軌道交通時間同步網絡及實施方法論文
弱電系統的高精度時間同步是軌道交通高效運營的關鍵技術之一，對系統故障及重大事件的準確判斷與處置有著重要的意義。軌道交通建設初期，各類弱電系統的時間同步僅限于線路級，且獲取時間信息的方法及實現同步的機制均未統一，弱電系統的日志時間、故障記錄時間等存在不同步的情況。隨著軌道交通建設由單線向網絡化發展，對弱電系統在線路間和線路內的時間同步提出了高層次的要求。因此，建立時間同步網絡，使軌道交通網絡內所有的弱電系統以統一的時間同步機制獲取高精度的時間信息，對軌道交通的安全、高效運行有著重要的意義。本文針對軌道交通弱電系統高精度時間同步問題，基于網絡時間同步協議，給出了軌道交通時間同步網絡的架構及配置;在此基礎上，深入討論了軌道交通時間同步的精度要求以及時間同步網的安全問題，并給出了軌道交通時間同步網的實施方法。
1同步機制及同步方式
1．1同步機制
現有的軌道交通時間同步機制，是由時鐘系統采用串行通信方式，向本線的弱電系統發送時間信息。這種以串行通信為基礎的同步機制，以授時設備與受時設備間進行點對點的信息傳輸為特點，缺乏統一的標準，因此不同廠家所提供的設備很難實現互通。1982年，美國Delaware大學的Mills提出了NTP(NetworkTimeProtocol，時間同步協議)［1］，其目的是在Internet上實現傳遞統一、標準的時間。該協議試圖在網絡上指定若干時鐘源網站，為用戶提供授時服務，且網絡節點間能相互比對，提高準確度。它跨越廣域網或局域網的復雜同步時間協議，并可獲得毫秒級的精度。NTP是OSI參考模型的高層協議，采用UDP傳輸協議，端口號采用123。在此基礎上，Mills提出了SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)［2］，是NTP的一個子集。目的是為適應無需完整實現NTP功能的情況。該協議可令局域網上的若干臺主機通過Internet與其他的NTP主機同步時鐘，然后再向局域網內其他客戶端提供時間同步服務。與基于串行通信的同步機制相比，NTP因充分考慮網絡中時間同步的復雜性以及網絡性能對時鐘偏離的影響，并可實現異構網間的同步而更具優勢。表1給出了以串行口通信為基礎的同步機制與NTP時間同步機制的比較。
1．2同步方式
根據弱電系統在軌道交通日常運營中的作用、工作方式及特點，其同步方式主要有無條件同步和有條件同步兩類。(1)有條件同步:軌道交通中的信號系統和自動售檢票系統(AFC)采用有條件同步方式。即在未發生時間突變時，弱電系統必須與網絡中心時間保持同步;在發生時間突變時，弱電系統應按照預先制定的同步規則進行同步。此功能由有條件同步判斷服務器實現。(2)無條件同步:其他弱電系統均采用無條件同步方式。即無論是否發生時間突變，弱電系統必須與網絡中心時間保持同步。
2軌道交通時間同步網絡架構及配置
上海軌道交通時間同步網絡采用5層組網結構(見圖1)。其中，第1層～第2層為上層時間源平臺，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上層時間源平臺
時間同步網絡的第1層與第2層共同構成了上層時間源平臺，在時間同步網絡內使用NTP，為網絡內所有的弱電系統提供標準、統一、高精度的時間信息。第1層為一級時間系統，包括GPS(GlobalPosi-tionSystem，全球定位系統)接收設備、一級時間服務器及相關配套設備。一級時間服務器從GPS獲取時間，以NTP申請校時的方式向二級時間服務器授時，并將此時間定義為上海軌道交通的“網絡中心時間”。當GPS設備發生故障時，一級時間服務器進入保持狀態并引入BITS(BuildingIntegratedTimingSupply，樓宇綜合定時供給)設備的工作時鐘保持精度。當GPS和BITS設備均發生故障時，一級時間服務器進入保持狀態并利用自身晶振保持精度。一級時間服務器的各時間輸出端口應相互獨立。為保證NTP時間同步網絡的高可靠性，在第1層內配置了2臺一級時間服務器，每臺一級時間服務器均配置GPS時間接收設備作為輸入時間參考源，同時主要配套設備也實現冗余配置。第2層為二級時間系統，包括二級時間服務器、有條件同步服務器及配套設備。二級時間服務器以NTP申請校時的方式從2個一級時間服務器獲取時間，通過NTP所規定的算法確定本機的高精度時間，并向有條件同步服務器授時，同時通過系統交換機向相關弱電系統的主機(弱電系統主機屬于第3層)授時。當二級時間服務器檢測到其中1個一級時間服務器不可用時，應從另1個可用的一級時間服務器獨立地獲取時間。當2個一級時間服務器均失效時，二級時間服務器進入保持狀態，同時引入BITS設備的工作時鐘保持精度。第2層設備設置于各線控制中心及需要高精度時間信息的`網絡層管理部門，當上述部門地理位置相同且二級時間服務器輸出端口足夠時，則可合設系統設備。二級時間服務器的時間輸出端口應相互獨立，同時主要配套設備實現冗余配置。
2．2弱電系統接入層
時間同步網絡的第3層為弱電系統接入層，使用NTP或SNTP向時間源平臺申請校時，主要包括設在各線控制中心及需要高精度時間信息的網絡層管理部門的弱電系統主機、網絡交換機及相關配套設備。弱電系統主機的北向時間接口以二級時間服務器或有條件同步判斷服務器的南向接口輸出的時間作為輸入時間參考源，通過交換機向二級時間服務器獲取時間信息，并通過系統主機的南向接口向本系統的車站主機授時(車站主機屬于第4層)。弱電系統主機獲取時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服務程序進行參數設置(如同步周期等)并啟動服務進程，即可按照設定的同步周期定時申請校時，從而實現時間同步的功能。其二是在主機的Windows、Linux或UNIX操作系統上安裝并啟動自主開發的NTP客戶端軟件，即可按照設定的同步周期定時申請校時，從而實現時間同步的功能。當二級時間服務器或有條件同步判斷服務器失效時，弱電系統主機進入保持狀態，采用自身晶振守時。若系統具備GPS接收設備，則可啟用該設備以獲取標準時間。
