鐵路時間同步系統的測試研究

施懌棟

（中國鐵路通信信號上海電信測試中心，上海 200436）

隨著科技的發展和技術的升級，鐵路通信系統越來越多的采用TCP/IP方式進行組網，且功能也日趨多樣化，除了內部通信外，系統間的聯動業務越來越普遍。特別是當綜合網管系統引入后，將所有的系統告警納入其監控范圍內，這樣就對系統間的時間同步提出了非常高的要求。如果系統間時間不同步，可能會在故障發生時，無法準確定位到故障系統，因為從時間上來看，會存在告警上傳時間與實際故障發生順序正好相反的情況，從而影響綜合網管系統對故障的判斷。

針對上述情況，目前新建高速鐵路均配備了時間同步設備用于向各通信系統授時，同步方法通常采用NTP協議并按照服務器客戶端模式進行。采用NTP同步方式而非DCLS等其他同步方式主要基于以下幾個優點。

首先鐵路通信系統具有線路比較長，系統內部結構復雜的特點，而NTP協議基于以太網絡傳送數據信息，便于遠距離校時。

其次，采用NTP方式進行同步只需增加一臺時間服務器即可，同步信息可以利用鐵路新建的數據網絡傳輸，無需配置其他設備，節約了建設資金且維護較為方便。

最后，NTP方式進行同步的時間精度可以達到毫秒甚至微秒級，能滿足鐵路業務對時間精度的需求。

因而采用NTP時間同步協議的3層結構最符合當前高速鐵路的時間同步精度要求高、實現方式簡單、維護方便的需求。

1 鐵路時間同步系統概述

高速鐵路時間同步網絡3層結構的第一層設置在鐵道部調度中心，包括一級時間服務器、網管設備和衛星接收設備。一級時間服務器以衛星接收設備作為時間參考源向位于各路局調度所的二級時間服務器以及部里的通信系統授時，并用BIT同步信號保持自身的輸出穩定度。

第二層包括設置在鐵路局調度所的二級時間服務器、網管設備和GPS接收裝置。為了保證時間同步網的可靠性，二級時間服務器以一級時間服務器作為主用時間源，GPS時間接收機作為備用時間參考源。二級時間服務器通常配置相互獨立的授時端口作為上級時間源向通信系統授時，這樣能有效防止系統間數據包的交互，避免病毒的相互傳播，其他主要配件實現冗余配置。

第三層為各系統的同步主機，它們以二級時間服務器作為輸入時間參考源，同時向本系統內其他設備授時。同步主機可以是系統網管，也可以是系統內部的服務器，這些網管或服務器配置獨立的網卡向二級時間服務器申請校時，這樣可以使時間同步服務與自身原本的業務分離。

2 鐵路時間同步系統主要性能指標

鐵路時間同步系統的性能主要由相對守時準確度、絕對守時準確度、同步周期、時間服務器處理能力這幾個指標衡量。

相對守時準確度是指時間同步系統在沒有時間同步信號輸入時，時間同步設備輸出接口的時間相對協調世界時（UTC）的偏差。該指標用于衡量時間同步設備晶振是否能滿足同步性能要求，即時間同步設備不與上級時間源同步時，隨著時間累積而逐漸積累的時間偏移量，考察時間同步設備在規定同步周期內的走時精度是否能滿足設計要求。如果測試表明該設備相對守時準確度未達到設計規定，則需通過提升晶振等級來提高精度，并重新進行測試驗證。

絕對守時準確度是指時間同步系統在有時間同步信號輸入時，時間同步設備輸出接口的時間相對UTC的偏差。該指標用于衡量被測時間同步設備與其時間源設備的相對時間偏差是否滿足設計要求。如果測試表明該設備絕對守時準確度始終超過標準要求，則需通過縮短同步周期來提高精度，并重新進行測試驗證。

同步周期是指時間同步設備向時間源設備申請校時的時間間隔。通過測試可以確定該指標是否與設計同步周期相符，從而確定時間同步設備的絕對守時準確度是否滿足要求。如果測試同步設備的同步周期超過設計要求或根本沒有同步，則證明該同步設備的同步服務設置不準確或同步網絡有異常。

通過搭建模擬時間同步平臺并進行測試研究，得出基于Windows系統的時間同步設備的同步周期與絕對守時準確度的關系如表1所示。

表1 同步周期與絕對守時準確度的關系表

時間服務器處理能力是指時間服務器同步端口每秒處理NTP請求的能力。該指標用于確定時間同步網絡的最大服務能力，通過測試可以判斷時間服務器是否能滿足鐵路通信系統的同步需求，作為網絡擴容的一個判斷依據。

