文/曾松鳴(德特威勒高級(jí)技術(shù)專家 )

智能布線管理系統(tǒng)監(jiān)測單元響應(yīng)時(shí)間探討

文/曾松鳴(德特威勒高級(jí)技術(shù)專家 )

監(jiān)測單元是智能布線管理系統(tǒng)有別于布線管理軟件的特色之一，它采用自動(dòng)檢測元件進(jìn)行跳線、信道的自動(dòng)監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，前后沿抖動(dòng)、誤動(dòng)作都會(huì)對(duì)監(jiān)測的效果產(chǎn)生影響。論文將從自動(dòng)檢測原理、人機(jī)工程學(xué)和固件運(yùn)行速度等角度，對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行綜合探討，以期找到最佳的響應(yīng)時(shí)間。

前后沿抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間，檢測掃描周期，顯示掃描周期，智能布線管理系統(tǒng)

智能布線管理系統(tǒng)是一套面向綜合布線系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)管理需求而設(shè)計(jì)和開發(fā)的、集軟硬件于一體的管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)大體可分為自動(dòng)監(jiān)測/顯示單元、控制單元和控制軟件三大組成部分。在智能布線管理系統(tǒng)中，監(jiān)測/顯示單元上裝有LED指示燈，用于異?，F(xiàn)象顯示和電子工單指示；控制器上會(huì)有顯示屏，可以顯示更多的硬件信息；在管理軟件的顯示界面上，能夠看到各種軟硬件信息。這些顯示器件和顯示屏幕的功能和畫面是設(shè)計(jì)者和使用者關(guān)心的重點(diǎn)，因?yàn)樗拿烙^和效果直接決定了智能布線管理系統(tǒng)的命運(yùn)。

在使用過智能布線管理系統(tǒng)后，很多人都會(huì)有所感覺：在跳線插拔后，LED燈、顯示屏幕都需要等待一會(huì)兒才會(huì)有所變化，這一時(shí)間就是本文所討論的監(jiān)測單元響應(yīng)時(shí)間。

監(jiān)測單元響應(yīng)時(shí)間是智能布線管理系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，但是在過去的電子配線架中，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間往往不受重視，有些會(huì)短到2ms，有些卻會(huì)長達(dá)數(shù)分鐘?？梢哉f，響應(yīng)時(shí)間會(huì)直接考驗(yàn)使用者的耐心，也會(huì)影響使用者對(duì)智能布線管理系統(tǒng)的第一感覺。

本文將從人機(jī)工程學(xué)和電子電路這兩個(gè)角度，定性分析智能布線管理系統(tǒng)監(jiān)測單元的響應(yīng)時(shí)間，推理相應(yīng)的巡回掃描周期，使每一事件的等待時(shí)間能夠?yàn)槿藗兯邮埽也粫?huì)導(dǎo)致智能布線管理系統(tǒng)成本的明顯上升。同時(shí)，將分析LED顯示單元的掃描周期，以及顯示掃描周期與監(jiān)測單元巡回掃描周期之間的關(guān)系。

1 監(jiān)測單元響應(yīng)時(shí)間的由來

根據(jù)筆者在《智能布線管理系統(tǒng)應(yīng)采用通用接口實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化》一文中對(duì)智能布線管理系統(tǒng)中的分解，監(jiān)測/顯示單元是指配線架每個(gè)端口旁的跳線偵測和LED顯示組件。這個(gè)組件通過控制器與管理軟件相連，其跳線偵測信息會(huì)傳遞到軟件中，而LED的顯示信息則由管理軟件形成，經(jīng)控制器傳遞到LED指示燈上。當(dāng)然，如果控制器具有一定的管理權(quán)限，也可以點(diǎn)亮或熄滅監(jiān)測單元上的LED燈。

