轨道交通时间同步网络及实施方法论文
弱电系统的高精度时间同步是轨道交通高效运营的关键技术之一，对系统故障及重大事件的准确判断与处置有着重要的意义。轨道交通建设初期，各类弱电系统的时间同步仅限于线路级，且获取时间信息的方法及实现同步的机制均未统一，弱电系统的日志时间、故障记录时间等存在不同步的情况。随着轨道交通建设由单线向网络化发展，对弱电系统在线路间和线路内的时间同步提出了高层次的要求。因此，建立时间同步网络，使轨道交通网络内所有的弱电系统以统一的时间同步机制获取高精度的时间信息，对轨道交通的安全、高效运行有着重要的意义。本文针对轨道交通弱电系统高精度时间同步问题，基于网络时间同步协议，给出了轨道交通时间同步网络的架构及配置;在此基础上，深入讨论了轨道交通时间同步的精度要求以及时间同步网的安全问题，并给出了轨道交通时间同步网的实施方法。
1同步机制及同步方式
1．1同步机制
现有的轨道交通时间同步机制，是由时钟系统采用串行通信方式，向本线的弱电系统发送时间信息。这种以串行通信为基础的同步机制，以授时设备与受时设备间进行点对点的信息传输为特点，缺乏统一的标准，因此不同厂家所提供的设备很难实现互通。1982年，美国Delaware大学的Mills提出了NTP(NetworkTimeProtocol，时间同步协议)［1］，其目的是在Internet上实现传递统一、标准的时间。该协议试图在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，且网络节点间能相互比对，提高准确度。它跨越广域网或局域网的复杂同步时间协议，并可获得毫秒级的精度。NTP是OSI参考模型的高层协议，采用UDP传输协议，端口号采用123。在此基础上，Mills提出了SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)［2］，是NTP的一个子集。目的是为适应无需完整实现NTP功能的情况。该协议可令局域网上的若干台主机通过Internet与其他的NTP主机同步时钟，然后再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。与基于串行通信的同步机制相比，NTP因充分考虑网络中时间同步的复杂性以及网络性能对时钟偏离的影响，并可实现异构网间的同步而更具优势。表1给出了以串行口通信为基础的同步机制与NTP时间同步机制的比较。
1．2同步方式
根据弱电系统在轨道交通日常运营中的作用、工作方式及特点，其同步方式主要有无条件同步和有条件同步两类。(1)有条件同步:轨道交通中的信号系统和自动售检票系统(AFC)采用有条件同步方式。即在未发生时间突变时，弱电系统必须与网络中心时间保持同步;在发生时间突变时，弱电系统应按照预先制定的同步规则进行同步。此功能由有条件同步判断服务器实现。(2)无条件同步:其他弱电系统均采用无条件同步方式。即无论是否发生时间突变，弱电系统必须与网络中心时间保持同步。
2轨道交通时间同步网络架构及配置
上海轨道交通时间同步网络采用5层组网结构(见图1)。其中，第1层～第2层为上层时间源平台，第3层为弱电系统接入部分，第4层～第5层为弱电系统部分。
2．1上层时间源平台
