無線CBTC信號系統(tǒng)時間同步機制分析

趙曉峰

（上海貝爾股份有限公司，上海 201203）

城市軌道交通中的無線CBTC信號系統(tǒng)是控制列車運行，保證列車運行安全的大型復(fù)雜實時控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時性的特點不僅要求信號系統(tǒng)與外部時鐘源進行時間同步，而且要求信號系統(tǒng)自身各個子系統(tǒng)之間及其內(nèi)部也進行時間同步。此外，信號系統(tǒng)還會作為其他外部系統(tǒng)的時鐘源。

1 無線CBTC信號系統(tǒng)的外部時鐘源

城市軌道交通已經(jīng)進入網(wǎng)絡(luò)化時代，整個城市所有線路的機電系統(tǒng)往往采用統(tǒng)一的時鐘源，下面以上海軌道交通為例進行說明。

上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一時鐘源是上層網(wǎng)絡(luò)時間系統(tǒng)，主要包括一級時間服務(wù)器、二級時間服務(wù)器、GPS接收機、網(wǎng)管設(shè)備和交換機。

一級時間服務(wù)器提供的時間稱為上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的“網(wǎng)絡(luò)中心時間”，該網(wǎng)絡(luò)中心時間由各個時間源設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）申請校時的方式逐級分發(fā)，以達到全網(wǎng)時間與網(wǎng)絡(luò)中心時間同步的目標。

二級時間服務(wù)器設(shè)置在各個線路的控制中心內(nèi)，通過NTP協(xié)議與一級時間服務(wù)器進行時間同步。

各個線路的無線CBTC信號系統(tǒng)則是從本線路的二級時間服務(wù)器獲取時間同步信息，具體有兩種實現(xiàn)方式：1）利用時鐘源主機的Windows、UNIX操作系統(tǒng)自帶的NTP服務(wù)程序，進行時間同步；2）在時鐘源主機的Windows、Linux或UNIX操作系統(tǒng)上，安裝自主開發(fā)的客戶端軟件或第三方客戶端軟件，啟動NTP客戶端軟件，從而實現(xiàn)時間同步。

無線CBTC信號系統(tǒng)采取有條件同步，當(dāng)有時間突變發(fā)生時，時鐘源主機按照預(yù)先制定的同步規(guī)則進行同步；當(dāng)沒有時間突變發(fā)生時，時鐘源主機必須與二級時間服務(wù)器同步。

2 無線CBTC信號系統(tǒng)時間同步機制分析

在接收到網(wǎng)絡(luò)中心時間后，無線CBTC信號系統(tǒng)會在內(nèi)部各個子系統(tǒng)進行時間同步。按照功能來劃分，無線CBTC信號系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)控（ATS）、區(qū)域控制器(ZC）、聯(lián)鎖、車載控制器（VOBC）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）、維護等子系統(tǒng)。ATS主要實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)督和控制[1]；ZC是用于計算和生成移動授權(quán)的地面安全子系統(tǒng)，每個區(qū)域只有1套ZC，這里的區(qū)域是指若干連續(xù)的車站及線路，通常一條線路會劃分為若干個區(qū)域；聯(lián)鎖是實現(xiàn)了與軌旁信號設(shè)備的控制接口，并為后備模式提供進路控制功能的地面安全子系統(tǒng)，每個區(qū)域只有1套聯(lián)鎖，與ZC配合工作；VOBC是根據(jù)軌旁生成的移動授權(quán)控制列車運行的車載安全子系統(tǒng)，每列列車只有1套VOBC；DCS為無線CBTC系統(tǒng)提供了基于因特網(wǎng)協(xié)議（IP）的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；維護子系統(tǒng)主要用于收集和存儲系統(tǒng)中各類設(shè)備日志以及各個子系統(tǒng)之間的通信報文等。不同的子系統(tǒng)與內(nèi)部時鐘源的時間同步方式是不同的。

