（电力系统及其自动化专业论文）综合调度系统的时钟同步技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h eh i g h - s p e e dr a i l w a yc o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e mi n t e g r a t e dt h et r a i n o p e r a t i o nd i s p a t c h i n g ，t h et r a n s p o r t a t i o np l a n n i n gm a n a g e m e n t ，t h ep o w e r d i s p a t c h i n g ，t h em o t o r t r a i nu n i td i s p a t c h i n g ，t h ec o m p r e h e n s i v em a i n t a i ns y s t e m ，t h e p a s s e n g e r s e r v i c ea n ds oo n i ti sv e r ys t r i c tf o rt h es y n c h r o n i z a t i o no fc l o c k sf o rt h e c o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e m t h ep a p e rf o c u s e sm a i n l yo nr e s e a r c ho fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o ni nt h ec o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lw a y so fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n di t p o i n t so u tt h el a c ko f t r a d i t i o n a ls y n c h r o n i z a t i o nw a y s s e c o n d l y , t h ep a p e re x p o u n d s t h ew a y so fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni nt h ed i s t r i b u t e ds y s t e m s a c c o r d i n gt ot h e n e t w o r kt o p o l o g yo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yc o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e m ，t h e p a p e rp u tf o r w a r dt h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nn e t w o r kb a s e do ns t a g e d - d i s t r i b u t e d t y p e ，a n du s et h eo p e r a t i o nm o d ei sc l i e n t s e r v e rm o d e f o re n s u r i n gr e l i a b i l i t yo f c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n i n l a r g ec o m p l e x n e t w o r ko ft h e h i g h s p e e dr a i l w a y c o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e m ，t h ep a p e r u s et h er e d u n d a n ts e r v e ro fn t e f a t h e r l y , t h ep a p e ra n a l y s i sa l lk i n d so ft h ep r i m a r ya l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n n e t w o r kb a s e do n s t a g e d - d i s t r i b u t e dt y p e i nt h e c o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e ma n du s i n gt h eo p e r a t i o nm o d ei sr e d u n d a n ts e r v e r o fn t p , t h ep a p e ri m p l e m e n t st h