當(dāng)監(jiān)測/顯示單元監(jiān)測到跳線插頭的變化后，會(huì)將信息傳遞給控制器?？刂破髟谑盏奖O(jiān)測/顯示單元發(fā)來的跳線插頭變化信息后，會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給管理軟件。管理軟件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的設(shè)定，核對(duì)當(dāng)前顯示的狀態(tài)是否需要改變，如果判斷的結(jié)果是需要改變的，則會(huì)將新的顯示信息經(jīng)控制器發(fā)送給監(jiān)測/顯示單元。當(dāng)然，如果控制器中有同類判別功能，則無需經(jīng)過管理軟件即可形成新的顯示信息。

在操作者剛開始接觸一套新的智能布線管理系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)現(xiàn)場操作者在現(xiàn)場插拔跳線后，人們的眼睛往往就會(huì)盯著LED指示燈以及電腦顯示屏，看它多少時(shí)間后會(huì)有所反應(yīng)。這時(shí)，他們的心里往往在數(shù)數(shù)字或在同時(shí)看著時(shí)鐘顯示的時(shí)間，看看多少時(shí)間能夠響應(yīng)？很明顯，人們希望響應(yīng)時(shí)間越短越好。這個(gè)響應(yīng)時(shí)間即為本文所討論的監(jiān)測響應(yīng)時(shí)間（以下簡稱為“響應(yīng)時(shí)間”）。

2 從機(jī)械抖動(dòng)和人機(jī)工程學(xué)角度分析檢測響應(yīng)時(shí)間

在本文中，檢測響應(yīng)時(shí)間（以下簡稱為“響應(yīng)時(shí)間”）是指從跳線插拔動(dòng)作完成到人們從電子配線架的LED指示燈或管理軟件顯示屏中看到跳線的變化狀態(tài)為止，所需要的最大允許時(shí)間。為此，需要進(jìn)行三項(xiàng)分析：抖動(dòng)時(shí)間分析、人機(jī)工程學(xué)分析和人的心理承受時(shí)間分析。

首先，跳線插拔的正常過程從“斷”到“通”或從“通”到“斷”之間存在著多次的跳躍，致使檢測單元中的傳感器感應(yīng)到跳線插頭的變化時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)短暫的不穩(wěn)定信號(hào)，這是檢測原理中經(jīng)常提及的抖動(dòng)現(xiàn)象。應(yīng)該說抖動(dòng)現(xiàn)象在跳線插拔過程中是不可避免的，其特點(diǎn)是一開始抖動(dòng)所產(chǎn)生的震蕩波形最大，然后逐漸下降最終消失，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而這一過程所需要的時(shí)間稱為“抖動(dòng)時(shí)間”。

同樣，在跳線插頭插入插座（或從插座中拔出）時(shí)，如果采用接觸式監(jiān)測方案，會(huì)因機(jī)械觸點(diǎn)（如探針、簧片等）的彈性作用，形成一連串不穩(wěn)定的波形，然后波形過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，亦即出現(xiàn)“抖動(dòng)”，只有過了“等待時(shí)間”波形才真正顯示在真實(shí)的狀態(tài)上。所以，無論是接觸式監(jiān)測還是非接觸式（如紅外線、可見光、電容、磁感應(yīng)等）監(jiān)測，都會(huì)出現(xiàn)“抖動(dòng)”，都需要考慮“抖動(dòng)時(shí)間”所帶來的測試效果影響。

如果使用存儲(chǔ)示波器查看跳線插頭插拔時(shí)的前沿（或后沿）波形，將會(huì)記錄和看到抖動(dòng)波形大約為幾毫秒至數(shù)十毫秒之間（當(dāng)然，抖動(dòng)的時(shí)間也可能會(huì)更長，例如跳線在插拔過程中出現(xiàn)人為的延遲等）。這就意味著，如果在這一刻被檢測到，那這一信號(hào)將不能代表跳線插頭的真實(shí)狀態(tài)，亦即形成了誤判。只有通過電子手段或時(shí)間處理等方式，才能將抖動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)面影響消除，才能真正獲得跳線插頭的真實(shí)狀態(tài)。

由此可以得出結(jié)論：智能布線管理系統(tǒng)的跳線插頭監(jiān)測電路，在跳線插拔時(shí)需要有一段抖動(dòng)時(shí)間讓信號(hào)穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間只有大于抖動(dòng)時(shí)間才能真正反映跳線的當(dāng)前真實(shí)狀態(tài)。