2.1 無線CBTC信號系統(tǒng)的內(nèi)部時鐘源

如圖1所示，無線CBTC信號系統(tǒng)的內(nèi)部時鐘源是ATS子系統(tǒng)的中心服務(wù)器1和2。這兩個服務(wù)器均安裝了用于時間同步的第三方軟件NTPD Daemon，該軟件采用NTP v3協(xié)議。NTP用于將計算機客戶或服務(wù)器的時間同步到另一服務(wù)器或參考時鐘源[2]。中心服務(wù)器1和2每隔10 min分別向上層網(wǎng)絡(luò)時間系統(tǒng)申請一次校時，如果網(wǎng)絡(luò)中心時間與中心服務(wù)器的時間差在50 ms以內(nèi)，中心服務(wù)器接受上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的授時，超出該門限值時，中心服務(wù)器則使用本地時間。

中心服務(wù)器1是主用內(nèi)部時鐘源，系統(tǒng)內(nèi)部申請校時均首選中心服務(wù)器1，中心服務(wù)器2是備用內(nèi)部時鐘源，當(dāng)主用內(nèi)部時鐘源沒有響應(yīng)時，備用時鐘源會起作用。中心服務(wù)器1和2分別向?qū)Ψ缴暾埿r，以確保作為內(nèi)部時鐘源的時間一致性。

2.2 ATS子系統(tǒng)的時間同步

如圖2所示，ATS子系統(tǒng)是一個分布式控制系統(tǒng)，按照地域來劃分，包括控制中心的中心服務(wù)器1/2、中心ATS工作站1/2/3、大屏服務(wù)器，區(qū)域的車站ATS工作站1/2，以及軌旁的發(fā)車倒計時器。除了發(fā)車倒計時器，ATS子系統(tǒng)設(shè)備均是基于Windows操作系統(tǒng)的通用計算機設(shè)備，因此也采用了NTPD Daemon軟件。

位于控制中心的設(shè)備通過控制中心的局域網(wǎng)，向中心服務(wù)器1和2申請校時，在獲得授時后，中心ATS工作站和大屏服務(wù)器就可以向操作員提供統(tǒng)一的系統(tǒng)時間。備份服務(wù)器獲得授時后，還會作為維護子系統(tǒng)的時鐘源。

位于區(qū)域的設(shè)備通過區(qū)域的局域網(wǎng)和DCS骨干網(wǎng)，向中心服務(wù)器1和2申請授時，從而確保區(qū)域ATS和中心ATS的人機界面上使用一致的時間。

發(fā)車倒計時器位于站臺，每個車站有4架，用于向列車司機指示停站信息，包括停站時間、扣車、跳停等。發(fā)車倒計時與中心服務(wù)器的通信采用UDP/IP協(xié)議，其時間同步機制是通過自行開發(fā)的應(yīng)用數(shù)據(jù)通信協(xié)議來實現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)車倒計時器有顯示內(nèi)容時，中心服務(wù)器每秒鐘發(fā)送一次顯示信息；當(dāng)發(fā)車倒計時器無顯示內(nèi)容時，中心服務(wù)器每分鐘發(fā)送一次關(guān)閉顯示命令。

2.3 安全子系統(tǒng)的時間同步

如圖3所示，安全子系統(tǒng)的時鐘源也是ATS的中心服務(wù)器1和2，其時間同步機制是基于UDP/IP的專用通信協(xié)議。在這個協(xié)議中，各個子系統(tǒng)之間會傳送時間信息，包括年、月、日、時、分、秒、毫秒。

如表1所示，通信發(fā)起者是指進行通信的兩個子系統(tǒng)中發(fā)起通信握手的一方；通信保持者是指進行通信的兩個子系統(tǒng)中發(fā)送輪詢信息的一方。輪詢周期是指通信保持者向通信發(fā)起者發(fā)送固定格式的信息的時間間隔。超時是指通信中的一方收不到另一方信息的最長時間，超過這個時間通信連接就會中斷。

表1 安全子系統(tǒng)校時分析

ZC、聯(lián)鎖、VOBC都需要接受ATS的授時，同一區(qū)域的ZC和聯(lián)鎖之間需要相互校時，相鄰區(qū)域的ZC之間也需要相互校時，ZC和VOBC之間同樣需要相互校時。

此外，VOBC還會發(fā)送時間信息到所在列車的司機顯示單元，包括停站時間、系統(tǒng)時間等。

2.4 DCS子系統(tǒng)的時間同步

如圖4所示，DCS是一個包含多種網(wǎng)絡(luò)的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在控制中心、區(qū)域和列車有局域網(wǎng)，在軌旁有骨干網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。

