摘要：随着现代通讯技术和信息处理技术在高速公路的大量应用，高速公路用到的信息系统越来越多，网络结构也越来越复杂，如何解决复杂网络结构下多系统时间同步以及和北京标准时间一致的问题，是高速公路机电领域当前面临的重大问题。针对这一问题，对高速公路机电设备时间同步系统方案展开了设计性深入研究。
关键词：高速公路；机电设备；时间同步；方案设计
1 引言
高速公路机电用到的信息系统越多，多系统间的时间同步就越重要。在高速公路机电收费、通信、监控三大系统中，普遍存在服务器、工作站、通讯设备、硬盘录像机等设备的时间不准确、不同步的情况。通过调研，广东省内的佛开、西部沿海、广韶、广惠、河龙、梅河、汕梅等高速路段，国内的赣粤、康大、石吉等高速路段，各路段公司的机电系统当前时间都与北京标准时间存在偏差，有的偏差相当大。时间同步不只是多系统间的时间一致，而且必须和北京时间一致。时间同步可以使各个系统实现精准时间的数据保存和数据检索，也可以使输出的各类业务报表具备更高的准确性和可信度，达到辅助决策、优化管理的目标。
2 高速公路机电设备时间同步的必要性
2.1目前高速公路机电设备时间不同步的主要表现
（1）收费系统和监控系统的时间不一致。影响到收费流水记录中的入口时间和出口时间与监控系统中的录像时间不同。
（2）监控系统中视频流经过的节点时间不统一，例如视频矩阵、字符叠加器、硬盘录像机的时间都不统一，具休表现在监控大厅电视墙上每个屏显示的时间不同，同一屏上经过硬盘录像机和字符叠加器叠加时间后，显示两个不同的时间。
（3）各系统中的各个节点和北京时间有较大的误差。
（4）各系统无一个基准的时间点，各自为政，无法统一时间。
如下图所示，高速公路监控系统中的各级节点显示的当前时间都与北京标准时间存在偏差，而这些设备有的不具备网络接口，只有RS232接口，无法通过网络调整时间。
2.2实现高速公路机电设备时间同步的必要性
（1）联网收费系统：在联网收费系统中的收费额拆分、日终结算、班次管理、费率表执行、报表统计等管理业务要求系统内各个节点保持时间一致，否则将导致管理混乱；另外由于收费业务管理的需要，收费站点需要进行实时远程数据查询，如入口不明车辆查询、IC卡实时跟踪查询等，要保证这些查询的正常进行和查询结果真实有效，必须保持各计算机的时间和北京标准时间一致。
（2）监控系统：高速公路机电设备经长时间运行，时间比较混乱，每个设备的时间和标准时间都有误差。在录像回放时，视频上的时间戳和真实的录像时间不一致，有的甚至相差半个小时。因为高速公路用到的硬盘录像机比较多，由维护人员手工调整时间工作量大，手工调整时间也不够准确，容易出错。
（3）收费系统和监控系统时间无法统一：在高速公路建设、设计阶段，为保证收费系统安全稳定的运行，收费系统都是独立组网，不允许外网接入，收费系统和监控系统是分开的。而当前高速公路很多业务要求，需要分别从两个系统中取出数据，如果两个系统时间有偏差，取出的数据在时间上无法比对。
（4）一年四次的免费放行要求监控系统与收费系统的时间完全一致：现行国家的政策，一年有四次7座以下小客车在高速上通行免费，免费的时间点是以某天的0点0分0秒开始，到若干天后的23点59分60秒结束，免费放行的开始时间和结束时间是监控视频的时间无法和收费系统完全一致，引起车主对高速公路的投诉或仲裁。
（5）协助交警部门办案：当高速公路发生盗抢车辆通行、交通肇事车辆逃逸行为时，高速公路监控中心都保留有车辆出入高速公路的图像资料，这些图像资料可以协助交警追查逃犯，如果监控系统中的视频时间与北京时间同步，也能为交警部门破案提供有力的时间证据。
3 高速公路机电设备时间同步系统方案
3.1高速公路机电设备时间同步结构图
图中，时间服务器是整个时间同步系统的核心服务器，时间服务器通过串口线从收费系统的前置机上取得标准时间，再分了到各个系统的节点上。
系统同步节点分为两类：一类是通过TCP/IP连接的节点，这类节点包括各种应用服务器、硬盘录像机等；另一类是通过串口线连接的节点，此类节点包括视频矩阵、字符叠加器等。
图中，黑色线条表示TCP/IP网络，蓝色线条表示串口线。
3.2机电设备时间同步模块功能介绍
（1）基准时间源读取程序：是个轻量级的程序，占用CPU和内存少，运行在收费服务器上，定时从收费系统上读取时间，写到串口上。
（2）基准时间服务器模块是运行在Windows操作系统的服务器软件，通过RS232串口从收费系统前置中读取到标准时间，修正本地服务器的时间，再通过NTP协议向时间代理服务器、时间服务器客户端发布时间。基准时间服务器软件可设置与收费服务器的时间同步周期，基准时间服务器软件程序小巧高效，以 Windows Service 的形式在后台运行，没有复杂的 GUI 界面等，因此不会占用太多网络和系统资源。
