（电力系统及其自动化专业论文）基于ntp的地铁综合监控系统时钟同步技术的研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dc i t yc o n s t r u c t i o n m e t r oi sm o r e a n dm o r e i m p o r t a n t f o r t h ec i t y t oe n s u r et h em e t r o ss a f e t ya n d h i g h - e f f i c i e n c y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc o n s t r u c tac o n t r o ls y s t e r nf o rt h em e t r o r e c e n t l y , t h e t e c h n o l o g i e so fc o m p u t e ra n dc o n t r o ls y s t e mh a v em a d ear a p i dp r o g r e s s ，t h e d i s t r i b u t e da n di n t e g r a t e dm e t r oc o n t r o ls y s t e mh a sa p p l i e dt om e t r oc o n t r o l s y s t e m i ti sv e r y s 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 ei n t e g r a t e dm e t r o c o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，h o wt os y n c h r o n i z et h ec l o c k so ft h ei n t e g r a t e dm e t r o c o n t r o ls y s t e mi saq u i t ei m p o r t a n ti s s u e 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 ks y n c h r o n i z a t i o ni nt h e i n t e g r a t e dm e t r oc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lw a y s o f c l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n di tp 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 n w a y s s e c o n d l y , t h ep a p e re x p o u n d st h et h e o r yo fg e t t i n g t i m ef r o mg p s t h r o u g h t h ea n a l y s i sf o rs e v e r a le x i s t e n tp r o t o c o l si ni n t e r a c t ，t h ep a p e ra d o p t s t h en e t w o r kt i m ep r o t o c o lf n t p ) a st h en e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o np r o t o c 0 1 a c c o r d i n g t ot h en e t w o r k t o p o l o g yo f m e t r oi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e ma n dt h e u n d e r g r o u n dc h a r a c t e r i s t i co f m e t r os t a t i o n sc o n t r o lr o o m , t h ep a p e rd e s i g n sap r o j e c t w h i c hi n t e g r a t e st h en t pa n dg p s t h eg p ss u p p l i e st h eu t c ( u n i v e r s a lt i m e c o o r d i n a t e d ) f o rt h en t ps e r v e r sw h i c hl o c a t e st h em e t r oo c c ( o p e r a t i n g c o n t r o lc