GPS卫星同步时钟在医疗信息化系统中应用

一、需求分析

GPS卫星时钟同步系统主要为全医院提供标准统一的时间，主要作用是为整个医院的计算机系统及呼叫系统、BA系统、手术室控制系统以及其它弱电系统提供标准的时间源；精确统一的时间标准可以给护士站的工作人员对特护病人，重症观察患者提供及时、精确的护理时间参考，如麻醉室、手术室、输液室、供氧呼吸系统等；有了数字型网络子母钟系统以后就不再需要人工看表计时了，采用NTP网络时间协议的网络母钟还可以给全院所有局域网内计算机提供统一的时间参考，考勤、财务中心、库房等关键部门都可以获得精确、统一的时间源，为医院的数字化管理提供精确时间保证。各办公室内及其它通道内的时钟可以为工作人员和患者提供准确的时间信息；也可以为其它系统（监控、消防等）提供的时钟信息为整个医院大楼弱电运行提供了标准时间，保证整个医院大楼弱电运行的实时准确。

 

二、系统概述

正瑞GPS/BG2000卫星同步时钟系统由北斗卫星时钟系统、GPS卫星时钟系统、本地时钟系统以及由这3种时钟系统组合信号变换的辅助光电子系统组成。通过局域网络给医院的各个重要地方提供精确的时间信息，从而使网络和每个有安装该子钟的位置均能显示与卫星时间信号保持一致的时间。

 

系统组件主要为：

（1）GPS卫星时钟主机

卫星时钟主机的卫星系统为GPS/北斗双模式接收，该卫星双模接收系统既能够同时接收北斗/GPS双星系统，也能够单独分别接收GPS或者北斗卫星系统。基于最可靠方式，本时钟系统采用了双星模式。双模式同时接收国产北斗卫星系统和美国GPS全球定位系统卫星，使得参与同步定位的卫星数量大幅增加，并且搜星速度快，同步定位精度比单独GPS方式更高，时钟精度更精准。 

卫星时钟主机内具有高精度本地时钟守时系统。本地守时系统精度为10-8，高可至为10-9。在GPS、北斗卫星系统正常的情况下，本地时钟系统被卫星所同步。当卫星系统连接故障时，时钟主机自动切换到本地时钟，仍旧能够提供高精度时钟输出。

系统包括2台时钟主机，实现双主机热备用。一台时钟主机故障时，不影响系统运行。

（2）时钟分机

分机包括本地守时时钟系统和能够接受2台上位主时钟的光同步时钟信号。当1台主时钟故障时，分机会自动切换到备用主时钟。当2台主时钟均未连接时，分机保持高精度自身时钟运行。

（3）信号扩展箱

信号扩展箱为信号数量扩展装置。采用模块化插卡方式，能够方便的通过功能卡的配置实现所需的对时功能。

三、系统功能

l  显示统一的标准时间信息。

l  向其它需要统一时间的系统提供标准时间信息。

 

1.一级母钟

一级母钟设置在主控机房内，主要功能是作为基础主时钟系统，自动接收GPS的标准时间信号，将自身的精度校准，并将校准后的标准时间信息通过接口分配给各二级母钟、子钟以及其他需要标准时间的系统，并且通过监控计算机对时钟系统的主要设备进行及主要模块进行点对点监控。

一级母钟能够显示年、月、日、星期、时、分、秒全时标时间信息及农历、节气等信息，并能显示一级母钟各板卡及所有子钟的状态信息。一级母钟具有统一调整、变更时钟快慢的功能，可通过设置在前面板上的键盘实现对时间的统一调整。一级母钟接收标准时间信号接收机发送的标准时间信号。当标准时间信号接收机正常工作时，该信号将作为一级母钟的时间基准，当外部时钟源信号出现故障时，一级母钟将采用自身的高稳定恒温晶振产生的时间信号作为时间基准，驱动子钟正常工作并向时钟系统网管设备发出告警。一级母钟能与外部标准时钟源自动校时，保持同步。向二级母钟和子钟发送标准时间信号并收集状态数据。一级母钟配置NTP板卡及子钟板卡，向其他子系统及子钟发送标准时间信号，以实现各子系统时间的统一。一级母钟由主、备母钟组成，具有热备份功能，主母钟出现故障立即自动切换到备母钟，备母钟全面代替主母钟工作。主母钟恢复正常后，备母钟立即切换回主母钟，切换时间小于2秒。主母钟与备母钟可以互相监控对方的工作状态，如果发现一方出现异常，可立即进行维修或更换。一级母钟设备采用电源双备份，支持热插拔。一级母钟设备设有2路NTP接口，向其他系统提供标准时间信号，实现各系统时间的统一，另外一 级母钟设备配备2路NTP接口给二级母钟及子钟，向子钟发送标准时间信号。

