軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)及其實(shí)施方法

鄭燕燕

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海∥工程師)

弱電系統(tǒng)的高精度時(shí)間同步是軌道交通高效運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)系統(tǒng)故障及重大事件的準(zhǔn)確判斷與處置有著重要的意義。軌道交通建設(shè)初期，各類弱電系統(tǒng)的時(shí)間同步僅限于線路級(jí)，且獲取時(shí)間信息的方法及實(shí)現(xiàn)同步的機(jī)制均未統(tǒng)一，弱電系統(tǒng)的日志時(shí)間、故障記錄時(shí)間等存在不同步的情況。隨著軌道交通建設(shè)由單線向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對(duì)弱電系統(tǒng)在線路間和線路內(nèi)的時(shí)間同步提出了高層次的要求。因此，建立時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，使軌道交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的弱電系統(tǒng)以統(tǒng)一的時(shí)間同步機(jī)制獲取高精度的時(shí)間信息，對(duì)軌道交通的安全、高效運(yùn)行有著重要的意義。本文針對(duì)軌道交通弱電系統(tǒng)高精度時(shí)間同步問(wèn)題，基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，給出了軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及配置;在此基礎(chǔ)上，深入討論了軌道交通時(shí)間同步的精度要求以及時(shí)間同步網(wǎng)的安全問(wèn)題，并給出了軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)的實(shí)施方法。

1 同步機(jī)制及同步方式

1.1 同步機(jī)制

現(xiàn)有的軌道交通時(shí)間同步機(jī)制，是由時(shí)鐘系統(tǒng)采用串行通信方式，向本線的弱電系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間信息。這種以串行通信為基礎(chǔ)的同步機(jī)制，以授時(shí)設(shè)備與受時(shí)設(shè)備間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息傳輸為特點(diǎn)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此不同廠家所提供的設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)互通。

1982年，美國(guó) Delaware大學(xué)的 Mills提出了NTP(Network Time Protocol，時(shí)間同步協(xié)議)［1］，其目的是在Internet上實(shí)現(xiàn)傳遞統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間。該協(xié)議試圖在網(wǎng)絡(luò)上指定若干時(shí)鐘源網(wǎng)站，為用戶提供授時(shí)服務(wù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間能相互比對(duì)，提高準(zhǔn)確度。它跨越廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的復(fù)雜同步時(shí)間協(xié)議，并可獲得毫秒級(jí)的精度。NTP是OSI參考模型的高層協(xié)議，采用UDP傳輸協(xié)議，端口號(hào)采用123。

在此基礎(chǔ)上，Mills提出了SNTP(Simple Network Time Protocol)［2］，是NTP的一個(gè)子集。目的是為適應(yīng)無(wú)需完整實(shí)現(xiàn)NTP功能的情況。該協(xié)議可令局域網(wǎng)上的若干臺(tái)主機(jī)通過(guò)Internet與其他的NTP主機(jī)同步時(shí)鐘，然后再向局域網(wǎng)內(nèi)其他客戶端提供時(shí)間同步服務(wù)。

與基于串行通信的同步機(jī)制相比，NTP因充分考慮網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的復(fù)雜性以及網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)時(shí)鐘偏離的影響，并可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)間的同步而更具優(yōu)勢(shì)。表1給出了以串行口通信為基礎(chǔ)的同步機(jī)制與NTP時(shí)間同步機(jī)制的比較。

表1 兩種同步機(jī)制的對(duì)比

1.2 同步方式

根據(jù)弱電系統(tǒng)在軌道交通日常運(yùn)營(yíng)中的作用、工作方式及特點(diǎn)，其同步方式主要有無(wú)條件同步和有條件同步兩類。

(1)有條件同步:軌道交通中的信號(hào)系統(tǒng)和自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(AFC)采用有條件同步方式。即在未發(fā)生時(shí)間突變時(shí)，弱電系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間保持同步;在發(fā)生時(shí)間突變時(shí)，弱電系統(tǒng)應(yīng)按照預(yù)先制定的同步規(guī)則進(jìn)行同步。此功能由有條件同步判斷服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。

(2)無(wú)條件同步:其他弱電系統(tǒng)均采用無(wú)條件同步方式。即無(wú)論是否發(fā)生時(shí)間突變，弱電系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間保持同步。

