王治強(qiáng)

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的優(yōu)化方案

王治強(qiáng)

摘 要：時(shí)間同步網(wǎng)對(duì)鐵路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)起著重要作用，簡(jiǎn)述時(shí)間同步網(wǎng)及時(shí)間傳遞方法;并通過(guò)系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的規(guī)劃;根據(jù)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題，提出優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：時(shí)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(kuò)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(jìn)新技術(shù)提高服務(wù)質(zhì)量，因此精確的“時(shí)間”標(biāo)志對(duì)于現(xiàn)代鐵路網(wǎng)顯得越來(lái)越重要，時(shí)間同步網(wǎng)將在鐵路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中起著重要的作用。

1 時(shí)間同步簡(jiǎn)介

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

1.1 時(shí)間同步要素

1．時(shí)間接收：通過(guò)衛(wèi)星接收系統(tǒng)獲取高精度的UTC時(shí)間信息。

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

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

1.2 時(shí)間傳遞方法

當(dāng)前國(guó)際上比較通用的傳遞時(shí)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(jìn)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(shí)、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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

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

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

5．IPPS，即秒脈沖信號(hào)，通常用來(lái)作頻率同步的核準(zhǔn)，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(shí)間同步網(wǎng)規(guī)劃

鐵路時(shí)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(shí)間顯示設(shè)備、時(shí)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(shí)間同步網(wǎng)為鐵路運(yùn)輸各業(yè)務(wù)時(shí)鐘系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)備有統(tǒng)一的時(shí)間信號(hào)，保證鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)時(shí)鐘系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中為鐵路調(diào)度員、車站值班員、各相關(guān)部門(mén)人員、車站乘客提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間信息。

時(shí)間同步網(wǎng)應(yīng)具備時(shí)間輸入、時(shí)間輸出、時(shí)間調(diào)控、人工或自動(dòng)校時(shí)、自檢功能及網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控管理、時(shí)延補(bǔ)償?shù)然竟δ埽⒛芡ㄟ^(guò) NTP、IRIG-B、IPPS等傳遞方式獲取時(shí)間，也可以配備GPS設(shè)備/北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取時(shí)間信息。

時(shí)間同步網(wǎng)設(shè)備應(yīng)配備晶體鐘，能跟蹤時(shí)間輸入信號(hào)，具有保持功能;設(shè)置準(zhǔn)確對(duì)比門(mén)限值參數(shù)，在故障情況下對(duì)主、備用時(shí)間源進(jìn)行自動(dòng)切換;設(shè)置時(shí)間分配單元，能提供多種時(shí)間信號(hào)輸出接口。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)采用主從同步組網(wǎng)方式。鐵路時(shí)間同步網(wǎng)分為三級(jí)，在鐵道部調(diào)度中心設(shè)置一級(jí)時(shí)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(jí)節(jié)點(diǎn)，采用二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備;在車站、段所設(shè)置三級(jí)節(jié)點(diǎn)，采用三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備。

一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，接收衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)并校正自身時(shí)間，主用時(shí)間輸入為GPS，備用時(shí)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(hào)。當(dāng)接收不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間時(shí)，一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備采用自身的時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)。一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備向二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備、鐵道部的鐵路運(yùn)輸各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、所在地的時(shí)間顯示設(shè)備提供時(shí)間同步信號(hào)。

二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，主用時(shí)間為來(lái)自鐵道部的一級(jí)時(shí)間同步信號(hào)，備用時(shí)間采用GPS。當(dāng)接收不到時(shí)間同步信號(hào)時(shí)，二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備采用自身的時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)。二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備向三級(jí)時(shí)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(yùn)輸各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、所在地的時(shí)間顯示設(shè)備提供時(shí)間同步信號(hào)。

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

3 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有鐵路時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題

1．各級(jí)時(shí)間同步網(wǎng)互聯(lián)互通中的問(wèn)題。各鐵路局/客專調(diào)度所二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備尚未與設(shè)置在鐵道部調(diào)度中心的一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備互聯(lián)。部分車站/段所內(nèi)設(shè)置的三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備在具備與二級(jí)時(shí)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(jí)時(shí)間同步設(shè)備互聯(lián)。

