一种改进型PTP协议在铁路地面信号设备系统的应用研究

张友鹏，邹昕洋，兰丽

一种改进型PTP协议在铁路地面信号设备系统的应用研究

张友鹏1，邹昕洋1，兰丽2, 3

(1. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070；3. 兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

随着列车跨线跨区行驶速度提高，铁路地面信号设备时间统一显得尤为重要。铁路时间同步方法基于NTP协议传输。针对NTP同步技术在传输过程中存在着同步精度低、时间延迟高和稳定性弱的不足，提出一种改进型精准同步协议(PTP)在铁路地面信号设备系统中进行应用。在OPNET仿真下搭建基于3局15站的3层网络拓扑结构的网络模型，在协议层中分别建立改进型PTP协议和NTP协议的子进程模型，通过仿真对同步技术做出对比。研究结果表明：在仿真环境下应用改进型PTP协议同步精度和稳定性有大幅度提高。

时间同步；PTP；铁路地面信号设备系统；同步精度

随着高速铁路技术不断提高，铁路各系统之间业务联动能力增加，铁路系统也开始开展时间同步网络的建设，时间信息的精准性与一致性显得尤为重要[1]。铁路时间同步网作为铁路通信网络的基础支撑，其作用在于保证铁路各专业系统、设备之间的时间一致[2−3]。当铁路系统发生故障时，可以通过精确的时间同步技术定位到故障发生点，分析故障发生的次序，进而分析系统故障原因。铁路地面信号设备作为保证列车运行安全的重要环节，将铁路总公司、铁路局和所辖车站设备之间的时间进行校准[4−6]。原有的铁路地面信号设备校时方法大多依赖于各个设备自身时钟和人工校准，会出现初始化时间不准确和校时误差，容易增大时间偏差影响铁路系统的时间同步精度。为保证铁路地面信号设备时间校准的一致性和快速性，先进的时间同步技术是必不可少的[7−8]。张友鹏等[9]对TDCS/CTC系统的时间同步进行研究，采用NTP同步技术下的时间同步精度可达到毫秒级。陈希等[10]对NTP和PTP协议从同步机制不同进行介绍并分析两协议存在的误差。王洋[11]针对上述协议误差采用软件测试从同步机制和同步精度方面做出比较。本文基于上述文献研究，提出采用改进型PTP同步技术在铁路地面信号设备系统中的应用，并在OPNET仿真下搭建网络进程模型和协议子模型，结果表明该方法可以有效的提高铁路地面信号设备系统的时间同步精度。

1 PTP协议

2002年IEEE1588第1版的PTP协议定义了4种报文消息：Sync，Followup，DelayReq和Delay Resp，通过对报文的传输可以计算出主从时钟之间的路径延迟和时间偏移。传统的NTP协议已经发展的相对成熟，但由于自身受限，无法达到对高精度同步技术的要求，而IEEE1588标准的PTP协议同步精度可达到亚微秒级别，完全可以满足当前绝大部分分布式网络系统的同步要求[12]。PTP协议大多应用在电力和自动控制领域[13]。PTP协议与NTP协议不同处在于PTP协议每个节点都含有自己的独立本地时钟，每个节点之间都可以运行最佳时钟算法，并且通过网络相互连接，筛选出最精准的时钟作为主时钟，并与其他节点进行时间同步[14]。

1.1 PTP工作原理

PTP(Precision Time Protocol)是一种通过数据包传送建立主从时钟联系的精确时间同步技术，PTP主要采用分层的主从模式以及建立时间戳机制进行交互报文，对时间戳进行编码再进行传送，PTP技术通过以太网传输，并具有高精度准确同步性能[15]。IEEE1588定义2种时钟，普通时钟和边界时钟，普通时钟和边界时钟区别在于定义PTP端口的时钟个数，从通信关系上来看PTP协议采用主从时钟方式通信[16]。

