軌道交通時間同步網(wǎng)絡(luò)及實施方法論文
弱電系統(tǒng)的高精度時間同步是軌道交通高效運營的關(guān)鍵技術(shù)之一，對系統(tǒng)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(shè)初期，各類弱電系統(tǒng)的時間同步僅限于線路級，且獲取時間信息的方法及實現(xiàn)同步的機制均未統(tǒng)一，弱電系統(tǒng)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(shè)由單線向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對弱電系統(tǒng)在線路間和線路內(nèi)的時間同步提出了高層次的要求。因此，建立時間同步網(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(tǒng)高精度時間同步問題，基于網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，給出了軌道交通時間同步網(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間同步的精度要求以及時間同步網(wǎng)的安全問題，并給出了軌道交通時間同步網(wǎng)的實施方法。
1同步機制及同步方式
1．1同步機制
現(xiàn)有的軌道交通時間同步機制，是由時鐘系統(tǒng)采用串行通信方式，向本線的弱電系統(tǒng)發(fā)送時間信息。這種以串行通信為基礎(chǔ)的同步機制，以授時設(shè)備與受時設(shè)備間進行點對點的信息傳輸為特點，缺乏統(tǒng)一的標準，因此不同廠家所提供的設(shè)備很難實現(xiàn)互通。1982年，美國Delaware大學(xué)的Mills提出了NTP(NetworkTimeProtocol，時間同步協(xié)議)［1］，其目的是在Internet上實現(xiàn)傳遞統(tǒng)一、標準的時間。該協(xié)議試圖在網(wǎng)絡(luò)上指定若干時鐘源網(wǎng)站，為用戶提供授時服務(wù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間能相互比對，提高準確度。它跨越廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的復(fù)雜同步時間協(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(chǔ)上，Mills提出了SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)［2］，是NTP的一個子集。目的是為適應(yīng)無需完整實現(xiàn)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Internet與其他的NTP主機同步時鐘，然后再向局域網(wǎng)內(nèi)其他客戶端提供時間同步服務(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)中時間同步的復(fù)雜性以及網(wǎng)絡(luò)性能對時鐘偏離的影響，并可實現(xiàn)異構(gòu)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(chǔ)的同步機制與NTP時間同步機制的比較。
1．2同步方式
根據(jù)弱電系統(tǒng)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(tǒng)和自動售檢票系統(tǒng)(AFC)采用有條件同步方式。即在未發(fā)生時間突變時，弱電系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡(luò)中心時間保持同步;在發(fā)生時間突變時，弱電系統(tǒng)應(yīng)按照預(yù)先制定的同步規(guī)則進行同步。此功能由有條件同步判斷服務(wù)器實現(xiàn)。(2)無條件同步:其他弱電系統(tǒng)均采用無條件同步方式。即無論是否發(fā)生時間突變，弱電系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡(luò)中心時間保持同步。
2軌道交通時間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及配置
上海軌道交通時間同步網(wǎng)絡(luò)采用5層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(見圖1)。其中，第1層～第2層為上層時間源平臺，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。
2．1上層時間源平臺
時間同步網(wǎng)絡(luò)的第1層與第2層共同構(gòu)成了上層時間源平臺，在時間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用NTP，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的弱電系統(tǒng)提供標準、統(tǒng)一、高精度的時間信息。第1層為一級時間系統(tǒng)，包括GPS(GlobalPosi-tionSystem，全球定位系統(tǒng))接收設(shè)備、一級時間服務(wù)器及相關(guān)配套設(shè)備。一級時間服務(wù)器從GPS獲取時間，以NTP申請校時的方式向二級時間服務(wù)器授時，并將此時間定義為上海軌道交通的“網(wǎng)絡(luò)中心時間”。當(dāng)GPS設(shè)備發(fā)生故障時，一級時間服務(wù)器進入保持狀態(tài)并引入BITS(BuildingIntegratedTimingSupply，樓宇綜合定時供給)設(shè)備的工作時鐘保持精度。