施懌棟

（中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海電信測(cè)試中心，上海 200436）

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的升級(jí)，鐵路通信系統(tǒng)越來(lái)越多的采用TCP/IP方式進(jìn)行組網(wǎng)，且功能也日趨多樣化，除了內(nèi)部通信外，系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)業(yè)務(wù)越來(lái)越普遍。特別是當(dāng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)引入后，將所有的系統(tǒng)告警納入其監(jiān)控范圍內(nèi)，這樣就對(duì)系統(tǒng)間的時(shí)間同步提出了非常高的要求。如果系統(tǒng)間時(shí)間不同步，可能會(huì)在故障發(fā)生時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確定位到故障系統(tǒng)，因?yàn)閺臅r(shí)間上來(lái)看，會(huì)存在告警上傳時(shí)間與實(shí)際故障發(fā)生順序正好相反的情況，從而影響綜合網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)故障的判斷。

針對(duì)上述情況，目前新建高速鐵路均配備了時(shí)間同步設(shè)備用于向各通信系統(tǒng)授時(shí)，同步方法通常采用NTP協(xié)議并按照服務(wù)器客戶(hù)端模式進(jìn)行。采用NTP同步方式而非DCLS等其他同步方式主要基于以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

首先鐵路通信系統(tǒng)具有線路比較長(zhǎng)，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，而NTP協(xié)議基于以太網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，便于遠(yuǎn)距離校時(shí)。

其次，采用NTP方式進(jìn)行同步只需增加一臺(tái)時(shí)間服務(wù)器即可，同步信息可以利用鐵路新建的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，無(wú)需配置其他設(shè)備，節(jié)約了建設(shè)資金且維護(hù)較為方便。

最后，NTP方式進(jìn)行同步的時(shí)間精度可以達(dá)到毫秒甚至微秒級(jí)，能滿(mǎn)足鐵路業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間精度的需求。

因而采用NTP時(shí)間同步協(xié)議的3層結(jié)構(gòu)最符合當(dāng)前高速鐵路的時(shí)間同步精度要求高、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的需求。

1 鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)概述

高速鐵路時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)3層結(jié)構(gòu)的第一層設(shè)置在鐵道部調(diào)度中心，包括一級(jí)時(shí)間服務(wù)器、網(wǎng)管設(shè)備和衛(wèi)星接收設(shè)備。一級(jí)時(shí)間服務(wù)器以衛(wèi)星接收設(shè)備作為時(shí)間參考源向位于各路局調(diào)度所的二級(jí)時(shí)間服務(wù)器以及部里的通信系統(tǒng)授時(shí)，并用BIT同步信號(hào)保持自身的輸出穩(wěn)定度。

第二層包括設(shè)置在鐵路局調(diào)度所的二級(jí)時(shí)間服務(wù)器、網(wǎng)管設(shè)備和GPS接收裝置。為了保證時(shí)間同步網(wǎng)的可靠性，二級(jí)時(shí)間服務(wù)器以一級(jí)時(shí)間服務(wù)器作為主用時(shí)間源，GPS時(shí)間接收機(jī)作為備用時(shí)間參考源。二級(jí)時(shí)間服務(wù)器通常配置相互獨(dú)立的授時(shí)端口作為上級(jí)時(shí)間源向通信系統(tǒng)授時(shí)，這樣能有效防止系統(tǒng)間數(shù)據(jù)包的交互，避免病毒的相互傳播，其他主要配件實(shí)現(xiàn)冗余配置。

第三層為各系統(tǒng)的同步主機(jī)，它們以二級(jí)時(shí)間服務(wù)器作為輸入時(shí)間參考源，同時(shí)向本系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備授時(shí)。同步主機(jī)可以是系統(tǒng)網(wǎng)管，也可以是系統(tǒng)內(nèi)部的服務(wù)器，這些網(wǎng)管或服務(wù)器配置獨(dú)立的網(wǎng)卡向二級(jí)時(shí)間服務(wù)器申請(qǐng)校時(shí)，這樣可以使時(shí)間同步服務(wù)與自身原本的業(yè)務(wù)分離。

2 鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)的性能主要由相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度、絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度、同步周期、時(shí)間服務(wù)器處理能力這幾個(gè)指標(biāo)衡量。