（3）硬盘录像机时间同步模块运行在windows操作系统中，定时向记录的所有硬盘录像机发布同步时间指令。
（4）串口设备时间同步模块也是运行在Windows操作系统中的服务器模块，该模块可运行在时间同步服务器上，也可运行在任一台Windows环境下的服务器上，主要作用是对串口连接设备发布时间，用来同步视频矩阵、字符叠加器等设备上的时间。
（5）时间代理服务器模块也是运行在Windows操作系统中的服务器软件，它是基准时间服务器的客户端，又是时间服务客户端的服务器。可以作为跨网段的时间服务网关，向不同网段的客户端传递标准时间。
（6）时间服务客户端模块是运行在Windows服务器中或者用户的办公电脑上的软件。只需要设置好局域网时间服务器或者时间代理服务器的的 IP 地址，即可实现定期时间同步。
（7）系统管理维护模块对时间同步系统中的各个运行设备和程序进行配置、管理和实时监测，可以监测到时间服务器的采集周期、当前时间，也可以监测到各个客户端的IP地址、时间同步周期、当前时间、网络连接状况等。系统管理维护模块采用C/S结构。
（8）字符叠加器集成管理模块可一次修改一个通道的叠加信息，也能同时对整个叠加器的所有通道修改叠加信息，也能同时修改该路段所有的叠加器通道的信息，使得维护工作非常轻松，叠加的信息也容易管理。
3.3机电设备时间同步的实现
机电设备时间同步流
上图中，①是从收费前置机上取时间；②是将时间分发到硬盘录像机上；③是将时间分发到各个应用服务器上；④将时间分发到视频矩阵上；⑤将时间分发到字符叠加器上；⑥预留高清卡口的同步接口。
下面分步阐述和步骤的时间同步实现。
3.3.1收费系统前置机与时间服务器间的同步实现
由上图所示，收费系统前置机与时间服务器这间是通过串口线连接，收费系统前置机上运行一个基准时间源读取程序，时间服务器上运行一个基准时间服务器模块。
基准时间源读取程序定时将收费系统的时间写入串口上，读取的时间频率可以从配置文件中配置，方便修改。
3.3.2时间服务器和硬盘录像机间的时间同步
时间服务器和硬盘录像机通过网线连接，走TCP/IP协议，按IP地址寻址。
目前支持国内大部分硬盘录像机时间同步。
3.3.3时间服务器和应用服务器间的时间同步
高速公路业务应用服务器大部分是windows环境下的服务器，也有少部分unix下的应用服务器。
（1）对windows环境下的应用服务器，可以有两种方式实现时间同步：
在应用服务器上运行时间同步客户端，时间同步客户端可定时向时间服务器请求同步时间。时间同步客户端模块中实现了NTP协议，可以指向任何一个遵循NTP协议的服务器；
不用在时间服务器上运行时间同步客户端，用windows环境下的时间同步功能，配置好指向时间服务器的地址，由操作系统定时向时间服务器请求时间。因为时间服务器内已有完整NTP协议实现，遵循标准协议的任何客户端都能从时间服务器上取得时间。
（2）对unix环境下（包括：Linux，SCO Unix，Sun Saloris，等等）应用服务器时间同步实现，在实现UNIX环境下的运行时间同步客户端。
3.3.4时间服务器与视频矩阵间的同步实现
目前支持Pelco视频矩阵时间同步。
3.3.5时间服务器与字符叠加器间的同步实现
目前支持紫凯、爱特思、英沙、华天成、铭磊五家字符叠加器的时间同步，每一家协议不一样。
3.3.6时间服务器与高清卡口设备的时间同步实现
目前支持汉王和哈工大的网络摄像机。
4 结语
时间同步不只解决各个系统间的时间同步问题，而且也解决同一系统中不同层面节点间的时间同步问题。以上方案设计以收费系统的时间作为其它系统的时间源，来同步通信、监控系统的时间。同时，考虑到收费系统是个独立的网络系统，为防止病毒对收费系统的侵扰，在解决系统时间同步时，不宜直接通过网线接入到收费系统中，本设计通过串口线连接收费系统的服务器，从收费服务器上读取时间，通过串口线将收费服务器的时间传到时间服务器上，再由时间服务器向其它系统的服务器、工作站、个人电脑、硬盘录像机、字符叠加器、视频矩阵等设备分发时间，从而实现其它系统与收费系统的时间同步。由于收费系统从逻辑上仍然是一个独立的网络，只是物理上存在一条串口线与收费服务器连接，这样能防止病毒进入到收费系统中。
论文作者:林春招
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/10
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