铁路时间同步网的优化方案

王治强

铁路时间同步网的优化方案

王治强

摘 要：时间同步网对铁路网运营起着重要作用，简述时间同步网及时间传递方法;并通过系统功能、网络结构介绍铁路时间同步网的规划;根据铁路时间同步网存在的问题，提出优化方案。

关键词：时间同步网;DCLS专线;NTP协议;优化方案

伴随着铁路网的高速扩张，通信新技术、新业务的飞速发展，带宽不断增加，传输速率不断提高，网间更加融合，各铁路系统都需要引进新技术提高服务质量，因此精确的“时间”标志对于现代铁路网显得越来越重要，时间同步网将在铁路网运营中起着重要的作用。

1 时间同步简介

时间同步，就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻，通过调控时钟的频率及相位，使设备按照时钟锁相环的周期性获取时间信息，显示时间时刻。时间同步网由节点时间同步设备和时间同步链路共同组成。

1.1 时间同步要素

1．时间接收：通过卫星接收系统获取高精度的UTC时间信息。

2．时间传送：将时间信息从高级时间同步设备传送至低级时间同步设备，时间同步设备传送到其他需要时间同步的设备。

3．时间分配：设备通过 IRIG-B、DCLS、NTP、ACTS、IPPS等传递方法获取时间同步信号。

1.2 时间传递方法

当前国际上比较通用的传递时间信息的方法有IRIG-B、DCLS、NTP、ACTS、1PPS等几种方法。

1．IRIG-B，采用1 kHz带宽的正弦波作为载频进行幅度调制的字符串，码元速率为100p/s，码元采用BCD编码，帧数据包括年、天、时、分、秒及控制信息。IRIG-B可采用普通的双绞线在楼内传输及在模拟电话网上进行远距离传输。

2．DCLS，通过对IRIG码的调制获取一种可以等效于IRIG数据帧的调制码。帧定义、精度与IRIG-B完全相同。DCLS技术可适用于双绞线局内传输。

3．NTP(网络时间协议，Network Time Protocol)，是基于TCP/IP的一种时间传递协议。NTP在网络间传送普遍采用NTP客户机/服务器方式。对将与NTP的时间服务器建立起联系的其他时间服务器的IP地址预设在NTP的时间服务器上，通过IP网传递时间信息。每分钟最多一个数据包即可将2台机器同步至毫秒量级。

4．ACTS协议，由美国NITS开发。原理为客户端通过Modem+电话网方式建立联系后，通过一定的协议，客户端可以收到时间信息。

5．IPPS，即秒脉冲信号，通常用来作频率同步的核准，精度为100 ns，采用同轴电缆连接，传输距离一般为数百米。

2 铁路时间同步网规划

铁路时间同步网主要由GPS/北斗卫星接收系统、母钟系统、时间显示设备、时间同步网管系统、传输通道组成。

2.1 系统功能

铁路时间同步网为铁路运输各业务时钟系统提供统一标准时间信号，使各业务系统时钟设备有统一的时间信号，保证铁路运输业务时钟系统的正常运行。其中为铁路调度员、车站值班员、各相关部门人员、车站乘客提供统一的基准时间信息。

时间同步网应具备时间输入、时间输出、时间调控、人工或自动校时、自检功能及网络集中监控管理、时延补偿等基本功能，并能通过 NTP、IRIG-B、IPPS等传递方式获取时间，也可以配备GPS设备/北斗卫星定位系统获取时间信息。

时间同步网设备应配备晶体钟，能跟踪时间输入信号，具有保持功能;设置准确对比门限值参数，在故障情况下对主、备用时间源进行自动切换;设置时间分配单元，能提供多种时间信号输出接口。

2.2 网络结构

铁路时间同步网采用主从同步组网方式。铁路时间同步网分为三级，在铁道部调度中心设置一级时间同步设备;各路局调度所和各客专调度所设置二级节点，采用二级时间同步设备;在车站、段所设置三级节点，采用三级时间同步设备。

一级时间同步设备，接收卫星的标准时间信号并校正自身时间，主用时间输入为GPS，备用时间输入为北斗卫星系统和地面频率同步网PRC同步信号。当接收不到标准时间时，一级时间同步设备采用自身的时钟进行守时。一级时间同步设备向二级时间同步设备、铁道部的铁路运输各业务系统、所在地的时间显示设备提供时间同步信号。

二级时间同步设备，主用时间为来自铁道部的一级时间同步信号，备用时间采用GPS。当接收不到时间同步信号时，二级时间同步设备采用自身的时钟进行守时。二级时间同步设备向三级时间同步设备、设置在铁路局/客专调度所内的铁路运输各业务系统、所在地的时间显示设备提供时间同步信号。

三级时间同步设备，主用信号引接二级时间同步信号，备用采用自身的时钟进行守时。三级时间同步设备向所在地的车站、段、所的铁路运输各业务系统、时间显示设备提供时间同步信号。

