張友鵬，鄒昕洋，蘭麗

一種改進型PTP協(xié)議在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張友鵬1，鄒昕洋1，蘭麗2, 3

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3. 蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

隨著列車跨線跨區(qū)行駛速度提高，鐵路地面信號設(shè)備時間統(tǒng)一顯得尤為重要。鐵路時間同步方法基于NTP協(xié)議傳輸。針對NTP同步技術(shù)在傳輸過程中存在著同步精度低、時間延遲高和穩(wěn)定性弱的不足，提出一種改進型精準(zhǔn)同步協(xié)議(PTP)在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)中進行應(yīng)用。在OPNET仿真下搭建基于3局15站的3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型，在協(xié)議層中分別建立改進型PTP協(xié)議和NTP協(xié)議的子進程模型，通過仿真對同步技術(shù)做出對比。研究結(jié)果表明：在仿真環(huán)境下應(yīng)用改進型PTP協(xié)議同步精度和穩(wěn)定性有大幅度提高。

時間同步；PTP；鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)；同步精度

隨著高速鐵路技術(shù)不斷提高，鐵路各系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)聯(lián)動能力增加，鐵路系統(tǒng)也開始開展時間同步網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，時間信息的精準(zhǔn)性與一致性顯得尤為重要[1]。鐵路時間同步網(wǎng)作為鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐，其作用在于保證鐵路各專業(yè)系統(tǒng)、設(shè)備之間的時間一致[2?3]。當(dāng)鐵路系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以通過精確的時間同步技術(shù)定位到故障發(fā)生點，分析故障發(fā)生的次序，進而分析系統(tǒng)故障原因。鐵路地面信號設(shè)備作為保證列車運行安全的重要環(huán)節(jié)，將鐵路總公司、鐵路局和所轄車站設(shè)備之間的時間進行校準(zhǔn)[4?6]。原有的鐵路地面信號設(shè)備校時方法大多依賴于各個設(shè)備自身時鐘和人工校準(zhǔn)，會出現(xiàn)初始化時間不準(zhǔn)確和校時誤差，容易增大時間偏差影響鐵路系統(tǒng)的時間同步精度。為保證鐵路地面信號設(shè)備時間校準(zhǔn)的一致性和快速性，先進的時間同步技術(shù)是必不可少的[7?8]。張友鵬等[9]對TDCS/CTC系統(tǒng)的時間同步進行研究，采用NTP同步技術(shù)下的時間同步精度可達到毫秒級。陳希等[10]對NTP和PTP協(xié)議從同步機制不同進行介紹并分析兩協(xié)議存在的誤差。王洋[11]針對上述協(xié)議誤差采用軟件測試從同步機制和同步精度方面做出比較。本文基于上述文獻研究，提出采用改進型PTP同步技術(shù)在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在OPNET仿真下搭建網(wǎng)絡(luò)進程模型和協(xié)議子模型，結(jié)果表明該方法可以有效的提高鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的時間同步精度。

1 PTP協(xié)議

2002年IEEE1588第1版的PTP協(xié)議定義了4種報文消息：Sync，F(xiàn)ollowup，DelayReq和Delay Resp，通過對報文的傳輸可以計算出主從時鐘之間的路徑延遲和時間偏移。傳統(tǒng)的NTP協(xié)議已經(jīng)發(fā)展的相對成熟，但由于自身受限，無法達到對高精度同步技術(shù)的要求，而IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的PTP協(xié)議同步精度可達到亞微秒級別，完全可以滿足當(dāng)前絕大部分分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的同步要求[12]。PTP協(xié)議大多應(yīng)用在電力和自動控制領(lǐng)域[13]。PTP協(xié)議與NTP協(xié)議不同處在于PTP協(xié)議每個節(jié)點都含有自己的獨立本地時鐘，每個節(jié)點之間都可以運行最佳時鐘算法，并且通過網(wǎng)絡(luò)相互連接，篩選出最精準(zhǔn)的時鐘作為主時鐘，并與其他節(jié)點進行時間同步[14]。

