軌道交通時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )及實(shí)施方法論文

　　弱電系統的高精度時(shí)間同步是軌道交通高效運營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對系統故障及重大事件的準確判斷與處置有著(zhù)重要的意義。軌道交通建設初期，各類(lèi)弱電系統的時(shí)間同步僅限于線(xiàn)路級，且獲取時(shí)間信息的方法及實(shí)現同步的機制均未統一，弱電系統的日志時(shí)間、故障記錄時(shí)間等存在不同步的情況。隨著(zhù)軌道交通建設由單線(xiàn)向網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展，對弱電系統在線(xiàn)路間和線(xiàn)路內的時(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 )內所有的弱電系統以統一的時(shí)間同步機制獲取高精度的時(shí)間信息，對軌道交通的安全、高效運行有著(zhù)重要的意義。本文針對軌道交通弱電系統高精度時(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 )的架構及配置;在此基礎上，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同步機制及同步方式

　　1．1同步機制

　　現有的軌道交通時(shí)間同步機制，是由時(shí)鐘系統采用串行通信方式，向本線(xiàn)的弱電系統發(fā)送時(shí)間信息。這種以串行通信為基礎的同步機制，以授時(shí)設備與受時(shí)設備間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的信息傳輸為特點(diǎn)，缺乏統一的標準，因此不同廠(chǎng)家所提供的設備很難實(shí)現互通。1982年，美國Delaware大學(xué)的Mills提出了NTP(NetworkTimeProtocol，時(shí)間同步協(xié)議)［1］，其目的是在Internet上實(shí)現傳遞統一、標準的時(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(hù)提供授時(shí)服務(wù)，且網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間能相互比對，提高準確度。它跨越廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的復雜同步時(shí)間協(xié)議，并可獲得毫秒級的精度。NTP是OSI參考模型的高層協(xié)議，采用UDP傳輸協(xié)議，端口號采用123。在此基礎上，Mills提出了SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)［2］，是NTP的一個(gè)子集。目的是為適應無(wú)需完整實(shí)現NTP功能的情況。該協(xié)議可令局域網(wǎng)上的若干臺主機通過(guò)Internet與其他的NTP主機同步時(shí)鐘，然后再向局域網(wǎng)內其他客戶(hù)端提供時(shí)間同步服務(wù)。與基于串行通信的同步機制相比，NTP因充分考慮網(wǎng)絡(luò )中時(shí)間同步的復雜性以及網(wǎng)絡(luò )性能對時(shí)鐘偏離的影響，并可實(shí)現異構網(wǎng)間的同步而更具優(yōu)勢。表1給出了以串行口通信為基礎的同步機制與NTP時(shí)間同步機制的比較。

　　1．2同步方式

　　根據弱電系統在軌道交通日常運營(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(lèi)。(1)有條件同步:軌道交通中的信號系統和自動(dòng)售檢票系統(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)，弱電系統應按照預先制定的同步規則進(jìn)行同步。此功能由有條件同步判斷服務(wù)器實(shí)現。(2)無(wú)條件同步:其他弱電系統均采用無(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)結構(見(jiàn)圖1)。其中，第1層～第2層為上層時(shí)間源平臺，第3層為弱電系統接入部分，第4層～第5層為弱電系統部分。

