上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)優(yōu)化研究

王清嬋

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

時間系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)行的重要組成部分。該系統(tǒng)的關(guān)鍵作用是為乘客及工作人員提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間，并為其余系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，使其余系統(tǒng)的定時設(shè)備與該系統(tǒng)同步，從而實(shí)現(xiàn)時間的統(tǒng)一。

1 上海城市軌道交通時間系統(tǒng)簡介

上海城市軌道交通線路的時間系統(tǒng)通過上層網(wǎng)絡(luò)時間系統(tǒng)獲取時間，并將時間實(shí)時發(fā)送至在站廳、車控室、辦公區(qū)等區(qū)域的子鐘設(shè)備上，以提供時間顯示功能。上海城市軌道交通的時間系統(tǒng)基于采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)實(shí)現(xiàn)各弱電系統(tǒng)之間的時間同步。由一級時間服務(wù)器提供的NTP時間，通過各二級時間服務(wù)器以NTP申請校時的方式進(jìn)行逐級分發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市軌道交通全網(wǎng)絡(luò)時間同步的目標(biāo)。NTP時間同步網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理著整個城市軌道交通各弱電系統(tǒng)的時間同步。

2 上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

時間系統(tǒng)為各子系統(tǒng)、各弱電系統(tǒng)提供校時服務(wù)，為乘客提供標(biāo)準(zhǔn)的時間信息，為行車組織提供統(tǒng)一的時間源。截至2020年12月，上海城市軌道交通開通的運(yùn)行線路數(shù)為15條，共計(jì)483個車站。在這樣一個超大規(guī)模的城市軌道交通線網(wǎng)中，時間系統(tǒng)為上海城市軌道交通安全、有序的運(yùn)行發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。目前，上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)包含一級母鐘設(shè)備15套、二級母鐘設(shè)備417套、子鐘3 341臺;具體分布情況如表1所示。

表1 上海城市軌道交通線路時間同步設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

隨著開通線路數(shù)的增加，線路級時間系統(tǒng)設(shè)備的體量也在快速增長。目前上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)面臨著巨大壓力，這主要來源于兩方面：一方面是技術(shù)的快速發(fā)展，不同GPS(全球定位系統(tǒng))接收設(shè)備的工作機(jī)制存在差異，導(dǎo)致其所提供的時間也存在著部分?jǐn)?shù)據(jù)差異；另一方面是各弱電系統(tǒng)設(shè)備老化或故障導(dǎo)致時間同步機(jī)制不夠健全。如表2所示，上述兩方面的因素疊加后導(dǎo)致各線路的時間顯示差異、時間記錄不同步等現(xiàn)象頻發(fā)，時間系統(tǒng)設(shè)備故障數(shù)量也呈明顯上升趨勢。圖1為2015—2020年上海城市軌道交通各線路時間系統(tǒng)設(shè)備故障累計(jì)總數(shù)的占比情況，早期開通運(yùn)營的線路時間系統(tǒng)出現(xiàn)的問題尤為明顯。

從表2的故障數(shù)據(jù)中可以看出：2015—2020年，時鐘系統(tǒng)線路故障率大幅度增長，二級母鐘設(shè)備的故障數(shù)量最高、存在的問題最大。二級母鐘設(shè)備的故障對子鐘設(shè)備會產(chǎn)生直接影響，因而導(dǎo)致子鐘設(shè)備的故障率也居高不下。對具體線路進(jìn)行分析，如圖1所示，1號線、2號線、3號線、4號線、5號線、6號線、7號線、8號線、9號線的故障占比明顯高于其他線路。其主要原因是這些線路均在2009年前開通，線路級時間系統(tǒng)均未經(jīng)歷大修更新改造，由此引發(fā)設(shè)備老化嚴(yán)重、部分備品備件停產(chǎn)、替代產(chǎn)品無法完全兼容老舊系統(tǒng)等問題。

表2 上海城市軌道交通線網(wǎng)線路級時間同步設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)表

圖1 上海城市軌道交通線網(wǎng)線路級時間同步設(shè)備故障趨勢圖(2015—2020年)

線路級時間系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的老化、系統(tǒng)的超期服役、時間同步機(jī)制的不健全，其后果不僅是增加了設(shè)備的故障數(shù)量，還會給城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)行和管理帶來安全隱患。時間系統(tǒng)故障對運(yùn)營調(diào)度指揮、故障的處置和信息的準(zhǔn)確發(fā)布都有著極大的影響。因此，提高城市軌道交通全網(wǎng)絡(luò)的高精度時間同步、完善線路級時間系統(tǒng)功能已勢在必行。