2．3弱電系統層
時間同步網絡的第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站的主機及配套設備。車站主機以系統主機南向接口輸出的時間為輸入時間參考源，并獲取時間信息，同時向設于本站的系統從機授時。當系統主機的時間輸出因故失效時，車站主機進入保持狀態，采用自身晶振守時。第5層主要包括弱電系統設于車站的從機(或包括交換機)。車站從機以車站主機的南向接口輸出的時間作為輸入時間參考源，并獲取時間信息。當系統主機的時間輸出因故失效時，從機進入保持狀態，采用自身晶振守時。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客戶端軟件并以申請校時的方式實現弱電系統內部的時間同步。弱電系統可根據自身所采用的軟件情況采用符合其特點的同步方式實現同步。
3同步精度及同步周期
3．1系統的精度要求
當采用無條件同步方式時，一級時間服務器以GPS時間作為輸入時間參考源，要求其輸出時間精度(即與GPS時間的偏差)不大于1ms。二級時間服務器從一級時間服務器獲取時間并向第3層設備授時，其輸出時間與一級時間服務器輸出時間的偏差要求不大于5ms。弱電系統主機從二級時間服務器獲取時間并向弱電系統車站主機授時，其輸出時間與二級時間服務器輸出時間的偏差要求不大于20ms。弱電系統車站主機從系統主機獲得時間并向車站從機授時，其輸出時間與弱電系統主機輸出時間的偏差要求不大于20ms。車站從機與車站主機輸出時間之間的精度要求不大于20ms。總的系統要求，即一級時間服務器的輸出時間與車站從機輸出時間的偏差要求不大于65ms。當采用有條件同步方式時，弱電系統主機與二級時間服務器之間增加了有條件同步判斷服務器。有條件同步判斷服務器的輸出時間與一級時間服務器輸出時間的偏差要求不大于20ms。總的系統要求，即一級時間服務器的輸出時間與車站從機輸出時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聯系統精度與同步周期具有關聯性，通過縮短同步周期可以提高時間精度。
3．2．2同步周期要求對于時間源平臺，可采用固定同步周期的方式或采用根據NTP算法自動調節同步周期的方式，來實現二級時間服務器與一級時間服務器的同步，但無論采用哪種方式，二級時間服務器與一級時間服務器之間的時間同步偏差應小于5ms。有條件同步判斷服務器與二級時間服務器之間的同步，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現與時間源平臺的同步，其同步周期為不大于6min且不小于0．5min，這既滿足了系統精度指標，也不會對系統及網絡造成壓力。若弱電系統對精度有特殊要求，則可以參考表2提供的關聯性數據選取與該弱電系統所需時間精度匹配的同步周期，并應通過工程測試。
4網絡安全
由于時間同步網絡采用IP構架，各弱電系統均通過系統交換機實現以太網層面的互聯，因此，若其中一個系統感染病毒，則可能將病毒擴散到與之互聯的其它系統。為維護系統的安全可靠，應結合網絡結構的特點，采取相應的網絡安全措施。其原則為:二級時間服務器的各南向時間端口必須具備網段隔離功能;弱電系統主機必須設置獨立的、專用于時間同步的網卡，采用規定的IP地址，以NTP同步機制通過系統交換機向二級時間服務器或有條件同步判斷服務器的同一個南向時間輸出端口申請校時。同時，網卡應僅開放UDP123端口，并關閉其余所有的端口，確保除基于NTP的時間信息外的其他信息無法在網絡內互通，以達到防止病毒傳播的目的。還應使用專用的離線式監測平臺對上述獨立網卡的端口狀態進行定期檢查。
5弱電系統與網絡中心時間同步的實施方法
5．1基本原則
弱電系統主機應以NTP同步機制接入時間同步網絡，以實現與網絡中心時間的同步。對于基于計算機技術和IP技術構建內部網絡的弱電系統，應通過NTP機制實現與其系統主機的同步;對于采用其他技術構建內部網絡的弱電系統，則可通過自定義的內部協議實現與其系統主機的同步。
5．2實施方法
對于在建線路及新建線路，弱電系統應實現直接以NTP同步機制接入時間同步網絡。對于既有線路，由于弱電系統已通過RS422接口與本線的時鐘系統同步實現定時，因此，可對既有的時鐘系統實施改造，使其以NTP同步機制接入時間同步網絡。同時，對弱電系統與時鐘系統之間的同步精度進行計量，對不能實現與網絡中心時間同步的弱電系統進行改造，使該系統直接以NTP同步機制接入時間同步網絡，而不再采用與本線時鐘系統同步以實現定時的方式;對于符合精度要求的弱電系統，則可暫時保留既有的模式，選擇適當的時機進行改造，并直接以NTP同步機制接入時間同步網絡。
6結語
綜上所述，基于NTP的時間同步網絡的實施方法，可為軌道交通弱電系統實現時間同步機制、組網方案及技術要求，并提供了相應的建設原則及安全機制，對時間同步網絡建設、運行及維護具有重要的指導作用。目前，此實施方法已在上海軌道交通網絡內推廣應用，并已逐步形成統一、高效、精準的時間同步網絡，為提升軌道交通網絡化運營的可靠性提供了基礎保障。
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