　　2．1上層時(shí)間源平臺

　　時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )的第1層與第2層共同構成了上層時(shí)間源平臺，在時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )內使用NTP，為網(wǎng)絡(luò )內所有的弱電系統提供標準、統一、高精度的時(shí)間信息。第1層為一級時(shí)間系統，包括GPS(GlobalPosi-tionSystem，全球定位系統)接收設備、一級時(shí)間服務(wù)器及相關(guān)配套設備。一級時(shí)間服務(wù)器從GPS獲取時(shí)間，以NTP申請校時(shí)的方式向二級時(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GPS設備發(fā)生故障時(shí)，一級時(shí)間服務(wù)器進(jìn)入保持狀態(tài)并引入BITS(BuildingIntegratedTimingSupply，樓宇綜合定時(shí)供給)設備的工作時(shí)鐘保持精度。當GPS和BITS設備均發(fā)生故障時(shí)，一級時(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。一級時(shí)間服務(wù)器的各時(shí)間輸出端口應相互獨立。為保證NTP時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )的高可靠性，在第1層內配置了2臺一級時(shí)間服務(wù)器，每臺一級時(shí)間服務(wù)器均配置GPS時(shí)間接收設備作為輸入時(shí)間參考源，同時(shí)主要配套設備也實(shí)現冗余配置。第2層為二級時(shí)間系統，包括二級時(shí)間服務(wù)器、有條件同步服務(wù)器及配套設備。二級時(shí)間服務(wù)器以NTP申請校時(shí)的方式從2個(gè)一級時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間，通過(guò)NTP所規定的算法確定本機的高精度時(shí)間，并向有條件同步服務(wù)器授時(shí)，同時(shí)通過(guò)系統交換機向相關(guān)弱電系統的主機(弱電系統主機屬于第3層)授時(shí)。當二級時(shí)間服務(wù)器檢測到其中1個(gè)一級時(shí)間服務(wù)器不可用時(shí)，應從另1個(gè)可用的一級時(shí)間服務(wù)器獨立地獲取時(shí)間。當2個(gè)一級時(shí)間服務(wù)器均失效時(shí)，二級時(shí)間服務(wù)器進(jìn)入保持狀態(tài)，同時(shí)引入BITS設備的工作時(shí)鐘保持精度。第2層設備設置于各線(xiàn)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(mén)，當上述部門(mén)地理位置相同且二級時(shí)間服務(wù)器輸出端口足夠時(shí)，則可合設系統設備。二級時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間輸出端口應相互獨立，同時(shí)主要配套設備實(shí)現冗余配置。

　　2．2弱電系統接入層

　　時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )的第3層為弱電系統接入層，使用NTP或SNTP向時(shí)間源平臺申請校時(shí)，主要包括設在各線(xiàn)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(mén)的弱電系統主機、網(wǎng)絡(luò )交換機及相關(guān)配套設備。弱電系統主機的北向時(shí)間接口以二級時(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)交換機向二級時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間信息，并通過(guò)系統主機的南向接口向本系統的車(chē)站主機授時(shí)(車(chē)站主機屬于第4層)。弱電系統主機獲取時(shí)間的具體方法有兩種。其一是對主機的Windows、Linux或UNIX操作系統自帶的NTP服務(wù)程序進(jìn)行參數設置(如同步周期等)并啟動(dòng)服務(wù)進(jìn)程，即可按照設定的同步周期定時(shí)申請校時(shí)，從而實(shí)現時(shí)間同步的功能。其二是在主機的Windows、Linux或UNIX操作系統上安裝并啟動(dòng)自主開(kāi)發(fā)的NTP客戶(hù)端軟件，即可按照設定的同步周期定時(shí)申請校時(shí)，從而實(shí)現時(shí)間同步的功能。當二級時(shí)間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器失效時(shí)，弱電系統主機進(jìn)入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時(shí)。若系統具備GPS接收設備，則可啟用該設備以獲取標準時(shí)間。

　　2．3弱電系統層

　　時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )的第4層至第5層為弱電系統部分。第4層主要包括弱電系統設于車(chē)站的主機及配套設備。車(chē)站主機以系統主機南向接口輸出的時(shí)間為輸入時(shí)間參考源，并獲取時(shí)間信息，同時(shí)向設于本站的系統從機授時(shí)。當系統主機的時(shí)間輸出因故失效時(shí)，車(chē)站主機進(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設于車(chē)站的從機(或包括交換機)。車(chē)站從機以車(chē)站主機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。當系統主機的時(shí)間輸出因故失效時(shí)，從機進(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層屬于弱電系統內部系統，因此，建議但不強制弱電系統加載NTP客戶(hù)端軟件并以申請校時(shí)的方式實(shí)現弱電系統內部的時(shí)間同步。弱電系統可根據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)現同步。

　　3同步精度及同步周期

　　3．1系統的精度要求

　　當采用無(wú)條件同步方式時(shí)，一級時(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1ms。二級時(shí)間服務(wù)器從一級時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間并向第3層設備授時(shí)，其輸出時(shí)間與一級時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于5ms。弱電系統主機從二級時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間并向弱電系統車(chē)站主機授時(shí)，其輸出時(shí)間與二級時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于20ms。弱電系統車(chē)站主機從系統主機獲得時(shí)間并向車(chē)站從機授時(shí)，其輸出時(shí)間與弱電系統主機輸出時(shí)間的偏差要求不大于20ms。車(chē)站從機與車(chē)站主機輸出時(shí)間之間的精度要求不大于20ms�？偟南到y要求，即一級時(shí)間服務(wù)器的輸出時(shí)間與車(chē)站從機輸出時(shí)間的偏差要求不大于65ms。當采用有條件同步方式時(shí)，弱電系統主機與二級時(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)間與一級時(shí)間服務(wù)器輸出時(shí)間的偏差要求不大于20ms�？偟南到y要求，即一級時(shí)間服務(wù)器的輸出時(shí)間與車(chē)站從機輸出時(shí)間的偏差要求不大于80ms。