3 線路級時間系統(tǒng)的優(yōu)化研究

隨著上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快、加深，既有的時間系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足上海城市軌道交通日益增長的時間同步需求。同時，時間系統(tǒng)自身的不足也限制了其他線網(wǎng)級系統(tǒng)業(yè)務(wù)的接入及功能實(shí)現(xiàn)，且存在較大的安全隱患。因此，本文結(jié)合上海城市軌道交通時間系統(tǒng)的現(xiàn)狀及架構(gòu)，以優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)功能為目標(biāo)，對上海城市軌道交通的線路級時間系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，以期為后續(xù)的新線建設(shè)和舊線改造提供一定的指導(dǎo)。

3.1 時間系統(tǒng)的既有架構(gòu)

如圖2所示，目前上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)主要包含以下3類設(shè)備：

1) 弱電系統(tǒng)用于時間同步的系統(tǒng)主機(jī)。該設(shè)備是弱電系統(tǒng)唯一從二級時間服務(wù)器獲取時間的設(shè)備，一般設(shè)置于各線路的運(yùn)營控制中心或相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)上層中心。該系統(tǒng)主機(jī)用于向本地的二級時間服務(wù)器申請校時，并以NTP方式向弱電系統(tǒng)設(shè)置于運(yùn)營控制中心的其他時間同步設(shè)備及設(shè)置于車站的時間同步主機(jī)授時。當(dāng)該系統(tǒng)主機(jī)的上級時間源失效時，可通過系統(tǒng)自身的GPS獲取時間(若有)，或通過自身內(nèi)部時鐘自走時。

2) 弱電系統(tǒng)的車站時間同步主機(jī)。該設(shè)備是弱電系統(tǒng)設(shè)置于車站、車場用于時間同步的設(shè)備，用來向設(shè)于運(yùn)營控制中心的系統(tǒng)主機(jī)申請校時，并向弱電系統(tǒng)設(shè)在該站或車場的其他設(shè)備授時。當(dāng)該設(shè)備跟蹤的時間源失效時，應(yīng)通過自身內(nèi)部時鐘自走時。

3) 弱電系統(tǒng)的車站時間同步從機(jī)。該設(shè)備位于運(yùn)營控制中心、車站、車場中，可從各自主機(jī)獲取時間。當(dāng)該設(shè)備跟蹤的時間源失效時，應(yīng)通過自身內(nèi)部時鐘自走時。

注：TCP——傳輸控制協(xié)議；IP——互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

從廣義上來看，這3類設(shè)備分別對應(yīng)一級母鐘、二級母鐘及子鐘設(shè)備。線路級時間系統(tǒng)由一級母鐘向二級母鐘授時，二級母鐘再向子鐘授時。當(dāng)跟蹤的時間源失效時，各設(shè)備依靠自身精度和穩(wěn)定度為下級設(shè)備授時或獨(dú)立運(yùn)行。

3.2 時間系統(tǒng)的優(yōu)化方案

結(jié)合目前時間系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)，故障主要集中于弱電系統(tǒng)的車站時間同步主機(jī)層。此外，上述3類設(shè)備的功能單一，重復(fù)功能較多。因此，刪去弱電系統(tǒng)的車站時間同步主機(jī)這一層級設(shè)備，可優(yōu)化時間系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖3所示。利用既有傳輸端口、時間系統(tǒng)主機(jī)端口，通過新增交換機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)車站的時間同步從機(jī)直接與系統(tǒng)主機(jī)申請校時。與此同時，利用一系列在線監(jiān)測手段降低校時偏差，從而能夠更快、更好、更有效地實(shí)現(xiàn)時間同步機(jī)制，提升時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障業(yè)務(wù)質(zhì)量。

圖3 優(yōu)化的城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

刪去弱電系統(tǒng)車站時間同步主機(jī)層不僅減少了設(shè)備的層次和數(shù)量，還對原系統(tǒng)的校時方式和設(shè)備類型提出了新的要求。為了保證時間系統(tǒng)功能，線路級時間設(shè)備應(yīng)至少具備以下功能：

1) 應(yīng)滿足上海申通地鐵集團(tuán)有限公司編制的企業(yè)規(guī)范《網(wǎng)絡(luò)中心時間同步系統(tǒng)的建設(shè)指導(dǎo)意見》中對系統(tǒng)機(jī)制、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)網(wǎng)管、系統(tǒng)性能等方面的技術(shù)要求。