PTP 同步的基本原理如下：主时钟和从时钟之间通过传输报文并记录报文的收发时间，从而通过传递的4个时间戳进行计算主、从时钟之间的往返延迟时间。假设网络对称，传输主、从延时时间相同。则主、从时钟之间的偏差便是该PTP传输的单项延时，主从方可通过双方出现偏差协调同步时间进行校准。PTP同步过程如图1所示。

图1 PTP服务器与客户端对时工作原理

1) 主时钟(Master)在1时刻时向从时钟(Slave)发送Sync报文，Slave则在2时刻接受到该报文。

2) 在Sync发送后，Master紧接着发送一个跟随报文(Follow up)，该报文包含时间戳1，在Slave接收到主时钟发出的报文后读取并记录时间戳2。

3) Slave向主时钟Master发送Delay_Req报文，在报文离开从时钟时记录时间3，报文在到达主时钟后记录时间4。

4) 主时钟(Master)在4时刻接受到Delay_Rep报文后，对从时钟(Slave)响应一个Delay_Resp时延报文，该报文包括3时间戳和离开主时钟报文的4时间戳。

根据发送接收的4个时间戳可以计算出主、从时间的往返总延时(delay)和时间偏差(offset)。

在式(1)和式(2)中，合理的假设通信传输路径是对称的，即delay1=delay2=delay

所需要注意的是线路延时影响着同步误差，在主时钟的同步信号到达从时钟端时，报文需要等待一段时间再向主时钟发送报文，将从时钟延时等待时间取t，主时钟方的延时等待时间记做t。理想状态下主从时钟双方运行速度相等，但实际情况往往相反，由于速度不对等，可导致双方等待时间不相等，从而影响同步精度，这里就需要对速度不相等的情况进行补偿，本文提出一种改进型PTP协议，对上述问题进行分析。

2 铁路地面信号设备同步方案

铁路地面信号设备时间同步方案的提出在于把铁路各信号设备传输信息进行同步。铁路信号设备的同步把铁路局，铁路各站、段、所所辖的信号设备的时间信息与铁路总公司的时间进行校正，以保证所执行的命令时间信息与铁路总公司的时间信息保持一致，铁路地面信号设备包括：运输调度指挥(TDCS/CTC)、计算机联锁系统(CBI)、车站列控中心(TCC)、信号集中监测(CSM)、列车设备动态监测(DMS)、自动闭塞ZPW2000等子系统设备。

如图2所示，铁路地面信号设备系统时间同步方案采用3级组网结构构成。本文提出采用改进型PTP协议的主从同步方式，在铁路总公司的调度指挥中心设置1级时间同步节点，2级时间同步节点设置在各铁路局/客专调度所，3级时间同步节点设置在各车站、段、所。

1级时间同步节点采用GPS/北斗卫星授时，为整个系统网络提供标准时间信号，当标准的时间信号传输不到1级时间同步节点时，1级同步设备则采用自身时钟进行守时。传输过程为：1级时间同步设备接收到标准时间信号后，将时间信号传送至2级时间同步设备，并将该时间信号通过对外时钟服务器传送至DMS系统；2级时间同步信号设备通过铁路局对外时钟服务器来同步CSM系统，同时将时间信息传送至无线闭塞中心以及临时限速接口服务器，用来和TSRS、RBC的时间信息保持一致，另外还需将时间信息传送至通信前置服务器；3级时间同步设备所接收的时间信息来自于通信前置服务器，保证车站列控中心TCC时钟及CTC自律机同步，CBI和ZPW2000系统则通过CTC自律机的时间同步信息来获取同步。当传输受阻或1级同步设备接收不到精准授时时，1级时间同步节点采用自身守时功能；2级同步节点接受不到1级时间同步节点的同步信息时，则通过设置在铁路局的GPS接收机接收时间信号；当3级同步节点无法接收到来自2级时间同步设备的同步信息时，自动切换至自带晶体时钟守时。图3为铁路地面信号设备同步方案。