　　3．2系統的同步周期要求

　　3．2．1同步周期與系統精度的關(guān)聯(lián)系統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。

　　3．2．2同步周期要求對于時(shí)間源平臺，可采用固定同步周期的方式或采用根據NTP算法自動(dòng)調節同步周期的方式，來(lái)實(shí)現二級時(shí)間服務(wù)器與一級時(shí)間服務(wù)器的同步，但無(wú)論采用哪種方式，二級時(shí)間服務(wù)器與一級時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)間同步偏差應小于5ms。有條件同步判斷服務(wù)器與二級時(shí)間服務(wù)器之間的同步，應采用固定同步周期的方式，其同步周期應不大于1min。對于弱電系統，應采用固定同步周期的方式實(shí)現與時(shí)間源平臺的同步，其同步周期為不大于6min且不小于0．5min，這既滿(mǎn)足了系統精度指標，也不會(huì )對系統及網(wǎng)絡(luò )造成壓力。若弱電系統對精度有特殊要求，則可以參考表2提供的關(guān)聯(lián)性數據選取與該弱電系統所需時(shí)間精度匹配的同步周期，并應通過(guò)工程測試。

　　4網(wǎng)絡(luò )安全

　　由于時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )采用IP構架，各弱電系統均通過(guò)系統交換機實(shí)現以太網(wǎng)層面的互聯(lián)，因此，若其中一個(gè)系統感染病毒，則可能將病毒擴散到與之互聯(lián)的其它系統。為維護系統的安全可靠，應結合網(wǎng)絡(luò )結構的特點(diǎn)，采取相應的網(wǎng)絡(luò )安全措施。其原則為:二級時(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;弱電系統主機必須設置獨立的、專(zhuān)用于時(shí)間同步的網(wǎng)卡，采用規定的IP地址，以NTP同步機制通過(guò)系統交換機向二級時(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)間輸出端口申請校時(shí)。同時(shí)，網(wǎng)卡應僅開(kāi)放UDP123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 )內互通，以達到防止病毒傳播的目的。還應使用專(zhuān)用的離線(xiàn)式監測平臺對上述獨立網(wǎng)卡的端口狀態(tài)進(jìn)行定期檢查。

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

　　5．1基本原則

　　弱電系統主機應以NTP同步機制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )中心時(shí)間的同步。對于基于計算機技術(shù)和IP技術(shù)構建內部網(wǎng)絡(luò )的弱電系統，應通過(guò)NTP機制實(shí)現與其系統主機的同步;對于采用其他技術(shù)構建內部網(wǎng)絡(luò )的弱電系統，則可通過(guò)自定義的內部協(xié)議實(shí)現與其系統主機的同步。

　　5．2實(shí)施方法

　　對于在建線(xiàn)路及新建線(xiàn)路，弱電系統應實(shí)現直接以NTP同步機制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )。對于既有線(xiàn)路，由于弱電系統已通過(guò)RS422接口與本線(xiàn)的時(shí)鐘系統同步實(shí)現定時(shí)，因此，可對既有的時(shí)鐘系統實(shí)施改造，使其以NTP同步機制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，對弱電系統與時(shí)鐘系統之間的同步精度進(jìn)行計量，對不能實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )中心時(shí)間同步的弱電系統進(jìn)行改造，使該系統直接以NTP同步機制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )，而不再采用與本線(xiàn)時(shí)鐘系統同步以實(shí)現定時(shí)的方式;對于符合精度要求的弱電系統，則可暫時(shí)保留既有的模式，選擇適當的時(shí)機進(jìn)行改造，并直接以NTP同步機制接入時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )。

　　6結語(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實(shí)現時(shí)間同步機制、組網(wǎng)方案及技術(shù)要求，并提供了相應的建設原則及安全機制，對時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )建設、運行及維護具有重要的指導作用。目前，此實(shí)施方法已在上海軌道交通網(wǎng)絡(luò )內推廣應用，并已逐步形成統一、高效、精準的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )，為提升軌道交通網(wǎng)絡(luò )化運營(yíng)的可靠性提供了基礎保障。

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