ed a t af i l t e ra l g o r i t h m ，i n t e r s e c t i o na l g o r i t h ma n d c o m b i n i n ga l g o r i t h m ，a n di m p l e m e n tt h em o d i f i e do ft h ec l i e n tt i m eo f f s e ti nu s i n g t h em e t h o e do fc o m b i n i n gt h el i n e a rp h a s ea d j u s t m e n tw i t ht h en o n l i n e a rp h a s e a d j u s t m e n t t h e n ，t h ep a p e rd e s i g n st h ed a t as t r u c t u r e so ft h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n p r o g r a m ，a n dd e s i g n s n t pc l i e n ta n ds e r v e rp r o g r a mf o r t h ec o m p r e h e n s i v e d i s p a t c h i n gs y s t e mb a s e do nt h en t pa l g o r i t h ma n dt h ea d j u s t m e n ts t r a t e g yo ft h e t i m eo f f s e ti nt h i sp a p e r a d d i t i o n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n st w oo p e r a t i o nm o d e sf o rt h e c l i e n ts o f t w a r e ，o n em o d eo p e r a t e su n d e rs i n g l e s e r v e ra n da n o t h e ro p e r a t e su n d e r m u l t i s e r v e r , t h et w om o d e sc a ns w i t c he a c ho t h e ra u t o m a t i c a l l ya n di ti sd u et ot h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 f a u l ts t a t e so fn e t w o r k f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e st h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n e x p e r i m e n t si nt h em u l t i l a y e ra n dm u l t i l e v e ls t r u c t u r eo f e d u c a t i o nn e t w o r ka n dl a n t oc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n k e yw o r d ：t h ec o m p r e h e n s i v ed i s p a t c h i n gs y s t e m ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nn e t w o r k ； n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ；g p s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名立名厶 日期：伽8 6 指导掷签名：婿 日期：神g 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 秦沈客运专线的建成和运行，宣告着我国铁路建设和运行开启了高速铁路 的新时代。为了与高速铁路的运行和管理相适应，我们有必要改变目前铁路调 度管理自动化的现状。目前铁路调度管理自动化是各专业、各子系统单独设置 s c a d a 系统，虽然各个s c a d a 系统在本专用领域能很好地完成监控任务，但它们 之间缺乏系统间的协作、联动，形成了一个个的自动化信息孤岛，这完全不能 满足铁路跨越式发展和城市轨道交通快速发展的要求。无论是高速铁路、客运 专线，还是城市轨道交通，其运输特点就是行车密度大、可靠性要求高、系统 的调度响应能力高，所以s c a d a 系统必须向多专业、多系统、多层次架构下的 综合化、整体协作、自律分布的模式转变。这就要求我们构架s c a d a 综合调度 系统的基础平台技术，并结合中国轨道交通的实际现状，进行技术层面的攻关 研究，以期获得具有我国自主知识产权的相关技术，适应我国高速铁路、城市 轨道交通技术发展的需要。