e n t e r ) t h ep a p e ra l s od e s i g n st h ems y n c h r o n i z a t i o ns u b n e tf o rt h e m e t r oi n t e g r a t e dc o n t r 0 1s y s t e ma n dt h eo p e r a t i o nm o d eo fn t pi sc l i e n t s e r v e r m o d e f a t h e r l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo f n t p s y n c h r o n i z a t i o n t h e p a p e ri m p l e m e n t st h en t p c l i e n ta n ds e r v e rp r o g r a mo nt h er e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m q n x f o rt h ep s c a d a ( p o w e r s u p e r v i s i o n c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n l s u b s y s t e m t h e c l i e n ts o f t w a r e i m p l e m e n t s t h ed a t af i l t e r a 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 d d i t i o n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n s t w o o p e r a t i o n m o d e sf o r t h ec l i e n t s o r w a r e ，o n em o d eo p e r a t c s u n d e r s 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 rm u l t i s e r v e r , t h et w o m o d e sc a l ls w i t c h e 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 en u m b e ro f s e r v e r so rt h es i t u a t i o no f n e t w o r k f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e se x p e r i m e n t si ni n t e r a c ta n dl a n t oc o m p a r e 西南交通大学硕士学位论文 第l l i 页 w i t ht h et r a d i t i o n a lc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n k e y w o r d s ：m e t r oi n t e g r a t e dc o n t r o l ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，n e t w o r kt i m e p r o t o c o l ，g p s ，q n x 西南交通大学硕士学位论文第l 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 本课题来源于广州地铁三号线综合监控系统中电力监控子系统课题。 随着社会经济和城市化的发展，地铁作为越来越重要的客流运输渠道， 在具有快捷、高效等特点的同时，更要求其具有安全性和可靠性。为了确保 地铁运输的畅通和安全以及在意外情况发生时，能够及时、有效地掌握情况， 及时进行控制和处理事态，需建立安全防范的监控系统。 地铁监控系统一般由中央监控中心和车站监控两部分组成，其中包括电 力、通信、信号、环控等系统。在传统的监控系统中，各专业子系统都有自 己独立的网络，这些分立的系统在中央监控中- i i , o c c ( o p e r a t i n gc o n t r o l c e n t e r ) 都有本专业的服务器、操作站和外部设备，并具有各自不同结构的 通信网络，采用监控软件也是各不相同；在车站也有本专业的监控网络及监 控站。这种分立的监控系统方式形成了多岛监控系统，一个网络称为一个自 动化孤岛”1 。 随着自动控制系统和计算机网络技术的进步，多岛控制的自动化孤岛被 打破，分立的监控系统逐步走向综合自动化监控系统。现代地铁综合监控系 统也由中央监控网和车站监控网两级组成。