史亞萍　李雙偉　王波　牛蕾　董言治

摘 要：公共時鐘為保證人們正常有序活動起了重要作用。公共用鐘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了有效地對公共用鐘進(jìn)行管控，提高公共用鐘的精度和維護(hù)管理效率，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建了包括感知層、傳輸層、組織層和應(yīng)用層的系統(tǒng)架構(gòu)，對各層須解決的問題進(jìn)行了闡述，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計；實現(xiàn)了公共用鐘網(wǎng)絡(luò)化的軟硬件設(shè)計。經(jīng)過三年的運行測試，結(jié)果證明：鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，公共用鐘對時精度高，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：公共用鐘；鐘聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計；管控中心

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

公共時鐘系統(tǒng)能為公眾提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間，是一種重要的城市基礎(chǔ)設(shè)備。隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及科技的進(jìn)步，人們對公共用鐘提出了更高的要求。目前的公共時鐘系統(tǒng)存在如下問題：第一，網(wǎng)絡(luò)地域覆蓋面有限，無法在較大地理范圍內(nèi)實現(xiàn)公共時鐘時間的統(tǒng)一；第二，公共時鐘的運行狀態(tài)不能實時傳遞給廠家等保障單位，無法對公共時鐘的狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，以及據(jù)此的預(yù)先維修和快速維修。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出為解決上述問題提供了很好的技術(shù)手段。狹義的物聯(lián)網(wǎng)指連接物品到物品的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理；廣義的物聯(lián)網(wǎng)則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實環(huán)境之間實現(xiàn)高效信息交互方式，并通過新的服務(wù)模式使各種信息技術(shù)融入社會行為。

為此，借助于物聯(lián)網(wǎng)概念，本文提出了鐘聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要是利用傳感器技術(shù)對公共時鐘實現(xiàn)信息的采集，通過互聯(lián)網(wǎng)把公共時鐘、信息處理設(shè)備、保障單位及使用單位連接起來，實現(xiàn)公共時鐘的互聯(lián)化、物聯(lián)化、智能化的融合，在網(wǎng)絡(luò)平臺上對公共時鐘的運行狀態(tài)進(jìn)行管控。鐘聯(lián)網(wǎng)（IoV，Internet of Vehicles）是一種基于運營單位、保障單位和公共用鐘協(xié)同的可控、可管、可運營、可信的開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對人和公共用鐘等靜/動態(tài)信息進(jìn)行感知和認(rèn)知，最終實現(xiàn)提高公共用鐘可用性，改善城市服務(wù)水平，降低運行成本的目的。經(jīng)過三年的建設(shè)，鐘聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，經(jīng)過三年的運行測試，結(jié)果證明：鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，公共用鐘的網(wǎng)絡(luò)對時精度高，能對公共用鐘進(jìn)行快速準(zhǔn)確的診斷，保障人員調(diào)度快速，減少運營和保障成本，快速達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

1 鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計

鐘聯(lián)網(wǎng)是利用因特網(wǎng)、移動網(wǎng)、局域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)出面向全國的時間統(tǒng)一和運維服務(wù)的綜合支撐平臺，開展公共用鐘的運營和維護(hù)服務(wù)業(yè)務(wù)。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由GPS/北斗時鐘接收器、主備時鐘服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)中心、因特網(wǎng)、移動網(wǎng)、局域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、運營單位、保障單位以及眾多的公共時鐘組成。其運行的基本過程為：信息服務(wù)中心器從導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS和北斗）接收標(biāo)準(zhǔn)時間，通過因特網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)將時間傳輸給各公共用鐘，公共用鐘利用獲取的標(biāo)準(zhǔn)時間校準(zhǔn)自身時間。公共時鐘狀態(tài)信息、運營人員的信息及保障人員的信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到信息服務(wù)中心，信息服務(wù)中心對這些信息進(jìn)行保存并分析處理，根據(jù)處理結(jié)果協(xié)同運營人員、調(diào)度保障人員對公共用鐘進(jìn)行合理快速的參數(shù)配置、維護(hù)、維修和控制。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有統(tǒng)一性，包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、時間同步層和應(yīng)用層4部分，如圖2所示。