2.标准时间信号接收装置

标准时间信号接收装置是为了向时间系统提供高精度的时间基准而设置，以实现时间系统的无累积误差运行。在正常情况下，标准时间信号接收机能够接收来自GPS的卫星时标信号，经解码、比对后，经由RS422接口发送给一 级母钟，以实现对一 级母钟精度的校准。正常情况下GPS接收机至少可同时接收6颗卫星的信号。标准时间信号接收机采用液晶屏，能够显示年、月、日、星期、时、分、秒全时标时间信息和标准时间信号源的信息，并可通过设置在前面板上的键盘实现对时间的统一调整。

3.系统监控管理计算机

通过监控管理计算机终端能够真实显示系统的网络拓扑结构，实时反映其物理连接状态及各点设备运行条件和状态。在时钟系统监控管理计算机上能够实现对全部时钟进行点对点的监控，其主要监控及显示的内容包括：母钟、子钟及传输通道的工作状态。

（1）一般性管理功能

    通过监控管理计算机终端能够真实显示系统的网络拓扑结构，实时反映其物理连接状态及各点设备运行条件和状态。在时钟系统监控管理计算机上能够实现对全部时钟进行点对点的监控，其主要监控及显示的内容包括：母钟、子钟及传输通道的工作状态。

（2）故障管理功能

    系统具有自诊断功能，并对故障进行管理，能检测到包括中心设备、分级设备及信号传输通道的运行状态；对时钟系统的工作状态、故障状态进行显示；并能够对全系统时钟进行点对点的控制，在监控终端上可以查看本系统任何一个子设备的运行状况。当时钟系统出现故障时，监控管理计算机能够发出声光报警，指示故障部位，并在监控终端主界面上显示主要故障内容及设备位置。告警信号能够引至相应值班室，提供给值班的工作人员，以便于系统的集中管理。声音报警信号能通过手动操作切除，光标报警可保持到故障排除。

（3）安全管理功能

系统操作软件具有多级密码设定和权限限定功能。能设置不少于三种管理权限，设置了管理员级、操作员级和用户级，对不同级别的操作人员，可分别赋予不同的操作控制功能，分级别对系统进行管理，各控制级别不能越级操作，保障了系统的安全和工作可靠。能够保留操作日志。

（4）配置管理功能

   通过维护管理终端能对系统网络进行配置和数据设定，可进行板卡配置管理，子钟配置。管理系统具有远程控制功能，可以通过网管可以对系统内子钟的时区等进行设置，从而实现对时钟系统的远程控制。

4.子钟

（1）子钟通过NTP接口经交换机接收母钟所发出的时间信号，进行时间信息显示。子钟脱离母钟时能够单独运行。接收母钟发送的标准时间信号，对自身的精度进行校准。子钟在接收到标准时间信号后，回送自身的工作状态给母钟。

（2）所有子钟均具有独立的计时功能，平时跟踪母钟工作。当子钟接收不到来自母钟发送的时间信号时，仍能依靠自身的晶振独立运行并向时钟系统监控管理计算机发出告警。此时时钟时间的调整靠键盘来进行。调整键盘配有复位按钮，每个子钟都配有单独的电源开关。

（3）本系统采用的子钟为双面数字式子钟、单面手术室数字子钟、单面日历数字子钟和单面指针式子钟。

（4）数字式子钟具备12/24小时两种显示方式转换功能。数字式子钟收到母钟发送来的标准时间信号时，自动刷新，与母钟保持一致。

（5）数字式子钟具有记忆功能，内置实时时钟芯片，停电后可保持数据十年，来电后自动显示正确时间。

（6）数字式子钟采用发光二极管显示单元（LED）显示由数字组成的时间信号，亮度可调节，优选颜色为红字，并且颜色可根据本工程的装修风格来选择。其指示方式为：年、月、日、星期、时、分、秒。