其次，從人機(jī)工程學(xué)角度分析響應(yīng)時(shí)間：

人機(jī)工程學(xué)是研究人、設(shè)備與環(huán)境之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)于本文對(duì)面對(duì)的響應(yīng)時(shí)間而言，來自不同的人機(jī)工程學(xué)資料中有幾個(gè)數(shù)據(jù)可供參考：

(1)在一般情況下，視覺或聽覺刺激物出現(xiàn)后，在0.14～0.18s內(nèi)便能作出反應(yīng)。

(2)人體的感覺器官在受到外界刺激后的反應(yīng)時(shí)間稱為人體反應(yīng)時(shí)間。一般人的視覺簡單反應(yīng)時(shí)間為0.2～0.25s，聽覺的反應(yīng)時(shí)間為0.12～0.15s。由于人的神經(jīng)傳遞速度一般有0.5s左右的不應(yīng)期，所以需要感覺指導(dǎo)的間斷操作間隙期一般應(yīng)大于0.5s，復(fù)雜的選擇性反應(yīng)時(shí)間一般達(dá)1～3s……

(3)正常人的反應(yīng)時(shí)間為0.15s～0.4s。

(4)因人而異!正常人的反應(yīng)能力參數(shù)為1.25s，即發(fā)現(xiàn)前方有目標(biāo)反映到大腦需0.5s，從大腦反應(yīng)到手、腳并采取措施需0.75s。

(5)駕駛員對(duì)危急情況處理（緊急剎車）：0.2～0.4s。

以上的數(shù)據(jù)有些差異，因?yàn)槿梭w的數(shù)據(jù)因人而異，只能形成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)予以參考，但從中能夠找到并引導(dǎo)出應(yīng)用于智能布線管理系統(tǒng)的推理數(shù)據(jù)：

(1)從看到LED指示燈顏色變化，視覺反映約需0.2～0.25s，反映到大腦約需0.5s左右。即：從大腦下達(dá)命令到手開始執(zhí)行跳線插拔需0.7～0.75s。

(2)在插拔跳線插頭時(shí)，從插拔跳線完成的手感傳遞到大腦約需要0.5s。

(3)緊急情況下可以加快到0.2～0.4s，但對(duì)于智能布線管理系統(tǒng)的操作而言一般不會(huì)遇到緊急情況。

根據(jù)以上的簡單數(shù)據(jù)分析，可以得到一個(gè)數(shù)據(jù)：插拔跳線后0.5s大腦才會(huì)開始注意LED指示燈或顯示屏是否發(fā)生變化。

由于電子電路在抖動(dòng)時(shí)間接近尾聲時(shí)，才能將信息傳遞到LED指示燈或通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到管理軟件的顯示屏上，而電子電路和管理軟件將信息傳遞到LED指示燈或顯示屏需要有“傳遞時(shí)間”，所以最小響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為跳線插拔動(dòng)作的抖動(dòng)時(shí)間、系統(tǒng)的傳遞時(shí)間以及人機(jī)工程學(xué)中動(dòng)作到大腦之間的傳遞時(shí)間之和。由于抖動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于傳遞時(shí)間之和，當(dāng)系統(tǒng)的傳遞一切順暢時(shí)，可以近似地認(rèn)為抖動(dòng)時(shí)間和系統(tǒng)傳遞時(shí)間忽略不計(jì)，即最小響應(yīng)時(shí)間近似為人機(jī)工程學(xué)中從動(dòng)作到大腦的傳遞時(shí)間。

最后，分析一下包含人的心理承受能力的響應(yīng)時(shí)間：

人們的心理思維希望響應(yīng)時(shí)間越短越好，然而電子線路需要有一定的響應(yīng)時(shí)間才能讓信號(hào)趨于穩(wěn)定，而軟件（包含硬件中CPU等電子器件運(yùn)行所需要的固化軟件）則是一條一條指令順序地執(zhí)行，同樣也需要消耗時(shí)間。在這樣的矛盾狀態(tài)下，選擇最短的響應(yīng)時(shí)間明顯會(huì)導(dǎo)致硬件和軟件系統(tǒng)的成本急劇上升，而響應(yīng)時(shí)間選取太長則會(huì)超過人們的忍耐極限，導(dǎo)致客戶感受度不佳。