1.1 PTP工作原理

PTP(Precision Time Protocol)是一種通過數(shù)據(jù)包傳送建立主從時鐘聯(lián)系的精確時間同步技術(shù)，PTP主要采用分層的主從模式以及建立時間戳機制進行交互報文，對時間戳進行編碼再進行傳送，PTP技術(shù)通過以太網(wǎng)傳輸，并具有高精度準(zhǔn)確同步性能[15]。IEEE1588定義2種時鐘，普通時鐘和邊界時鐘，普通時鐘和邊界時鐘區(qū)別在于定義PTP端口的時鐘個數(shù)，從通信關(guān)系上來看PTP協(xié)議采用主從時鐘方式通信[16]。

PTP 同步的基本原理如下：主時鐘和從時鐘之間通過傳輸報文并記錄報文的收發(fā)時間，從而通過傳遞的4個時間戳進行計算主、從時鐘之間的往返延遲時間。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)對稱，傳輸主、從延時時間相同。則主、從時鐘之間的偏差便是該PTP傳輸?shù)膯雾椦訒r，主從方可通過雙方出現(xiàn)偏差協(xié)調(diào)同步時間進行校準(zhǔn)。PTP同步過程如圖1所示。

圖1 PTP服務(wù)器與客戶端對時工作原理

1) 主時鐘(Master)在1時刻時向從時鐘(Slave)發(fā)送Sync報文，Slave則在2時刻接受到該報文。

2) 在Sync發(fā)送后，Master緊接著發(fā)送一個跟隨報文(Follow up)，該報文包含時間戳1，在Slave接收到主時鐘發(fā)出的報文后讀取并記錄時間戳2。

3) Slave向主時鐘Master發(fā)送Delay_Req報文，在報文離開從時鐘時記錄時間3，報文在到達主時鐘后記錄時間4。

4) 主時鐘(Master)在4時刻接受到Delay_Rep報文后，對從時鐘(Slave)響應(yīng)一個Delay_Resp時延報文，該報文包括3時間戳和離開主時鐘報文的4時間戳。

根據(jù)發(fā)送接收的4個時間戳可以計算出主、從時間的往返總延時(delay)和時間偏差(offset)。

在式(1)和式(2)中，合理的假設(shè)通信傳輸路徑是對稱的，即delay1=delay2=delay

所需要注意的是線路延時影響著同步誤差，在主時鐘的同步信號到達從時鐘端時，報文需要等待一段時間再向主時鐘發(fā)送報文，將從時鐘延時等待時間取t，主時鐘方的延時等待時間記做t。理想狀態(tài)下主從時鐘雙方運行速度相等，但實際情況往往相反，由于速度不對等，可導(dǎo)致雙方等待時間不相等，從而影響同步精度，這里就需要對速度不相等的情況進行補償，本文提出一種改進型PTP協(xié)議，對上述問題進行分析。

2 鐵路地面信號設(shè)備同步方案

鐵路地面信號設(shè)備時間同步方案的提出在于把鐵路各信號設(shè)備傳輸信息進行同步。鐵路信號設(shè)備的同步把鐵路局，鐵路各站、段、所所轄的信號設(shè)備的時間信息與鐵路總公司的時間進行校正，以保證所執(zhí)行的命令時間信息與鐵路總公司的時間信息保持一致，鐵路地面信號設(shè)備包括：運輸調(diào)度指揮(TDCS/CTC)、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)(CBI)、車站列控中心(TCC)、信號集中監(jiān)測(CSM)、列車設(shè)備動態(tài)監(jiān)測(DMS)、自動閉塞ZPW2000等子系統(tǒng)設(shè)備。

如圖2所示，鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)時間同步方案采用3級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本文提出采用改進型PTP協(xié)議的主從同步方式，在鐵路總公司的調(diào)度指揮中心設(shè)置1級時間同步節(jié)點，2級時間同步節(jié)點設(shè)置在各鐵路局/客專調(diào)度所，3級時間同步節(jié)點設(shè)置在各車站、段、所。

