基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的軌道交通線網(wǎng)級時鐘同步網(wǎng)平臺研究

石文靜 于 超

隨著軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡化的發(fā)展，時鐘系統(tǒng)急需解決2個問題。

第1，各條地鐵線路往往獨立配置包含GPS接收設備的時鐘系統(tǒng)，甚至相關系統(tǒng)自備GPS接收設備，以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的時間同步。由于不同的GPS接收設備所提供的時間存在差異，各系統(tǒng)內(nèi)的時間同步機制不完善，造成各線路間存在時間顯示、時間記錄不同步，影響對設備或系統(tǒng)故障的判斷和及時恢復，甚至對軌道交通網(wǎng)的安全運營和管理產(chǎn)生隱患。

第2，國內(nèi)軌道交通時鐘同步系統(tǒng)，一般采用GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)，國產(chǎn)化率低。為滿足軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)展需求，急需建立一套統(tǒng)一的國產(chǎn)化率高的線網(wǎng)級時鐘同步網(wǎng)平臺，以實現(xiàn)各線路弱電系統(tǒng)的時間和時鐘同步。

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設和完善，其綜合服務能力，如服務區(qū)域、定位精度、抗干擾能力等方面明顯提升。完全滿足軌道交通同步網(wǎng)功能需求。但考慮到北斗導航系統(tǒng)還未完全成熟，一個城市的軌道交通同步網(wǎng)可暫按GPS＋北斗導航互為主備方案考慮。

1 線網(wǎng)級同步網(wǎng)平臺建設方案

城市軌道交通線網(wǎng)級的同步網(wǎng)可按5層架構(gòu)建設，如圖1所示。

第1層包括GPS接收設備、北斗衛(wèi)星接收設備、一級時間服務器和一級網(wǎng)管設備，主備系統(tǒng)宜分別設置在軌道交通線網(wǎng)指揮中心和備用線網(wǎng)指揮中心；第2層包括設置在各線控制中心的二級時間服務器、ETS服務器和二級網(wǎng)管設備；第3層為設在各線控制中心的各弱電系統(tǒng)主機，在時間同步網(wǎng)絡內(nèi)使用NTP協(xié)議；第4層為各弱電系統(tǒng)設在控制中心的、除了系統(tǒng)主機以外的所有設備和車站主機，在時間同步網(wǎng)絡內(nèi)使用NTP協(xié)議；第5層為各弱電系統(tǒng)設置于車站的與車站主機相連的從機，在時間同步網(wǎng)絡內(nèi)也使用NTP協(xié)議。

系統(tǒng)采用上述分層架構(gòu)，主要有以下優(yōu)點：①各條地鐵線路，均遵守同一個同步源 （即第1層時間服務器設備），保證了整個線網(wǎng)的時間統(tǒng)一；②避免各條地鐵線路建設時，均設置衛(wèi)星導航系統(tǒng)設備，減少了建設的投資，實現(xiàn)了衛(wèi)星導航系統(tǒng)設備的資源共享；③系統(tǒng)分層的架構(gòu)，逐級保護，上級系統(tǒng)設備故障，下一級系統(tǒng)仍可利用本級守時設備工作，提高了系統(tǒng)的可靠性；④采用GPS＋北斗互為主備的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)國產(chǎn)化率。

圖1 城市軌道交通同步網(wǎng)五層架構(gòu)圖

2 同步網(wǎng)

同步網(wǎng)包括時鐘同步網(wǎng)和時間同步網(wǎng)。時鐘同步網(wǎng)為傳輸系統(tǒng)等網(wǎng)元設備提供時鐘同步信號源；時間同步網(wǎng)為各業(yè)務系統(tǒng)及時間顯示設備提供統(tǒng)一的、標準的時間同步信號源。

2．1 時間同步

本方案時間同步系統(tǒng)的主要工作原理是采用分層架構(gòu)，多級保護。即：當系統(tǒng)的第1層設備，衛(wèi)星導航系統(tǒng)故障、BITS故障時，一級時間服務器仍然可以利用其自帶的晶振工作。2個一級時間服務器互為主備用，當2個一級時間服務器均發(fā)生故障時，系統(tǒng)以第2層時間設備為基準進行時間的同步。以此類推，當?shù)?、第2、第3、第4層時間系統(tǒng)設備均故障，或與上層設備通信中斷時，線網(wǎng)內(nèi)需采用時鐘同步的各子系統(tǒng)，仍可采用系統(tǒng)主機自身晶振進行同步。

