权利要求13至权利要求17中的任意一项所述的方法，其特征在于，响应于对瞬 变事件的识别，所述通信装置将指示所述对瞬变事件的识别的信号传输至中央位置。20. 根据权利要求4至权利要求19中的任意一项所述的方法，其特征在于，处理数据流 以从中提取概要信息可以包括:从采样数据流中确定概要统计信息，所述概要统计信息形 成所提取的概要信息的至少一部分;可选地，所述概要统计信息包括所述流的一部分的一 个或多个最大值和/或最小值和/或平均值和/或方差和/或标准偏差值。21. 根据权利要求13,或引用权利要求13时的权利要求14至20中任意一项所述的方法， 其特征在于，响应于对瞬变事件的识别，所述处理装置产生瞬变现象描述符，该瞬变现象描 述符指示所识别的瞬变事件的一个或多个特征，瞬变现象描述符指示例如瞬变现象的梯 度、梯度的方向，瞬变现象的开始和/或停止幅度，或消散梯度。22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述处理装置利用所述或每个瞬变现象 描述符，以通过将所述瞬变现象描述符的值与瞬变现象描述符的值的发生概率指标相比 较，来产生瞬变现象的严重度的指标。23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在使用期间，将所述瞬变现象描述符的 值与所述瞬变现象描述符的多个测得值的概率分布进行比较，以确定所述值的概率。24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，将所确定的概率与一个或多个阈值相比 较，以提供瞬变现象的严重度，可选地，将瞬变现象在管道上的影响分类为低影响、中影响 或高影响。25. 根据权利要求22至权利要求24中任意一项所述的方法，其特征在于，使用所确定的 瞬变现象严重度，来确定来自通信装置的所提取的概要信息的传输频率。26. 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述设备具有所感测数据的 多个通道，并且所述方法包括:所述设备大致持续地接收来自多个传感器中的各个传感器 的各数据，所述数据指示由各传感器感测到的各变量;所述采样装置对所述数据进行采样， 以为感测到的每个变量产生各采样数据流，所述方法使得每个流以大致相同的方式并行处 理。27. 根据权利要求1或权利要求3所述的设备，其特征在于，设置该设备实施根据前述任 意一项权利要求所述的方法。28. 根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述设备为模块，所述设备的组件容纳 在各壳体中，该壳体可以局部地或可选地，可拆卸地连接在一起操作。29. 根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述存储装置以及可选地所述通信装 置，如果有的话，容纳在内存模块中，该内存模块包括可被用户读取的显示器以指示所述设 备的操作。30. 根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述存储装置容纳在内存模块中并且设 置用于与询问仪器比如便携式计算机进行本地通信，并且可选地设置成在这种通信期间， 作为服务器操作。31. 根据权利要求28至权利要求30中任意一项所述的设备，其特征在于，其中将一个或 多个模块加压至含有高于大气压力的空气，使得所述模块趋于浮在水中并且抗腐蚀。32. 根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述或每个加压的模块可以包括气压传 感器，所述气压传感器设置成向所述处理装置提供数据， 其中，在检测到空气压力的下降低于一特定阈值时，所述处理装置被设置成标识出所 述模块有问题、应当被检查，并产生指示这的信号。33. 根据权利要求32所述的设备，其特征在于，电池模块包括ID芯片以唯一地识别所述 电池，当连接所述电池模块用于操作时，所述ID芯片可被所述处理装置读取。34. 中央控制和处理装置，其设置成：响应于来自所述中央控制和处理装置的请求，从 根据前述任意一项权利要求所述的多个设备中的每个设备中接收信息。35. -种分析管道网络中的流体流动的方法，其包括在中央控制和处理装置接收来自 多个设备中的每个设备的信息，所述设备设置成测量网络的管道中的流体流动，来自每个 设备的信息指示瞬变事件并包括该事件的发生的大致准确的时间戳。36. 中央控制和处理装置，其用于识别流体流经的管道网络中的瞬变事件的起因的大 致位置，该中央控制和处理装置包括处理装置，所述处理装置设置成基于来自多个设备中 的每个设备的信息、以及每个设备的地理位置的知识，确定瞬变事件的起因的大致位置，其 中所述设备设置成测量指示管道中的流体流动的参数。37. 根据权利要求34所述的中央控制和处理装置，其特征在于，进一步包括通信装置， 所述通信装置设置成从多个远程设备接收各所提取的信息，所提取的信息指示所述远程设 备相关联的各长度管道中的流体流动瞬变事件，所述所提取的信息包括与所述瞬变事件相 关联的大致精确的时间戮。38. -种用于监测组成网络的多条管道中的流体流动的流体流动监测系统，所述系统 包括多个根据前述任意一项权利要求所述的设备和根据权利要求34,36或37中任意一项所 述的中央控制和处理装置。
【专利摘要】一种流体流动监测设备(10)，其设置成监测管道中的流体的流动。所述设备(10)包括采样装置(20)、处理装置(30)和数据存储装置(40)。所述采样装置设置成大致连续地接收来自传感器(12)的、指示至少一个变量的数据，并对所述数据进行采样以产生采样数据流，所述至少一个变量由指示管道中的流体流动的所述传感器(12)感测。所述处理装置(30)被设置成处理采样数据流以从中提取至少一个子采样流。所述子采样流包括多个数据集，每个数据集为在各数据集时段的采样数据流的统计子集。所述数据存储装置(40)被设置成存储所述至少一个子采样流。
【IPC分类】G05B21/00, G01F1/00
【公开号】CN105492874
【申请号】CN201380071950
【发明人】亚瑟-约翰·霍斯金斯, 伊凡-约尔丹诺夫·斯托亚诺夫
【申请人】英佩雷尔创新有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2013年11月28日
【公告号】EP2926094A1, US20150308627, WO2014083340A1
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