因此，这项研究不仅具有重要的社会和经济意义， 也具有十分重要的战略意义。 高速铁路综合调度系统是高速铁路运营管理和列车运行控制的中枢，是高速 铁路高新技术的集中体现：是高速铁路运营管理现代化、自动化、安全高效的标 志：是提供乘客便捷、优质服务的窗口。它根据机车车辆配备和动力特性、车站 配备及作业、沿线线路和设备状态、人员的配备、相邻线路列车运行的状态等， 统一指挥列车运行和协调铁路运输各部门的工作，因此，只有建立一个高效率的、 现代化的综合调度信息管理系统，才能充分发挥高速铁路本身所具有的运输能 力，确保高速铁路的运行安全和优质服务。 高速铁路调度指挥系统是涉及列车运行调度、运输计划管理、电力调度、动 车组调度、综合维修、旅客服务等多学科的系统工程。 由于在综合调度系统中需要实现各子系统的联动性，所以统一全线的时间是 非常重要的，而且一旦出现故障和灾害，系统当时的记录对事后分析事故原因是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 非常宝贵的资料，这就要求整个系统要达到很高的时钟同步性。因此，在这样一 个复杂的分布式综合调度系统中，如何精确地同步网络中所有的主机和智能设备 的时间是一个相当重要的课题。在以往传统的调度系统中，其时钟同步的方式一 般采用通信规约同步法，但是由于各个子系统各自分立，其时钟同步的规约和同 步的精度也是不尽相同；还有在各s c a d a 系统的各被控站及调度端均设置g p s 硬件对种，或g p s 与通信规约对时相结合的方法，这些在综合调度系统这样一个 复杂的，网络化的系统中传统的各自时钟同步的方法及通信规约的对时方法是很 不适用的。因此，寻找和研究一种能在综合调度系统中进行有效同步时钟的技术 方法就具有较大的理论和实际意义。 1 2 课题研究的现状和发展 由于传统的s c a d a 调度系统中多岛分立的监控体系，各专业子系统也都有自 己的对时方式和标准。而各个子系统的时钟同步技术是相互独立的，多采用g p s 及应用软件的通讯规约定义的时钟同步报文相结合来完成。这种情况下，各个 子系统之间就存在着相对时间误差。 传统的通信方式一般是基于串行通信，通信的速率比较低，传输延时的时 间比较大，传输延时中包含三部分延时：发送延时，接收延时和通道延时。而且 传统时间同步方法造成的通讯负担较重。同时在传统的时间同步方法中，时钟 同步报文的分辨率一般为毫秒，而且在调整计算机时钟的时候，一般都是将本 地时钟的偏差值直接置入本地时钟，这样特别是在时间偏差值为负的时候，即 本地时钟快于参考时钟的时候，可能会造成计算机时钟“向后跳”的情况，这 样的调整方式没有保证本地计算机时钟的单调性，即没有保证本地时钟的时间 单调地增长，这样对一些与时间顺序密切相关的事件记录的分析是非常不利的， 如电力监控的事故顺序记录( s o e ) 分析等。 目前许多电力s c a d a 子系统中多采用g p s 硬件同步系统及应用较多的循环式 远动规约( c d t 规约) 和i e c 6 4 8 7 0 - 5 - 1 0 1 标准中的时钟同步法相结合的方法完成 时钟同步，这是基于报文上下行时间相等的假设，所以在实际中存在一定的误 兰 在。 综合调度系统一般为一个大型网络互联系统，文献 1 一 1 0 分析了目前国 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 外高速铁路调度中心主要的两种构成方式。一种是德国的分散区域中心的调度 方式：另一种是日本的集中构成方式，它把整条高速铁路的运营情况全部集中 在一个调度中心来进行行车指挥。综观各国的高速铁路行车指挥系统，都是采 用集中控制方式来指挥列车运行。 在我国，为了建立更好的适应高速铁路的运行管理，就需要改变现有的调 度模式，把各个子系统有机结合起来，建立综合调度系统。而目前我国的综合 调度系统还处于实验研究阶段，因此对一些技术问题我们可以借鉴其它行业和 系统的既有模式来得到较好的结果。 综合调度系统必然是基于网络的一个大系统，这就涉及到网络时间同步的 问题。因此需要一种协议来规范网络中计算机时间的同步问题。网络时间协议 ( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，简称n t p ) 就是一个能调整时间抖动率，建立一个即 时缓和、调整时间变化，并用一群受托服务器提供准确、稳定时间的时间管理协 议【3 9 】。 n t p 是由美国d e l a w a r e 大学的d a v i dl m i l l s 设计，由时间协议( t i m e p r o t o c 0 1 ) 、i c m p 时间戳消息( i c m pt i m e s t a m pm e s s a g e ) 及i p 时间戳选项( i p t i m e s t a m po p t i o n ) 发展而来的，目前已发展到第4 版。网络时间协议是用于将 计算机客户或服务器的时间同步到另一个服务器或参考时钟源的i n t e r n e t 标准 协议。n t p 的目的是在无序的i n t e r n e t 环境中提供精确和健壮的时间服务。