最小響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樽钚№憫?yīng)時(shí)間是理論上能夠達(dá)到的響應(yīng)時(shí)間的最小值。也就是說，如果人們的心理承受時(shí)間小于最小響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將無法滿足人們的心理承受時(shí)間。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的數(shù)據(jù)，可以將響應(yīng)時(shí)間設(shè)置在人能夠接受的等待時(shí)間內(nèi)，即插拔跳線成功后0.5s以后，這是大腦剛好接收到手感（視覺感覺會(huì)因手的動(dòng)作遮蓋而變得不準(zhǔn)）之后，考慮到人本身會(huì)有等待的忍耐時(shí)間，對(duì)于智能布線管理系統(tǒng)而言，當(dāng)最小響應(yīng)時(shí)間為0.5s時(shí)，響應(yīng)時(shí)間設(shè)定在1～2s會(huì)比較適宜。

需要說明的是，響應(yīng)時(shí)間包括LED指示燈和管理軟件的顯示屏這兩種顯示方案。故此，響應(yīng)時(shí)間中已經(jīng)包含了對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)所需要的時(shí)間和管理軟件所需要的時(shí)間考慮。對(duì)此，如果要做到系統(tǒng)傳遞時(shí)間可以忽略不計(jì)，則網(wǎng)絡(luò)傳遞時(shí)間和管理軟件的運(yùn)算時(shí)間得進(jìn)行充分的優(yōu)化，確保網(wǎng)絡(luò)傳輸高速且不會(huì)發(fā)生阻塞，以及管理軟件運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體的傳遞時(shí)間。這需要在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行充分計(jì)算和方案論證。

3 檢測掃描周期的取值

智能布線管理系統(tǒng)的跳線狀態(tài)監(jiān)測方式可以有兩種：中斷或巡回掃描。中斷方式是指當(dāng)狀態(tài)變化時(shí)觸發(fā)電子系統(tǒng)，電子系統(tǒng)在收到信號(hào)后立即收集引起中斷的地址和狀態(tài)；巡回掃描采取每隔一段時(shí)間檢測一次狀態(tài)的方式。在一般情況下，中斷方式的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)成本比較高，響應(yīng)速度快，但往往需要假設(shè)同一時(shí)刻/同一區(qū)域內(nèi)不能有兩個(gè)信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生中斷。而巡回掃描方式的電路結(jié)構(gòu)簡單，檢測成本低，能夠支持同時(shí)出現(xiàn)的多點(diǎn)狀態(tài)變化，但響應(yīng)速度略低。由于顯示響應(yīng)時(shí)間比較寬松，使用廉價(jià)的巡回掃描方式足夠了，所以在本文中僅以掃描方式進(jìn)行分析。

李小樹發(fā)火了，我第一次見到李小樹對(duì)大黑貓發(fā)那么大的火，他氣急敗壞地提著大黑貓的后頸窩一把把它扔出了窗外。大黑貓被扔出去后又撕心裂肺地叫著從窗口爬了進(jìn)來，李小樹仍沒解氣，他從雜屋間找來一個(gè)廢舊的紙箱，三下兩下就把大黑貓裝進(jìn)了紙箱里，然后把它送給了我。

“檢測掃描周期”在本文中被定義為巡回掃描每個(gè)被監(jiān)測端口的時(shí)間間隔。

跳線插拔后的狀態(tài)及跳線的當(dāng)前狀態(tài)需要不斷更新，使之保持在最新、最真實(shí)的狀態(tài)，故此必須消除因跳線插拔瞬間所產(chǎn)生的機(jī)械抖動(dòng)（跳線插拔過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)）而形成的虛假狀態(tài)。所以，檢測掃描周期應(yīng)大于跳線插拔的抖動(dòng)時(shí)間，或在穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次掃描，以得到最終的穩(wěn)定狀態(tài)信息?？紤]到掃描周期越短則硬件設(shè)備的造價(jià)越高這一事實(shí)，掃描周期大于抖動(dòng)時(shí)間將是一個(gè)性價(jià)比相對(duì)理想的選擇。