相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度是指時(shí)間同步系統(tǒng)在沒(méi)有時(shí)間同步信號(hào)輸入時(shí)，時(shí)間同步設(shè)備輸出接口的時(shí)間相對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的偏差。該指標(biāo)用于衡量時(shí)間同步設(shè)備晶振是否能滿(mǎn)足同步性能要求，即時(shí)間同步設(shè)備不與上級(jí)時(shí)間源同步時(shí)，隨著時(shí)間累積而逐漸積累的時(shí)間偏移量，考察時(shí)間同步設(shè)備在規(guī)定同步周期內(nèi)的走時(shí)精度是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如果測(cè)試表明該設(shè)備相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定，則需通過(guò)提升晶振等級(jí)來(lái)提高精度，并重新進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度是指時(shí)間同步系統(tǒng)在有時(shí)間同步信號(hào)輸入時(shí)，時(shí)間同步設(shè)備輸出接口的時(shí)間相對(duì)UTC的偏差。該指標(biāo)用于衡量被測(cè)時(shí)間同步設(shè)備與其時(shí)間源設(shè)備的相對(duì)時(shí)間偏差是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如果測(cè)試表明該設(shè)備絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度始終超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，則需通過(guò)縮短同步周期來(lái)提高精度，并重新進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

同步周期是指時(shí)間同步設(shè)備向時(shí)間源設(shè)備申請(qǐng)校時(shí)的時(shí)間間隔。通過(guò)測(cè)試可以確定該指標(biāo)是否與設(shè)計(jì)同步周期相符，從而確定時(shí)間同步設(shè)備的絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度是否滿(mǎn)足要求。如果測(cè)試同步設(shè)備的同步周期超過(guò)設(shè)計(jì)要求或根本沒(méi)有同步，則證明該同步設(shè)備的同步服務(wù)設(shè)置不準(zhǔn)確或同步網(wǎng)絡(luò)有異常。

通過(guò)搭建模擬時(shí)間同步平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)試研究，得出基于Windows系統(tǒng)的時(shí)間同步設(shè)備的同步周期與絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度的關(guān)系如表1所示。

表1 同步周期與絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度的關(guān)系表

時(shí)間服務(wù)器處理能力是指時(shí)間服務(wù)器同步端口每秒處理NTP請(qǐng)求的能力。該指標(biāo)用于確定時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的最大服務(wù)能力，通過(guò)測(cè)試可以判斷時(shí)間服務(wù)器是否能滿(mǎn)足鐵路通信系統(tǒng)的同步需求，作為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的一個(gè)判斷依據(jù)。

3 鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)檢測(cè)

鐵路對(duì)于通信系統(tǒng)時(shí)間同步的要求主要參考《鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件（V1.0）》（運(yùn)基通信[2008] 599），通信系統(tǒng)的絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度要求達(dá)到10 ms以?xún)?nèi)。但是NTP同步方式有一個(gè)特點(diǎn)，就是與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差是由NTP客戶(hù)端用戶(hù)計(jì)算的，時(shí)間服務(wù)器只是作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源向客戶(hù)端用戶(hù)提供其當(dāng)前時(shí)間，如圖1所示。即NTP客戶(hù)端用戶(hù)發(fā)送時(shí)間請(qǐng)求信息，并收到來(lái)自時(shí)間服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間后，會(huì)按照NTP協(xié)議（RFC1305）計(jì)算自身時(shí)間的偏差并立即校準(zhǔn)本機(jī)時(shí)間，與其他設(shè)備無(wú)關(guān)。

目前還沒(méi)有一種第三方的軟件可以測(cè)試NTP時(shí)間同步系統(tǒng)內(nèi)的絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度。但是時(shí)間同步系統(tǒng)的性能檢測(cè)又是十分重要的，如果不檢測(cè)無(wú)法保證通信系統(tǒng)已經(jīng)同步于時(shí)間服務(wù)器，也無(wú)法保證通信系統(tǒng)在同步周期內(nèi)其絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度滿(mǎn)足系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

另外，根據(jù)以往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，高速鐵路對(duì)各個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性要求是非常嚴(yán)格的，除了設(shè)備結(jié)構(gòu)需進(jìn)行冗余配置實(shí)現(xiàn)備份外，日常巡檢和維護(hù)也是保證安全運(yùn)營(yíng)的重要措施之一。所以，也需要一種能用于維護(hù)的工具用于時(shí)間同步系統(tǒng)的檢測(cè)。