2 軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及配置

上海軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)采用5層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(見圖1)。其中，第1層～第2層為上層時(shí)間源平臺(tái)，第3層為弱電系統(tǒng)接入部分，第4層～第5層為弱電系統(tǒng)部分。

圖1 上海軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1 上層時(shí)間源平臺(tái)

時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的第1層與第2層共同構(gòu)成了上層時(shí)間源平臺(tái)，在時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用NTP，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的弱電系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一、高精度的時(shí)間信息。

第1層為一級(jí)時(shí)間系統(tǒng)，包括GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))接收設(shè)備、一級(jí)時(shí)間服務(wù)器及相關(guān)配套設(shè)備。一級(jí)時(shí)間服務(wù)器從GPS獲取時(shí)間，以NTP申請(qǐng)校時(shí)的方式向二級(jí)時(shí)間服務(wù)器授時(shí)，并將此時(shí)間定義為上海軌道交通的“網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間”。當(dāng)GPS設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，一級(jí)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)入保持狀態(tài)并引入BITS(Building Integrated Timing Supply，樓宇綜合定時(shí)供給)設(shè)備的工作時(shí)鐘保持精度。當(dāng)GPS和BITS設(shè)備均發(fā)生故障時(shí)，一級(jí)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)入保持狀態(tài)并利用自身晶振保持精度。一級(jí)時(shí)間服務(wù)器的各時(shí)間輸出端口應(yīng)相互獨(dú)立。為保證NTP時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，在第1層內(nèi)配置了2臺(tái)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器，每臺(tái)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器均配置GPS時(shí)間接收設(shè)備作為輸入時(shí)間參考源，同時(shí)主要配套設(shè)備也實(shí)現(xiàn)冗余配置。

第2層為二級(jí)時(shí)間系統(tǒng)，包括二級(jí)時(shí)間服務(wù)器、有條件同步服務(wù)器及配套設(shè)備。二級(jí)時(shí)間服務(wù)器以NTP申請(qǐng)校時(shí)的方式從2個(gè)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間，通過(guò)NTP所規(guī)定的算法確定本機(jī)的高精度時(shí)間，并向有條件同步服務(wù)器授時(shí)，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)交換機(jī)向相關(guān)弱電系統(tǒng)的主機(jī)(弱電系統(tǒng)主機(jī)屬于第3層)授時(shí)。當(dāng)二級(jí)時(shí)間服務(wù)器檢測(cè)到其中1個(gè)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器不可用時(shí)，應(yīng)從另1個(gè)可用的一級(jí)時(shí)間服務(wù)器獨(dú)立地獲取時(shí)間。當(dāng)2個(gè)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器均失效時(shí)，二級(jí)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)入保持狀態(tài)，同時(shí)引入BITS設(shè)備的工作時(shí)鐘保持精度。第2層設(shè)備設(shè)置于各線控制中心及需要高精度時(shí)間信息的網(wǎng)絡(luò)層管理部門，當(dāng)上述部門地理位置相同且二級(jí)時(shí)間服務(wù)器輸出端口足夠時(shí)，則可合設(shè)系統(tǒng)設(shè)備。二級(jí)時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間輸出端口應(yīng)相互獨(dú)立，同時(shí)主要配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)冗余配置。

2.2 弱電系統(tǒng)接入層

時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的第3層為弱電系統(tǒng)接入層，使用NTP或SNTP向時(shí)間源平臺(tái)申請(qǐng)校時(shí)，主要包括設(shè)在各線控制中心及需要高精度時(shí)間信息的網(wǎng)絡(luò)層管理部門的弱電系統(tǒng)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備。

弱電系統(tǒng)主機(jī)的北向時(shí)間接口以二級(jí)時(shí)間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器的南向接口輸出的時(shí)間作為輸入時(shí)間參考源，通過(guò)交換機(jī)向二級(jí)時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間信息，并通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)的南向接口向本系統(tǒng)的車站主機(jī)授時(shí)(車站主機(jī)屬于第4層)。

弱電系統(tǒng)主機(jī)獲取時(shí)間的具體方法有兩種。其一是對(duì)主機(jī)的Windows、Linux或UNIX操作系統(tǒng)自帶的NTP服務(wù)程序進(jìn)行參數(shù)設(shè)置(如同步周期等)并啟動(dòng)服務(wù)進(jìn)程，即可按照設(shè)定的同步周期定時(shí)申請(qǐng)校時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的功能。其二是在主機(jī)的Windows、Linux或UNIX操作系統(tǒng)上安裝并啟動(dòng)自主開發(fā)的NTP客戶端軟件，即可按照設(shè)定的同步周期定時(shí)申請(qǐng)校時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的功能。