出于安全性考慮，設(shè)定掃描周期時(shí)還需考慮如何確保每一次跳線的“插”或“拔”都能得到記錄。這一點(diǎn)，同樣可以根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的數(shù)據(jù)獲得，即掃描周期只要小于“大腦傳遞時(shí)間”與“動(dòng)作時(shí)間”之和即可，即0.7～0.75s之內(nèi)就能夠做到在同一個(gè)掃描周期內(nèi)不可能出現(xiàn)即插又拔，導(dǎo)致記錄缺失的現(xiàn)象。

掃描周期只要滿足0.7～0.75s之內(nèi)掃描一次的極限要求即可，掃描周期越短則對(duì)軟硬件的要求越高，故此不建議掃描周期設(shè)定在數(shù)毫秒。

4 顯示掃描周期

電子配線架上每個(gè)端口的LED指示燈驅(qū)動(dòng)電路可以有兩種：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)或動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路是指始終給LED指示燈一個(gè)恒定的電流，使它保持在發(fā)光（有電流）或熄滅（無電流）狀態(tài)，這就要求顯示電路中能夠保持電流的恒定。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路是指多個(gè)LED指示燈共享同一套驅(qū)動(dòng)電路，通過地址分配方式逐個(gè)點(diǎn)亮所有的LED指示燈，當(dāng)掃描周期和電流值合適時(shí)，這些LED指示燈的視覺感覺與靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的效果一樣。

在本文中，顯示掃描周期是指智能布線管理系統(tǒng)檢測/顯示單元中的LED指示燈動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)，每個(gè)LED可能獲得供電的時(shí)間間隔；如果LED顯示方案為靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，則無需考慮這個(gè)參數(shù)。

當(dāng)顯示掃描達(dá)到每秒25幀時(shí)，通過計(jì)算可知，掃描所有的LED指示燈所需的時(shí)間為40ms，這些LED指示燈的數(shù)量可以是24個(gè)、12個(gè)或者是8個(gè)、6個(gè)。

5 結(jié)束語

綜上所述，監(jiān)測/顯示單元的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)以操作者能夠接受的時(shí)間為宜，根據(jù)分析，建議響應(yīng)時(shí)間不大于1～2s，即當(dāng)跳線插拔后1～2s的時(shí)間內(nèi)指示燈和管理軟件的顯示屏上能夠反映跳線的當(dāng)前狀態(tài)或發(fā)出異常報(bào)警的指示。

對(duì)于掃描周期的選定，當(dāng)顯示采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，檢測掃描周期可以考慮設(shè)定在0.7～0.75s之內(nèi)，以盡量降低對(duì)軟硬件的成本要求；當(dāng)顯示驅(qū)動(dòng)電路采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)，需平衡考慮掃描周期與亮度之間的關(guān)系，確保LED器件能夠承受所流過的電流。如果系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)將顯示掃描周期與檢測掃描周期相等時(shí)，檢測掃描周期也將提升到顯示掃描周期，這將對(duì)電子硬件、固件和系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)都提出更高的要求，這時(shí)需要全面評(píng)估造價(jià)對(duì)智能布線管理系統(tǒng)的影響。

參考資料：

1 《INFORMATION TECHNOLOGY - Automated infrastructure management (AIM)-requirements, data exchange and applications》（ISO/IEC 18598-2016，討論稿）

2 《Information technology - Implementation and operation of customer premises cabling - Part 2: Planning and installation》（ISO 14763-2-2014，討論稿）

3 《Administration Standard for Telecommunications Infrastructure》（ANSI/TIA-606-B-2012）

4 《智能布線管理系統(tǒng)的核心思維：保留真實(shí)的記錄》（曾松鳴）

5 《智能布線管理系統(tǒng)應(yīng)采用通用接口實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化》（曾松鳴）

6 《從運(yùn)維角度分析智能布線管理系統(tǒng)的功能》（曾松鳴）