车站级集成的子系统有列车自动 保护系统( a t p ) 、列车自动驾驶系统( a t o ) 、牵引变电自动化系统( 即车站电 力s c a d a 系统) 、环控系统、设备监控系统、自动售检票系统( a r c ) 、屏蔽 门( p s d ) 系统、门禁系统、乘客引导系统、车站信息( s i s ) 系统、闭路 电视系统( c c t v ) 、有线电话系统、站内广播( p ：a ) 系统等。中央监控中 心( o c c ) 用于实现列车自动监控管理系统( a t s ) 、电力s c a d a 、环控、 设备监控、防灾报警( f a s ) ，自动售检票、屏蔽门和防淹门监控系统、门禁 系统、闭路电视、广播、有线电话监控、乘客导引和车站信息系统等功能， 实现这些系统的联动。 这样，地铁综合监控系统通过集成地铁的相关机电系统，形成统一的监 控硬件和软件平台，从而实现地铁资源共享、信息互通，提升自动化水平， 增强各系统的可靠性、快速响应性和安全性，提高地铁综合运营效益和灾害 情况下的综合反应能力。 由于在地铁综合监控系统中需要实现各子系统的联动性，所以统一全线 西南交通大学硕士学位论文第2 页 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监控系统中，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。在以往传统的监控 系统中，其时钟同步的方式一般采用软件规约同步法，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。显然在综合监控 系统中，传统的各自时钟同步的方法是很不适用的。 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在 海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系 统。g p s 本身除了提供精确的全球定位功能外，另一个显著的特点就是精确 的时间信息传送。一般g p s 接收机提取出的1 s 的脉冲信号i p p s ，其误差相 对于世界协调时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 ) 时间不超过l 1 ts ( 微秒) 【2 】，使用g p s 传递的时间信息为高精密时钟同步提供了理想的时间源。目前 g p s 时间同步技术在数字通信系统、电力和供电系统、铁路运输系统以及许 多其它领域都得到了广泛的应用。 地铁综合监控系统是一个大型的地理上分散的s c a d a 系统，其形成了一 个广域网，同时由于地铁综合监控系统的特殊性一车站级的监控子系统大多 位于城市的地下，不利于设置g p s 信号接收装置，所以也不能实施全线g p s 时钟同步的方案。因此，如何实现这一复杂的广域网综合系统各予系统之间 的时钟同步成为受到普遍关注的课题。 1 2 课题研究的现状和发展 地铁监控系统时钟同步技术的发展是随着通信技术、计算机网络技术的 发展而不断发展。早期地铁监控的被控端及被控端与主调端的通信大多采用 串行总线。因此采用的时钟同步方法是全部采用基于串行通信协议的软件对 时，而后又发展到在主调端采用g p s 对时，主调与被控站点采用基于串行 通信协议的软件对时。随着通信技术及网络的发展，在广州地铁三号线主调 度端与被控端采用了光纤以太网作为通信介质，以电力s c a d a 系统为例， 在被控端也局部采用了光纤以太网( 网络层) 。但目前采用的时钟同步方法 是在主调端设置母钟( 时间服务器) ，通过专设的串行总线网用传统的规约 方式完成电力s c a d a 系统的时钟同步，这样既没有保证时钟同步的精度， 西南交通大学硕士学位论文第3 页 又没有合理的利用硬件资源，造成浪费。如果采用统一的时钟同步标准，利 用现有的以太网进行通信，使整个系统的时钟获得比较高的同步精度，这样 的同步方式是比较理想的。 网络时间协议的首次实现记载在i n t e m e te n g i n e e r i n gn o t e i e n 1 7 3 之 中，其精确度为数百毫秒。稍后出现了首个时间协议的规范，即r f c 7 7 8 ， 它被命名为d c 加玎互联网时间服务，而它提供这种服务还是借助于i n t e r a c t c o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ( i c m p ) ，即互联网控制消息协议中的时间戳和时间 戳应答消息。作为n r p 名称的首次出现是在r f c 9 5 8 之中，该版本也被称 为n t pv 0 ，其目的是为川娘a 网提供时间同步。它已完全脱离i c m p ，是 作为独立的协议以完成更高要求的时间同步。它对于如本地时钟的误差估算 和精密度等基本运算、参考时钟的特性、网络上的分组数据包及其消息格式 进行了描述。但是不对任何频率误差进行补偿，也没有规定滤波和同步的算 法f 3 】f 4 】唧。 