时间同步网络的第1层与第2层共同构成了上层时间源平台，在时间同步网络内使用NTP，为网络内所有的弱电系统提供标准、统一、高精度的时间信息。第1层为一级时间系统，包括GPS(GlobalPosi-tionSystem，全球定位系统)接收设备、一级时间服务器及相关配套设备。一级时间服务器从GPS获取时间，以NTP申请校时的方式向二级时间服务器授时，并将此时间定义为上海轨道交通的“网络中心时间”。当GPS设备发生故障时，一级时间服务器进入保持状态并引入BITS(BuildingIntegratedTimingSupply，楼宇综合定时供给)设备的工作时钟保持精度。当GPS和BITS设备均发生故障时，一级时间服务器进入保持状态并利用自身晶振保持精度。一级时间服务器的各时间输出端口应相互独立。为保证NTP时间同步网络的高可靠性，在第1层内配置了2台一级时间服务器，每台一级时间服务器均配置GPS时间接收设备作为输入时间参考源，同时主要配套设备也实现冗余配置。第2层为二级时间系统，包括二级时间服务器、有条件同步服务器及配套设备。二级时间服务器以NTP申请校时的方式从2个一级时间服务器获取时间，通过NTP所规定的算法确定本机的高精度时间，并向有条件同步服务器授时，同时通过系统交换机向相关弱电系统的主机(弱电系统主机属于第3层)授时。当二级时间服务器检测到其中1个一级时间服务器不可用时，应从另1个可用的一级时间服务器独立地获取时间。当2个一级时间服务器均失效时，二级时间服务器进入保持状态，同时引入BITS设备的工作时钟保持精度。第2层设备设置于各线控制中心及需要高精度时间信息的`网络层管理部门，当上述部门地理位置相同且二级时间服务器输出端口足够时，则可合设系统设备。二级时间服务器的时间输出端口应相互独立，同时主要配套设备实现冗余配置。
2．2弱电系统接入层
时间同步网络的第3层为弱电系统接入层，使用NTP或SNTP向时间源平台申请校时，主要包括设在各线控制中心及需要高精度时间信息的网络层管理部门的弱电系统主机、网络交换机及相关配套设备。弱电系统主机的北向时间接口以二级时间服务器或有条件同步判断服务器的南向接口输出的时间作为输入时间参考源，通过交换机向二级时间服务器获取时间信息，并通过系统主机的南向接口向本系统的车站主机授时(车站主机属于第4层)。弱电系统主机获取时间的具体方法有两种。其一是对主机的Windows、Linux或UNIX操作系统自带的NTP服务程序进行参数设置(如同步周期等)并启动服务进程，即可按照设定的同步周期定时申请校时，从而实现时间同步的功能。其二是在主机的Windows、Linux或UNIX操作系统上安装并启动自主开发的NTP客户端软件，即可按照设定的同步周期定时申请校时，从而实现时间同步的功能。当二级时间服务器或有条件同步判断服务器失效时，弱电系统主机进入保持状态，采用自身晶振守时。若系统具备GPS接收设备，则可启用该设备以获取标准时间。
2．3弱电系统层
时间同步网络的第4层至第5层为弱电系统部分。第4层主要包括弱电系统设于车站的主机及配套设备。车站主机以系统主机南向接口输出的时间为输入时间参考源，并获取时间信息，同时向设于本站的系统从机授时。当系统主机的时间输出因故失效时，车站主机进入保持状态，采用自身晶振守时。第5层主要包括弱电系统设于车站的从机(或包括交换机)。车站从机以车站主机的南向接口输出的时间作为输入时间参考源，并获取时间信息。当系统主机的时间输出因故失效时，从机进入保持状态，采用自身晶振守时。需要特别指出的是:第4层至第5层属于弱电系统内部系统，因此，建议但不强制弱电系统加载NTP客户端软件并以申请校时的方式实现弱电系统内部的时间同步。弱电系统可根据自身所采用的软件情况采用符合其特点的同步方式实现同步。
3同步精度及同步周期
3．1系统的精度要求