（7）指针式子钟具有自动追时功能。当接收到标准时间信号时，能够以最短距离方式快速调整指针的位置到标准时间。

（8）指针式子钟自身有独立的石英晶体振荡器，平时跟踪母钟工作。当子钟接收不到来自母钟发送的时间信号时，仍能依靠自身的晶振独立运行并向时钟系统管理中心发出告警。此时时钟时间的调整靠键盘来进行。调整键盘配有复位按钮，每个子钟都配有单独的电源开关。

 双面数字子钟图：

单面数字手术室子钟图:

四、系统优势

（1）精确性高

本系统能够接收来自GPS的标准时间信号，经一 级母钟处理后发送至系统的各个部分，实现无累积误差运行。系统一 级母钟均采用高稳恒温晶振，使一 级母钟的精度大大提高。系统具有降级使用功能，当上级设备出现故障时，本级设备仍能以当前时间为起点自主独立运行，运行精度高于每天0.001秒。

（2）可靠性高（系统冗余）

   本系统对一级母钟的关键设备都采用双重热备份，当主单元发生故障时，能够自动切换到备用单元，实现主备之间的自动转换。电源停电时，一 级母钟在备用电源支持下仍可正常工作24小时。一 级母钟能与GPS进行同步校时。停电96小时以内，供电恢复时能自动追踪，与标准时间同步。同时提供“功能后退”运行方式，具有降级使用功能，当前级设备出现故障时，本级设备仍能正常工作，我们采用故障隔离、软硬件冗余等技术措施，使系统具有极高的可靠性。

（3）兼容性好

   系统采用分布式结构，由标准化的软件及硬件组成,用户可按照需要灵活配置和扩容。

（4）灵活性

本系统具有灵活的系统集成接口能力、设备控制管理能力；同时由于系统采用开放结构，能灵活地增加、减少、移动子时钟显示设备，而无需修改应用软件；本系统与其它系统之间的接口，也建立在开放标准之上，能灵活的进行修改；子时钟显示设备的配置、显示格式、状态都能通过应用进行灵活配置、修改和监控；系统应用软件具有足够灵活性，满足用户的业务需求。

（5）开放性

   本系统软硬件的选取遵循开放系统规范，支持多种国际标准协议，包括采用具有开放的操作系统、通讯协议、开发工具等；系统采用先进的技术、方法和设备，为第三方应用提供开放的标准接口，支持第三方依据该接口来连接本系统。

（6）操作简单

控制管理计算机提供友好的中文界面，采用规范的行业术语，易于管理和维护。系统采用了人性化的设计，使界面友好、整洁、清晰、直观，支持键盘和鼠标操作，简单、方便，容错性强，有在线用户帮助功能。

（7）维护方便

本系统所有主控板、信号板、接口板均采用了目前国际上 流行的模块化设计，使相同规格的设备和接口板具有可互换性；一 级母钟的接口板可以热插拔，在带电状态下可以进行更换而不影响整个系统的运行，维护极为方便。积木式结构还为业主未来系统的增容和扩展提供极大的便利。

（8）具有自动报警功能

当时钟系统发生故障时，监控计算机能够发出声光报警，指示故障部位，并在监控终端主界面上显示主要故障内容及设备位置。告警信号能够引至相应值班室，提供给值班的工作人员，以便于系统的集中管理。

（9）电磁兼容性好

为保障系统正常可靠地运行，在系统的电磁兼容方面，做了大量的试验与改进工作，提供的设备在许多工程中经历了长期严格的考验。

 

结语：

    山东正瑞电子有限公司二十年专业从事同步时钟,GPS卫星同步时钟,NTP网络时间服务器,北斗时钟,GPS时钟等系统产品的研发、设计和生产，在国内同行业独具优势凭借着质量过硬的产品，稳定的运行，我司各系列产品广泛应用在国防、智慧交通、智慧医疗、智慧教育、电力系统、等各个领域，并得到了用户对正瑞品牌产品的一致好评！

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