美国特拉华大学( u n i v e r s i t yo f d e l a w a r e ) 的d a v i dl m i l l s 主持了由美 国国防部高级研究计划局d a r p a 、美国国家科学基金n s f 和美国海军水面 武器中心n s w c 资助的网络时间同步项目，成功的开发出了n t p 协议的第 l 、2 、3 版。 n t pv l 出现于1 9 8 8 年6 月，在r f c 1 0 5 9 中描述了首个完整的n t p 的规范和相关算法。这个版本已经采用了c l i e n t s e r v e r 模式以及对称操作， 但是它不支持授权鉴别和n i p 的控制消息。1 9 8 9 年9 月推出了取代r f c 一 9 5 8 和r f c 。1 0 5 9 的n t p v 2 版本即r f c 1 1 1 9 1 b j j 。 几乎同时，d e c 公司也推出了一个时间同步协议，数字时间同步服务 d t s s ( d i g i t a l t i m e s y n c h r o n i z a t i o n s e r v i c e ) 嗍。 在1 9 9 2 年3 月，n t pv 3 版本r f c 一1 3 0 5 问世，该版本总结和综合了n t p 先前版本和d t s s ，正式引入了校正原则，并改进了时钟选择和时钟滤波的 算法，而且还引入了时间消息发送的广播模式。这个版本取代了n t p 的先 前版本。 n t pv 3 发布后，一直在不断地进行改进，n t p 实现的一个重要功能是 对计算机操作系统的时钟调整。在n t p v 3 研究和推出的同时，有关在操作 系统核心中改进时间保持功能的研究也在并行地进行。1 9 9 4 年推出了r f c 1 5 8 9 ，名为a k e r n e l m o d e lf o r p r e c i s i o n t i m e k e e p i n g ，即精密时间保持的核 心模式，这个实现可以把计算机操作系统的时间精确度保持在微秒数量级。 几乎同时，又提出了n t p v 4 改进建议。对本地时钟调整算法，通信模式， 西南交通大学硕士学位论文第4 页 新的时钟驱动器，适配规则等方面的改进描述了具体方向【9 】【1 0 1 。 现在n r p 的第4 版正在研究和测试中，网络时间同步技术也将向更高 精度、更强的兼容性和多平台的适应性方向发展。 网络时间协议n r p 是用于互联网中时间同步的标准之一。) q t p 的用途 是把计算机的时钟同步到世界协调时u t c ，其精度在局域网内可达0 i m s ， 在i n t e r n e t 上绝大多数的地方其精度可以达到1 - 5 0 m s i l 】。因此，将基于 n t p 的网络校时方案应用于地铁综合自动化系统这样一个复杂的广域网监 控系统中时钟同步是完全必要及可行的。 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。分析了地铁综合监控系统中的特点，针对地铁综 合监控系统的网络拓扑结构和特点提出了采用网络时间协议n t p 和g p s 相结 合的时钟同步设计方案，并介绍了相关技术原理。以地铁综合监控系统电力 s c a d a 子系统为例，在没有商业版n t p 实现的实时操作系统q n x 上实现了n t p 的第3 版，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设备故障导致可用服务器数量的减少，论文在客户端 实现时分别设计了单服务器工作模式和多服务器工作模式，并实现了两种 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 时钟同步实验， 通过实验数据的分析，比较了n t p 时钟同步与传统的同步方法。 本课题研究的成果和意义：本论文设计方案适合地铁综合监控系统的树 状多层网络拓扑结构，并满足地铁综合监控系统的特殊性，即大多车站级监 控都分布于城市的地下，不利于全线各个车站分别架设g p s 接收机。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，并以中央监控中心 的g p s 时钟作为系统的标准时钟源。同时由于电力s c a d a 子系统采用的实时 操作系统q n x 上目前没有提供商业的n t p 实现，论文在q n x 上实现了n t p v 3 0 的服务器端和客户端的软件设计。地铁综合监控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对时标准，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。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 1 4 论文的组织 论文共分五章。 第一章为绪论部分。主要介绍论文的研究背景、主要内容以及论文的组 织结构。 