当采用无条件同步方式时，一级时间服务器以GPS时间作为输入时间参考源，要求其输出时间精度(即与GPS时间的偏差)不大于1ms。二级时间服务器从一级时间服务器获取时间并向第3层设备授时，其输出时间与一级时间服务器输出时间的偏差要求不大于5ms。弱电系统主机从二级时间服务器获取时间并向弱电系统车站主机授时，其输出时间与二级时间服务器输出时间的偏差要求不大于20ms。弱电系统车站主机从系统主机获得时间并向车站从机授时，其输出时间与弱电系统主机输出时间的偏差要求不大于20ms。车站从机与车站主机输出时间之间的精度要求不大于20ms。总的系统要求，即一级时间服务器的输出时间与车站从机输出时间的偏差要求不大于65ms。当采用有条件同步方式时，弱电系统主机与二级时间服务器之间增加了有条件同步判断服务器。有条件同步判断服务器的输出时间与一级时间服务器输出时间的偏差要求不大于20ms。总的系统要求，即一级时间服务器的输出时间与车站从机输出时间的偏差要求不大于80ms。
3．2系统的同步周期要求
3．2．1同步周期与系统精度的关联系统精度与同步周期具有关联性，通过缩短同步周期可以提高时间精度。
3．2．2同步周期要求对于时间源平台，可采用固定同步周期的方式或采用根据NTP算法自动调节同步周期的方式，来实现二级时间服务器与一级时间服务器的同步，但无论采用哪种方式，二级时间服务器与一级时间服务器之间的时间同步偏差应小于5ms。有条件同步判断服务器与二级时间服务器之间的同步，应采用固定同步周期的方式，其同步周期应不大于1min。对于弱电系统，应采用固定同步周期的方式实现与时间源平台的同步，其同步周期为不大于6min且不小于0．5min，这既满足了系统精度指标，也不会对系统及网络造成压力。若弱电系统对精度有特殊要求，则可以参考表2提供的关联性数据选取与该弱电系统所需时间精度匹配的同步周期，并应通过工程测试。
4网络安全
由于时间同步网络采用IP构架，各弱电系统均通过系统交换机实现以太网层面的互联，因此，若其中一个系统感染病毒，则可能将病毒扩散到与之互联的其它系统。为维护系统的安全可靠，应结合网络结构的特点，采取相应的网络安全措施。其原则为:二级时间服务器的各南向时间端口必须具备网段隔离功能;弱电系统主机必须设置独立的、专用于时间同步的网卡，采用规定的IP地址，以NTP同步机制通过系统交换机向二级时间服务器或有条件同步判断服务器的同一个南向时间输出端口申请校时。同时，网卡应仅开放UDP123端口，并关闭其余所有的端口，确保除基于NTP的时间信息外的其他信息无法在网络内互通，以达到防止病毒传播的目的。还应使用专用的离线式监测平台对上述独立网卡的端口状态进行定期检查。
5弱电系统与网络中心时间同步的实施方法
5．1基本原则
弱电系统主机应以NTP同步机制接入时间同步网络，以实现与网络中心时间的同步。对于基于计算机技术和IP技术构建内部网络的弱电系统，应通过NTP机制实现与其系统主机的同步;对于采用其他技术构建内部网络的弱电系统，则可通过自定义的内部协议实现与其系统主机的同步。
5．2实施方法
对于在建线路及新建线路，弱电系统应实现直接以NTP同步机制接入时间同步网络。对于既有线路，由于弱电系统已通过RS422接口与本线的时钟系统同步实现定时，因此，可对既有的时钟系统实施改造，使其以NTP同步机制接入时间同步网络。同时，对弱电系统与时钟系统之间的同步精度进行计量，对不能实现与网络中心时间同步的弱电系统进行改造，使该系统直接以NTP同步机制接入时间同步网络，而不再采用与本线时钟系统同步以实现定时的方式;对于符合精度要求的弱电系统，则可暂时保留既有的模式，选择适当的时机进行改造，并直接以NTP同步机制接入时间同步网络。
6结语
综上所述，基于NTP的时间同步网络的实施方法，可为轨道交通弱电系统实现时间同步机制、组网方案及技术要求，并提供了相应的建设原则及安全机制，对时间同步网络建设、运行及维护具有重要的指导作用。目前，此实施方法已在上海轨道交通网络内推广应用，并已逐步形成统一、高效、精准的时间同步网络，为提升轨道交通网络化运营的可靠性提供了基础保障。
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