上海城市軌道交通線路級時間系統優化研究

王清嬋

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

時間系統是城市軌道交通運行的重要組成部分。該系統的關鍵作用是為乘客及工作人員提供統一的標準時間，并為其余系統提供統一的標準時間信號，使其余系統的定時設備與該系統同步，從而實現時間的統一。

1 上海城市軌道交通時間系統簡介

上海城市軌道交通線路的時間系統通過上層網絡時間系統獲取時間，并將時間實時發送至在站廳、車控室、辦公區等區域的子鐘設備上，以提供時間顯示功能。上海城市軌道交通的時間系統基于采用NTP(網絡時間協議)實現各弱電系統之間的時間同步。由一級時間服務器提供的NTP時間，通過各二級時間服務器以NTP申請校時的方式進行逐級分發，進而實現城市軌道交通全網絡時間同步的目標。NTP時間同步網絡統一管理著整個城市軌道交通各弱電系統的時間同步。

2 上海城市軌道交通線路級時間系統現狀分析

時間系統為各子系統、各弱電系統提供校時服務，為乘客提供標準的時間信息，為行車組織提供統一的時間源。截至2020年12月，上海城市軌道交通開通的運行線路數為15條，共計483個車站。在這樣一個超大規模的城市軌道交通線網中，時間系統為上海城市軌道交通安全、有序的運行發揮了至關重要的作用。目前，上海城市軌道交通線路級時間系統包含一級母鐘設備15套、二級母鐘設備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備數量統計表

隨著開通線路數的增加，線路級時間系統設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面臨著巨大壓力，這主要來源于兩方面：一方面是技術的快速發展，不同GPS(全球定位系統)接收設備的工作機制存在差異，導致其所提供的時間也存在著部分數據差異；另一方面是各弱電系統設備老化或故障導致時間同步機制不夠健全。如表2所示，上述兩方面的因素疊加后導致各線路的時間顯示差異、時間記錄不同步等現象頻發，時間系統設備故障數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設備故障累計總數的占比情況，早期開通運營的線路時間系統出現的問題尤為明顯。

從表2的故障數據中可以看出：2015—2020年，時鐘系統線路故障率大幅度增長，二級母鐘設備的故障數量最高、存在的問題最大。二級母鐘設備的故障對子鐘設備會產生直接影響，因而導致子鐘設備的故障率也居高不下。對具體線路進行分析，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，線路級時間系統均未經歷大修更新改造，由此引發設備老化嚴重、部分備品備件停產、替代產品無法完全兼容老舊系統等問題。

表2 上海城市軌道交通線網線路級時間同步設備故障統計表

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

線路級時間系統設施設備的老化、系統的超期服役、時間同步機制的不健全，其后果不僅是增加了設備的故障數量，還會給城市軌道交通網絡化的運行和管理帶來安全隱患。時間系統故障對運營調度指揮、故障的處置和信息的準確發布都有著極大的影響。因此，提高城市軌道交通全網絡的高精度時間同步、完善線路級時間系統功能已勢在必行。

3 線路級時間系統的優化研究

隨著上海城市軌道交通網絡化進程的加快、加深，既有的時間系統已經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，時間系統自身的不足也限制了其他線網級系統業務的接入及功能實現，且存在較大的安全隱患。因此，本文結合上海城市軌道交通時間系統的現狀及架構，以優化系統結構、完善系統功能為目標，對上海城市軌道交通的線路級時間系統進行優化研究，以期為后續的新線建設和舊線改造提供一定的指導。

3.1 時間系統的既有架構

如圖2所示，目前上海城市軌道交通線路級時間系統主要包含以下3類設備：

1) 弱電系統用于時間同步的系統主機。該設備是弱電系統唯一從二級時間服務器獲取時間的設備，一般設置于各線路的運營控制中心或相關的網絡上層中心。該系統主機用于向本地的二級時間服務器申請校時，并以NTP方式向弱電系統設置于運營控制中心的其他時間同步設備及設置于車站的時間同步主機授時。當該系統主機的上級時間源失效時，可通過系統自身的GPS獲取時間(若有)，或通過自身內部時鐘自走時。

2) 弱電系統的車站時間同步主機。該設備是弱電系統設置于車站、車場用于時間同步的設備，用來向設于運營控制中心的系統主機申請校時，并向弱電系統設在該站或車場的其他設備授時。當該設備跟蹤的時間源失效時，應通過自身內部時鐘自走時。