它使 用u t c ( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ) 作为时间标准，本身基于u d p i p ，使用层 次式时间分布模型。文献 1 1 对网络时间协议实现分布式系统内时钟同步的原 理进行了分析。文献 1 6 分析和讨论了n t p 的工作原理、工作模式、网络结构处 理流程和时间戳格式和协议报头格式。文献 1 2 对n t p 采用的钟模型和钟驯化算 法进行了研究，并在u n i x 下实现了基于n t p 的软件。文献 3 7 就基于n t p 的网络 时间服务系统的层状结构、时间延迟和时钟偏移的测量、消息格式以及实现机 制进行了介绍和讨论。 文献 1 1 、 1 4 、 3 6 、 3 9 论述了n t p 协议的工作原理及其在网络环境 中的实现。文献 4 0 分析和研究了当前两种重要的计算机时间同步技术：n t p 协 议和直接连接时间传输。并给出了一个基于n t p 的时间同步方案。文献 1 5 介 绍和分析了计算机时钟同步系统的主要理论与技术，研究了同步系统的三个主 要组成部分：然后研究了应用最为广泛的绝对物理时钟同步系统的设计方法， 对其两种核心算法：c r i 算法和p c s 算法进行了详细的分析及性能比较。最后 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 简要介绍了基于网络时间协议( n t p ) 的同步技术及其软件实现。文献 1 7 分 析时间同步的意义，研究当前主要的时间同步技术，并结合铁路信息系统实际 提出了一个在网络中同步计算机时间的综合性方案。文献 2 0 讨论了n t p 在电 信网络中的应用，但他只是提出了一种基于n t p 协议的结构模式，但没有给出 具体的实现方案。文献 2 3 1 讨论了n t p 应用在电信时间同步网络时的时间处理 过程，并指出了应用n t p 时应该注意的问题，但是他同样没有给出具体的实现 方案。文献 1 8 、 2 2 探讨了n t p 在电力系统及其电力自动化设备时钟同步中 的应用。从实现机制来看，时间同步有硬件和软件两种方法，各自有不同的精 度和成本。硬件时间同步可以获得很高的同步精度，但需引入专用的硬件设备， 成本较高且不易安装，适合于需要高精密时间同步的场所。软件时间同步是利 用时间同步算法，通过网络进行的时间同步。文献 5 1 研究了基于n t p 的时钟 同步的软件方法实现。文献 5 5 主要研究如何最精确地估计客户机和服务器之 间的网络传输时延和时钟偏移量，并对现有算法进行了有益的尝试和改进。文 献 5 6 主要工作是在深入研究n t p 协议的工作原理和多重算法的基础上，尝试 着设计开发了一种简单的基于n t p 协议的网络时间服务器和客户端软件，并基 本实现了在局域网内使用n t p 完成网络时间同步工作。文献 5 7 的主要工作是 设计并实现了煤矿微震监测定位系统中的时钟同步系统的硬件和软件。 但是上述文献都没有涉及到时钟同步系统中一个最重要的问题，就是n t p 时钟同步的可靠性。本文针对这一重要问题进行了研究和探讨。针对综合调度 系统时钟同步网的可靠性要求，提出了一种可行的解决策略。 1 3 课题研究的内容、成果及意义 本课题具体研究内容包括：以电力s c a d a 为例分析了传统的时钟同步方 式，并指出其存在的问题。分析了高速铁路综合调度系统可能的逻辑结构和物 理结构，针对该系统的网络拓扑结构和特点设计了相应的时钟同步网结构，提 出了采用g p s 和网络时间协议n t p 相结合的时钟同步设计方案，采用了可靠性 策略，并分析了相关技术原理和算法。完成了n t p 的服务器端和客户端的软件 设计。另外，考虑到有可能出现服务器和网络等故障导致可用服务器数量的减 少，论文在n t p 客户端实现是分别设计了单服务器工作模式和多服务器工作模 式，并且实现了两种模式的自动切换。论文还分别在广域网和局域网上进行n t p 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 时钟同步试验，通过实验数据的分析，对n t p 时钟同步与传统时钟同步进行了 分析比较。 本课题研究的成果和意义：本论文设计的方案是针对高速铁路综合调度系 统的分层分布式网络拓扑结构。该网络时钟同步方案采用客户服务器模式，遵 循网络时间协议，并以g p s 时钟作为系统的标准时钟源。高速铁路综合调度系 统时钟同步方案的设计，采用了统一的国际标准，避免了各个子系统采用不同 的同步标准，从而提高了整个系统的时钟同步精度，为综合系统的联动，准确 故障判定及分析，故障处理奠定了良好的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章分布式系统中时钟同步技术概述 随着网络技术的发展，分布式系统得到了广泛的应用。相对于传统的集中 式系统而言，分布式系统中的同步技术更复杂。本章介绍了分布式系统中计算 机时钟及其同步技术。 2 1 计算机时钟同步技术 计算机度量时间的时钟一般分为硬件时钟和操作系统时钟，二者相互关联。 操作系统内核一般要和计算机硬件的三个重要部分交互：实时时钟r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 、时间戳计数器( t i m es t a m pc o u n t e r ) 和可编程定时器。 