列車全自動運行信號系統(tǒng)時間同步方案

黃柒光 梁 宇

(卡斯柯信號有限公司,200072,上海)

對于列車全自動運行系統(tǒng),時間同步設(shè)備是保證信號系統(tǒng)中各子系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動的基礎(chǔ),其直接關(guān)系到列車的運營準點率和運行安全性。時間同步包括信號系統(tǒng)與外部時鐘源的同步、安全子系統(tǒng)軌旁ATC(列車自動控制)系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備的同步,以及采用LTE(長期演進)車地?zé)o線通信BBU(基帶處理單元)之間的同步。對于全自動運行線路而言,時間不同步將導(dǎo)致列車運行不準點、開關(guān)車門時間過短等故障現(xiàn)象,易引起乘客的不滿情緒。基于此,本文主要介紹了在列車全自動運行情況下,信號系統(tǒng)與外部時鐘源、各子系統(tǒng)之間及各車載設(shè)備之間的同步機制,研究了外部時鐘源跳變對信號系統(tǒng)的影響,以及某一層設(shè)備的時間錯誤對下一層設(shè)備的影響。

1 時間同步設(shè)備在信號系統(tǒng)中的作用

時間同步設(shè)備在信號系統(tǒng)中的作用為保證信號系統(tǒng)中各子系統(tǒng)協(xié)同工作,以及確保列車運行安全和運營準點。在全自動運行線路中,針對早點或晚點情況,軌旁ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)通過比較列車計劃與實際到站或離站時間,調(diào)整停站時間和區(qū)間運行時間,并將調(diào)整后的時間發(fā)給ATC車載設(shè)備,ATC車載設(shè)備結(jié)合軌旁傳遞的設(shè)備狀態(tài)及授權(quán)終點,計算ATO(列車自動運行)速度曲線。若軌旁ATS系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備時間不同步,將影響 ATO運行速度、列車的區(qū)間運行時間及到站時間,進而影響列車的準點率。

此外,時間同步設(shè)備還在信號系統(tǒng)中起到了確保列車安全自動開關(guān)門的作用。在全自動運行線路中,當(dāng)列車停靠在站臺時,ATC車載設(shè)備通過軌旁應(yīng)答器和車載傳感器獲取列車位置信息,并結(jié)合所采集的列車速度判斷列車準確停靠站臺后,ATC車載設(shè)備向列車請求切除牽引、施加制動。當(dāng)獲得列車反饋成功信息后,ATC車載設(shè)備向列車發(fā)送開車門指令,同時通過聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送開屏蔽門指令。根據(jù)所調(diào)整的早點、晚點停站時間,軌旁ATS系統(tǒng)通過車地?zé)o線通信將時間調(diào)整信息傳遞至ATC車載設(shè)備,ATC車載設(shè)備根據(jù)接收到的停站時間關(guān)閉車門。若軌旁ATS系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備時間不同步,很有可能導(dǎo)致開車門時間過短,進而影響乘客上下車。

2 信號系統(tǒng)時間同步方案

列車全自動運行信號系統(tǒng)包括ATC設(shè)備、ATS設(shè)備、CI(計算機聯(lián)鎖)設(shè)備、MSS(維護支持系統(tǒng))設(shè)備、DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))設(shè)備。其中:ATC設(shè)備、CI設(shè)備下位機是保證系統(tǒng)安全的設(shè)備,安全等級為SIL(安全完整性等級)4,由冗余網(wǎng)絡(luò)組成;ATS設(shè)備、CI設(shè)備上位機的安全等級為SIL2,由另一對冗余網(wǎng)絡(luò)組成;MSS設(shè)備的安全等級為SIL0,由非冗余網(wǎng)絡(luò)組成。外部時鐘系統(tǒng)連接到ATS設(shè)備的FEP(前端處理器),ATS設(shè)備經(jīng)網(wǎng)關(guān)與SIL4設(shè)備相連,ATS設(shè)備經(jīng)維護臺與SIL0設(shè)備相連。全自動運行信號系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

注:CATS為中心應(yīng)用服務(wù)器;SDM為診斷和維護子系統(tǒng)。

在全自動運行線路中,為實現(xiàn)列車的全自動運行,必須使信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的時間同步,特別是信號車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間的時間同步。信號系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備及通信通道均采取冗余配置,且均為熱備狀態(tài),以確保在一個關(guān)鍵設(shè)備或通信通道故障的情況下,列車仍可以全自動運行。

兩臺通信前置機FEP通過網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動應(yīng)用程序的FEP作為主機,后啟動應(yīng)用程序的FEP作為備機。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過串口通信獲取對方通信前置機狀態(tài),以確保通信通道和通信前置機設(shè)備均為冗余狀態(tài)。通信前置機主機啟動后作為時間服務(wù)端提供時間服務(wù),通信前置機備機停止提供時間服務(wù)。

兩臺應(yīng)用服務(wù)器CATS通過網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動應(yīng)用程序的CATS作為主機,后啟動應(yīng)用程序的CATS作為備機。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過串口通信獲取對方CATS的狀態(tài),以確保通信通道和CATS設(shè)備均為冗余狀態(tài)。

兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器Gateway通過網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動應(yīng)用程序的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為主機,后啟動應(yīng)用程序的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為備機。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過串口通信獲取對方網(wǎng)關(guān)狀態(tài),以確保通信通道和網(wǎng)關(guān)設(shè)備均為冗余狀態(tài)。

在全自動運行線路中,信號系統(tǒng)內(nèi)部時間同步采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議),其精度為毫秒級,通過采用Meinberg時鐘同步軟件實現(xiàn)時間同步。信號系統(tǒng)由通信系統(tǒng)的時鐘接口獲取時間源后,通過在通信前置機部署的自開發(fā)應(yīng)用程序與時鐘源進行時間同步。為避免外部時間源跳變影響信號系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng),在一定時間偏差范圍內(nèi)(可配置),通信前置機需實時同步外部時間源,如外部時間源非正常跳變且超過一定時間偏差(可配置),則通信前置機判斷外部時間源出現(xiàn)故障,停止同步外部時間源,并給出告警信息。當(dāng)外部時間源恢復(fù)正常后,經(jīng)確認可在通信前置機人工輸入命令,以同步外部時間源。

信號系統(tǒng)對于軌旁設(shè)備與車載設(shè)備的同步要求較高。外部時鐘系統(tǒng)使用GPS(全球定位系統(tǒng))或北斗衛(wèi)星進行時間同步校準,避免產(chǎn)生累計誤差。信號系統(tǒng)內(nèi)部以通信前置機獲取的時間進行同步,同時需確保通信前置機主機作為時間服務(wù)端提供時間服務(wù),通信前置機備機停止提供時間服務(wù),避免因兩臺通信前置機同時為下一層設(shè)備提供時間服務(wù),而導(dǎo)致的硬件或操作系統(tǒng)異常,進而使得兩臺通信前置機的時間偏差過大,影響下一層設(shè)備的時間同步準確性及精度。

在全自動運行線路中,為確保軌旁設(shè)備與車載設(shè)備能夠保持時間同步,對于提供時間服務(wù)端的關(guān)鍵設(shè)備,信號系統(tǒng)將會對其進行冗余配置,同時與下一層設(shè)備進行交叉連接,以提高時間同步的可靠性。將FEP、CATS、Gateway和ATS維護臺作為客戶端,同步上一層的時鐘信息,同時為下一層設(shè)備提供時間基準。

為保證時間同步精度:①若兩臺應(yīng)用服務(wù)器出現(xiàn)雙主機現(xiàn)象,則自動退出一臺主機應(yīng)用程序,啟動應(yīng)用服務(wù)器主機和備機時間服務(wù)、關(guān)閉通過應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用程序控制,確保兩臺應(yīng)用服務(wù)器僅有主機提供時鐘服務(wù),避免兩臺應(yīng)用服務(wù)器的時間偏差過大,進而影響下一層設(shè)備的時間同步準確性及精度。②若兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器出現(xiàn)雙主機現(xiàn)象,則自動退出一臺主機應(yīng)用程序,啟動網(wǎng)關(guān)主機和備機時間服務(wù),關(guān)閉通過網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序控制,以確保兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器僅有主機提供時間服務(wù),避免兩臺網(wǎng)關(guān)時間偏差過大,進而影響下一層設(shè)備的時間同步準確性及精度。

信號系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)設(shè)備進行時間同步時,需提供時間服務(wù)端設(shè)備。若服務(wù)端設(shè)備的時間跳變超過一定數(shù)值(可配置),則下一層客戶端設(shè)備時間同步服務(wù)會立即停止,進而避免下一層客戶端設(shè)備同步跳變。若服務(wù)端設(shè)備的時間跳變小于一定數(shù)值,則下一層客戶端將在一定時間內(nèi)完成時間平滑調(diào)整,并與服務(wù)端設(shè)備時間保持一致,該過程可采用Meinberg時鐘同步軟件實現(xiàn)。

時間服務(wù)端設(shè)備采用SNTP(簡單網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議),下層客戶端設(shè)備的時間同步精度只能達到秒級,不能滿足列車全自動運行的需求,因此提供時間服務(wù)端的設(shè)備均需采用NTP進行時間同步。

本文所提時間同步方法的特點有:①可確保信號系統(tǒng)內(nèi)ATC、ATS、CI、MSS、DCS五個子系統(tǒng)時間的統(tǒng)一,且時間同步精度可達毫秒級,能夠滿足列車全自動運行的需求;②關(guān)鍵設(shè)備和通信通道采取冗余配置且均為熱備狀態(tài),可避免某臺設(shè)備或通信通道故障對下一層設(shè)備同步時間的影響,提高了系統(tǒng)的可靠性;③對于所有冗余時間服務(wù)端設(shè)備,僅有主機提供時間服務(wù),可避免兩臺時間服務(wù)端設(shè)備由于操作系統(tǒng)或硬件偶發(fā)原因出現(xiàn)的故障或跳變,導(dǎo)致的兩臺時間服務(wù)端設(shè)備時間偏差過大,進而影響下一層設(shè)備的時間同步;④時間服務(wù)端設(shè)備可在一定時間范圍內(nèi)跳變,下一層設(shè)備可在一定時間內(nèi)平滑調(diào)整同步時間服務(wù)端設(shè)備的時間,避免出現(xiàn)由于時間跳變影響列車全自動運行的情況;⑤當(dāng)時間服務(wù)端設(shè)備跳變超過一定時間時,下一層設(shè)備可自動停止同步時間服務(wù),避免其他設(shè)備時間變化過大,進而影響列車全自動運行。

