王治強

鐵路時間同步網(wǎng)的優(yōu)化方案

王治強

摘 要：時間同步網(wǎng)對鐵路網(wǎng)運營起著重要作用，簡述時間同步網(wǎng)及時間傳遞方法;并通過系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹鐵路時間同步網(wǎng)的規(guī)劃;根據(jù)鐵路時間同步網(wǎng)存在的問題，提出優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：時間同步網(wǎng);DCLS專線;NTP協(xié)議;優(yōu)化方案

伴隨著鐵路網(wǎng)的高速擴張，通信新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，帶寬不斷增加，傳輸速率不斷提高，網(wǎng)間更加融合，各鐵路系統(tǒng)都需要引進新技術(shù)提高服務(wù)質(zhì)量，因此精確的“時間”標志對于現(xiàn)代鐵路網(wǎng)顯得越來越重要，時間同步網(wǎng)將在鐵路網(wǎng)運營中起著重要的作用。

1 時間同步簡介

時間同步，就是按照接收到的時間來調(diào)控設(shè)備內(nèi)部的時鐘和時刻，通過調(diào)控時鐘的頻率及相位，使設(shè)備按照時鐘鎖相環(huán)的周期性獲取時間信息，顯示時間時刻。時間同步網(wǎng)由節(jié)點時間同步設(shè)備和時間同步鏈路共同組成。

1.1 時間同步要素

1．時間接收：通過衛(wèi)星接收系統(tǒng)獲取高精度的UTC時間信息。

2．時間傳送：將時間信息從高級時間同步設(shè)備傳送至低級時間同步設(shè)備，時間同步設(shè)備傳送到其他需要時間同步的設(shè)備。

3．時間分配：設(shè)備通過 IRIG-B、DCLS、NTP、ACTS、IPPS等傳遞方法獲取時間同步信號。

1.2 時間傳遞方法

當前國際上比較通用的傳遞時間信息的方法有IRIG-B、DCLS、NTP、ACTS、1PPS等幾種方法。

1．IRIG-B，采用1 kHz帶寬的正弦波作為載頻進行幅度調(diào)制的字符串，碼元速率為100p/s，碼元采用BCD編碼，幀數(shù)據(jù)包括年、天、時、分、秒及控制信息。IRIG-B可采用普通的雙絞線在樓內(nèi)傳輸及在模擬電話網(wǎng)上進行遠距離傳輸。

2．DCLS，通過對IRIG碼的調(diào)制獲取一種可以等效于IRIG數(shù)據(jù)幀的調(diào)制碼。幀定義、精度與IRIG-B完全相同。DCLS技術(shù)可適用于雙絞線局內(nèi)傳輸。

3．NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，Network Time Protocol)，是基于TCP/IP的一種時間傳遞協(xié)議。NTP在網(wǎng)絡(luò)間傳送普遍采用NTP客戶機/服務(wù)器方式。對將與NTP的時間服務(wù)器建立起聯(lián)系的其他時間服務(wù)器的IP地址預(yù)設(shè)在NTP的時間服務(wù)器上，通過IP網(wǎng)傳遞時間信息。每分鐘最多一個數(shù)據(jù)包即可將2臺機器同步至毫秒量級。

4．ACTS協(xié)議，由美國NITS開發(fā)。原理為客戶端通過Modem+電話網(wǎng)方式建立聯(lián)系后，通過一定的協(xié)議，客戶端可以收到時間信息。

5．IPPS，即秒脈沖信號，通常用來作頻率同步的核準，精度為100 ns，采用同軸電纜連接，傳輸距離一般為數(shù)百米。

2 鐵路時間同步網(wǎng)規(guī)劃

鐵路時間同步網(wǎng)主要由GPS/北斗衛(wèi)星接收系統(tǒng)、母鐘系統(tǒng)、時間顯示設(shè)備、時間同步網(wǎng)管系統(tǒng)、傳輸通道組成。

2.1 系統(tǒng)功能

鐵路時間同步網(wǎng)為鐵路運輸各業(yè)務(wù)時鐘系統(tǒng)提供統(tǒng)一標準時間信號，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)時鐘設(shè)備有統(tǒng)一的時間信號，保證鐵路運輸業(yè)務(wù)時鐘系統(tǒng)的正常運行。其中為鐵路調(diào)度員、車站值班員、各相關(guān)部門人員、車站乘客提供統(tǒng)一的基準時間信息。

時間同步網(wǎng)應(yīng)具備時間輸入、時間輸出、時間調(diào)控、人工或自動校時、自檢功能及網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控管理、時延補償?shù)然竟δ?，并能通過 NTP、IRIG-B、IPPS等傳遞方式獲取時間，也可以配備GPS設(shè)備/北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取時間信息。

