長(zhǎng)春輕軌時(shí)間同步系統(tǒng)淺析

張紅偉

摘 要：時(shí)間同步系統(tǒng)是長(zhǎng)春輕軌通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不可缺少的部分之一，為長(zhǎng)春輕軌各系統(tǒng)、輕軌工作人員及旅客提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)。列車(chē)安全高效運(yùn)行離不開(kāi)精準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，而時(shí)間同步系統(tǒng)通過(guò)全球定位系統(tǒng)獲取精準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，為輕軌提供精準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)得到保障。該文主要介紹長(zhǎng)春輕軌通信時(shí)間同步系統(tǒng)的組網(wǎng)構(gòu)架、工作過(guò)程、主要設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備、時(shí)鐘系統(tǒng)功能，并指出時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)輕軌運(yùn)行的重要性。

關(guān)鍵詞：時(shí)間同步系統(tǒng) 輕軌 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào) 組網(wǎng)構(gòu)架 網(wǎng)管設(shè)備 功能

中圖分類號(hào)：TH71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（a）-0008-04

Abstract：The time synchronization system is one of the indispensable parts for Changchun light rail communication network structure， which provides standard time for staff， passengers， and related systems in Changchun Light Rail. Light rail can run safely and efficiently with precise time signal， and the time synchronization system obtains accurate time signal through the global positioning system， which guarantees that light rail can obtain accurate time signal. The network structure， work process， major equipment， network management equipment and function of light rail communication time synchronization system are described in this paper， and the importance of time synchronization system is pointed out for running of light rail.

Key Words：Time synchronization system； Light rail； Standard time signal； Network structure； Network management equipment；Function

1 時(shí)間同步系統(tǒng)概述

時(shí)間與每個(gè)人息息相關(guān)，方便了人們的出行與生活。如果時(shí)間信號(hào)不協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對(duì)軌道交通而言，就會(huì)出現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行延誤、故障處理不及時(shí)等問(wèn)題影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)，因此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)對(duì)軌道交通的良好發(fā)展起著關(guān)鍵作用。長(zhǎng)春輕軌通信時(shí)鐘系統(tǒng)采用時(shí)間同步系統(tǒng)，通過(guò)全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取時(shí)間同步信號(hào)，并將時(shí)間同步信號(hào)發(fā)送給控制中心一級(jí)母鐘，一級(jí)母鐘將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)提供給工作人員、旅客，同時(shí)也為各系統(tǒng)如自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)（ATS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）等其他系統(tǒng)提供時(shí)間同步信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)輕軌全線時(shí)間信號(hào)同步統(tǒng)一。采用時(shí)間同步系統(tǒng)保障了長(zhǎng)春輕軌高效運(yùn)行，提高了城市軌道交通管理水平[1，2]。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)構(gòu)架及工作過(guò)程

2.1 組網(wǎng)構(gòu)架

長(zhǎng)春輕軌通信時(shí)間同步系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，按控制中心一級(jí)母鐘、車(chē)站和車(chē)輛段二級(jí)母鐘兩級(jí)組網(wǎng)方式，通過(guò)網(wǎng)管設(shè)備進(jìn)行集中管理，控制中心設(shè)備與車(chē)站和車(chē)輛段設(shè)備之間通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)傳遞時(shí)間同步信號(hào)。一級(jí)母鐘接收來(lái)自GPS時(shí)鐘源接收機(jī)同步時(shí)間信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)，保持與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，避免產(chǎn)生時(shí)間誤差積累；同時(shí)一級(jí)母鐘通過(guò)光纖傳輸通道以太網(wǎng)接口將同步時(shí)間信號(hào)發(fā)送給車(chē)站和車(chē)輛段二級(jí)母鐘，二級(jí)母鐘接收來(lái)自光纖傳輸通道以太網(wǎng)接口的時(shí)間同步信號(hào)，與一級(jí)母鐘保持同步；子鐘通過(guò)RS422接收來(lái)自二級(jí)母鐘發(fā)送的時(shí)間同步信號(hào)，與二級(jí)母鐘同步，從而實(shí)現(xiàn)輕軌全線時(shí)間信號(hào)保持同步。

