基于NTP的交通控制系统时钟同步技术研究

－ 2417－ 0 引 言 目前，为解决日益严重的交通问题，我国各主要城市纷纷 建立了城市区域交通控制系统，但其应用效果并不理想，远未 达到提高城市路网通行能力、缓解交通拥堵的目的。这其中 一个重要的原因就是区域交通控制系统对时钟的一致性和精 确性要求较高，而实际计算机的时钟不稳定，容易受到温度、 电源等环境条件的影响，使其电子时钟的进行速率不一致，随 着误差积累造成系统时钟不同步[1]，导致系统运行效率大大降 低，甚至失效。因此，建立一个稳定可靠的城市交通控制系统 统一的时钟源，对所有的组成设备进行时钟同步具有重要的 现实意义。 目前时钟同步主要有逻辑时钟同步和物理时钟同步，逻 辑时钟同步以Lamport时间同步算法为代表，物理时钟同步主 要分为分布式系统中的集中式算法和分布式系统中的分布式 算法，前者以 Cristian算法和 Berkeley算法为代表，后者以平 均值算法和 NTP为代表[2~6]。由于城市区域交通控制系统多为 实时分布式系统，综合考虑其对时钟精度的要求与接入成本， 同时为避免造成网络“冲突”而影响信息的传输，本文以 NTP 的工作原理和工作模式为基础，进行系统时钟同步算法 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 1 NTP协议 NTP(network time protocol)协议是设计用来在 IP网上使不 同设备能维持相同时间的一种同步时间协议，它使计算机对 其服务器或时钟源(如原子钟、GPS等)做同步化，用以提供高 精度的时间校正(LAN上与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 时间差小于 1毫秒，WAN上差 几十毫秒) [7,8]。实时分布式网络系统采用 NTP协议不仅可以 满足系统对时钟精度的要求，而且对现有的数据网络负荷不 会有太大的影响(一般不超过总负荷的 2％)，同时安装使用或 升级维护均很方便，是一种简单有效的时间同步方式。 NTP时间服务器之间的同步模式分为 3种： Sever/Client模式：用户向一个或多个服务器提出服务请 求，根据所交换的信息，从中选择认为最准确的时间，并调整 本地的时钟。客户机可以被服务器同步，服务器不能被客户 机同步。 Multicast/Broadcast模式：是一对多的连接，利用一个或多 收稿日期：2006-09-06 E-mail：qianyongsheng1@sina.com 基金项目：教育部博士学科科研基金项目 (20050732002)。 作者简介：钱勇生 (1970－)，男，江苏常州人，副教授，研究方向为智能交通控制； 王春雷 (1982－)，男，河北承德人，硕士研究生，研究方 向为城市交通控制； 汪海龙 (1984－)，男，甘肃渭源人，硕士研究生，研究方向为城市交通仿真。 基于 NTP的交通控制系统时钟同步技术研究 钱勇生， 王春雷， 汪海龙 (兰州交通大学，甘肃 兰州 730070) 摘 要：在城市区域交通控制系统中，引入时间服务器、时间中介节点和外部时间基准 GPS，设计一种基于网络时间协议 (NTP)的系统时钟同步算法。该 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 采用主动对时机制，消除了网络竞争机制对系统对时精度的影响，避免了网络“冲突” 造成的交通信息传输延时，可方便经济地为交通控制系统各设备提供精确的时间，实现系统时钟的统一。 关键词：区域交通控制系统; 时钟同步; 网络时间协议(NTP); 传输延时; 时间中介节点 中图法分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2007) 10-2417-02 Grinds based on NTP city urban traffic signal control system time synchronization technology QIAN Yong-sheng, WANG Chun-lei, WANG Hai-long (Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China) Abstract： In the city urban traffic signal control system, the introduction time server, the time intermediary pitch point and exterior time datum GPS, designs one kind system time synchronization algorithm based on the network time protocol (NTP). This method uses on own initiative to the time mechanism, eliminated the network competitive system to the system to the time precision influence, has avoided the transportation intelligence transmission time delay which the network "the conflict" creates, may facilitate economically pro- vides the precise time for the transportation control system various equipment, the realization system clock unification. Key words：urban traffic coordinated signal control system; time synchronization; network time protocol (NTP); transmission delay; time agency computer 2007年 5月计算机工程与设计 May 2007 第 28卷 第 10期 Vol. 28 No. 10 Computer Engineering and Design － 2418－ 个服务器在固定的周期主动向某个多播地址发出时间信息， 客户机据此信息调整自己的时间，由于忽略网络时延，精度较 低，适用于高速局域网上。 