新型园区大规模公共时钟系统研究

胡曦明 马 苗

(现代教学技术教育部重点实验室 陕西 西安 710119) (陕西师范大学计算机科学学院 陕西 西安 710119)

0 引 言

作为支撑网络化智能系统有序协同工作的关键技术，时钟系统在电力电网[1-2]、化工生产[3]、城市轨道交通[4-5]、无线通信[6-7]等众多行业的发展中得到了重点关注，而随着智能系统的复杂度和精细化程度不断提升，对高精度同步时钟开展研究的深度和应用的广度都取得了长足的进步。值得注意的是，当前得到快速发展的高精度时钟系统的服务对象集中在面向“物”而不是面向“人”，即为装置、设备和器件等提供时钟同步服务。

随着“大众创业、万众创新”上升成为国家战略，以优客工场、We+等为代表的诸多众创空间[8]得到飞速发展，这些信息时代的联合办公空间区别于传统工作场所的重要特征是能够为租户提供包括时间在内的多种信息服务，这使得面向“人”的公共时钟信息服务需求日益突显。由于服务对象和应用场景的不同，这类以“人”为服务对象的公共时钟系统其功能设计与常见的以“物”为服务对象的时钟系统有着明显的差异。

1 系统的功能设计

1.1 系统复杂度低

常见的针对装置、设备等供时的时钟系统，对较大地域范围内的高精度不间断时间同步性能具有极高要求。例如，在城市地铁中部署的时钟系统要求在地铁线路覆盖的地域范围内，全网时钟7×24小时不间断同步精度达到毫秒级。由此导致这类为“物”供时的时钟系统普遍采用多级母钟、多重校准和同级冗余时钟源等非常复杂的时控架构[9]，造成整个时钟系统的部署工期长、建设难度大、投入成本高。

相比而言，在众创空间、信息化教室等场所为人类工作、学习等日常活动服务的时钟系统对时间同步精度在秒级以下并不敏感，系统部署的地域范围要求不高(通常以楼宇为边界)，但对时钟系统的建设投入和运维成本非常关注，由此决定了这类在园区内为人供时的公共时钟系统即使在大规模部署的情况下，仍需维持较低复杂度。

1.2 系统可扩展性好

相对于在地铁、无线通信等行业中应用的高精度时钟系统，适用于联合办公、信息化教室等园区范围内的时钟系统虽然对部署地域范围的扩展性要求较为宽松，但在终端部署规模和密集程度上要求具有较高的可扩展性。因为不论是众创空间这类组合型共享办公场所还是教学楼宇，通常是由密集分布的多个空间隔断构成，这样可以通过容纳更多的人员、单位同时占用来达到降低成本的目的。

对于时钟系统的扩展，涉及到时控软件、时控硬件以及电源等。良好的可扩展性要求在系统实现大规模扩容的过程中，时控软件能够保持稳定，需增加的时控硬件在型号上向单一化发展，同时在数量上与扩容量呈小比例关系，而所需电源数量等供时基础条件与扩容量趋向于不相关。

1.3 系统绿色环保易维护

一方面，为设备供时的高精度同步时钟系统在运行中需要专业人员进行维护保养，例如在地铁中设有基层班组承担时钟系统的保障维护，并且会组织各类时钟系统技能比武[10]，由此可见其系统的维护操作有难度，运维成本高。

另一方面，传统的在各个工作区间逐一配置独立时钟的供时方式，同样需有专门人员负责对安装在不同位置的多个时钟逐个进行人工调时校准、更换电池等维护操作。这样分散、孤立的时钟配置方式不仅会使维护人力开销随着系统规模的增长而线性增加，并且会产生长期的大量干电池消耗，而被更换下来的大批报废干电池一旦处置不当又会造成环境污染，这些弊端在学校、写字楼等园区供时过程中长期存在，并属尚待解决的现实问题。

1.4 系统人性化和个性化

在系统功能设计中，考虑人性化和个性化的特殊计时需求既非常必要，又是本系统的特色和创新。由于本系统供时是面向“人”，而人类从事生产、学习等活动相对于机器设备机械式的运转具有独特的人性化与个性化，由此带来供时的差异性和不确定性。