第二章为地铁监控系统中的时钟同步技术应用。主要介绍时间标准和计 算机时钟同步的技术，时钟同步在地铁监控系统中的作用，同时以电力 s c a d a 子系统为例介绍了传统的时钟同步方法，以在电力s c a d a 中应用 较为广泛的循环远动规约和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 为例，分析了传统时钟同步技 术存在的问题。 第三章为分布式地铁综合监控系统时钟同步方案设计。提出了基于网络 时间协议n t p 和g p s 技术相结合的方案，同时介绍了各个技术的相关原理。 第四章为n t p 协议的对钟算法。详细分析了n r p 时钟同步流程中所用 到的各种算法。 第五章为地铁综合监控系统电力监控子系统基于n t p 的时钟同步设计。 这章以电力s c a d a 子系统为例，比较了电力监控系统中采用的各种操作 系统之间的时钟同步精度，介绍了实时操作系统q n x 特性。针对地铁综合 监控系统和电力s c a d a 子系统的特点，给出了电力监控子系统基于n t p 的时钟同步设计。同时通过对类1 7 n 系统时钟和h p u x 系统上n t p v 3 0 版本的研究，论文实现了在q n x 上n t p v 3 0 的服务器端和客户端的软件设 计。在客户端的设计中，针对服务器数量的不同及网络状况，分别设计了单 服务器工作模式和多服务器工作模式，并实现了两种工作模式之间的自动切 换。通过基于广域网和局域网的n t p 实验数据分析，对传统的时钟同步方 法和n t p 时钟同步进行了比较。 最后为结论。此小节为本论文的结束语，对本论文做一个总结，并对时 间同步技术做一个展望。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 第2 章地铁监控系统中时钟同步技术的应用 地铁监控系统从多岛分立监控发展到现在的基于网络的分布式综合监 控系统，相对于分立系统而言，分布式的综合监控系统中的同步技术就更复 杂了。本章介绍了时间标准系统和计算机时钟及其同步技术，时钟同步在地 铁综合监控系统中的应用，阐述了传统规约中的时钟同步的方法，并分析其 存在的问题。 2 1 时间标准 时间是三个基本物理量之一，人类日常生活、科学研究、导航及测绘等 都离不开时间。关于时间的描述，必须建立一个时间的测量基准。一般说来， 任何一个可观察的周期运动现象，只要符合以下要求，都可以用作确定时间 的基准： 1 ) 运动是连续的、周期性的 2 ) 运动的周期应具有充分的稳定性 3 ) 运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和任何时间都可以通过观测 和实验，复现这种周期性运动 在实际中。由所选的上述周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。 在早期，人们根据地球的自转来确定时间的单位。地球自转的角度可用地方 子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。为了测量地球自转，人们 在天球上选取了两个基本参考点：春分点和平太阳。以春分点作为基本参考 点，由春分点周日视运动确定的时间，称为恒星时( s t ) 。以平太阳作为基 本参考点，由平太阳周日视运动确定的时间，称为平太阳时( m t ) 。平太阳 是美国天文学家纽康( s n e w e o m b ) 在十九世纪末引起的一个假想参考点， 它在天赤道上作匀速运动，其速度与真太阳视运动的平均速度相一致。1 回 归年是太阳在天球上连续两次通过春分点所需要的时间，1 回归年的 1 3 6 5 2 4 2 2 称为1 平太阳日，1 平太阳日的1 8 6 4 0 0 称为1 平太阳秒。以 通过伦敦格林威治天文台的本初子午圈为参考的平太阳时，为世界时( u t ) 。 世界时是以地球自转为基准的。自从石英钟问世后，地球自转的不均匀 性逐渐表现出来。这种不均匀性给许多需要高精密时间的部门带来了麻烦。 为了解决这个问题，国际上在1 9 5 6 年就对原来的世界时进行了一系列改革。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 改革后的世界时分为三种：由本地天文台测得的平太阳时称为零类世界时 u t o ：通过多个天文台的观测校正地球自转受极性运动影响后，称为第一世 界时u t l ；在改t t 地球自转的季度性、年度性的变化后，得到第二世界时 u t 2 。这些改革都是有成效的，但没有解除世界时同地球自转的偏差。 为了摆脱地球自转不均匀性对时间的影响，1 9 5 8 年，国际天文学联合会 决定，自1 9 6 0 年开始，用历书时( e p h e m e r i st i m e ，e t ) 取代世界时，作 为基本的时间计量系统。历书时以地球公转为基准，以历书秒为单位。它的 优点在于，采用不变的历书秒长，天文推算和天文观测结果相一致。但是， 用天文方法测定历书时，其精度不高。