1級時間同步節(jié)點采用GPS/北斗衛(wèi)星授時，為整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸不到1級時間同步節(jié)點時，1級同步設(shè)備則采用自身時鐘進行守時。傳輸過程為：1級時間同步設(shè)備接收到標(biāo)準(zhǔn)時間信號后，將時間信號傳送至2級時間同步設(shè)備，并將該時間信號通過對外時鐘服務(wù)器傳送至DMS系統(tǒng)；2級時間同步信號設(shè)備通過鐵路局對外時鐘服務(wù)器來同步CSM系統(tǒng)，同時將時間信息傳送至無線閉塞中心以及臨時限速接口服務(wù)器，用來和TSRS、RBC的時間信息保持一致，另外還需將時間信息傳送至通信前置服務(wù)器；3級時間同步設(shè)備所接收的時間信息來自于通信前置服務(wù)器，保證車站列控中心TCC時鐘及CTC自律機同步，CBI和ZPW2000系統(tǒng)則通過CTC自律機的時間同步信息來獲取同步。當(dāng)傳輸受阻或1級同步設(shè)備接收不到精準(zhǔn)授時時，1級時間同步節(jié)點采用自身守時功能；2級同步節(jié)點接受不到1級時間同步節(jié)點的同步信息時，則通過設(shè)置在鐵路局的GPS接收機接收時間信號；當(dāng)3級同步節(jié)點無法接收到來自2級時間同步設(shè)備的同步信息時，自動切換至自帶晶體時鐘守時。圖3為鐵路地面信號設(shè)備同步方案。

3 改進型PTP協(xié)議

本文在原有的PTP算法基礎(chǔ)上進行改進，首先進行最佳主時鐘(BMC)算法，篩選出最優(yōu)的時鐘作為主時鐘其他時鐘作為從時鐘，其次針對PTP協(xié)議在傳輸過程中主從時鐘雙方實際運行速度不對等，引入速度補償，并最終對所得的時間偏差提出一種改進的重排序算法，算法流程圖如圖4所示。

圖2 鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 補償算法

根據(jù)前面對PTP同步原理的介紹和分析，在傳輸雙方主從時鐘速度不對等問題對最終的時間同步精度造成了影響，要想提高其同步精度首先從調(diào)整雙方速度入手，假設(shè)主時鐘速度為1，從時鐘本地速度為2，同步的時間間隔為Δ，則在同步過程中引起的最大時間偏差為：

圖3 鐵路地面信號設(shè)備同步方案

圖4 PTP同步過程算法流程圖

3.2 重排序算法

在經(jīng)過最佳主時鐘(BMC)算法后固定一個精確的主時鐘，完成速度補償后，并通過從時鐘多次與主時鐘同步從中通過對同步距離的排序篩選出最優(yōu)的時間偏差值，保證同步的對時精度。

算法步驟：

1) 記錄從時鐘對主時鐘連續(xù)5次的同步過程,并將同步過程的[θ,δ,ε]同步偏差、往返延遲、采樣偏差值進行整理，表示第+1次同步(=1, 2, 3, 4)；

3) 根據(jù)計算出的同步距離λ,將[θ,δ,ε]重新排序按照同步距離從小到大排序；

4) 獲得同步距離較小，最優(yōu)的統(tǒng)計值。

4 仿真與分析

應(yīng)用OPNET軟件建立鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型，仿真鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的時間同步過程，在協(xié)議傳輸上采用改進型PTP協(xié)議與NTP和PTP 2種時間同步技術(shù)并作出比較。

4.1 鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

鐵路地面設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，該網(wǎng)絡(luò)模型分為3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在仿真中設(shè)置3局15站所對應(yīng)的節(jié)點模型，首先第1級節(jié)點對應(yīng)鐵路總公司并包含4個對時服務(wù)器用來接收來自北斗/GPS所授予的精確時鐘并進行處理，隨后由鐵路局和各站發(fā)出的對時請求，從而向下一級發(fā)送時間信息，網(wǎng)絡(luò)第2級節(jié)點為鐵路局時間同步節(jié)點，第3級為所轄車站時間同步節(jié)點并對應(yīng)15個對時服務(wù)器向客戶端發(fā)送對時請求。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型中鏈路采用點對點的通信方式。