例如，东方航空公司从2012年起为内部员工新设了“东航时间”，其比北京时间提前10分钟，以此作为员工安排工作的时间基准[11]。这样东航西北分公司等国内各分公司办公楼的供时要求是时钟对时要在北京时间基础上调快10分钟，在未来“东航时间”这一相对时间会根据公司运营需求而不断变化。另外一个例子，学校组织的各类考试有严格的时间限制，考场的供时需求是从考试开始之后能为考生提供考试剩余时间，以便于考生合理安排答卷进度。如果考场的计时器能够以开考时间作为定时先正向走时，当定时超时之后再开始对考试时长进行倒计时，直至时间耗尽考试结束。如此设计，其计时效果将更加符合人类习惯、更加一目了然，而这样的人性化与个性化是任何单纯追求高精度同步的时钟系统所不具备的。

总的来看，新形势下联合办公等众创空间致力于可持续创新发展；教育信息化强调以信息技术升级改造教学基础环境；园区计时向人性化和个性化升级，这些社会、经济和教育等领域的革新对园区范围内大规模供时提出了新的需求，研究适用于共享空间、信息化教室等新兴场景的时钟系统具有显著的应用价值和广阔的应用前景。

2 系统总体设计

针对上述功能要求，系统总体设计如图1所示，具体由RTC产生单元、授时服务器、控制维护界面、主控制器、扩展器、计时终端以及供电单元组成。

RTC时钟源，主要负责向系统提供绝对时间基准，也就是部署地所属时区的国际标准时间，其来源是具有自校时功能的独立数字时钟，通过采用普通晶振并引入GPS等外部时标进行定时校频，其技术已非常成熟[12-13]。这样不仅成本低、易实现，而且时间准确度可达10-8以上，完全可以作为时钟源向系统授时。

图1 系统的总体设计

2.1 授时服务器

主要负责根据控制维护界面的时控操作设置，选择时钟源并产生相应的时控信令下发主控制器；接收主控制器上报的系统状态信息，处理后生成相应的状态参量发送给控制维护界面，以响应控制维护界面的时控操作和更新系统运行状态显示。对于时钟源的选择，授时服务器既可以从RTC时钟源接受绝对时间，也可以从控制维护界面接受人为指定的自定义时间，这样不仅可以实现以国际标准时间为基准的正常计时功能，还可以满足以园区相对时间为基准的特殊计时需求，实现系统供时的人性化和个性化。

2.2 主控制器和扩展器

主要负责接收上位授时服务器下发的时控信令，再根据时控信令指示将信令由主控制器或扩展器分发给本级的各个业务端口，由这些业务端口转发给下位级联的扩展器或者在本级对信令进行处置以实现对业务端口所连计时终端的时控操作。

2.3 计时终端

具有自计时功能，同时接收上位所连的主控制器或扩展器下发的时控命令，在本级完成授时、校时和调时等时控操作的执行，并将计时状态主动上报或响应查询。

2.4 系统供电

RTC时钟源、授时服务器、主控制器和扩展器需要配置电源单独供电，但系统中数量最多的计时终端不需要独立电源。计时终端通常放置在各工作区空间内(如办公室、教室等)作为供时显示接口，其供电通过上位的主控制器或扩展器所连接的业务端口将电源与时控信号在一条电缆中同时传输而来，其工作规程兼容以太网供电技术(PoE)协议IEEE802.3af[14]，这样实现了对传统时钟采用干电池供电或数字万年历需要独立电源供电的升级换代[15]。

3 系统实现方案

3.1 系统硬件架构

系统的硬件架构如图2所示。

图2 系统的硬件架构

授时服务器接受绝对时间或自定义时间，通过PCI接口的RS485串口卡向下位的主控制器发送时控信令。主控制器可以采用总线型方式横向扩展，系统横向最多支持254个主控制器。主控制器需配置独立电源，并通过业务口向下位的计时终端传输信号和供电，单个主控制器最多支持下连254个计时终端。

相对于横向扩展的方式，系统可以向下进行纵向扩展，这是通过主控制器的扩展口向下级联扩展器来实现的。下位扩展器通过上行口与上位主控制器形成RS485总线型拓扑，每个主控制器最多支持向下级联254个扩展器。