3 改进型PTP协议

本文在原有的PTP算法基础上进行改进，首先进行最佳主时钟(BMC)算法，筛选出最优的时钟作为主时钟其他时钟作为从时钟，其次针对PTP协议在传输过程中主从时钟双方实际运行速度不对等，引入速度补偿，并最终对所得的时间偏差提出一种改进的重排序算法，算法流程图如图4所示。

图2 铁路地面信号设备系统结构图

3.1 补偿算法

根据前面对PTP同步原理的介绍和分析，在传输双方主从时钟速度不对等问题对最终的时间同步精度造成了影响，要想提高其同步精度首先从调整双方速度入手，假设主时钟速度为1，从时钟本地速度为2，同步的时间间隔为Δ，则在同步过程中引起的最大时间偏差为：

图3 铁路地面信号设备同步方案

图4 PTP同步过程算法流程图

3.2 重排序算法

在经过最佳主时钟(BMC)算法后固定一个精确的主时钟，完成速度补偿后，并通过从时钟多次与主时钟同步从中通过对同步距离的排序筛选出最优的时间偏差值，保证同步的对时精度。

算法步骤：

1) 记录从时钟对主时钟连续5次的同步过程,并将同步过程的[θ,δ,ε]同步偏差、往返延迟、采样偏差值进行整理，表示第+1次同步(=1, 2, 3, 4)；

3) 根据计算出的同步距离λ,将[θ,δ,ε]重新排序按照同步距离从小到大排序；

4) 获得同步距离较小，最优的统计值。

4 仿真与分析

应用OPNET软件建立铁路地面信号设备系统的网络模型、节点模型和进程模型，仿真铁路地面信号设备系统的时间同步过程，在协议传输上采用改进型PTP协议与NTP和PTP 2种时间同步技术并作出比较。

4.1 铁路地面信号设备系统网络模型

铁路地面设备系统网络模型如图5所示，该网络模型分为3层网络拓扑结构，在仿真中设置3局15站所对应的节点模型，首先第1级节点对应铁路总公司并包含4个对时服务器用来接收来自北斗/GPS所授予的精确时钟并进行处理，随后由铁路局和各站发出的对时请求，从而向下一级发送时间信息，网络第2级节点为铁路局时间同步节点，第3级为所辖车站时间同步节点并对应15个对时服务器向客户端发送对时请求。系统网络模型中链路采用点对点的通信方式。

4.2 仿真进程模型

铁路地面信号设备系统仿真内部进程模型如图6所示，该模型作为报文传输的主要进程。铁路地面信号设备系统内部进程模型由一个根进程和2个子进程组成，子进程为NTP_process和PTP_ process。初始化状态作用是完成NTP和PTP协议，该模型初始状态由idle发出发送命令(BEGIN_ SEND)，并且系统第一步需要检查同步信息(check sync)是否可以进行同步，若同步的服务器节点和客户端节点同步要求不满足则返回idle等待状态，若满足要求则可以同步命令(SYNC_FINISHED)进入send data状态系统开始同步，在OPNET仿真中可按照所选的协议执行同步子程序进程进行系统时间同步。

图5 铁路地面信号设备系统网络模型

图6 铁路地面信号设备系统仿真内部进程模型

4.3 改进型PTP协议和NTP协议子进程模型

如图7所示，改进型PTP协议在协议进程模型下与PTP协议相同，不同之处在于处理数据传输上的算法和应用程序不同。改进型PTP协议子进程模型包含初始状态、空闲等待状态等。该模型的基础部分是空闲等待状态(idle)，主要完成各个报文之间的交互和等待发送，在对应事件发生时跳转至相应状态处理PTP协议中的相关操作，通过模拟PTP协议的发送同步报文(SYNC_TIME)、发送跟随报文(FOLLOW_UP)和报文处理(SYNC_PK_ ARRIVAL)等状态计算PTP协议在传输过程中的时间偏差。