3 鐵路時間同步系統檢測

鐵路對于通信系統時間同步的要求主要參考《鐵路時間同步網技術條件（V1.0）》（運基通信[2008] 599），通信系統的絕對守時準確度要求達到10 ms以內。但是NTP同步方式有一個特點，就是與標準時間的偏差是由NTP客戶端用戶計算的，時間服務器只是作為一個標準時間源向客戶端用戶提供其當前時間，如圖1所示。即NTP客戶端用戶發送時間請求信息，并收到來自時間服務器的標準時間后，會按照NTP協議（RFC1305）計算自身時間的偏差并立即校準本機時間，與其他設備無關。

目前還沒有一種第三方的軟件可以測試NTP時間同步系統內的絕對守時準確度。但是時間同步系統的性能檢測又是十分重要的，如果不檢測無法保證通信系統已經同步于時間服務器，也無法保證通信系統在同步周期內其絕對守時準確度滿足系統和標準的要求。

另外，根據以往檢測經驗，高速鐵路對各個通信系統的可靠性要求是非常嚴格的，除了設備結構需進行冗余配置實現備份外，日常巡檢和維護也是保證安全運營的重要措施之一。所以，也需要一種能用于維護的工具用于時間同步系統的檢測。

根據這個需求，中國鐵路通信信號上海電信測試中心開發一個TT2000時間同步測試平臺（以下簡稱平臺），用于NTP時間同步網絡性能的檢測。

平臺通過同時向NTP時間服務器和NTP客戶端用戶并發時間請求信息，在獲得NTP時間服務器和NTP客戶端用戶返回的時間信息后，通過計算確定NTP客戶端用戶當前同步狀態和性能參數，從而解決了第三方無法獲知NTP客戶端用戶究竟有沒有同步這個問題。

平臺硬件部分采用高性能計算機作為測試平臺，配置高精度GPS接收機和高穩定度的恒溫晶振，保證平臺測試的準確性。平臺檢測精度最高可達到微秒級，時間穩定度不超過1 ms/天。為了達到測試的準確性，平臺具備通用NTP客戶端功能，以實現與標準時間源的實時校準。平臺結構如圖2所示。

平臺軟件部分采用圖形界面，菜單式操作，簡單和直觀，平臺各功能采用模塊化工作方式，具備相對守時準確度、絕對守時準確度、同步周期、時間服務器處理能力功能和性能測試，如圖3所示。

通過使用平臺對模擬時間同步網絡環境和鐵路時間同步網絡的檢測，得到表2的性能參數指標，說明平臺的測試能力已經滿足鐵路時間同步網絡的檢測和維護需求。

表2 平臺測試準確度表

作為一個具有資質的檢測單位，中國鐵路通信信號上海電信測試中心已將該平臺用于滬杭客運專線和上海軌道交通時間同步系統的檢測工作，取得了良好的效果。首先通過平臺檢測到滬杭客運專線綜合網管系統的絕對守時準確度超過了10 ms的標準要求，通過縮短同步周期，使其絕對守時準確度達到了6 ms，滿足了指標要求。其次發現滬杭客運專線和上海軌道交通部分通信系統未按照設計與時間同步網同步，通過現場分析，有些系統因為時間同步軟件設置不正確，未發起同步，而有些系統則是因為網絡原因未實現同步。最后，在上海軌道交通某條地鐵線子母鐘系統廠驗時，其母鐘24 h相對守時準確度為1 s，嚴重超過指標要求，經檢測是由于采用了普通晶振所致，后要求廠家配置恒溫晶振予以解決。上述結果均證明時間檢測平臺能有效檢測時間同步系統的性能和功能，具有非常高的實用性。

4 結束語

綜上所述，鐵路時間同步系統的檢測是及其重要的，從目前的檢測情況來看，已經在新建線路上發現和處理了許多時間未同步或不符合同步標準要求的情況，這些情況或會影響對設備或系統故障的判斷和及時恢復，或會影響對重大事件的判斷、處置和信息的準確發布。因此應當大力加強鐵路時間同步系統的驗收測試工作和維護檢測工作，這對提高鐵路通信系統的服務水平，保證鐵路運營的安全和暢通有序具有非常重要的意義。