整个系统采用集中式串口通信时控的方式工作，为保证系统的时间精确度，纵向最多扩展一级扩展器。系统通过横向和纵向扩展，理论上满负荷可实现集中控制的计时终端数大于1 600万个，具有良好的可扩展性。

系统的集中时控方式包括点对多点式(广播或组播)和点对点式，其中广播式用于实现对系统内所有计时终端统一的时控操作，组播式用于实现某一个主控制器或扩展器下所连接的全部计时终端的控制操作，点对点式用于精确的控制系统中的某一个计时终端。

综合运用上述时控方式，不仅可以实现集中控制各个独立的计时终端时钟走时准确、一致，还可以支持不同的计时终端根据应用需求采用各自不同的时间基准以不同的计时方式工作，相互不干扰。这样既大大降低了原来采用人工调时的方式逐个调校放置在不同地点的时钟所产生的人力成本，还可以支持自定义时间、定时倒计时等人性化和个性化的供时需求。

3.2 ATP时控协议

可以看到，在时控架构上，采用主控制器和扩展器分别在横向和纵向上进行扩展可以形成层次清晰、灵活多样的供时网络拓扑；在时控方式上，系统支持广播、组播和点对点式等多种控制方式；在计时功能上，除正常计时之外还能够满足定时、倒计时等人性化和个性化的特殊计时需求。系统要想实现这样的性能，一方面需要硬件架构作支撑，另一方面需要相适应的时控协议作保障，而这是现有互联网的网络时间协议(NTP)[16]或局域网时钟同步协议[17]无法支持的。

3.2.1 ATP协议

本系统设计了一种新型园区时间协议ATP，可以实现对系统中的时控设备寻址、时控操作命令、计时差错报告等多种计时控制和系统管理功能。ATP协议报文格式如图3所示，包括12字节固定首部和变长数据字段，不同的类型和代码有不同的数据内容。

图3 ATP报文格式

ATP报文以标志字符0xAB开始和结束，当该字符出现在ATP报文中时，ATP进行标志字符的转义，以实现报文的透明传输。

3.2.2 ATP固定首部字段

版本号用来区分不同的ATP版本，便于协议升级。时控域用来标识区域中不同的时钟系统。通过时控域可以允许管理者在一个园区中同时部署多个时钟系统，每个时钟系统在一个时控域内运行，这样就可以用一台时控服务器实现对多个时控域内的时钟系统进行集中管理。

类型和代码合在一起组成操作命令。类型字段描述特定类型的计时控制或系统管理命令，某一类型后的代码值用来进一步细化该类型命令的不同条件和具体操作，这里节选部分授时、调时、倒计时和报文差错报告的类型和代码，具体如表1所示。

表1 ATP报文类型举例

总长度字段以字节为单位，用于指示固定首部加上数据字段的总长度。

时控设备地址采用三段式编址，如图4所示。每段1个字节，从低位到高位分别代表主控制器地址、该主控制器下级联的扩展器地址以及该级联的扩展器下连接的计时终端地址。某字段全为0代表其上位机地址，全为1代表本段的广播地址。

图4 ATP时控设备地址

举几个例子，三段式时控设备地址采用点分十进制表示：

(1) 1.1.1，是一个计时终端地址，指1号主控制器向下级联的1号扩展器所连接的1号计时终端；

(2) 1.0.0，是一个主控制器地址，通过这个地址可对1号主控制器进行软件加载等设备管理操作；

(3) 1.1.255，是一个组播地址，即1号主控制器下级联的1号扩展器所连接的所有计时终端所构成的组；

(4) 255.255.255，是一个广播地址，指整个系统的所有主控制器、扩展器和计时终端。

序列号字段由发送端任意选择设定，这些值在目的端的应答中将被返回。通过比对序列号，发送端可以将下发的操作命令与目的端应答进行匹配。

检验和采用二进制反码和进行计算，实现对ATP的首部字段和数据字段的差错检测。

3.2.3 ATP变长数据字段

首部中的类型和代码，决定了数据字段的内容。这样设计既可以实现人性化和个性化的多种时控操作，也使ATP协议可以根据应用需求的发展而不断更新，从而具有良好的适应性。

以倒计时启动为例，其ATP协议格式如图5所示。当用户要求以指定时间启动倒计时，此时授时服务器发出ATP报文类型为0xC0，代码为0x01，报文总长度为60字节，其中数据字段长48字节，共填充三个时间戳，分别代表当前时间、指定时间和倒计时时长。这三个时间戳的报文格式一样，如图5所示，可以支持对全球24个不同时区的时间赋值。