它仅通用7 年，到1 9 6 7 年又被原子 时所取代。 原子时( a t o m i ct i m e ，a t ) 是由原子钟导出的时间，它以物质内部的 原予运动为基准，是相当精密的时间系统。国际天文学界于1 9 6 7 年定义了 原子时秒长：位于海平面的铯1 3 3 ( c s l 3 3 ) 原子基态( 处零磁场中) 在2 个超精细能级之间( f = 4 、m f = o 、f = 3 、m f = o ) 之间跃迁9 ，1 9 2 ，6 3 1 ，7 7 0 个周期所持续的时间。并且在此时间标准上建立了建立国际原子时i a t ( r n t e m a t i o n a la t o m i ct i m e ) 。 原子时的秒长有极高稳定性，但它的时刻却没有实际的物理意义。与此 相反，世界时的秒长虽不固定，但它的时刻对应于太阳在天空中的特定位置， 反映地球在空间的瞬时角位置。这不仅同日常生活相关，而且对于大地测量、 天文导航，以及对人造卫星和宇宙飞船的跟踪观测等工作，具有重要的实际 应用价值。这些部门需要世界时的时刻；而精密校频等物理学测量，则要求 有稳定的时间间隔，即原子秒长。时间服务部门要同时满足性质迥异的两种 要求，需要寻找一个两全其美的办法。最终用一种介乎原子时和世界时之间 的时间标准来播发时号。它以原子时为基础，但在时刻上尽量接近世界时。 这就是说，“地球钟”不能随意拨动，只好拔动原子钟，让它尽量靠近地球 钟。这种时间标准，实际上是原子时的秒长与世界时的时刻相互协调的产物， 故称为世界协调时( u i l i v c r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ，u t c ) 。协调的方法是这样 的：u t c 的秒长严格等于原子时的秒长，由于原子时的秒长要比世界时的 秒长略短，其误差累积约有1 s 年。国际上采用闰秒( 或跳秒) 的方法使u t c 与世界时的时刻接近，当u t c 与世界时的时刻误差超过0 9 s 时，便在u t c 中插入一个闺秒( 正或负) ，闰秒一般在1 2 月3 1 日或6 月3 0 日的最后一秒 加入。 从1 9 7 9 年起，国际上决定用协调世界时取代格林尼治时间，作为国际 西南交通大学硕士学位论文 第8 页 无线电通讯业务中的标准时间。几乎所有国家发布的时号，都是以u t c 为 标准的。 2 2 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 lt i m ec l o c k ) 、时间戳计数器( r 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( r t c ) 的钟，它独立于c p u 和其它芯 片。这个r t 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o x 7 0 和o x t li 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 kt i c k ) ，在l i n u x 和u n i x 中一般将一个 时钟滴答定义为l o 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。操作系统维持一个变量计数开机以来的滴答数，从 而计算系统的时间。在每两个时钟滴答的间隔中，操作系统还维持了一个软 件时钟变量用来计算两个滴答间隔之间的微秒数【l2 1 。 由于硬件时钟的晶振频率存在一定的误差，软件时钟的稳定度也比较 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。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 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a 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，这样就要涉及到软件同步方法了。 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： 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。主从式策略代表性的协议为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 kt i m ep r o t o c 0 1 ) 。 拜占庭协议式( 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。如图2 一l 所示，在情况l 中节点3 是错误的，在情况 2 中发起者为错误的。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【l ”。 