4.2 仿真進程模型

鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)仿真內(nèi)部進程模型如圖6所示，該模型作為報文傳輸?shù)闹饕M程。鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部進程模型由一個根進程和2個子進程組成，子進程為NTP_process和PTP_ process。初始化狀態(tài)作用是完成NTP和PTP協(xié)議，該模型初始狀態(tài)由idle發(fā)出發(fā)送命令(BEGIN_ SEND)，并且系統(tǒng)第一步需要檢查同步信息(check sync)是否可以進行同步，若同步的服務(wù)器節(jié)點和客戶端節(jié)點同步要求不滿足則返回idle等待狀態(tài)，若滿足要求則可以同步命令(SYNC_FINISHED)進入send data狀態(tài)系統(tǒng)開始同步，在OPNET仿真中可按照所選的協(xié)議執(zhí)行同步子程序進程進行系統(tǒng)時間同步。

圖5 鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖6 鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)仿真內(nèi)部進程模型

4.3 改進型PTP協(xié)議和NTP協(xié)議子進程模型

如圖7所示，改進型PTP協(xié)議在協(xié)議進程模型下與PTP協(xié)議相同，不同之處在于處理數(shù)據(jù)傳輸上的算法和應(yīng)用程序不同。改進型PTP協(xié)議子進程模型包含初始狀態(tài)、空閑等待狀態(tài)等。該模型的基礎(chǔ)部分是空閑等待狀態(tài)(idle)，主要完成各個報文之間的交互和等待發(fā)送，在對應(yīng)事件發(fā)生時跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)狀態(tài)處理PTP協(xié)議中的相關(guān)操作，通過模擬PTP協(xié)議的發(fā)送同步報文(SYNC_TIME)、發(fā)送跟隨報文(FOLLOW_UP)和報文處理(SYNC_PK_ ARRIVAL)等狀態(tài)計算PTP協(xié)議在傳輸過程中的時間偏差。

圖7 改進型PTP協(xié)議子進程模型

NTP子進程模型如圖8所示，類似于改進型PTP子進程模型，同樣包含初始狀態(tài)init、空閑等待狀態(tài)idle、不同的是相對于PTP進程模型少了跟隨報文狀態(tài)(FOllOW_TIME)、(FOLLOW_PK_ ARRIVAL)等，該進程模型也是基于idle空閑等待狀態(tài)為中心，通過客戶端與服務(wù)器之間的發(fā)送、響應(yīng)報文互相傳遞來完成NTP交互過程。

鐵路地面信號設(shè)備的服務(wù)器(Server)和客戶端(Client)內(nèi)部節(jié)點模型如圖9所示，PTP和NTP協(xié)議都是基于UDP進行傳輸。customized_app包含仿真應(yīng)用的PTP和NTP協(xié)議，以及在完成對時后的響應(yīng)業(yè)務(wù)之間的傳輸。

4.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)定，鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)時間同步間隔應(yīng)不超過5 min。系統(tǒng)隨著時間增加同步精度降低，若需要高精度同步則需要更小的縮減總同步時間和客戶端和服務(wù)器之間傳輸?shù)耐介g隔，因此，本文在仿真時間上設(shè)置1 000 s來比較鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)在NTP，PTP和改進型PTP不同同步技術(shù)下的同步偏差和時間延遲。