2．二級(jí)、三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備自身時(shí)鐘設(shè)置不統(tǒng)一。鐵道部相關(guān)要求二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備中時(shí)鐘的頻率準(zhǔn)確度為±1×10－8/年，三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備中時(shí)鐘的頻率準(zhǔn)確度為±1×10－7/年，實(shí)際應(yīng)用中部分二級(jí)時(shí)間同步時(shí)鐘設(shè)備采用銣原子鐘或高穩(wěn)晶體振蕩器，部分三級(jí)時(shí)間同步時(shí)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(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)性能超標(biāo)，部分三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)性能達(dá)不到要求。

3．二級(jí)、三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備引接方式不統(tǒng)一。各鐵路局二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備未采用來(lái)自一級(jí)時(shí)間同步網(wǎng)的時(shí)間信號(hào)，仍按照二級(jí)時(shí)間服務(wù)器從GPS衛(wèi)星獲得時(shí)間信號(hào)作為主用信號(hào)，自身時(shí)鐘設(shè)備作為備用信號(hào)。部分三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，在有條件情況下仍未接入來(lái)自二級(jí)時(shí)間信號(hào)，采用GPS設(shè)備作為主用時(shí)間信號(hào)，自身時(shí)鐘為備用信號(hào);一些三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備未設(shè)置自身時(shí)鐘，而僅用GPS設(shè)備取代;部分三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備不但設(shè)有GPS設(shè)備，還設(shè)有自身時(shí)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(shí)際上各鐵路局、各鐵路公司根據(jù)各自想法，在二、三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(hù)，而且對(duì)今后逐步擴(kuò)張的鐵路線網(wǎng)中各級(jí)時(shí)間信號(hào)的統(tǒng)一將造成人為缺陷。

3.2 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化方案

根據(jù)時(shí)間同步網(wǎng)的要求以及時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題，可采用圖1方式對(duì)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)優(yōu)化。

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

二級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步設(shè)備，跟蹤一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備輸出的DCLS時(shí)間信號(hào)或NTP時(shí)間信號(hào)，作為主用時(shí)間信號(hào)源，在各鐵路局/客專調(diào)度所內(nèi)設(shè)置二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，即二級(jí)母鐘及時(shí)間信號(hào)分配設(shè)備NTP各1套，完成時(shí)間同步信號(hào)的分配，同時(shí)利用各局已有的GPS設(shè)備作為時(shí)間同步備用信號(hào)源。對(duì)于運(yùn)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(diǎn))，如信號(hào)CTC系統(tǒng)、電力電氣化SCADA系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等，通過(guò)NTP時(shí)間同步協(xié)議服務(wù)器與各專業(yè)系統(tǒng)互連提供時(shí)間信號(hào)，而各業(yè)務(wù)網(wǎng)通過(guò)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(shí)間信號(hào)。

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

圖1 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)優(yōu)化方式

三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)，既要為本車站/段所及運(yùn)輸業(yè)務(wù)各系統(tǒng)提供時(shí)間同步信號(hào)，又要為相鄰/相近車站、運(yùn)輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)分中心提供同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)，可定義為三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)區(qū)域樞紐站，以運(yùn)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(shí)間同步協(xié)議服務(wù)器，二、三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備通過(guò)DCLS時(shí)間信號(hào)和NTP時(shí)間信號(hào)互聯(lián)，作為主時(shí)間同步信號(hào)源;在此站設(shè)置高精度時(shí)鐘源作為自身時(shí)鐘守時(shí)信號(hào)，即備用時(shí)間同步信號(hào)源(選配GPS設(shè)備);對(duì)于區(qū)域樞紐站的相鄰/相近車站及運(yùn)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(shí)間同步主用信號(hào)源，備用信號(hào)源采用自身守時(shí)時(shí)鐘作為備用 (信息自配)。

從安全角度考慮，建議至少配置2個(gè)一級(jí)服務(wù)器，而且分布在地理位置分開(kāi)的2個(gè)局點(diǎn)，下級(jí)服務(wù)器同時(shí)跟蹤這2個(gè)服務(wù)器。主用服務(wù)器的選定、主備用切換機(jī)制可由用戶設(shè)定。主備用服務(wù)器切換過(guò)程中，二級(jí)服務(wù)器將進(jìn)入保持狀態(tài)，400s后重新進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能沒(méi)有影響。

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

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

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵基通信［2008］599號(hào)．關(guān)于印發(fā)《鐵路時(shí)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(qiáng)：鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 工程師 430063武漢

2012-12-20

(責(zé)任編輯：諸 紅)