图2 - i 拜占庭协议式时钟同步示意图 西南交通大学硕士学位论文第l o 页 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 函数计算这些事件估计值并获得一个正确时间值，再依次调整各自的时间。 这中间又分为平均容错、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，但存在服务器瓶颈问题。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，由于地铁综合监 控为大型分层分布式结构，因此，在地铁综合监控系统中，时钟同步的方法 采用主从式时钟同步策略较好。 2 3 时钟同步在地铁监控系统中的应用 地铁综合监控系统控制的主要目标是防止系统事故，实现地铁全线各专 业资源共享、信息互通，从而达到整个系统的联动。地铁监控系统的全系统 联动主要有灾害模式下、阻塞模式下和正常工况下的全系统联动。无论在哪 一种模式下，全系统的联动都是有序的、有层次的。而且旦有事故发生， 当时的事故记录将是分析事故和预防事故的宝贵资料。所以，时钟同步系统 的建立对地铁综合监控系统非常重要。时钟同步系统为全线如运营组织、通 信信号、电力监控、防灾报警以及计算机网络等提供统一的时间标准。 对地铁综合监控系统而言主要是各车站级监控之间以及车站级监控和 中央监控级之间相对时间的同步问题，故从理论上讲，地铁综合监控系统的 时钟同步子系统，可采用一种完全独立于其它时间系统的时间标准。但是由 于地铁的运行与社会生产各部门紧密相连，因而地铁的时钟系统也必须符合 人民群众的生活习惯。所以，地铁综合监控系统的时钟同步系统一般还是以 世界协调时( u t c ) 为基准。 2 3 1 传统的时钟同步方法 。 由于传统的地铁监控系统中多岛分立的监控体系，各专业子系统也都有 西南交通大学硕士学位论文第l l 页 自己的对时方式和标准，一般在传统的时钟同步方法中，以软件对时实现同 步的方式较多。同时，地铁监控系统中传统时钟同步子系统采用的方法还有： 将主控中心的母钟的多路输出信号( 一般为串行信号) 接至各个车站级监控 子系统的某个主机上，由这个主机作为子钟，向各子系统内部的计算机提供 对时服务，这也要涉及到时钟同步所采用的软件规约的问题。 本节中以在电力s c a d a 子系统中应用较多的循环式远动规约( c d t 规 约) 和m c 6 0 8 7 0 ，5 1 0 1 标准为例，介绍传统规约的时钟同步方法。 在循环式远动规约中，与时钟同步相关的有三个命令，分别是设置时钟 命令、召唤子站时钟命令和设置时钟校正值命令。 设置时钟命令：从主站向子站设置时钟，应在发送该命令控制字开始的 时刻读取主站时钟读数。设置时钟的帧结构、控制字格式及信息字格式，如 图2 2 所示。 i同步字l控制字l 信息字1i信息字2 i 丫读主站时钟 控制字节 帧类别 信息宇数 源站码 目的站码 校验码 控制字 ( b ) ( a ) 功能码 毫秒( 低位) 毫秒( 高位) 秒 分 校验码 功能码 i小时 i 曰 月 刍 校验码 信息字 ( c ) 图2 - 2 设置时钟的帧结构、控制字及信息格式 ( a ) 帧结构：( b ) 控制字格式：( c ) 信息字格式 召唤子站时钟命令：主站发此命令让子站将其时钟读数返送到主站，以 便比较两端时钟数差别并算出子站时钟校正值。召唤子站的时钟帧结构及时 钟命令控制字格式，如图2 3 所示。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 ( b ) 图2 3 召唤子站的时钟帧结构及时钟命令控制字格式 ( a ) 时钟帧结构：( b ) 时钟命令控制字格式 子站收到上述召唤命令后，应在上行信息中插入返送两个信息字，即子 站时钟和等待时间。子站时钟返送信息字格式与图2 2 中信息字格式相似。 子站返送信息字中需要说明的两点： 1 ) 子站时钟读数应是子站收到召唤子站时钟命令的控制字后，并判明 帧类别的时刻读数： 2 ) 等待时间是从说明1 ) 的时间起至返送子站时钟的信息字，插入上 行信息开始传送的时刻止的时间间隔。 设置时钟校正值命令：主站比较了子站与主站间时钟差别并计算子站时 钟校正值之后，向子站发出此命令以校正子站时钟，使两站时钟相致。设 置时钟校正值帧结构，控制字格式及信息字格式，如图2 4 所示。以毫秒( 高) 的最高位表示正负，0 为正，l 为负，负数以2 的补码表示。 西南交通大学硕士学位论文 第13 页 控制字节 帧类别 信息字数 源站码 目的站码 校验码 ( a ) ( b )( c ) 图2 _ 4 设置时钟校正值帧结构、控制字及信息字格式 ( a ) 帧结构：( b ) 控制字格式；( c ) 信息字格式 正常运行时，只进行时间校正，主站发送两次，计算一次，子站接收两 次，发送一次。初次同步时，主站向子站发送时钟设置命令，整个过程如图 2 5 所示。 1h l l t m 2 t m 3 - t m 2 j i m 3 jl 挚时气咬时钟二 时钟校正 古 r ，1 占 i 7 i 返裂 l 、 ； l t ii 一1 。 