2.2 工作過(guò)程

該時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主要由5部分構(gòu)成：GPS接收機(jī)設(shè)備、一級(jí)母鐘設(shè)備、二級(jí)母鐘設(shè)備、子鐘設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備。GPS接收機(jī)位于控制中心，控制中心一級(jí)母鐘接收來(lái)自GPS時(shí)鐘源接收機(jī)發(fā)送的時(shí)間同步信號(hào)。一級(jí)母鐘能提供RS422、以太網(wǎng)等多種時(shí)間同步信號(hào)接口，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)通過(guò)多路接口發(fā)送給控制中心調(diào)度大廳子鐘、辦公室子鐘、通信電源系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等其他各個(gè)系統(tǒng)，并通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送給傳輸系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)為時(shí)間同步信號(hào)傳送提供承載，將一級(jí)母鐘設(shè)備的時(shí)間同步信號(hào)傳送給二級(jí)母鐘設(shè)備。一級(jí)母鐘設(shè)備配備了網(wǎng)管設(shè)備，對(duì)一級(jí)母鐘運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和管理，以便工作人員對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各二級(jí)母鐘及子鐘的運(yùn)行狀態(tài)。二級(jí)母鐘位于各站及車(chē)輛段通信機(jī)房?jī)?nèi)，接收來(lái)自一級(jí)母鐘發(fā)送來(lái)的時(shí)間同步信號(hào)，并將時(shí)間同步信號(hào)發(fā)送給子鐘。子鐘設(shè)置于各站上行站臺(tái)、下行站臺(tái)、站廳及車(chē)輛段列檢庫(kù)和檢修庫(kù)內(nèi)，為旅客與工作人員提供準(zhǔn)確時(shí)間[3]。

3 主要設(shè)備

3.1 GPS時(shí)鐘源接收機(jī)設(shè)備

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）由空間系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS接收機(jī)3部分組成。GPS時(shí)鐘源接收機(jī)示意圖如圖2所示，其工作基本流程是GPS接收機(jī)通過(guò)天線接收衛(wèi)星信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)是GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，包括各空間衛(wèi)星的識(shí)別標(biāo)志、空間位置信息、經(jīng)緯度、精密原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)、空間衛(wèi)星自身的軌道參數(shù)等，然后將衛(wèi)星信號(hào)傳送給微處理器進(jìn)行解調(diào)處理，處理器提取出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)并進(jìn)行顯示，同時(shí)通過(guò)外部RS422接口為控制中心一級(jí)母鐘提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)[4]。

3.2 一級(jí)母鐘設(shè)備

一級(jí)母鐘位于控制中心通信機(jī)房室內(nèi)，作為整個(gè)輕軌時(shí)間同步系統(tǒng)的核心部分，其工作可靠性能決定了整個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。一套母鐘設(shè)備配置主、備母鐘模塊，通過(guò)信號(hào)切換模塊對(duì)主、備母鐘信號(hào)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，當(dāng)主母鐘工作失真時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到備母鐘工作。一級(jí)母鐘提供嚴(yán)格的時(shí)碼輸出，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)通過(guò)接口分配給二級(jí)母鐘及其他各子系統(tǒng)。一級(jí)母鐘給各系統(tǒng)提供的時(shí)間信號(hào)接口相互獨(dú)立，各接口局部故障不影響整個(gè)系統(tǒng)正常工作。同時(shí)一級(jí)母鐘通過(guò)RS422接口與監(jiān)控終端連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)鐘系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[5]，一級(jí)母鐘設(shè)備如圖3所示。