時間同步網(wǎng)設(shè)備應(yīng)配備晶體鐘，能跟蹤時間輸入信號，具有保持功能;設(shè)置準確對比門限值參數(shù)，在故障情況下對主、備用時間源進行自動切換;設(shè)置時間分配單元，能提供多種時間信號輸出接口。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

鐵路時間同步網(wǎng)采用主從同步組網(wǎng)方式。鐵路時間同步網(wǎng)分為三級，在鐵道部調(diào)度中心設(shè)置一級時間同步設(shè)備;各路局調(diào)度所和各客專調(diào)度所設(shè)置二級節(jié)點，采用二級時間同步設(shè)備;在車站、段所設(shè)置三級節(jié)點，采用三級時間同步設(shè)備。

一級時間同步設(shè)備，接收衛(wèi)星的標準時間信號并校正自身時間，主用時間輸入為GPS，備用時間輸入為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和地面頻率同步網(wǎng)PRC同步信號。當接收不到標準時間時，一級時間同步設(shè)備采用自身的時鐘進行守時。一級時間同步設(shè)備向二級時間同步設(shè)備、鐵道部的鐵路運輸各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、所在地的時間顯示設(shè)備提供時間同步信號。

二級時間同步設(shè)備，主用時間為來自鐵道部的一級時間同步信號，備用時間采用GPS。當接收不到時間同步信號時，二級時間同步設(shè)備采用自身的時鐘進行守時。二級時間同步設(shè)備向三級時間同步設(shè)備、設(shè)置在鐵路局/客專調(diào)度所內(nèi)的鐵路運輸各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、所在地的時間顯示設(shè)備提供時間同步信號。

三級時間同步設(shè)備，主用信號引接二級時間同步信號，備用采用自身的時鐘進行守時。三級時間同步設(shè)備向所在地的車站、段、所的鐵路運輸各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、時間顯示設(shè)備提供時間同步信號。

3 鐵路時間同步網(wǎng)優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有鐵路時間同步網(wǎng)存在的問題

1．各級時間同步網(wǎng)互聯(lián)互通中的問題。各鐵路局/客專調(diào)度所二級時間同步設(shè)備尚未與設(shè)置在鐵道部調(diào)度中心的一級時間同步設(shè)備互聯(lián)。部分車站/段所內(nèi)設(shè)置的三級時間同步設(shè)備在具備與二級時間設(shè)備互聯(lián)的通道條件情況下，仍未與設(shè)置在鐵路局/客專調(diào)度所的二級時間同步設(shè)備互聯(lián)。

2．二級、三級時間同步設(shè)備自身時鐘設(shè)置不統(tǒng)一。鐵道部相關(guān)要求二級時間同步設(shè)備中時鐘的頻率準確度為±1×10－8/年，三級時間同步設(shè)備中時鐘的頻率準確度為±1×10－7/年，實際應(yīng)用中部分二級時間同步時鐘設(shè)備采用銣原子鐘或高穩(wěn)晶體振蕩器，部分三級時間同步時鐘設(shè)備采用普通晶體振蕩器或高穩(wěn)晶體振蕩器，致使部分二級時間節(jié)點性能超標，部分三級時間節(jié)點性能達不到要求。

3．二級、三級時間同步設(shè)備引接方式不統(tǒng)一。各鐵路局二級時間同步設(shè)備未采用來自一級時間同步網(wǎng)的時間信號，仍按照二級時間服務(wù)器從GPS衛(wèi)星獲得時間信號作為主用信號，自身時鐘設(shè)備作為備用信號。部分三級時間同步設(shè)備，在有條件情況下仍未接入來自二級時間信號，采用GPS設(shè)備作為主用時間信號，自身時鐘為備用信號;一些三級時間同步設(shè)備未設(shè)置自身時鐘，而僅用GPS設(shè)備取代;部分三級時間同步設(shè)備不但設(shè)有GPS設(shè)備，還設(shè)有自身時鐘設(shè)備。雖然鐵道部有關(guān)要求可采用集中和分散引接的方式，但實際上各鐵路局、各鐵路公司根據(jù)各自想法，在二、三級時間節(jié)點采用多種引接方式，導(dǎo)致設(shè)置方式既繁雜又不統(tǒng)一。

綜上所述，各級時間節(jié)點設(shè)備配置、引接方式未能合理統(tǒng)一，方式、方法較為繁雜，各專業(yè)間未有明確規(guī)劃，不僅不利于使用維護，而且對今后逐步擴張的鐵路線網(wǎng)中各級時間信號的統(tǒng)一將造成人為缺陷。