2．2 時鐘同步

傳輸系統(tǒng)核心層核心節(jié)點處的交換、傳輸?shù)仍O備的同步時鐘源，都取自本核心節(jié)點BITS系統(tǒng)的時鐘輸出模塊。核心層傳輸節(jié)點的時鐘同步信號，以從GPS設置點BITS發(fā)出的順時針線路時鐘信號作為主時鐘，以從北斗取得時鐘源的BITS發(fā)出的逆時針線路時鐘信號作為備用時鐘。匯聚層線路傳輸系統(tǒng)中傳輸節(jié)點的時鐘同步信號，從環(huán)內(nèi)線路碼流中提取，主時鐘信號是從本線控制中心核心傳輸設備和線路傳輸設備之間的互聯(lián)線路碼流中，提取的順時針線路時鐘信號；備用時鐘信號是從本線控制中心核心傳輸設備和線路傳輸設備之間的互聯(lián)線路碼流中，提取的逆時針線路時鐘信號。

2．3 時間精度的參考點

如圖1所示，根據(jù)上層網(wǎng)絡時間系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分多個參考點對時間精度進行考察。

1．考察點A為一級時間服務器NTP時間南向授時的輸出端口。

2．考察點B為二級時間服務器NTP時間南向授時的時間輸出口。

3．考察點C為ETS服務器NTP時間南向授時的時間輸出口。

4．考察點D為弱電系統(tǒng)主機北向申請NTP時間同步的時間輸入口。

5．考察點E為弱電系統(tǒng)主機NTP時間南向授時的時間輸出口。該輸出口與其北向申請NTP時間同步的時間輸入口必須采用不同的網(wǎng)卡。

6．考察點F為車站主機北向申請NTP時間同步的時間輸入口。

7．考察點G為車站主機NTP時間南向授時的時間輸出口。

8．考察點H、I為車站從機時間。

2．4 時間精度要求

采用無條件同步方式，實現(xiàn)時間同步的弱電系統(tǒng)。

第1層設備的一級時間服務器，以衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間作為輸入時間參考源，其輸出時間精度，即與衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間的偏差不大于1ms。

第2層設備的二級時間服務器，以一級時間服務器為時間響應源，并作為第3層設備時間源，其輸出時間與一級時間服務器的輸出時間精度，即A點與B點之間的精度要求不大于5ms。

第3層設備采用無條件方式同步的弱電系統(tǒng)主機，從二級時間服務器獲得時間，并向控制中心弱電系統(tǒng)從機和車站主機輸出時間，其輸出時間與二級時間服務器的輸出時間之間的精度，即B點與E點之間的精度要求不大于20ms。

第4層設備的弱電系統(tǒng)從機和車站主機，從各自系統(tǒng)的弱電系統(tǒng)主機獲得時間，其輸出時間與弱電系統(tǒng)主機的輸出時間之間的精度，即E點與G點之間的精度要求不大于20ms。

第5層設備為車站從機，其顯示時間與車站主機輸出時間之間的精度，即G點與H點之間的精度要求應小于20ms。一級時間服務器的輸出時間與車站從機時間之間的精度，即A點與H點之間的精度要求不大于65ms，同一弱電系統(tǒng)內(nèi)不同車站間設備的時間精度，即H點與I點之間的精度要求不大于100ms。

對采用有條件同步方式實現(xiàn)時間同步的弱電系統(tǒng)，第1層設備的一級時間服務器，偏差不大于1ms；第2層設備A點與B′點之間的精度，要求不大于5ms，B′點與C點之間的精度，要求不大于15ms，從而A點與C點之間的精度，要求不大于20ms；第3層設備C點與E點之間的精度，要求不大于20ms；第4層設備E點與G點之間的精度，要求不大于20ms；第5層設備為車站從機，G點與H點之間的精度，要求不大于20ms。

總的系統(tǒng)要求，一級時間服務器的輸出時間與車站從機時間之間的精度，即A點與H點之間的精度，要求不大于85ms；同一弱電系統(tǒng)內(nèi)車站間設備的時間精度，即H點與I點之間的精度，要求不大于100ms。

