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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