圖8 NTP協(xié)議子進程模型

圖9 服務(wù)器與客戶端內(nèi)部節(jié)點模型

圖10為NTP和改進型PTP在系統(tǒng)中的時間偏差均值和實際值，采用NTP同步技術(shù)的系統(tǒng)從實際值看出在1 000 s內(nèi)傳輸過程中波動幅度較大穩(wěn)定性弱，時間偏差均值大概為12 ms，而采用改進型PTP同步技術(shù)的實際值波動幅度較小趨于穩(wěn)定，時間偏差全局統(tǒng)計結(jié)果約為0.13 ms。圖11為PTP協(xié)議與改進型PTP協(xié)議之間的同步偏差對比，在均值比較中，PTP協(xié)議峰值最高達到0.27 ms，改進型PTP協(xié)議峰值最高在0.18 ms，全局統(tǒng)計結(jié)果下改進型PTP協(xié)議時間偏差相比較PTP協(xié)議有著大約0.015 ms的提升。

由圖12可知，在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的端對端傳輸時延均值上改進型PTP協(xié)議約為1.7 ms，而NTP協(xié)議的傳輸時延均值約為6.7 ms，明顯看出前者要優(yōu)于后者，說明在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用改進型PTP協(xié)議在傳輸?shù)男r效率上要高于NTP協(xié)議。圖13為改進型PTP協(xié)議和PTP協(xié)議的時間延遲對比，前者優(yōu)于后者約0.5 ms，在實際值中改進型PTP協(xié)議的振動幅度也得到了改進。表1對協(xié)議(最大/最小/均值)做出了比較。結(jié)果證明改進型PTP協(xié)議的校時性要優(yōu)于NTP協(xié)議和PTP協(xié)議。

圖10 NTP和改進型PTP在系統(tǒng)中的時間偏差均值和實際值

圖11 PTP和改進型PTP在系統(tǒng)中的時間偏差均值和實際值

圖12 NTP和改進型PTP在系統(tǒng)中的時間延遲均值和實際值

圖13 PTP和改進型PTP在系統(tǒng)中的時間延遲均值和實際值

表1 同步偏差和時間延遲結(jié)果

5 結(jié)論

1) 針對鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)，對3層網(wǎng)絡(luò)采用更精確的改進型PTP協(xié)議，通過OPNET仿真軟件建立鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型進行仿真分析。對原有PTP協(xié)議的傳輸過程存在著主從時鐘雙方由于速度不等導(dǎo)致的誤差，引入速度補償算法，針對時間偏差引入重排序算法，根據(jù)同步距離篩選出最優(yōu)值。

2) 仿真結(jié)果表明，在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)上應(yīng)用改進型PTP協(xié)議相比NTP協(xié)議時間偏差減小了約12 ms，時間延遲降低了約5 ms，相比原有PTP協(xié)議時間偏差減小0.016 ms，時間延遲降低約0.4 ms，應(yīng)用在鐵路地面信號設(shè)備系統(tǒng)的改進型PTP協(xié)議提高了系統(tǒng)的對時效率和同步精度以及穩(wěn) 定性。

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Research of an improved PTP protocol in railway ground signal equipment system

ZHANG Youpeng1, ZOU Xinyang1, LAN Li2, 3

(1. School of Automatic & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 3. Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control, Ministry of Education, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 7300700, China)

With the increase of the cross line speed of the train, the time unification of the railway ground signal equipment is particularly important. At present, the method of the time synchronization of the railway is based on the NTP protocol transmission. In view of the shortcomings of NTP synchronization technology in transmission process, such as low synchronization accuracy, high time delay and weak stability. In this paper, an improved precision synchronous protocol (PTP) was applied in the railway ground signaling equipment system. First, a network model of three-layer network topology based on three bureaus and fifteen stations was built under OPNET simulation. Then the sub process model of the improved PTP protocol and NTP protocol was built in the protocol layer. Finally, synchronization technologies were compared by simulation. The results show that the synchronization precision and stability of the improved PTP protocol are greatly improved under the simulation environment.

time synchronization; PTP; railway ground signal equipment system; synchronization precision

TN915.04

A

1672 ? 7029(2019)07? 1790 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.025

2018?10?08

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題資助項目(2015X007-H)；光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室開發(fā)課題資助項目(KFKT 2018-12)

張友鵬(1965?)，男，甘肅慶陽人，教授，從事交通信息控制技術(shù)研究；E?mail：924226140@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)