3 總結(jié)

目前，上海已經(jīng)建成完整的同步網(wǎng)絡，在東寶興路控制中心和中山北路控制中心，分別設置時間同步網(wǎng)絡的主備用同步網(wǎng)設備。各條地鐵線路在控制中心設置二級時間服務器。由于上海市上層NTP網(wǎng)絡建設時間較早，仍采用基于雙GPS系統(tǒng)。隨著設備使用年限的增加，在下一步網(wǎng)絡改造時，將會充分考慮采用北斗。而南京、杭州、廈門等城市正在展開同步網(wǎng)系統(tǒng)的研究。

天津市區(qū)已經(jīng)開通建成1、2、3條地鐵線路，隨著5、6號線和天津市線網(wǎng)指揮中心的建設，也開始同步網(wǎng)的建設。目前已經(jīng)完成 《天津市城市軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡化資源共享研究－－通信信號》的課題研究，并將北斗＋GPS雙系統(tǒng)互備方案納入規(guī)劃，以指導5、6號線及后續(xù)線路同步時鐘網(wǎng)的建設。即在雙林線網(wǎng)指揮中心設置主用同步網(wǎng)設備（基于GPS），在備用線網(wǎng)指揮中心設置備用同步網(wǎng)設備 （基于北斗），構(gòu)成天津軌道交通的同步保障體系。各條地鐵線路控制中心設置二級同步網(wǎng)設備，分別通過上層骨干傳輸網(wǎng)絡，接入一級同步網(wǎng)系統(tǒng)。上層網(wǎng)絡的網(wǎng)管設備和各新建線路的網(wǎng)管對系統(tǒng)同步進行實時在線監(jiān)控。信號系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)宜采用有條件同步，并配置單獨的端口，為本線信號、AFC系統(tǒng)在同一個VLAN （單獨劃分）下提供數(shù)據(jù)；其他弱電系統(tǒng)宜采用無條件同步方式。

同時，對天津市線網(wǎng)同步系統(tǒng)IP地址進行規(guī)劃。天津市全線網(wǎng)內(nèi)為上層網(wǎng)時間同步網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃獨立的NTP專用IP地址，為010．ABC．DEF．GHI。

ABC的值為185～189，185表明該IP地址用于各上層中心的二級時間同步服務器南向授時端口，及各弱電系統(tǒng)用NTP專用IP地址；186代表該IP地址用于1～13等線路的時間同步服務器南向授時端口；187表明該IP地址用于預留其他線路時間同步服務器南向授時端口。ABC＝188，且當DEF＝000時，表明該IP地址用于上層NTP時間服務器；當DEF＝001時，表明該IP地址用于各設備與網(wǎng)管相關聯(lián)端口；當DEF＝01C～24C（C＝1～9）時，表明該IP地址用于1～13等線路二級時間同步服務器南向授時端口及各弱電系統(tǒng)。ABC＝189，DEF＝01C～24C （C＝1～9）時，表明該IP地址用于預留其他線路二級時間同步服務器南向授時端口及各弱電系統(tǒng)。GHI為各子系統(tǒng)的地址。其中通信各子系統(tǒng) （傳輸、公務電話等）的IP為101～119，其他系統(tǒng) （綜合監(jiān)控等）為120～149。

本方案采用5層架構(gòu)建設同步網(wǎng)系統(tǒng)，解決了全線網(wǎng)的時間同步問題，節(jié)省了建設投資，實現(xiàn)了線網(wǎng)層面的資源共享。一級時間服務器采用GPS＋北斗雙星主備用模式，提高了系統(tǒng)的可靠性和國產(chǎn)化率。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完善，其授時、定位等技術(shù)也必將在軌道交通行業(yè)得到廣泛的應用和發(fā)展，這在國產(chǎn)化、安全性和保密方面意義重大。

［1］ 李偉章，楊海江．城市軌道交通通信［M］．北京：中國鐵道出版社，2013．

［2］ 郭彬．電網(wǎng)時鐘系統(tǒng)的北斗／GPS雙模同步技術(shù)研究［J］．計算機測量與控制，2011（19）：139．