所有的p c 都包含一个称为实时时钟( i 盯c ) 的钟，它独立于c p u 和其它 芯片。这个t r c 持续发出滴答，一般c m o sr a m 和r t c 被集成在一块芯片上。 这个r t c 可以在i r q 8 上以2 h z 到8 1 9 2 h z 之间的频率发出周期性的中断。 它也可被编程，在r t c 达到一个特定值时激活i r q 8 ，这样就以一个报警时钟 工作。在u n i x 中只用r t c 来取得时间和日期，然而它允许处理器对r t c 编程。 操作系统内核通过0 x 7 0 和0 x 7 1i o 端口进入r t c 。 在i n t e lp e n t i u m 以上级别的c p u 中，有一个6 4 位的时间戳计数寄存器， 记录了自c p u 上电以来所经过的时钟周期数。由于目前的c p u 频率都非常高， 因此这个部件可以达到纳秒级的计时精度。在p e n t i u m 以上的c p u 中，提供了 一条机器指令r d t s c ( r e a dt i m es t a m pc o u n t e r ) 来读取这个时间戳的数字， 并将其保存在e d x ：e a x 寄存器对中。如果处理器没有相应的硬件( 如3 8 6 ) ， 有些操作系统内核就会模仿一个这样的计数器。u n i x 系统利用这个寄存器取得 比可编程定时器更精确的时间值。 计算机一般都设有一个可编程的定时器，它以一定的频率发出中断，这样 的中断称为一个时钟滴答( c l o c k t i c k ) ，在l i n u x 和u n i x 中一般讲一个时钟滴 答定义为1 0 m s 。每台i b m 兼容的计算机至少维持一个可编程定时器，通常由 8 2 5 4 芯片实现。在每两个时钟滴答的间隔中，操作系统还维持了一个软件时钟 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 变量用来计算两个滴答间隔之间的微秒数l l2 i 。 由于硬件时钟的晶振频率存在一定的误差，软件时钟的稳定性也比较差， 受中断请求的稳定度制约，因此无论是硬件时钟还是软件时钟，其守时能力都 是有限的。因此要将一台计算机同步到标准时间或者是多台计算机的时钟保持 同步，必须采用相应的同步方法。目前时钟同步的方法主要分为：硬件同步方 法和软件同步方法。 硬件同步的方法主要是采用硬件设备接收标准时间信号，来同步本地计算 机时钟。其授时的方式又分为：电话授时；无线电广播授时；卫星授时( g p s 、 g l o n a s s 等) ；外部接高精度时钟( 铷钟和铯钟等) 。硬件同步方法的一个最 大优点就是同步精度高，但是硬件设备成本高且不易安装，而且在一个分布式 网络中，要在每台计算机上都采用硬件同步的方法显然是不可取的。同时，也 可以在一个网络中为其中的几台计算机配备硬件同步设备，通过它们对其它的 计算机同步，即软硬件对钟相结合的同步方法。软件同步根据同步算法和网络 拓扑结构大致可以分为以下3 类【l3 】： 主从式( m a s t e r - s l a v e ) 时间服务器式时间同步策略：在系统中的若干个节 点设立高精度的时间服务器，网络中的其它节点通过网络从服务器处获得时间。 客户端以一定的策略修正本地时钟，达到整个系统的时钟同步。本策略原理简 单，实现相对容易，但是服务器容易成为同步网络中的瓶颈，需要相应的策略 消除瓶颈。主从式策略的代表性协议为n t p 网络时间协议和s n t p 简单网络时 间协议( s i m p l en e t w o r k t i m ep r o t o c 0 1 ) 。 拜占庭式协议( b y z a n t i n ea g r e e m e n t ) 时间同步策略：在网络中有一个节点 作为发起者，发起者将自身信息广播给其它节点，各个节点将收到的信息再广 播给其它节点，但是不广播给发起者。通过多数决定的方式，可以知道哪个节 点发生了错误，之后再轮流担当发起者，不断巡回交换信息，直至所有错误节 点被找到为止。此策略的优点是容错能力强，适用于任何形式的系统错误，但 是需要通过大量的信息交互来完成，会增加整个网络的通讯负担，而且它适用 于特定信息的交换，对于时间同步中需交换信息为非特定的参考时间信息，因 此在应用上有一定限制。 收敛函数式( c o n v e r g e n c ef u n c t i o n ) 时间同步策略：收集系统中各个节点 的参考时间，根据可能的影响因素估算参考时间的估计值，运用收敛函数计算 这些时间估计值并获得一个正确的时间值，再依次调整各自的时间。这中间又 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 分为平均容错、交互收敛、中点容错及快速收敛等算法。本策略中，每个节点 的地位平等，仅需交换少量信息很快就能达到时间同步的目的，但同步的精度 不如主从式时间同步策略。 通过以上几种时钟同步策略的分析可知，主从式时钟同步策略的同步精度 较高，但存在服务瓶颈问题。拜占庭式的时钟同步策略容错能力较强，但网络 负担重，并且网络负担随着网络节点的增多呈几何增长，应用也具有一定难度。 收敛函数式时间同步策略中，各节点地位相同，其适宜作为相对时间同步，不 宜作为与u t c 等标准时间的同步。