當(dāng)二級(jí)時(shí)間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器失效時(shí)，弱電系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時(shí)。若系統(tǒng)具備GPS接收設(shè)備，則可啟用該設(shè)備以獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

2.3 弱電系統(tǒng)層

時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的第4層至第5層為弱電系統(tǒng)部分。第4層主要包括弱電系統(tǒng)設(shè)于車站的主機(jī)及配套設(shè)備。車站主機(jī)以系統(tǒng)主機(jī)南向接口輸出的時(shí)間為輸入時(shí)間參考源，并獲取時(shí)間信息，同時(shí)向設(shè)于本站的系統(tǒng)從機(jī)授時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)的時(shí)間輸出因故失效時(shí)，車站主機(jī)進(jìn)入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時(shí)。第5層主要包括弱電系統(tǒng)設(shè)于車站的從機(jī)(或包括交換機(jī))。車站從機(jī)以車站主機(jī)的南向接口輸出的時(shí)間作為輸入時(shí)間參考源，并獲取時(shí)間信息。當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)的時(shí)間輸出因故失效時(shí)，從機(jī)進(jìn)入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時(shí)。

需要特別指出的是:第4層至第5層屬于弱電系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)，因此，建議但不強(qiáng)制弱電系統(tǒng)加載NTP客戶端軟件并以申請(qǐng)校時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)弱電系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間同步。弱電系統(tǒng)可根據(jù)自身所采用的軟件情況采用符合其特點(diǎn)的同步方式實(shí)現(xiàn)同步。

3 同步精度及同步周期

3.1 系統(tǒng)的精度要求

當(dāng)采用無(wú)條件同步方式時(shí)，一級(jí)時(shí)間服務(wù)器以GPS時(shí)間作為輸入時(shí)間參考源，要求其輸出時(shí)間精度(即與GPS時(shí)間的偏差)不大于1 ms。二級(jí)時(shí)間服務(wù)器從一級(jí)時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間并向第3層設(shè)備授時(shí)，其輸出時(shí)間與一級(jí)時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于5 ms。弱電系統(tǒng)主機(jī)從二級(jí)時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間并向弱電系統(tǒng)車站主機(jī)授時(shí)，其輸出時(shí)間與二級(jí)時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于20 ms。弱電系統(tǒng)車站主機(jī)從系統(tǒng)主機(jī)獲得時(shí)間并向車站從機(jī)授時(shí)，其輸出時(shí)間與弱電系統(tǒng)主機(jī)輸出時(shí)間的偏差要求不大于20 ms。車站從機(jī)與車站主機(jī)輸出時(shí)間之間的精度要求不大于20 ms。總的系統(tǒng)要求，即一級(jí)時(shí)間服務(wù)器的輸出時(shí)間與車站從機(jī)輸出時(shí)間的偏差要求不大于65 ms。

當(dāng)采用有條件同步方式時(shí)，弱電系統(tǒng)主機(jī)與二級(jí)時(shí)間服務(wù)器之間增加了有條件同步判斷服務(wù)器。有條件同步判斷服務(wù)器的輸出時(shí)間與一級(jí)時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于20 ms。總的系統(tǒng)要求，即一級(jí)時(shí)間服務(wù)器的輸出時(shí)間與車站從機(jī)輸出時(shí)間的偏差要求不大于80 ms。

3.2 系統(tǒng)的同步周期要求

3.2.1 同步周期與系統(tǒng)精度的關(guān)聯(lián)

系統(tǒng)精度與同步周期具有關(guān)聯(lián)性，通過(guò)縮短同步周期可以提高時(shí)間精度。表2所示參數(shù)為經(jīng)過(guò)測(cè)試所得的客戶端在不同同步周期下產(chǎn)生的最大時(shí)間偏差，可作為同步周期與時(shí)間精度對(duì)應(yīng)關(guān)系的參考值。

3.2.2 同步周期要求

對(duì)于時(shí)間源平臺(tái)，可采用固定同步周期的方式或采用根據(jù)NTP算法自動(dòng)調(diào)節(jié)同步周期的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)時(shí)間服務(wù)器與一級(jí)時(shí)間服務(wù)器的同步，但無(wú)論采用哪種方式，二級(jí)時(shí)間服務(wù)器與一級(jí)時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)間同步偏差應(yīng)小于5 ms。有條件同步判斷服務(wù)器與二級(jí)時(shí)間服務(wù)器之間的同步，應(yīng)采用固定同步周期的方式，其同步周期應(yīng)不大于1 min。