當(dāng)GPS和BITS設(shè)備均發(fā)生故障時，一級時間服務(wù)器進入保持狀態(tài)并利用自身晶振保持精度。一級時間服務(wù)器的各時間輸出端口應(yīng)相互獨立。為保證NTP時間同步網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，在第1層內(nèi)配置了2臺一級時間服務(wù)器，每臺一級時間服務(wù)器均配置GPS時間接收設(shè)備作為輸入時間參考源，同時主要配套設(shè)備也實現(xiàn)冗余配置。第2層為二級時間系統(tǒng)，包括二級時間服務(wù)器、有條件同步服務(wù)器及配套設(shè)備。二級時間服務(wù)器以NTP申請校時的方式從2個一級時間服務(wù)器獲取時間，通過NTP所規(guī)定的算法確定本機的高精度時間，并向有條件同步服務(wù)器授時，同時通過系統(tǒng)交換機向相關(guān)弱電系統(tǒng)的主機(弱電系統(tǒng)主機屬于第3層)授時。當(dāng)二級時間服務(wù)器檢測到其中1個一級時間服務(wù)器不可用時，應(yīng)從另1個可用的一級時間服務(wù)器獨立地獲取時間。當(dāng)2個一級時間服務(wù)器均失效時，二級時間服務(wù)器進入保持狀態(tài)，同時引入BITS設(shè)備的工作時鐘保持精度。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時間服務(wù)器輸出端口足夠時，則可合設(shè)系統(tǒng)設(shè)備。二級時間服務(wù)器的時間輸出端口應(yīng)相互獨立，同時主要配套設(shè)備實現(xiàn)冗余配置。
2．2弱電系統(tǒng)接入層
時間同步網(wǎng)絡(luò)的第3層為弱電系統(tǒng)接入層，使用NTP或SNTP向時間源平臺申請校時，主要包括設(shè)在各線控制中心及需要高精度時間信息的網(wǎng)絡(luò)層管理部門的弱電系統(tǒng)主機、網(wǎng)絡(luò)交換機及相關(guān)配套設(shè)備。弱電系統(tǒng)主機的北向時間接口以二級時間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器的南向接口輸出的時間作為輸入時間參考源，通過交換機向二級時間服務(wù)器獲取時間信息，并通過系統(tǒng)主機的南向接口向本系統(tǒng)的車站主機授時(車站主機屬于第4層)。弱電系統(tǒng)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(tǒng)自帶的NTP服務(wù)程序進行參數(shù)設(shè)置(如同步周期等)并啟動服務(wù)進程，即可按照設(shè)定的同步周期定時申請校時，從而實現(xiàn)時間同步的功能。其二是在主機的Windows、Linux或UNIX操作系統(tǒng)上安裝并啟動自主開發(fā)的NTP客戶端軟件，即可按照設(shè)定的同步周期定時申請校時，從而實現(xiàn)時間同步的功能。當(dāng)二級時間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器失效時，弱電系統(tǒng)主機進入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時。若系統(tǒng)具備GPS接收設(shè)備，則可啟用該設(shè)備以獲取標準時間。
2．3弱電系統(tǒng)層
時間同步網(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)于車站的主機及配套設(shè)備。車站主機以系統(tǒng)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(shè)于本站的系統(tǒng)從機授時。當(dāng)系統(tǒng)主機的時間輸出因故失效時，車站主機進入保持狀態(tài)，采用自身晶振守時。第5層主要包括弱電系統(tǒng)設(shè)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(dāng)系統(tǒng)主機的時間輸出因故失效時，從機進入保持狀態(tài)，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(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)，因此，建議但不強制弱電系統(tǒng)加載NTP客戶端軟件并以申請校時的方式實現(xiàn)弱電系統(tǒng)內(nèi)部的時間同步。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的同步方式實現(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)采用無條件同步方式時，一級時間服務(wù)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(wù)器從一級時間服務(wù)器獲取時間并向第3層設(shè)備授時，其輸出時間與一級時間服務(wù)器輸出時間的偏差要求不大于5ms。弱電系統(tǒng)主機從二級時間服務(wù)器獲取時間并向弱電系統(tǒng)車站主機授時，其輸出時間與二級時間服務(wù)器輸出時間的偏差要求不大于20ms。弱電系統(tǒng)車站主機從系統(tǒng)主機獲得時間并向車站從機授時，其輸出時間與弱電系統(tǒng)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�？偟南到y(tǒng)要求，即一級時間服務(wù)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(dāng)采用有條件同步方式時，弱電系統(tǒng)主機與二級時間服務(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)器的輸出時間與一級時間服務(wù)器輸出時間的偏差要求不大于20ms�？