综上所述，在大型分层分布式结构的系统中， 时钟同步的方法采用主从式时钟同步策略较好，但同时需要解决服务器容易成 为同步网络中的瓶颈的问题，时延问题等，需要相应的策略消除瓶颈和时延。 还需要考虑大型分布式网络时钟同步可靠性等问题。 2 2g p s 授时系统 g p s 是美国研制的第二代卫星导航系统，最初目的是为美国军方提供军事 服务。随着应用研究的发展，它逐步应用于民用导航、测量和勘探领域。 2 2 1g p s 系统组成 g p s 是由空间部分、地面控制部分和用户设备组成。空间部分主要是由2 1 颗卫星和3 颗备用卫星组成，分布在6 个轨道上，卫星高度为2 0 1 8 3 k m ，每颗 卫星上都有原子钟、导航电文存储器、伪码发生器、接收机和发射机等。 地面控制部分包括监测站、主控站和注入站三部分。 监测站的任务是卫星过顶时收集卫星播发的导航信息，对卫星进行连续监 控，收集当地的气象数据等，并把数据送往主控站。 主控站的任务是：根据站内的原子钟，统一g p s 的时间基准，控制地面控 制部分的工作；处理各监测站送来的数据，编制各卫星的星历，计算各卫星钟 的钟差和电离层校正参数等，并将这些导航信息送到注入站；控制卫星的轨道 偏离，在卫星失效时，及时调用备用卫星。注入站( 有3 个，与监测站一起) 的任务是卫星通过其上空时，把导航信息送给卫星，每颗卫星隔8 小时注入一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 次。 用户设备就是g p s 接收机，它根据自己的时钟和接收到的导航信息计算接 收机( 天线) 所在的位置和g p s 的时间。其计算原理采用测距法。 2 2 2g p s 授时基本原理 g p s 时属于原子时系统，是g p s 系统建立的专用时间系统，由g p s 主控站 的高精度原子钟授时，其秒长与u t c 的秒长相同。g p s 时是一种连续的计时系 统，不含润秒修正。 g p s 是按单程测距原理建立起来的，即用户只需通过接收设备来接收卫星 发射的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观察点 到g p s 卫星之间的距离。所谓定位，就是在观察点通过接收若干颗卫星的信号， 建立相应数量的距离方程，联立解出观察点( 用户) 所在位置对应的地球坐标。 g p s 是利用时间来测量距离的，要准确测定卫星至观察点的距离，就必须使卫 星钟和用户接收时钟( 简称用户钟) 保持严格同步。但这通常是难以做到的。 由于用户接收机配备的通常是晶体钟，这样卫星钟和用户钟之间存在同步偏差， 因此测定的距离不再是实际的几何距离，故而称测量值为伪距。其伪距测量示 意图如图2 1 所示。 g p s 时 卫星钟时间 用户钟时间 t c p s st c p s - r 图2 ig p s 伪距测量示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图中各个符号意义如下： t s s 卫星发射信号时卫星钟的时间 t g p s - s ：卫星发射信号时对应的g p s 时时间 t u r 用户接收机收到卫星信号时的接收机时间 t g p s - r ：用户接收机收到卫星信号时对应的g p s 时时间 t l ：卫星钟与g p s 时之间的偏差 t 2 ：用户接收机时钟与g p s 时之间的偏差 根据伪距的定义，可以得出卫星和用户接收机天线之间的伪距r 为： r = c 【乃一r r s s ) ( 2 1 ) 其中c 为光速。 而卫星和接收机天线之间的真实距离也可以由以下公式得出： r o = c 【z 掰一只一z 髑一s ) 一c 翻( 2 - 2 ) 其中t a 为大气层引入的附加时延，可由导航电文求出。 由于： r s s = 一s + 正 ( 2 3 ) 乃一r = 一只+ 疋( 2 - 4 ) 将式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 代入式( 2 1 ) ，得到： r = c ( z g 醛一月一z 高一s ) + c ( a v 2 一a t i ) ( 2 5 ) 再结合公式( 2 2 ) ，整理得到： r = r o + c 列+ c ( 6 r 2 一互)( 2 - 6 ) 公式( 2 6 ) 称为伪距测量方程。假设用户接收机天线的位置在地球坐标系中 的坐标为u 9 ( x ，y ，z ) ，卫星处在地球坐标系的坐标为s ( x i ，y i ，z i ) ，将这些坐标代 入公式( 2 6 ) 得到： r = b x 。) 2 + 一y 。) 2 + ( z z 。) 2 + c 砌+ c q l 疋一互) ( 2 7 ) 公式( 2 7 ) 中，卫星的位置坐标、t a 和t l 可以由导航电文给出，伪距r 也 可以通过公式( 2 1 ) 求出，剩下的四个未知量分别为：接收机天线坐标( x ，y z ) 和接收机时钟相对于g p s 的偏差t 2 。这样只要同时观察四颗卫星就可以联立 四个方程，也就把用户的位置求解出来了。 在求解用户位置的过程中，接收机时钟与g p s 时之间的偏差作为一个附加 未知数被解算出来，这就是g p s 授时的基本原理。