根據(jù)這個(gè)需求，中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海電信測(cè)試中心開(kāi)發(fā)一個(gè)TT2000時(shí)間同步測(cè)試平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)），用于NTP時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)性能的檢測(cè)。

平臺(tái)通過(guò)同時(shí)向NTP時(shí)間服務(wù)器和NTP客戶(hù)端用戶(hù)并發(fā)時(shí)間請(qǐng)求信息，在獲得NTP時(shí)間服務(wù)器和NTP客戶(hù)端用戶(hù)返回的時(shí)間信息后，通過(guò)計(jì)算確定NTP客戶(hù)端用戶(hù)當(dāng)前同步狀態(tài)和性能參數(shù)，從而解決了第三方無(wú)法獲知NTP客戶(hù)端用戶(hù)究竟有沒(méi)有同步這個(gè)問(wèn)題。

平臺(tái)硬件部分采用高性能計(jì)算機(jī)作為測(cè)試平臺(tái)，配置高精度GPS接收機(jī)和高穩(wěn)定度的恒溫晶振，保證平臺(tái)測(cè)試的準(zhǔn)確性。平臺(tái)檢測(cè)精度最高可達(dá)到微秒級(jí)，時(shí)間穩(wěn)定度不超過(guò)1 ms/天。為了達(dá)到測(cè)試的準(zhǔn)確性，平臺(tái)具備通用NTP客戶(hù)端功能，以實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

平臺(tái)軟件部分采用圖形界面，菜單式操作，簡(jiǎn)單和直觀，平臺(tái)各功能采用模塊化工作方式，具備相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度、絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度、同步周期、時(shí)間服務(wù)器處理能力功能和性能測(cè)試，如圖3所示。

通過(guò)使用平臺(tái)對(duì)模擬時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和鐵路時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)，得到表2的性能參數(shù)指標(biāo)，說(shuō)明平臺(tái)的測(cè)試能力已經(jīng)滿(mǎn)足鐵路時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)和維護(hù)需求。

表2 平臺(tái)測(cè)試準(zhǔn)確度表

作為一個(gè)具有資質(zhì)的檢測(cè)單位，中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海電信測(cè)試中心已將該平臺(tái)用于滬杭客運(yùn)專(zhuān)線和上海軌道交通時(shí)間同步系統(tǒng)的檢測(cè)工作，取得了良好的效果。首先通過(guò)平臺(tái)檢測(cè)到滬杭客運(yùn)專(zhuān)線綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度超過(guò)了10 ms的標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)縮短同步周期，使其絕對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度達(dá)到了6 ms，滿(mǎn)足了指標(biāo)要求。其次發(fā)現(xiàn)滬杭客運(yùn)專(zhuān)線和上海軌道交通部分通信系統(tǒng)未按照設(shè)計(jì)與時(shí)間同步網(wǎng)同步，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，有些系統(tǒng)因?yàn)闀r(shí)間同步軟件設(shè)置不正確，未發(fā)起同步，而有些系統(tǒng)則是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因未實(shí)現(xiàn)同步。最后，在上海軌道交通某條地鐵線子母鐘系統(tǒng)廠驗(yàn)時(shí)，其母鐘24 h相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度為1 s，嚴(yán)重超過(guò)指標(biāo)要求，經(jīng)檢測(cè)是由于采用了普通晶振所致，后要求廠家配置恒溫晶振予以解決。上述結(jié)果均證明時(shí)間檢測(cè)平臺(tái)能有效檢測(cè)時(shí)間同步系統(tǒng)的性能和功能，具有非常高的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)的檢測(cè)是及其重要的，從目前的檢測(cè)情況來(lái)看，已經(jīng)在新建線路上發(fā)現(xiàn)和處理了許多時(shí)間未同步或不符合同步標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，這些情況或會(huì)影響對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)故障的判斷和及時(shí)恢復(fù)，或會(huì)影響對(duì)重大事件的判斷、處置和信息的準(zhǔn)確發(fā)布。因此應(yīng)當(dāng)大力加強(qiáng)鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)的驗(yàn)收測(cè)試工作和維護(hù)檢測(cè)工作，這對(duì)提高鐵路通信系統(tǒng)的服務(wù)水平，保證鐵路運(yùn)營(yíng)的安全和暢通有序具有非常重要的意義。