圖2 鐘聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型圖

感知控制層主要負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，并實施信息服務(wù)中心要求的控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；時間同步層用來進(jìn)行對公共用鐘對時；應(yīng)用層包括了眾多節(jié)點、各種數(shù)據(jù)的組織管理和應(yīng)用。

2 鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各層次設(shè)計

2.1 感知層設(shè)計

感知控制層中的采集數(shù)據(jù)來源于保障人員、運營人員、公共用鐘和信息服務(wù)中心等。一般地，公共用鐘有電壓、電流、溫濕度、時間指示偏差、外觀等參數(shù)。運營人員有位置，時間安排，公共用鐘的運行記錄，故障記錄保養(yǎng)維護(hù)記錄，維修要求等參數(shù)。保障人員有地理位置、工作空閑情況、交通情況、故障記錄、維修情況等參數(shù)。信息服務(wù)中心有服務(wù)請求事件、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等參數(shù)。

感知控制層中的控制數(shù)據(jù)主要有：公共用鐘的時間指示和配置等，保障和運營人員的視頻、音頻和郵件等。這些數(shù)據(jù)由任何能連接鐘聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備提供，這些終端可被信息服務(wù)中心感知和控制。

公共用鐘的終端設(shè)備組成有：內(nèi)嵌有感知電壓等參數(shù)的傳感器和儀表，感知外觀的外置圖像傳感器，調(diào)整時間指示等參數(shù)的控制器，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K。公共用鐘與信息服務(wù)中心間的數(shù)據(jù)交互通過通信模塊進(jìn)行。

運營人員的終端主要有臺式機(jī)、智能手機(jī)等，運營人員通過它們向信息服務(wù)中心上報公共用鐘的狀態(tài)，接受保障人員的服務(wù)。

保障人員使用移動維修設(shè)備，通過智能手機(jī)傳遞自身位置、工作狀態(tài)和公共用鐘維修情況，接受中心保障人員的調(diào)度和指導(dǎo)。感知層結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 感知層結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 傳輸層設(shè)計

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有兩點基本要求：一是要便于快速、低成本地構(gòu)建；二是要適應(yīng)鐘聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大。為了滿足這兩個要求，基于運營商提供的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鐘聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸成為技術(shù)唯一選擇。目前，鐘聯(lián)網(wǎng)可依托的成熟網(wǎng)絡(luò)有：互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊、局域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)等。

我國第三代移動（3G）網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成熟，第四代移動（4G）網(wǎng)絡(luò)開始推廣，這是鐘聯(lián)網(wǎng)一個重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。鐘聯(lián)網(wǎng)中的移動維修設(shè)備和智能手機(jī)，需要通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)中心通信。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)采集科學(xué)和生產(chǎn)設(shè)備信息，并控制這些設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)。

基于分組傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)在分布式自動化系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，它的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，并且網(wǎng)絡(luò)便于擴(kuò)展和逐漸地演變，所覆蓋的地理范圍達(dá)幾十公里，且設(shè)備位置也可靈活調(diào)整和改變，可提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可用性。

雖然目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已十分成熟，但每種網(wǎng)絡(luò)通信都存在其自身缺陷，只有綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)，才能很好地支撐鐘聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)要求。鐘聯(lián)網(wǎng)傳輸層結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 傳輸層結(jié)構(gòu)模型圖

在一定地理范圍內(nèi)的公共用鐘，通過局域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、485網(wǎng)等技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，處理成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)模式，通過互聯(lián)網(wǎng)與信息服務(wù)中心交互。

鐘聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層建立在現(xiàn)有移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，感知層通過各種接入設(shè)備與移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)、局域網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)通過接入設(shè)備相互連接成一體形成鐘聯(lián)網(wǎng)的傳輸層。