對(duì)于弱電系統(tǒng)，應(yīng)采用固定同步周期的方式實(shí)現(xiàn)與時(shí)間源平臺(tái)的同步，其同步周期為不大于6 min且不小于0.5 min，這既滿足了系統(tǒng)精度指標(biāo)，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)造成壓力。若弱電系統(tǒng)對(duì)精度有特殊要求，則可以參考表2提供的關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)選取與該弱電系統(tǒng)所需時(shí)間精度匹配的同步周期，并應(yīng)通過(guò)工程測(cè)試。

4 網(wǎng)絡(luò)安全

由于時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)采用IP構(gòu)架，各弱電系統(tǒng)均通過(guò)系統(tǒng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)層面的互聯(lián)，因此，若其中一個(gè)系統(tǒng)感染病毒，則可能將病毒擴(kuò)散到與之互聯(lián)的其它系統(tǒng)。

為維護(hù)系統(tǒng)的安全可靠，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全措施。其原則為:二級(jí)時(shí)間服務(wù)器的各南向時(shí)間端口必須具備網(wǎng)段隔離功能;弱電系統(tǒng)主機(jī)必須設(shè)置獨(dú)立的、專用于時(shí)間同步的網(wǎng)卡，采用規(guī)定的IP地址，以NTP同步機(jī)制通過(guò)系統(tǒng)交換機(jī)向二級(jí)時(shí)間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器的同一個(gè)南向時(shí)間輸出端口申請(qǐng)校時(shí)。同時(shí)，網(wǎng)卡應(yīng)僅開放UDP 123端口，并關(guān)閉其余所有的端口，確保除基于NTP的時(shí)間信息外的其他信息無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)互通，以達(dá)到防止病毒傳播的目的。還應(yīng)使用專用的離線式監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)上述獨(dú)立網(wǎng)卡的端口狀態(tài)進(jìn)行定期檢查。

5 弱電系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間同步的實(shí)施方法

5.1 基本原則

弱電系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)以NTP同步機(jī)制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間的同步。對(duì)于基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和IP技術(shù)構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的弱電系統(tǒng)，應(yīng)通過(guò)NTP機(jī)制實(shí)現(xiàn)與其系統(tǒng)主機(jī)的同步;對(duì)于采用其他技術(shù)構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的弱電系統(tǒng)，則可通過(guò)自定義的內(nèi)部協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其系統(tǒng)主機(jī)的同步。

5.2 實(shí)施方法

對(duì)于在建線路及新建線路，弱電系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)直接以NTP同步機(jī)制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于既有線路，由于弱電系統(tǒng)已通過(guò)RS422接口與本線的時(shí)鐘系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)定時(shí)，因此，可對(duì)既有的時(shí)鐘系統(tǒng)實(shí)施改造，使其以NTP同步機(jī)制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，對(duì)弱電系統(tǒng)與時(shí)鐘系統(tǒng)之間的同步精度進(jìn)行計(jì)量，對(duì)不能實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)間同步的弱電系統(tǒng)進(jìn)行改造，使該系統(tǒng)直接以NTP同步機(jī)制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，而不再采用與本線時(shí)鐘系統(tǒng)同步以實(shí)現(xiàn)定時(shí)的方式;對(duì)于符合精度要求的弱電系統(tǒng)，則可暫時(shí)保留既有的模式，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行改造，并直接以NTP同步機(jī)制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于NTP的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方法，可為軌道交通弱電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步機(jī)制、組網(wǎng)方案及技術(shù)要求，并提供了相應(yīng)的建設(shè)原則及安全機(jī)制，對(duì)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)行及維護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。目前，此實(shí)施方法已在上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)推廣應(yīng)用，并已逐步形成統(tǒng)一、高效、精準(zhǔn)的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，為提升軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的可靠性提供了基礎(chǔ)保障。

［1］Mills D L.Network time protocol(Version 3)specification，implementation and analysis［R］.State of Delaware:University of Delaware.1992.

［2］Mills D L .Simple network time protocol(SNTP)version 4 for IPv4，IPv6 and OSI［R］.State of Delaware:University of Delaware.1996.