2) 利用NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)各主機(jī)向從機(jī)授時的功能，并進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3) 應(yīng)具備獨(dú)立的高自走時精度和高頻率穩(wěn)定度。當(dāng)時間源丟失時，各設(shè)備可以完全依靠自身精度和穩(wěn)定度為下級設(shè)備授時或獨(dú)立運(yùn)行，同時立即向時間系統(tǒng)網(wǎng)管發(fā)出告警信息。

4) 需支持通過人工調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)時間同步。

3.3 優(yōu)化方案的預(yù)期成效

對線路級時間系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不論是新線建設(shè)還是舊線改造，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益都是顯而易見的：一方面是設(shè)備費(fèi)用的降低，優(yōu)化后設(shè)施設(shè)備所產(chǎn)生的采購費(fèi)用、運(yùn)營成本、維護(hù)維修費(fèi)用等均有所減少；另一方面是用人成本的降低，優(yōu)化后設(shè)備的故障數(shù)量將大為減少，可在一定程度上減少設(shè)備安裝、巡檢、維護(hù)維修所產(chǎn)生的工時，進(jìn)而提升工時效率。

3.3.1 建設(shè)成本降低

傳統(tǒng)架構(gòu)下的線路級時間系統(tǒng)至少包含以下設(shè)備：①一級母鐘設(shè)備，主要包括工作板(主備)、子鐘接口板、電源板、網(wǎng)管板、校時接口模塊、其他系統(tǒng)接口模塊、NTP接口板等；②二級母鐘設(shè)備，主要包括NTP接口板、電源板、工作板(主備)、子鐘接口板、NTP接口板、網(wǎng)管板、校時接口模塊、其他系統(tǒng)接口模塊等；③子鐘設(shè)備，主要包括單面/雙面指針式子鐘機(jī)芯、單面/雙面指針式子鐘信號板、數(shù)字式子鐘信號板/顯示板、(子鐘)電源、標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收單元、數(shù)字式日歷子鐘信號板/顯示板等。

對線路級時間系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，利用傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一級母鐘設(shè)備與子鐘設(shè)備的授時/取時，以實(shí)現(xiàn)時間同步。優(yōu)化后的整套設(shè)備覆蓋了各弱電系統(tǒng)及各車站時間主機(jī)所需功能，時間系統(tǒng)設(shè)備僅需15套一級母鐘設(shè)備、417臺新增交換機(jī)設(shè)備以及3 341臺子鐘設(shè)備，減少了417套二級母鐘設(shè)備。硬件的集中部署及設(shè)施設(shè)備數(shù)量的大幅度減少，在一定程度上節(jié)省了二級母鐘設(shè)備的初期硬件建設(shè)成本。除此之外，機(jī)房的空間、物資能耗也隨之減少，進(jìn)而大大地節(jié)省了投資和運(yùn)營成本。

3.3.2 設(shè)備的故障數(shù)量減少

由表2可知，在采用傳統(tǒng)的時間系統(tǒng)架構(gòu)下，2020年上海城市軌道交通線網(wǎng)的二級母鐘設(shè)備故障最多，其故障數(shù)為69起，故障占比為56.56%。對時間系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，由于不再設(shè)置二級母鐘設(shè)備，時間系統(tǒng)故障中直接減少了二級母鐘故障，因而設(shè)施設(shè)備的年度故障總數(shù)將會明顯減少。

3.3.3 設(shè)備維護(hù)成本降低

在既有時間系統(tǒng)架構(gòu)中累積使用417套二級母鐘設(shè)備，其中包括各弱電系統(tǒng)時間從機(jī)、各車站時間主機(jī)。優(yōu)化后整個線網(wǎng)可以節(jié)省二級母鐘設(shè)備備品備件的采購及維修費(fèi)用；能減少對二級母鐘設(shè)備維護(hù)的人員配置,進(jìn)一步降低維護(hù)用工成本。

4 結(jié)語

本文對上海城市軌道交通線路級時間系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，對于提升時間系統(tǒng)的功能、降低時間系統(tǒng)設(shè)備的故障率、減少設(shè)備運(yùn)維成本等方面有明顯的收效。優(yōu)化后的城市軌道交通時間系統(tǒng)完善了時間同步機(jī)制，為通信、信號、信息、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間，為整個城市軌道交通的智能化發(fā)展建設(shè)打下更扎實(shí)的基礎(chǔ)。