3) 弱電系統的車站時間同步從機。該設備位于運營控制中心、車站、車場中，可從各自主機獲取時間。當該設備跟蹤的時間源失效時，應通過自身內部時鐘自走時。

注：TCP——傳輸控制協議；IP——互聯網協議。

從廣義上來看，這3類設備分別對應一級母鐘、二級母鐘及子鐘設備。線路級時間系統由一級母鐘向二級母鐘授時，二級母鐘再向子鐘授時。當跟蹤的時間源失效時，各設備依靠自身精度和穩定度為下級設備授時或獨立運行。

3.2 時間系統的優化方案

結合目前時間系統設施設備的狀態，故障主要集中于弱電系統的車站時間同步主機層。此外，上述3類設備的功能單一，重復功能較多。因此，刪去弱電系統的車站時間同步主機這一層級設備，可優化時間系統的架構，如圖3所示。利用既有傳輸端口、時間系統主機端口，通過新增交換機的方式來實現車站的時間同步從機直接與系統主機申請校時。與此同時，利用一系列在線監測手段降低校時偏差，從而能夠更快、更好、更有效地實現時間同步機制，提升時間系統的穩定性，保障業務質量。

圖3 優化的城市軌道交通線路級時間系統架構示意圖

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

1) 應滿足上海申通地鐵集團有限公司編制的企業規范《網絡中心時間同步系統的建設指導意見》中對系統機制、系統配置、系統網管、系統性能等方面的技術要求。

2) 利用NTP協議實現各主機向從機授時的功能，并進行統一管理。

3) 應具備獨立的高自走時精度和高頻率穩定度。當時間源丟失時，各設備可以完全依靠自身精度和穩定度為下級設備授時或獨立運行，同時立即向時間系統網管發出告警信息。

4) 需支持通過人工調整的方式實現時間同步。

3.3 優化方案的預期成效

對線路級時間系統架構進行優化，不論是新線建設還是舊線改造，其所產生的經濟效益都是顯而易見的：一方面是設備費用的降低，優化后設施設備所產生的采購費用、運營成本、維護維修費用等均有所減少；另一方面是用人成本的降低，優化后設備的故障數量將大為減少，可在一定程度上減少設備安裝、巡檢、維護維修所產生的工時，進而提升工時效率。

3.3.1 建設成本降低

傳統架構下的線路級時間系統至少包含以下設備：①一級母鐘設備，主要包括工作板(主備)、子鐘接口板、電源板、網管板、校時接口模塊、其他系統接口模塊、NTP接口板等；②二級母鐘設備，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、網管板、校時接口模塊、其他系統接口模塊等；③子鐘設備，主要包括單面/雙面指針式子鐘機芯、單面/雙面指針式子鐘信號板、數字式子鐘信號板/顯示板、(子鐘)電源、標準時間信號接收單元、數字式日歷子鐘信號板/顯示板等。

對線路級時間系統進行優化，利用傳輸網絡實現一級母鐘設備與子鐘設備的授時/取時，以實現時間同步。優化后的整套設備覆蓋了各弱電系統及各車站時間主機所需功能，時間系統設備僅需15套一級母鐘設備、417臺新增交換機設備以及3 341臺子鐘設備，減少了417套二級母鐘設備。硬件的集中部署及設施設備數量的大幅度減少，在一定程度上節省了二級母鐘設備的初期硬件建設成本。除此之外，機房的空間、物資能耗也隨之減少，進而大大地節省了投資和運營成本。

3.3.2 設備的故障數量減少

由表2可知，在采用傳統的時間系統架構下，2020年上海城市軌道交通線網的二級母鐘設備故障最多，其故障數為69起，故障占比為56.56%。對時間系統架構進行優化后，由于不再設置二級母鐘設備，時間系統故障中直接減少了二級母鐘故障，因而設施設備的年度故障總數將會明顯減少。

3.3.3 設備維護成本降低

在既有時間系統架構中累積使用417套二級母鐘設備，其中包括各弱電系統時間從機、各車站時間主機。優化后整個線網可以節省二級母鐘設備備品備件的采購及維修費用；能減少對二級母鐘設備維護的人員配置,進一步降低維護用工成本。

4 結語

本文對上海城市軌道交通線路級時間系統的架構進行了優化，對于提升時間系統的功能、降低時間系統設備的故障率、減少設備運維成本等方面有明顯的收效。優化后的城市軌道交通時間系統完善了時間同步機制，為通信、信號、信息、綜合監控等系統提供了統一的標準時間，為整個城市軌道交通的智能化發展建設打下更扎實的基礎。