軌道交通時間同步網(wǎng)絡及實施方法論文
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。隨著軌道交通建設由單線向網(wǎng)絡化發(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，使軌道交通網(wǎng)絡內(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)絡時間同步協(xié)議，給出了軌道交通時間同步網(wǎng)絡的架構(gòu)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(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(tǒng)一的標準，因此不同廠家所提供的設備很難實現(xiàn)互通。1982年，美國Delaware大學的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)絡上指定若干時鐘源網(wǎng)站，為用戶提供授時服務，且網(wǎng)絡節(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(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。與基于串行通信的同步機制相比，NTP因充分考慮網(wǎng)絡中時間同步的復雜性以及網(wǎng)絡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)絡中心時間保持同步;在發(fā)生時間突變時，弱電系統(tǒng)應按照預先制定的同步規(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)絡中心時間保持同步。
2軌道交通時間同步網(wǎng)絡架構(gòu)及配置
上海軌道交通時間同步網(wǎng)絡采用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)絡內(nèi)使用NTP，為網(wǎng)絡內(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))接收設備、一級時間服務器及相關(guān)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(wǎng)絡中心時間”。當GPS設備發(fā)生故障時，一級時間服務器進入保持狀態(tài)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(fā)生故障時，一級時間服務器進入保持狀態(tài)并利用自身晶振保持精度。一級時間服務器的各時間輸出端口應相互獨立。為保證NTP時間同步網(wǎng)絡的高可靠性，在第1層內(nèi)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(xiàn)冗余配置。第2層為二級時間系統(tǒng)，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(guī)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(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(tài)，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(wǎng)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(tǒng)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(xiàn)冗余配置。
2．2弱電系統(tǒng)接入層
時間同步網(wǎng)絡的第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，主要包括設在各線控制中心及需要高精度時間信息的網(wǎng)絡層管理部門的弱電系統(tǒng)主機、網(wǎng)絡交換機及相關(guān)配套設備。弱電系統(tǒng)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(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服務程序進行參數(shù)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(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(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接收設備，則可啟用該設備以獲取標準時間。
2．3弱電系統(tǒng)層
時間同步網(wǎng)絡的第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)設于車站的主機及配套設備。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，同時向設于本站的系統(tǒng)從機授時。當系統(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(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(tǒng)主機從二級時間服務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(tǒng)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�？偟南到y(tǒng)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(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(tǒng)，應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，并應通過工程測試。
4網(wǎng)絡安全
由于時間同步網(wǎng)絡采用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，應結(jié)合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的特點，采取相應的網(wǎng)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(wǎng)段隔離功能;弱電系統(tǒng)主機必須設置獨立的、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(wǎng)卡應僅開放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)絡內(nèi)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(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)主機應以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡，以實現(xiàn)與網(wǎng)絡中心時間的同步。對于基于計算機技術(shù)和IP技術(shù)構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡的弱電系統(tǒng)，應通過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)應實現(xiàn)直接以NTP同步機制接入時間同步網(wǎng)絡。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。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，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?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。
6結(jié)語
綜上所述，基于NTP的時間同步網(wǎng)絡的實施方法，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，并提供了相應的建設原則及安全機制，對時間同步網(wǎng)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(wǎng)絡內(nèi)推廣應用，并已逐步形成統(tǒng)一、高效、精準的時間同步網(wǎng)絡，為提升軌道交通網(wǎng)絡化運營的可靠性提供了基礎保障。
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