某項目中,采用SNTP和NTP的ATC車載設(shè)備與ATS網(wǎng)關(guān)時間同步分析情況,如表1和表2所示。由表1和表2可知:采用NTP的時間同步精度遠高于采用SNTP的時間精度。

表1 采用SNTP的ATC車載設(shè)備與ATS網(wǎng)關(guān)時間同步分析情況

表2 采用NTP的ATC車載設(shè)備與ATS網(wǎng)關(guān)時間同步分析情況

3 信號系統(tǒng)時間同步說明

關(guān)于信號系統(tǒng)時間同步方法的說明如下:

1) 信號系統(tǒng)的通信前置機通過網(wǎng)絡(luò)從時鐘系統(tǒng)獲取統(tǒng)一時間源,當(dāng)通信前置機獲取時間信息后,同步本機操作系統(tǒng)時間。兩臺通信前置機的主機為下一層客戶端設(shè)備和通信前置機的備機提供時間服務(wù),通信前置機的備機停止作為服務(wù)端提供時間服務(wù)。

2) 當(dāng)通信前置機主機因硬件、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障退出時,通信前置機備機應(yīng)用程序升為主機,同時作為服務(wù)端提供時間服務(wù)。對于發(fā)生故障的原主機,當(dāng)應(yīng)用程序啟動后將其作為備機,備機應(yīng)用程序主動停止時間服務(wù)。若備機應(yīng)用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統(tǒng)發(fā)送停止時間服務(wù)指令,以確保僅有主機提供時間服務(wù)。

3) 將兩臺應(yīng)用服務(wù)器作為客戶端,同步通信前置機的主機時間。兩臺應(yīng)用服務(wù)器中僅由應(yīng)用服務(wù)器主機作為服務(wù)端為下一層設(shè)備提供時間服務(wù),應(yīng)用服務(wù)器備機作為服務(wù)端停止提供時間服務(wù)。當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器主機因硬件、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障退出時,應(yīng)用服務(wù)器備機應(yīng)用程序升為主機,同時提供時間服務(wù)。對于發(fā)生故障的原主機,當(dāng)應(yīng)用程序啟動后將其作為備機,備機應(yīng)用程序主動停止時間服務(wù)。若備機應(yīng)用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統(tǒng)發(fā)送停止時間服務(wù)指令,以確保僅有主機提供時間服務(wù)。

4) 將ATS工作站、ATS維護臺、ATS車站服務(wù)器和聯(lián)鎖SDM工作站作為客戶端,同步兩臺應(yīng)用服務(wù)器的主機時間。將兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為客戶端,同步應(yīng)用服務(wù)器的主機時間。兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中僅有網(wǎng)關(guān)主機作為服務(wù)端為下一層設(shè)備提供時間服務(wù),網(wǎng)關(guān)備機作為服務(wù)端停止提供時間服務(wù)。

5) 當(dāng)網(wǎng)關(guān)主機因硬件、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障退出時,網(wǎng)關(guān)備機應(yīng)用程序升為主機,同時作為服務(wù)端提供時間服務(wù)。對于故障的原主機,當(dāng)應(yīng)用程序啟動后將其作為備機,備機應(yīng)用程序作為服務(wù)端主動停止時間服務(wù)。若備機應(yīng)用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統(tǒng)發(fā)送停止時間服務(wù)指令,以確保僅有主機提供時間服務(wù)。

6) 將ATC設(shè)備、DCS設(shè)備作為客戶端,同步兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中的主機時間。ATS維護臺與MSS子系統(tǒng)通信,并作為服務(wù)端為MSS設(shè)備提供時間服務(wù),MSS設(shè)備作為客戶端同步ATS維護臺時間。

4 結(jié)語

本文介紹了全自動運行系統(tǒng)中的時間同步方法。信號系統(tǒng)的內(nèi)部與外部分別采用不同的時間同步方法,避免外部時鐘跳變直接影響內(nèi)部信號系統(tǒng)。信號系統(tǒng)內(nèi)采用NTP,且冗余設(shè)備僅主機提供時間服務(wù),確保了設(shè)備的時間同步精度,其時間同步精度可達毫秒級,保障了列車全自動運行的需求。目前,本文所提時鐘同步方案已成功用于上海、北京、成都和鄭州等多個城市的線路,線路運行情況良好,至今未出現(xiàn)由時鐘不同步引起的相關(guān)故障問題。