3.2 鐵路時間同步網(wǎng)優(yōu)化方案

根據(jù)時間同步網(wǎng)的要求以及時間同步網(wǎng)存在的問題，可采用圖1方式對鐵路時間同步網(wǎng)進行組網(wǎng)優(yōu)化。

鐵路時間同步網(wǎng)采用三級組網(wǎng)模式，一級時間同步網(wǎng)與鐵道部規(guī)劃的時間同步網(wǎng)一致;考慮到安全性問題，一級時間服務(wù)器不直接向鐵路全網(wǎng)提供時間同步服務(wù)，而是輸出DCLS時間信號或NTP時間信號到二級時間服務(wù)器，由二級時間服務(wù)器向網(wǎng)上各業(yè)務(wù)設(shè)備提供時間同步服務(wù)。

二級節(jié)點時間同步設(shè)備，跟蹤一級時間同步設(shè)備輸出的DCLS時間信號或NTP時間信號，作為主用時間信號源，在各鐵路局/客專調(diào)度所內(nèi)設(shè)置二級時間同步設(shè)備，即二級母鐘及時間信號分配設(shè)備NTP各1套，完成時間同步信號的分配，同時利用各局已有的GPS設(shè)備作為時間同步備用信號源。對于運輸專業(yè)系統(tǒng)中心服務(wù)器 (設(shè)置在鐵路局/調(diào)度所所在地的節(jié)點)，如信號CTC系統(tǒng)、電力電氣化SCADA系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等，通過NTP時間同步協(xié)議服務(wù)器與各專業(yè)系統(tǒng)互連提供時間信號，而各業(yè)務(wù)網(wǎng)通過本業(yè)務(wù)系統(tǒng) (由通信提供通道)提供各下層接入業(yè)務(wù)時間信號。

三級時間同步節(jié)點，若僅為信息專業(yè)提供時間同步信號，二、三級時間同步設(shè)備之間采用專線鏈路時間信號，引接二級時間同步信號至車站/段所通信機房，由信息專業(yè)配置時鐘設(shè)備作為自身守時備用，為車站信息設(shè)備提供時間同步主信號源。通過中心設(shè)置在二級同步時間設(shè)備所在地的信息系統(tǒng)服務(wù)器，輸入NTP時間同步信號，為本信息系統(tǒng)提供備用時間同步信號源 (通信專業(yè)提供IP網(wǎng)絡(luò)通道)。

圖1 鐵路時間同步網(wǎng)進行組網(wǎng)優(yōu)化方式

三級時間同步節(jié)點，既要為本車站/段所及運輸業(yè)務(wù)各系統(tǒng)提供時間同步信號，又要為相鄰/相近車站、運輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)分中心提供同步信號的節(jié)點，可定義為三級時間節(jié)點區(qū)域樞紐站，以運輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)分中心所在地為設(shè)置原則;在此區(qū)域樞紐站設(shè)置NTP時間同步協(xié)議服務(wù)器，二、三級時間同步設(shè)備通過DCLS時間信號和NTP時間信號互聯(lián)，作為主時間同步信號源;在此站設(shè)置高精度時鐘源作為自身時鐘守時信號，即備用時間同步信號源(選配GPS設(shè)備);對于區(qū)域樞紐站的相鄰/相近車站及運輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)分中心，采用NTP協(xié)議或DCLS專線方式，引接時間同步主用信號源，備用信號源采用自身守時時鐘作為備用 (信息自配)。

從安全角度考慮，建議至少配置2個一級服務(wù)器，而且分布在地理位置分開的2個局點，下級服務(wù)器同時跟蹤這2個服務(wù)器。主用服務(wù)器的選定、主備用切換機制可由用戶設(shè)定。主備用服務(wù)器切換過程中，二級服務(wù)器將進入保持狀態(tài)，400s后重新進入跟蹤狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)性能沒有影響。

本文根據(jù)鐵路時間同步網(wǎng)的規(guī)劃及現(xiàn)有狀況，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在問題進行分析，并提出優(yōu)化方案，希望對鐵路同步網(wǎng)的完善有所裨益。

［1］徐榮，李允博，周志平．中國移動通信有限公司．QB－J－028－2008．中國移動業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)時間同步網(wǎng)技術(shù)規(guī)范［S］．2008．

［2］中華人民共和國鐵道部．鐵基通信［2008］599號．關(guān)于印發(fā)《鐵路時間同步網(wǎng)技術(shù)條件(V1．0)》的通知［S］．2008．

Abstract:Time synchronization network plays an important role in network operation．This paper gives a summary of time synchronization network，and time passing methods in a timely manner and introduces the planning of railway time synchronization network in terms of system function and network structure feature．According to existing issues in railway time synchronization network，an optimization scheme for railway time synchronization network is proposed．

Key words:Time synchronization network;DCLS line;NTP protocol;Optimization program

王治強：鐵道第四勘察設(shè)計院集團有限公司 工程師 430063武漢

2012-12-20

(責(zé)任編輯：諸 紅)