控制中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有中心骨干網(wǎng)交換機、中心安全網(wǎng)關(guān)、中心局域網(wǎng)交換機、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器和中心防火墻。區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有車站骨干網(wǎng)交換機、車站安全網(wǎng)關(guān)、車站局域網(wǎng)交換機。軌旁的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有軌旁無線單元。列車的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有車載無線單元和車載安全網(wǎng)關(guān)。

中心和車站骨干網(wǎng)交換機、中心和車站局域網(wǎng)交換機、軌旁和車載無線單元，以及中心防火墻均使用其固件自帶的SNTP協(xié)議與中心服務(wù)器校時；中心、車站和車載安全網(wǎng)關(guān)則使用Linux操作系統(tǒng)自帶的SNTP軟件進行校時；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器則安裝了NTPD Deamon軟件。

除了安全網(wǎng)關(guān)，其他設(shè)備的校時間隔均是10 min，安全網(wǎng)關(guān)涉及無線CBTC信號系統(tǒng)的實時安全通信，其校時間隔相對較短。

2.5 維護子系統(tǒng)的時間同步

如圖5所示，維護子系統(tǒng)主要設(shè)備有備份服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)記錄器。備份服務(wù)器用于儲存無線CBTC信號系統(tǒng)中的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)日志，其時間同步機制是通過安裝第三方軟件——TARDIS與中心服務(wù)器進行校時，校時間隔也是10 min，維護子系統(tǒng)的實時性要求相對不高，所以時間校準的門限值較大，是100 ms。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器1和2則采用Windows操作系統(tǒng)自帶的Windows Time Protocol服務(wù)進行校時。位于中心和區(qū)域的數(shù)據(jù)記錄器則使用NTPD Daemon軟件進行校時。

3 無線CBTC信號系統(tǒng)時鐘對外部系統(tǒng)的影響

無線CBTC信號系統(tǒng)在控制中心會向乘客廣播系統(tǒng)(PAS) /乘客導(dǎo)向系統(tǒng)(PIDS)發(fā)送每個站臺的預(yù)計到達列車的到點和發(fā)點。由于信號系統(tǒng)和PAS/PIDS系統(tǒng)是分別向上層網(wǎng)絡(luò)時間系統(tǒng)申請校時的，所以當(dāng)有一方與網(wǎng)絡(luò)中心時間不一致時，就會導(dǎo)致PAS/PIDS在站臺上不能預(yù)報列車到站時間信息，給廣大候車乘客造成列車提前進站的假象。

此外，無線CBTC信號系統(tǒng)在列車上也會向外部系統(tǒng)——車輛的列車綜合管理系統(tǒng)(TIMS)發(fā)送當(dāng)前列車預(yù)計到達下一個站臺的時間信息，由于車輛TIMS只能與信號系統(tǒng)校時，因此當(dāng)兩個系統(tǒng)時間不一致時，會造成列車廣播系統(tǒng)誤報，從而給乘客造成不便。

4 結(jié)語

時間同步機制是城市軌道交通系統(tǒng)正常運行的重要基礎(chǔ)保障之一，對保證整個軌道交通系統(tǒng)的暢通和所有線路上設(shè)備的正常運行與維護具有極其重要的意義。[3]

無線CBTC信號系統(tǒng)的時間同步機制不僅為信號系統(tǒng)的實時安全控制提供統(tǒng)一的時間基準，而且也為信號系統(tǒng)內(nèi)部及整個城市軌道交通弱電系統(tǒng)的維護提供了關(guān)鍵的時間基準。在此基礎(chǔ)上不斷改進時間同步機制的性能，將為乘客提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

[1] 林瑜筠．城市軌道交通信號[M]．北京：中國鐵道出版社，2009．

[2] 謝華．基于GPS信號和NTP協(xié)議的本地時間同步網(wǎng)絡(luò)[J]．工業(yè)控制計算機，2010(6)：75-76．

[3] 王虹，施懌棟，邢濤．城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化探索與實踐[C]//城市軌道交通中的時間同步機制研究．北京：人民出版社，2010：106-110．