如此設(shè)計的鐘聯(lián)網(wǎng)傳輸層，具有適應(yīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力強(qiáng)、通信協(xié)議可直接應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。

2.3 同步層設(shè)計

保證網(wǎng)內(nèi)的公共用鐘時間統(tǒng)一，是鐘聯(lián)網(wǎng)最重要的功能，這就涉及到公共用鐘如何與信息服務(wù)中心進(jìn)行時間同步的問題，所謂時鐘同步是指時鐘時間的相對偏移和偏差小于某一規(guī)定值。

時鐘同步協(xié)議規(guī)范是一種交流規(guī)則，關(guān)系著鐘聯(lián)網(wǎng)時鐘信息的溝通，需要尋求一個能被普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，建立一個統(tǒng)一的時鐘同步協(xié)議，有兩個基本方法：依托已有的同步協(xié)議；形成新的同步協(xié)議。本文的原則是：對已有協(xié)議進(jìn)行分析，若能滿足鐘聯(lián)網(wǎng)時鐘要求，就采用已有協(xié)議，以降低鐘聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本；若不能滿足要求，則在已有協(xié)議的優(yōu)點上，提出改進(jìn)的同步協(xié)議。

目前，雙向報文交換是時鐘校正技術(shù)的基礎(chǔ)。其思想是：所有需要同步的從節(jié)點向服務(wù)節(jié)點發(fā)送同步請求，等待服務(wù)節(jié)點回應(yīng)當(dāng)前時鐘；從節(jié)點收到一個回應(yīng)信號后，用該時鐘信號進(jìn)行計算；利用計算結(jié)果校正自身時鐘。

雙向時鐘同步方式如圖5所示。其中，T1是從節(jié)發(fā)送請求報文時節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T2是服務(wù)節(jié)點接收到從節(jié)點請求報文時服務(wù)節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T3是服務(wù)節(jié)點返回請求報文時服務(wù)節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T4是從節(jié)點接收到服務(wù)節(jié)點返回報文時的從節(jié)點時鐘讀數(shù)。

圖5 雙向報文授時方式

用如下公式可計算從節(jié)點與服務(wù)節(jié)點之間的時鐘偏移量和報文傳送延遲：

θ=1/2[（T2-T1）+（T3-T4）] （1）

δ=（T4-T1）+（T3-T2） （2）

其中，T1-T2統(tǒng)稱為時間戳，δ是傳輸延遲，θ是服務(wù)節(jié)點和從節(jié)點之間時鐘偏移量估計。知道了θ值就知道了當(dāng)前的服務(wù)節(jié)點時鐘，從節(jié)點可根據(jù)θ值修正自身本地時鐘。

基于雙向報文交換的協(xié)議有：互聯(lián)網(wǎng)中的NTP（Network Time Protocol）協(xié)議，局域網(wǎng)中的PTP協(xié)議，無線傳感網(wǎng)中的TPSN協(xié)議等。工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)，如CAN網(wǎng)絡(luò)沒有現(xiàn)成的同步協(xié)議，需依據(jù)雙向報文交換原理，自定義同步協(xié)議。

NTP協(xié)議是個優(yōu)秀的時鐘同步協(xié)議，機(jī)制嚴(yán)格有效，算法簡單實用，占用的網(wǎng)絡(luò)和計算資源也更少，但只適用于物理鏈路相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不支持非對稱網(wǎng)絡(luò)，未克服裝有路由器的帶有不確定性的網(wǎng)絡(luò)定時。因此客戶機(jī)在求取了θ后，對θ做進(jìn)一步處理，以期減少同步誤差。這些處理算法主要包括[4]：

（1）濾波算法：該算法的功能是確認(rèn)數(shù)據(jù)包的有效性和從給定時間服務(wù)器的時鐘樣本中選取最佳樣本。常用的算法是最小時延算法，即認(rèn)為δ越小的時鐘樣本得到的同步誤差越小。