偟南到y(tǒng)要求，即一級時間服務(wù)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(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(jù)NTP算法自動調(diào)節(jié)同步周期的方式，來實現(xiàn)二級時間服務(wù)器與一級時間服務(wù)器的同步，但無論采用哪種方式，二級時間服務(wù)器與一級時間服務(wù)器之間的時間同步偏差應(yīng)小于5ms。有條件同步判斷服務(wù)器與二級時間服務(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1min。對于弱電系統(tǒng)，應(yīng)采用固定同步周期的方式實現(xiàn)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(tǒng)精度指標，也不會對系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)造成壓力。若弱電系統(tǒng)對精度有特殊要求，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)所需時間精度匹配的同步周期，并應(yīng)通過工程測試。
4網(wǎng)絡(luò)安全
由于時間同步網(wǎng)絡(luò)采用IP構(gòu)架，各弱電系統(tǒng)均通過系統(tǒng)交換機實現(xiàn)以太網(wǎng)層面的互聯(lián)，因此，若其中一個系統(tǒng)感染病毒，則可能將病毒擴散到與之互聯(lián)的其它系統(tǒng)。為維護系統(tǒng)的安全可靠，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全措施。其原則為:二級時間服務(wù)器的各南向時間端口必須具備網(wǎng)段隔離功能;弱電系統(tǒng)主機必須設(shè)置獨立的、專用于時間同步的網(wǎng)卡，采用規(guī)定的IP地址，以NTP同步機制通過系統(tǒng)交換機向二級時間服務(wù)器或有條件同步判斷服務(wù)器的同一個南向時間輸出端口申請校時。同時，網(wǎng)卡應(yīng)僅開放UDP123端口，并關(guān)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)互通，以達到防止病毒傳播的目的。還應(yīng)使用專用的離線式監(jiān)測平臺對上述獨立網(wǎng)卡的端口狀態(tài)進行定期檢查。
5弱電系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中心時間同步的實施方法
5．1基本原則
弱電系統(tǒng)主機應(yīng)以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中心時間的同步。對于基于計算機技術(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NTP機制實現(xiàn)與其系統(tǒng)主機的同步;對于采用其他技術(shù)構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的弱電系統(tǒng)，則可通過自定義的內(nèi)部協(xié)議實現(xiàn)與其系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)直接以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡(luò)。對于既有線路，由于弱電系統(tǒng)已通過RS422接口與本線的時鐘系統(tǒng)同步實現(xiàn)定時，因此，可對既有的時鐘系統(tǒng)實施改造，使其以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡(luò)。同時，對弱電系統(tǒng)與時鐘系統(tǒng)之間的同步精度進行計量，對不能實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中心時間同步的弱電系統(tǒng)進行改造，使該系統(tǒng)直接以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡(luò)，而不再采用與本線時鐘系統(tǒng)同步以實現(xiàn)定時的方式;對于符合精度要求的弱電系統(tǒng)，則可暫時保留既有的模式，選擇適當(dāng)?shù)臅r機進行改造，并直接以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡(luò)。
6結(jié)語
綜上所述，基于NTP的時間同步網(wǎng)絡(luò)的實施方法，可為軌道交通弱電系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步機制、組網(wǎng)方案及技術(shù)要求，并提供了相應(yīng)的建設(shè)原則及安全機制，對時間同步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運行及維護具有重要的指導(dǎo)作用。目前，此實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、精準的時間同步網(wǎng)絡(luò)，為提升軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營的可靠性提供了基礎(chǔ)保障。
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