由于g p s 时与u t c 是一种 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 相关的时间系统，其偏差已包括在导航电文中。因此，用户接收机给出的时间 般都是同步到u t c 后的结果【1 引。 2 3 网络时间协议n t p 2 3 1 网络时间服务的层状结构 时钟同步网络理论上根据其精确度和重要性一般分为从o 1 5 的共1 6 个级 别或更多级，但是实际上不会大于6 级。级别编码越低，精确度和重要性越高。 时间的分配自级别编码小的层次向较大的层次进行，即由第0 级向第1 5 级分配 渗透。第0 级设备是时钟同步网的基准时间参考源，它位于同步子网络的顶端， 目前普遍采用全球卫星定位系统，即由g p s 播发的u t c 时间代码。子网络中 的设备可以扮演多重角色。例如一个第2 级的设备，对于第1 级来说是客户机； 对于第3 级可能是服务器；对于同级的设备则可以是对等机。这里对等机的含 义是相互用n t p 进行同步的计算机设备。n t p 协议就是通过这种网络层状结构 一层一层延伸下去，为整个网络提供对时服务【2 0 】【2 i 】。 2 3 2n t p 协议的对时方法 n t p 协议的精确对时主要是在主从工作方式下实现的。n t p 算法首先就要 根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中传输的 延迟。这里先定义一下，客户端和时间服务器之间的时间偏差( o f f s e t ) 用希腊 字母0 表示；对时过程中的网络路径延迟( d e l a y ) 用希腊字母6 表示。 c l i e n t t it 图2 2服务器和客户端对时过程 图2 2 中，t l 和t 4 是客户端时钟记录的发送n t p 报文和接收n t p 报文的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 时间，t 2 和t 3 是服务器端时钟记录的接收和发送n t p 报文的时间。这里可以 设定服务器的时钟是准确的，服务器和客户端时钟的时间偏差是0 ，从客户端发 送报文到服务器端的路径延迟是6 l ，从服务器到客户端的路径延迟是6 2 ，路径 延迟总和是6 。那么可以列出三个方程式： 正一互= 目+ 4 ( 2 - 8 ) l 一死= 以一目 ( 2 - 9 ) 4 + 疋= 万 ( 2 一1 0 ) 如果假设从客户端到服务器的路径延迟和从服务器到客户端的路径延迟相 等，即瓯：以：要，以上三个方程式变成： 互一互：臼+ 霎 ( 2 11 ) 瓦一正：要一乡 ( 2 1 2 ) 可以求出： 服务器和客户端时钟的时间偏差p ：坚! 点掣( 2 - 1 3 ) 客户端与服务器端总的网络路径延迟万= ( 瓦一互) 一( 五一瓦) ( 2 1 4 ) 服务器和客户端之间的时间差异可以从图2 3 看出。 c l i e n t t 1t 4 s e l 、，e f t 2t 3 图2 3时间偏差和网络延迟 2 3 3n t p 协议的工作模式 n t p 协议支持三种对时工作方式： s e r v e r c l i e n tm o d e ( 主从模式) ：用户向一个或几个服务器提出服务请求， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 根据所交换的信息，计算两地时间偏差和网络延迟，从中选择认为最准确的时 间偏差，并调整本地的时钟。 m u l t i c a s t b r o a d c a s tm o d e ( 广播模式) ：此种模式适用于高速的局域网中。 局域网中一个或多个服务器以固定的时间周期向某个多播地址广播自己的时 标，客户端不计算时间偏差和网络延迟，直接用接收到的时标修正自己的时钟， 忽略各种误差。 s y m m e t r i cm o d e ( 对称模式) ：两个以上的时间服务器互为主从，进行时 间消息的通讯，相互校正对方的时间，以维持整个同步子网的时间一致性。 2 4 时钟同步算法的分析比较 时钟同步算法可使各处理器同步到一个外部参考时钟源或者各处理器彼此 同步。前者称为外部同步，目标是让所有的时钟都尽量靠近参考时钟；后者称 为内部时钟同步，目标是最小化系统中任意两个时钟的差值。 时钟同步可以通过硬件或者软件获得。硬件时钟同步可以获得非常高的同 步度。软件同步算法使用标准的通讯网络，通过发送同步信息使得系统获得同 步，它们不需要额外的硬件，但是不能提供同硬件算法同样的同步度。软件同 步算法分为：确定性、概率和统计算法。确定性算法假设系统存在网络通讯延 迟上限，它们保证任意两个时钟之间的差值在一个确定的范围之内( 精度) 。概 率和统计不假设最大的信息延迟，概率算法保证同步时钟之间存在一个固定的 最大偏差。统计算法是基于对通讯延迟的分布情况，进行同步算法的设计，具 有较高的同步精度和同步效率。 下面从系统模型、算法的结构和算法的基本构造块对算法进行分析。 2 4 1 系统模型 同步算法的分析需要首先对分布式系统有个准确的描述：分布式结构、网 络定时假设和各组件的故障类型。 根据算法定义，分布式结构的网络有广播、点对点、全连接等不同的特性。 