Symmetric模式：两个以上的服务器互相进行时间消息的通 讯，可以互相校正对方的时间，以维持整个子网的时间一致性。 2 基于NTP的城市区域交通控制系统时钟同步设计 在基于 NTP协议的 Sever/Client模式、Multicast/Broadcast 模式的基础上，在系统中设置时间服务器和对时中介节点，即 对时中介节点定时向系统中的时间服务器、各节点广播发送 请求对时报文。由于系统的时钟同步是从各节点与服务器接 收到请求对时开始计时，因此避免了网络“冲突”甚至“风暴” 造成的传输延时[9]，同时也减轻了系统时间报文的传递对交通 信息传递的影响，提高了城市区域交通控制系统的工作效率。 城市交通控制系统时钟同步的过程： 步骤 1 城市交通指挥中心的 GPS接收机从卫星信号获 取并输出高精度的 UTC标准时间信号，时间服务器据此进行 时钟同步，与 GPS的时钟同步周期设置为 1次/10 s； 步骤 2 系统中的中介节点每 10 min向时间服务器和系 统各节点广播传送请求对时报文，并在传送的第一位码时读 取中介节点的时钟值，再加上时钟报文的帧长时间，即为发送 报文内的时间戳 1； 步骤 3 当该报文到达时间服务器时，时间服务器输入自 己的时间戳 2，当系统各节点接收此报文后输入相应的时间 戳 3。由于请求对时报文是广播发送的，时间服务器与各节 点接受到此报文的时间差是微秒级的，因此可以近似的认为： 服务器与各节点是同时接收到此报文的，即 2= 3； 步骤 4 时间服务器再向系统各节点 (包括中介节点)广 播发送这个报文，此时再附加上它离开服务器的时间戳 4； 步骤 5 当此报文到达系统各节点时，各节点记录此时的 时间戳 5。正常运行时定时进行时钟同步过程及时间关系如 图 1所示。 根据上述关系可得 ｛ 2= 1+ + 5= 4 + 求解上式可得时间服务器和系统各节点之间的时间偏差 ，两者之间单程的网络传输时间 ｛ = 2 1 + 5 42= 2 1 + 5 42 据此，系统各节点可通过 1、2、 4、5 计算出时差，并通过数据过滤处理、时钟 选择和合并等算法来消除网络传输不确 定性的影响，然后调整本地时钟。 3 实例验算 构建一个由 7个交叉口组成的城市主干道对本文设计方 案进行验算，各路段均是两车道，不考虑行人、公交车和转弯 车辆的影响，对各交叉口均采用干线交叉口交通信号协调控 制，系统周期时长为 80 s，系统带速为 45 km/h(12.5 m/s)，时间 距离图如图 2所示。 假定交叉口 A、B、C、D、E、F的路口信号机的平均时钟误 差分别为每小时快 0.1 s、每小时慢 0.1 s、每小时慢 0.2 s、每小 时快 0.3 s、每小时快 0.1 s、每小时快 0.2 s，设线控系统在 0时 0 分 0秒开通，则系统在不进行时钟同步的情况下运行 10 h后， 即准确时间为 10时 0分 0秒时，有一车队以速度 12.5 m/s从 交叉口 O进入线控系统。车队头部到达各交叉口的准确时间 和路口信号机的时间误差见表 1。 如表 1所示，车队头部到达交叉口 A时，信号机已于 1 s 前从红灯相位切换到绿灯相位，而此时车队尚未到达，造成了 1 s的空放；在车队头部到达交叉口 B时，路口信号机的时间 为 10时 1分 19秒，仍为红灯，造成了车队停车等待。以此类 推，线控系统提供的“绿波交通”将会完全失效，甚至造成交通 拥挤。面对此种情况，广大研究人员往往忽略了系统时钟不 同步的原因，而从饱和交通流、机非混合交通流等方面入手进 行改进研究，收效甚微。该线控系统若采用本文设计的系统 时钟同步算法，每 10 min对系统中的设备进行时间更新，则可 完全避免以上情况的出现。本文的系统时钟同步算法在武威 市智能交通指挥中心 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 中实际应用试验，表现出良好 的精度和稳定度，保证了系统的正常运行 [10]。 4 结束语 对NTP的同步原理、时钟源和工作模式作了详细的介绍， 以 NTP的同步思想为基础，完成了城市区域交通控制系统的 时钟同步设计，进行了实例 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、应用。本算法可以推广到对 时间要求较为严格的其它分布式网络系统中去。在智能同步、 时钟偏移量优化等方面，有待于进一步研究。 图 1 系统时钟同步工作原理 中介节点 时间服务器 系统各节点T T T T T T 图 2 时间距离 时间 周期 红相 绿相 通过带宽 A B C D E F 500 m500 m500 m500 m500 m500 m 表 1 时间误差 交叉口 A B C D E F 准确时间 0分 40秒 1分 20秒 2分 01秒 2分 42秒 3分 22秒 4分 02秒 路口信号机时间 0分 41秒 1分 19秒 1分 59秒 2分 45秒 3分 23秒 4分 04秒 时间误差 快 1 s 慢 1 s 慢 2 s 快 3 s 快 1 s 快 2 s (下转第 2421页) － 2421－ 其中：——剩余标准差，——样本个数，——待估计参数个 数，本文 =20， =3。 由表 3中的估计值和表 1的实际测量值，根据式(13)可以 计算出剩余标准差(如表 4所示)。 剩余标准差 S小说明参数估计精确高，由表 4可以看出， PSO算法与 IGA算法的参数估计精度相当，高于 ANN方法与 SGA算法，精度最高的是 QPSO算法。从实施过程来看，神经 网络需要事先确定网络结构，遗传算法需要繁琐的编码解码 操作，而QPSO算法简单，需要调整的参数少，易于编程实现。 因此，QPSO算法用于发酵模型的参数估计是可行而有效的。 4 结束语 该文将基于量子行为的微粒群优化算法(QPSO)应用于发 酵模型参数估计。以谷氨酸发酵菌体浓度数据为样本进行验 证。实验结果表明，基于 QPSO算法的发酵模型参数估计方 法具有精度高、易实现、计算量小等优点。同时，该方法对于 一般非线性模型参数估计也具有普遍意义。 参考文献: [1] Sun Jun,Xu Wenbo,Feng Bin.A global search strategy of quan- tum-behaved particle swarm optimization [A]. 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