图5 ATP倒计时启动报文

目的计时终端收到倒计时报文后，首先通过类型和代码判断是启动倒计时命令，然后用数据字段中的当前时间戳进行校时，用指定时间戳作为定时时刻，当定时超时再按数据字段中的倒计时时长进行倒计时。以当前时间启动倒计时(代码为0x00)的报文，其指定时间戳的值等于当前时间戳值。

综上所述，ATP不以校时精度为目标，而是强调支持系统的大规模扩展和人性化、个性化的时控操作。这是ATP相对于现有网络时间协议NTP最大的不同，也是ATP的创新之处。

3.3 系统测试与结果分析

3.3.1 系统的测试

在系统硬件架构和软件功能设计之后，对本系统测试基于ATP时控协议的同步误差，测试方案如图6所示。

图6 测试方案

实验系统覆盖范围模拟一栋5层教学楼的应用场景：授时服务器与各主控制器之间以及主控制器与各下位扩展器之间均采用RS485总线型拓扑连接；授时服务器与主控制器之间的传输距离设置为50 m，模拟授时服务器放置在教学楼1层监控室与顶楼5层主控制器的传输距离；主控制器与下位所连扩展器之间的距离设置为100 m，模拟各个楼层放置的主控制器与本楼层最远端放置的扩展器之间的传输距离。

3.3.2 实验结果与分析

实验采用泰克MDO3054型4通道示波器，将示波器的三个通道分别接在授时服务器RS485串口输出引脚、主控制器扩展口和扩展器扩展口，测试误差在100 ns以内。设置授时服务器每2 s为一周期发送类型为0x80、代码为0的ATP授时报文，多周期的测试结果如表2所示。

表2 实验结果

通过对表2所示实验结果分析，可得如下结论。

(1) 系统在时钟同步精度上，完全可以满足园区内为人供时的要求，因为人们在教学楼、众创空间等园区的地域范围之内开展听课、考试、上下班考勤等生产活动所需的供时同步精度通常要求到秒级。

(2) 按上述的系统测试方案，造成同步误差的主要因素在于主控制器和扩展器的处理时延和传输时延，由于系统低负荷和传输距离有限使得两级的排队时延和传播时延可以近似省略不计。

(3) 对系统可靠性做进一步优化设计。根据实验结果，测试系统最远端的扩展器与授时服务器之间同步时延为20 ms左右，考虑到在报文传输链路中断、报文丢失、报文差错等故障情况下，授时服务器需采用“等待-超时-重传”的可靠性机制，而多次重传有可能造成系统计时终端的计时指令乱序。另外，多终端之间重传时延的迭加效应也可能给系统计时精度带来严重影响。

综上所述，通过测试验证了本系统在供时精度和计时同步控制功能上可以满足园区公共时钟系统的设计性能要求，具有可扩展性好、易实现、易维护等优点，其可靠性设计是系统进一步优化的研究方向。

4 结 语

时钟是保障系统工作协调一致的重要参量，在地铁、化工和通信等行业中时钟系统针对装置、设备等“物”供时，在性能上强调高精度同步。随着新形势下社会、经济和教育等领域的革新，众创空间、信息化教室等场所为“人”供时的需求突显，计时功能向人性化和个性化升级。

对此，本研究对园区供时需求进行了深入分析，得出了复杂度低、可扩展性好、绿色环保易维护和具有人性化和个性化的时钟系统功能设计。并以此为出发点给出了系统的总体设计和系统实现方案，所提出的园区时间协议ATP是一种不同于现有NTP的新型协议，其功能完善，可实现计时人性化和个性化，能够为时钟系统发展提供新的途径。