在分布式实时系统中，信息延迟或多或少的可以基于网络的类型和假设的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 网络负荷进行预测。一些设计者假设已知网络传输延迟的上、下限，其数学描 述如下： 假设网络延迟在已知的范围内l 万一占，万+ 占l ，其中万一占0 。采取这种假设 可以保证同步算法的精度，能够保证同步精度的算法称为确定性同步算法。相 反，也可以假设没有这种严格的传输延迟的限制，根据设计者，可以把信息延 迟建模为随机变量，或者已知信息延迟的均值和标准差。前者采用概率式时钟 同步算法，后者采用统计式时钟同步算法，但是这两种算法不能完全保证同步 时钟的精度。 而故障模式定义为不同于系统正常行为的模式，所有的组件( 处理器、网 络、时钟) 都可能遭受故障。下面是一些处理器、网络和时钟故障的类型： 时钟故障：时钟定时故障；时钟拜占庭( b y z a n t i n e ) 故障。 处理器故障：处理器崩溃；处理器性能故障：处理器拜占庭( b y z a n t i n e ) 故障。 网络故障：网络忽略故障；网络性能故障。 为了在故障组件情况下，分布式系统能够同步，基本每种算法都假设系统 故障数量的限制。 2 4 2 时钟同步算法的结构 时钟同步算法的结构可以是对称式也可以是非对称式。对于对称式算法， 每个处理器起到相同的作用；非对称式同步算法采用的是主从算法。对称式算 法主要影响支持故障的能力和为获得相当精度需要交换的信息数量。非对称式 算法主要是可以减少同步需要的信息量。 对称式算法方案，在整个同步过程中每个处理器的作用一样。每个处理器 发送包含当前逻辑时钟值的信息给其它的处理器：并且使用远处处理器发来的 含有时间信息的数据修正自己的逻辑时钟。根据一个处理器节点向其它处理器 发送信息的虚拟路径，对称式算法分为广播式和虚拟环式两种。对对称式算法 而言，缺点是时间同步所需的信息量较多，在网络通讯负担较重的情况下，不 是一个很好的选择。 非对称式算法方案，也称为主从式方案。针对这种方案，存在两种技术：( 1 ) 主控方案，主处理器给各个从处理器发送同步时钟信息；( 2 ) 从控方案，各个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 处理器自己计算同步信息，主节点仅仅起到提供参考时钟源的作用。非对称式 方案明显的优势就是同步所需交换的信息量少。从另一个方面看，由于只存在 一个主节点，如果主节点出现问题，就需要额外的机制去避免，诸如如何选出 新主等办法。 2 4 3 时钟同步算法构造块 任何同步算法，无论其是否是确定式，也无论它的结构如何，每个需要同 步的处理器都要经过三个步骤：同步事件的检测；读远处时钟；时钟修正。每 一个步骤都由一个模块完成，分别为：同步时间检测块；远处时钟估计块；时 钟修正块。 同步时间检测块：实际上，由于时钟的漂移，任何时钟都必须要经常进行 同步。用于同步通用的方法是周期性的调用同步算法。两种技术用于实现同步 事件的检测：( 1 ) 基于出事同步时钟的检测技术：( 2 ) 基于信息交换的检测方 法。 远处时钟估计块：该模块用于获得远处处理器的时钟值，并对远处处理器 的时钟进行估计。有两种技术用于估计远处处理器的时钟值；时间传输( 1 v r ) ， 读远处时钟( r c r ) 。它们都假设以有限的误差。估计远处的时钟，明显的误差 依赖于实际采用的时钟估计技术：t t 和r c r 。 时钟修正块：时钟同步算法的最后一步就是根据远处处理器时钟调整自己 的时间。这部分的实现是通过时钟修正块实现的。实现该算法有两种技术：集 中平均技术；非集中平均技术。 集中平均技术是采用接收到的所有远处时钟估计信息进行时钟修正，i 而非 集中平均技术是采用固定数量的远处时钟估计信息进行时钟修正。 通过分析可知，尽管确定性、概率和统计算法都是用同样的结构，但是它 们三类都关注各自的问题：确定性算法关注目标与最差情况下的精度；概率型 算法关注目标与在利用当前的工作条件，通过利用随后几轮的信息，获得一个 较高( 但不保证) 的精度；统计型算法是强烈依赖与信息延迟的分布情况去减 少同步所需的信息数量，同时获得一个较高( 但不保证) 的精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 第3 章综合调度系统时钟同步网设计 在本章中，首先对传统调度的体系结构和时钟同步方法进行了分析，阐明 了传统调度系统时钟同步方法的局限性；然后针对综合调度系统的体系结构， 设计出了适用于综合调度系统的时钟同步方法。 3 1 传统调度系统的结构及其时钟同步方法 3 1 1 传统调度系统的结构分析 我国铁路传统调度指挥采用分级管理、集中统一指挥的原则，通过设置三 级调度机构进行统一指挥，即铁道部设调度部，铁路局( 集团公司) 设总调度 室，技术站设调度室。铁道部、铁路局、技术站调度分别代表铁道部总调度、 铁路局调度、站级调度，根据分级管理、逐级负责、统一指挥的原则，分别掌 管全国铁路、铁路局和车站的日常运输组织指挥工作。 图3 - 1 传统调度模式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 如图3 。l 所示为传统铁路调度系统模式。传统调度系统包含的多个子系统， 但由于发展的水平参差不齐，其自动化程度也不一致。