（2）選擇算法：該算法是在若干時間參考源中選取最佳的若干參考源。常用的有Intersection算法，即通過交集運算求出包括正確時鐘的最大服務(wù)器集合，淘汰錯誤的時間服務(wù)器。

（3）聚類算法：該算法對一組指定時間服務(wù)器提供的時間信息利用加權(quán)平均算法進(jìn)行分析綜合，得出當(dāng)前時間信息。

（4）D-S算法：利用D-S理論，對校時偏差的可信度進(jìn)行判斷。

由于公共用鐘處在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，其與信息服務(wù)中心間的時鐘同步需網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換。同步層結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 同步層結(jié)構(gòu)模型圖

2.4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層提供多種不同類型服務(wù)，包括人機(jī)交互、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲、分析診斷、視頻音頻郵件處理、人員調(diào)度、故障告警、網(wǎng)絡(luò)安全和節(jié)點的組織管理等功能。

由于鐘聯(lián)網(wǎng)的開放性，在實際應(yīng)用中，鐘聯(lián)網(wǎng)可能會受到各種惡意節(jié)點的攻擊。基于公共用鐘的重要性，如何保證鐘聯(lián)網(wǎng)的信息安全是個重要問題。鐘聯(lián)網(wǎng)能否安全運行成了鐘聯(lián)網(wǎng)能否投入運營的關(guān)鍵。因此應(yīng)用層加入了信息安全管理機(jī)制。

鐘聯(lián)網(wǎng)安全問題體現(xiàn)為兩方面：網(wǎng)絡(luò)外部惡意節(jié)點攻擊和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的妥協(xié)節(jié)點攻擊。網(wǎng)絡(luò)外部惡意節(jié)點主要是黑客或敵意人員的侵入等，對于網(wǎng)絡(luò)外部的惡意節(jié)點，可以采用權(quán)限管理和加密的方案；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部攻擊點包括人員的誤操作、信息服務(wù)中心時間不準(zhǔn)等，對于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部妥協(xié)節(jié)點的攻擊，可采用冗余安全方法。

權(quán)限管理是信息系統(tǒng)中常用方法，加密方法的有效性已在實踐中得到了證明[9]。本文采用AES算法與RSA算法的加密算法，AES的密鑰數(shù)據(jù)為128 b，RSA的密鑰數(shù)據(jù)為1 024 b，由密鑰的生成算法構(gòu)成。

冗余安全方法也稱為2s+l思想，即通過提供冗余報文使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點能夠容忍因妥協(xié)節(jié)點提供的錯誤的信息報文。如公共用鐘與信息服務(wù)中心間的時間同步，信息服務(wù)中心設(shè)置多個時間源，公共用鐘接受至少2s+1個時間源的時鐘信息，在這些時間源中最多有s個惡意節(jié)點；那么公共用鐘的時鐘取這2s+1個時間源的中間值，就可以獲得正確的時鐘信息。

應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型可設(shè)計為如圖7所示。

圖7 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型圖

3 結(jié) 語

公共用鐘是種重要的基礎(chǔ)設(shè)備，人們需要對公共用鐘進(jìn)行有效地管控，以提高公共用鐘的精度和維護(hù)管理效率。本文利用因特網(wǎng)、移動網(wǎng)、局域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)、嵌入式控制和網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)出一種鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在鐘聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、時間監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心架構(gòu)及應(yīng)用等方面取得了開創(chuàng)性成果，滿足公共用鐘領(lǐng)域的高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性、高智能化的需求，并依托工程的應(yīng)用效果，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)成果的推廣應(yīng)用，開展鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運營和維護(hù)服務(wù)業(yè)務(wù)。

經(jīng)過3年的運行，測試結(jié)果表明：鐘聯(lián)網(wǎng)對時的典型精度小于500 ms，安全性好，運行穩(wěn)定可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于管控，能滿足應(yīng)用要求。

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