l i x 也1r1r r 1 1 7 碥以一i智，、格石nt i t m l t 1 ： t s l ： t l 图2 - 5c d t 规约时间同步过程 主站发送设置时钟命令时，主站时钟读数 设置时钟命令的码长时间； 收到设置时钟命令后子站置入时钟的时间： 下行通道的时延； 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 a t 2 ：上行通道时延： t i n 2 ：主站发送召唤子站时钟帧时，当c p u 向串行口写入同步字第一 个字节时的主站时钟读数； t 2 ：召唤子站时钟命令的码长时间，t 2 = 2 x 菠4 8 j 百x 蠢i f 0 0 0 ( m s ) ；( 式中的 2 表示一个同步字加一个控制字) t s 2 ：收到召唤子站时钟命令后的子站时钟读数； t s 3 ：返送时钟插入传送的时间，即发送返送时钟时，c p u 向串行口写 入第一个信息字节时予站读数的时钟数： t o ：收到召唤子站时钟命令后，子站向主站返送子站时钟而等待的时 间，t 0 = t s 3 - - t s 2 ； t 3 ：返送子站时钟信息字的码长时间，t 3 = 2 x 聂4 8 焉x 荤1 0 0 0 ( m s ) ； t m 3 ：主站收到子站返送时钟信息字后的主站时钟读数 主站在收到子站的返送信息后，计算时钟校正值首先需要得到上下行通 道延迟平均值a t ： t = 三( t 1 + a t 2 ) = 亡【( t m 3 一t i n 2 ) - ( t 2 + t 3 + t o ) 】 z 计算时钟校正值c ： c = ( t m 2 + t 2 + a t ) - t s 2 = t m 2 + t 2 + 寺 ( t m 3 - t i n 2 ) 一( t 2 + t 3 + t o ) 】) t s 2 = 三( t m 2 + t m 3 + t 2 - t 3 t 0 ) - t s 2 可见，在循环式远动规约中的时钟同步法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差。 在i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约中，所定义的时钟同步的过程同循环式远动规约 中所定义的过程原理相同，也是建立在帧长时间已知和上下行通道延时相等 的基础上。所不同的是，在此规约中，相关报文只有两个，处理过程相对简 单一些，正常运行时主站发送一次，接收一次，计算一次，计算结果用于下 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 次同步，予站接收一次，发送一次，初次进行时间同步时，上述过程需要进 行两次。 其时钟同步的具体过程：主站向子站传送时钟值报文，并在传送的第一 位码时读取主站的时钟值，还应加上时钟同步报文的帧长时间和校j 下时间 即为发送帧内的时钟值。时间同步发送帧格式如图2 - 6 所示。 启动字符 长度( 包括控制域、地址域、用户数据) 重复长度 启动字符 控制域 链路地址域 类型标识符 可变结构限定词 传送原因 应用服务数据单元公共地址 信息体地址 一 毫秒( 低) 毫秒( 高) 保留 i v 分钟( 6 位) 1 s u 保留2 小时( 5 位) 星期几( 3 位) 日( 5 位) 保留3月( 4 位) 保胃 年( 7 位) 帧校验和 结束字符 1 v ：= o 有效：= 1 无效s u ：= 0 标准时间；= 1 夏时制 图2 - 61 0 1 规约时间同步发送帧格式 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 子站接收此报文后即将报文中的时钟值置入子站时钟内，子站回送一个 确认报文，该报文内的时钟值，系子站发送确认报文第一位时读取子站的时 钟值加上帧长时间。时钟同步确认帧的格式类似于图2 6 。 主站接收到报文后，立即读取主站的时钟值，减去子站回送报文中的时 钟值，即为通道延时。将这一次的计算值和保存的值相加除以2 ，即前后两 次时钟同步所得的校正值取平均值，即为新的校正值。 如主站开始初始化，将寄存校正值的单元清零，将求得的校正值和零值 相加除以2 ，再保存起来即为第一次的校正值。时间同步过程见图2 7 。 主 子 j ，1 i li _1r j 1，。一it 2 l a t 2 图2 7i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 标准时i 司同步漉程图 如图2 7 所示，在t m l 时刻主站读取自身时钟，加上帧长时间t 1 和预 设的通道延时修正时间后，发送给子站。在第一次进行时间同步时，预设的 通道延时时问为0 。 t s l 时刻子站接收到时间同步发送帧之后，将报文中的时钟值置入子站 时钟内，t s 2 时刻子站回送一个确认报文，该报文内的时钟值，系子站发送 确认报