图7 改进型PTP协议子进程模型

NTP子进程模型如图8所示，类似于改进型PTP子进程模型，同样包含初始状态init、空闲等待状态idle、不同的是相对于PTP进程模型少了跟随报文状态(FOllOW_TIME)、(FOLLOW_PK_ ARRIVAL)等，该进程模型也是基于idle空闲等待状态为中心，通过客户端与服务器之间的发送、响应报文互相传递来完成NTP交互过程。

铁路地面信号设备的服务器(Server)和客户端(Client)内部节点模型如图9所示，PTP和NTP协议都是基于UDP进行传输。customized_app包含仿真应用的PTP和NTP协议，以及在完成对时后的响应业务之间的传输。

4.4 仿真结果分析

根据规定，铁路地面信号设备系统时间同步间隔应不超过5 min。系统随着时间增加同步精度降低，若需要高精度同步则需要更小的缩减总同步时间和客户端和服务器之间传输的同步间隔，因此，本文在仿真时间上设置1 000 s来比较铁路地面信号设备系统在NTP，PTP和改进型PTP不同同步技术下的同步偏差和时间延迟。

图8 NTP协议子进程模型

图9 服务器与客户端内部节点模型

图10为NTP和改进型PTP在系统中的时间偏差均值和实际值，采用NTP同步技术的系统从实际值看出在1 000 s内传输过程中波动幅度较大稳定性弱，时间偏差均值大概为12 ms，而采用改进型PTP同步技术的实际值波动幅度较小趋于稳定，时间偏差全局统计结果约为0.13 ms。图11为PTP协议与改进型PTP协议之间的同步偏差对比，在均值比较中，PTP协议峰值最高达到0.27 ms，改进型PTP协议峰值最高在0.18 ms，全局统计结果下改进型PTP协议时间偏差相比较PTP协议有着大约0.015 ms的提升。

由图12可知，在铁路地面信号设备系统的端对端传输时延均值上改进型PTP协议约为1.7 ms，而NTP协议的传输时延均值约为6.7 ms，明显看出前者要优于后者，说明在铁路地面信号设备系统应用改进型PTP协议在传输的校时效率上要高于NTP协议。图13为改进型PTP协议和PTP协议的时间延迟对比，前者优于后者约0.5 ms，在实际值中改进型PTP协议的振动幅度也得到了改进。表1对协议(最大/最小/均值)做出了比较。结果证明改进型PTP协议的校时性要优于NTP协议和PTP协议。

图10 NTP和改进型PTP在系统中的时间偏差均值和实际值

图11 PTP和改进型PTP在系统中的时间偏差均值和实际值

图12 NTP和改进型PTP在系统中的时间延迟均值和实际值

图13 PTP和改进型PTP在系统中的时间延迟均值和实际值

表1 同步偏差和时间延迟结果

5 结论

1) 针对铁路地面信号设备系统，对3层网络采用更精确的改进型PTP协议，通过OPNET仿真软件建立铁路地面信号设备系统网络模型进行仿真分析。对原有PTP协议的传输过程存在着主从时钟双方由于速度不等导致的误差，引入速度补偿算法，针对时间偏差引入重排序算法，根据同步距离筛选出最优值。

2) 仿真结果表明，在铁路地面信号设备系统上应用改进型PTP协议相比NTP协议时间偏差减小了约12 ms，时间延迟降低了约5 ms，相比原有PTP协议时间偏差减小0.016 ms，时间延迟降低约0.4 ms，应用在铁路地面信号设备系统的改进型PTP协议提高了系统的对时效率和同步精度以及稳 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

中国铁路总公司科技研究开发计划课题资助项目(2015X007-H)；光电技术与智能控制教育部重点实验室开发课题资助项目(KFKT 2018-12)

张友鹏(1965−)，男，甘肃庆阳人，教授，从事交通信息控制技术研究；E−mail：924226140@qq.com

(编辑 蒋学东)