3 铁路时间同步网优化

3.1 现有铁路时间同步网存在的问题

1．各级时间同步网互联互通中的问题。各铁路局/客专调度所二级时间同步设备尚未与设置在铁道部调度中心的一级时间同步设备互联。部分车站/段所内设置的三级时间同步设备在具备与二级时间设备互联的通道条件情况下，仍未与设置在铁路局/客专调度所的二级时间同步设备互联。

2．二级、三级时间同步设备自身时钟设置不统一。铁道部相关要求二级时间同步设备中时钟的频率准确度为±1×10－8/年，三级时间同步设备中时钟的频率准确度为±1×10－7/年，实际应用中部分二级时间同步时钟设备采用铷原子钟或高稳晶体振荡器，部分三级时间同步时钟设备采用普通晶体振荡器或高稳晶体振荡器，致使部分二级时间节点性能超标，部分三级时间节点性能达不到要求。

3．二级、三级时间同步设备引接方式不统一。各铁路局二级时间同步设备未采用来自一级时间同步网的时间信号，仍按照二级时间服务器从GPS卫星获得时间信号作为主用信号，自身时钟设备作为备用信号。部分三级时间同步设备，在有条件情况下仍未接入来自二级时间信号，采用GPS设备作为主用时间信号，自身时钟为备用信号;一些三级时间同步设备未设置自身时钟，而仅用GPS设备取代;部分三级时间同步设备不但设有GPS设备，还设有自身时钟设备。虽然铁道部有关要求可采用集中和分散引接的方式，但实际上各铁路局、各铁路公司根据各自想法，在二、三级时间节点采用多种引接方式，导致设置方式既繁杂又不统一。

综上所述，各级时间节点设备配置、引接方式未能合理统一，方式、方法较为繁杂，各专业间未有明确规划，不仅不利于使用维护，而且对今后逐步扩张的铁路线网中各级时间信号的统一将造成人为缺陷。

3.2 铁路时间同步网优化方案

根据时间同步网的要求以及时间同步网存在的问题，可采用图1方式对铁路时间同步网进行组网优化。

铁路时间同步网采用三级组网模式，一级时间同步网与铁道部规划的时间同步网一致;考虑到安全性问题，一级时间服务器不直接向铁路全网提供时间同步服务，而是输出DCLS时间信号或NTP时间信号到二级时间服务器，由二级时间服务器向网上各业务设备提供时间同步服务。

二级节点时间同步设备，跟踪一级时间同步设备输出的DCLS时间信号或NTP时间信号，作为主用时间信号源，在各铁路局/客专调度所内设置二级时间同步设备，即二级母钟及时间信号分配设备NTP各1套，完成时间同步信号的分配，同时利用各局已有的GPS设备作为时间同步备用信号源。对于运输专业系统中心服务器 (设置在铁路局/调度所所在地的节点)，如信号CTC系统、电力电气化SCADA系统、信息系统等，通过NTP时间同步协议服务器与各专业系统互连提供时间信号，而各业务网通过本业务系统 (由通信提供通道)提供各下层接入业务时间信号。

三级时间同步节点，若仅为信息专业提供时间同步信号，二、三级时间同步设备之间采用专线链路时间信号，引接二级时间同步信号至车站/段所通信机房，由信息专业配置时钟设备作为自身守时备用，为车站信息设备提供时间同步主信号源。通过中心设置在二级同步时间设备所在地的信息系统服务器，输入NTP时间同步信号，为本信息系统提供备用时间同步信号源 (通信专业提供IP网络通道)。

图1 铁路时间同步网进行组网优化方式

三级时间同步节点，既要为本车站/段所及运输业务各系统提供时间同步信号，又要为相邻/相近车站、运输业务系统分中心提供同步信号的节点，可定义为三级时间节点区域枢纽站，以运输业务系统分中心所在地为设置原则;在此区域枢纽站设置NTP时间同步协议服务器，二、三级时间同步设备通过DCLS时间信号和NTP时间信号互联，作为主时间同步信号源;在此站设置高精度时钟源作为自身时钟守时信号，即备用时间同步信号源(选配GPS设备);对于区域枢纽站的相邻/相近车站及运输业务系统分中心，采用NTP协议或DCLS专线方式，引接时间同步主用信号源，备用信号源采用自身守时时钟作为备用 (信息自配)。

从安全角度考虑，建议至少配置2个一级服务器，而且分布在地理位置分开的2个局点，下级服务器同时跟踪这2个服务器。主用服务器的选定、主备用切换机制可由用户设定。主备用服务器切换过程中，二级服务器将进入保持状态，400s后重新进入跟踪状态，对网络性能没有影响。

本文根据铁路时间同步网的规划及现有状况，对现有网络存在问题进行分析，并提出优化方案，希望对铁路同步网的完善有所裨益。

［1］徐荣，李允博，周志平．中国移动通信有限公司．QB－J－028－2008．中国移动业务支撑网时间同步网技术规范［S］．2008．

［2］中华人民共和国铁道部．铁基通信［2008］599号．关于印发《铁路时间同步网技术条件(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

王治强：铁道第四勘察设计院集团有限公司 工程师 430063武汉

2012-12-20

(责任编辑：诸 红)