3.3 二級(jí)母鐘設(shè)備

二級(jí)母鐘位于輕軌各站和車(chē)輛段通信機(jī)房?jī)?nèi)，二級(jí)母鐘設(shè)備如圖4所示，其結(jié)構(gòu)組成包括：中央處理單元、晶振、電源、驅(qū)動(dòng)電路、接口裝置。二級(jí)母鐘通過(guò)通信機(jī)房?jī)?nèi)傳輸系統(tǒng)以太網(wǎng)接口與中心一級(jí)母鐘相連。二級(jí)母鐘一方面用于接收一級(jí)母鐘發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，并校準(zhǔn)自身精度，與一級(jí)母鐘保持同步；另一方面二級(jí)母鐘采用RS422接口以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向子鐘發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。同時(shí)二級(jí)母鐘具有監(jiān)控管理接口，通過(guò)與網(wǎng)管設(shè)備連接對(duì)該站二級(jí)母鐘和子鐘進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 子鐘設(shè)備

子鐘有兩種類型，即數(shù)字式和指針式，長(zhǎng)春輕軌子鐘設(shè)備采用懸掛式數(shù)字子鐘，帶有超亮LED數(shù)碼管顯示，顯示時(shí)、分、秒、年、月、日、星期。數(shù)字式子鐘懸掛于輕軌站廳、上行站臺(tái)、下行站臺(tái)、列檢庫(kù)及檢修庫(kù)內(nèi)，主要由驅(qū)動(dòng)電路、主控模塊、時(shí)間顯示模塊及接口電路等組成，子鐘設(shè)備如圖5所示。子鐘自動(dòng)接收二級(jí)母鐘發(fā)出的時(shí)間同步信號(hào)，將自身的時(shí)間精度進(jìn)行校準(zhǔn)刷新，與二級(jí)母鐘保持同步，并向所屬的二級(jí)母鐘發(fā)送該機(jī)工作狀態(tài)。

4 網(wǎng)管設(shè)備設(shè)計(jì)

在控制中心設(shè)置一套時(shí)間同步系統(tǒng)監(jiān)測(cè)管理終端即中心網(wǎng)管設(shè)備，對(duì)輕軌全線時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。網(wǎng)管設(shè)備通過(guò)RS422接口與中心一級(jí)母鐘連接，網(wǎng)管設(shè)備界面如圖6所示。界面有如下幾方面作用。

（1）界面上顯示當(dāng)前日期（年月日星期時(shí)分秒），與一級(jí)母鐘時(shí)間保持同步。

（2）當(dāng)網(wǎng)管設(shè)備通信正常，主母鐘、備母鐘、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源正常時(shí)，顯示正常，否則會(huì)顯示故障。

（3）當(dāng)全球定位系統(tǒng)接收模塊正常工作時(shí)，會(huì)顯示GPS校時(shí)，否則出現(xiàn)GPS無(wú)效。

（4）當(dāng)主母鐘正常工作時(shí)，會(huì)顯示主母鐘工作；當(dāng)主母鐘故障時(shí)，系統(tǒng)切換到備母鐘工作方式，會(huì)顯示備母鐘工作。

（5）可對(duì)輕軌各站子鐘進(jìn)行設(shè)置。

（6）網(wǎng)管設(shè)備界面上小方框代表被監(jiān)控的區(qū)域，當(dāng)顯示綠色時(shí)，表示子鐘運(yùn)行正常，當(dāng)顯示紅色時(shí)，表示某站子鐘故障，點(diǎn)擊小方塊進(jìn)入子鐘狀態(tài)界面，如圖7所示，同時(shí)還可以對(duì)子鐘進(jìn)行追時(shí)、正常、停止操作。

（7）系統(tǒng)增加了值班記錄存儲(chǔ)、打印、查看及運(yùn)行狀態(tài)調(diào)用功能，幫助工作人員了解更多信息。

5 系統(tǒng)功能

5.1 同步校對(duì)

（1） 一級(jí)母鐘接收來(lái)自GPS時(shí)鐘源接收機(jī)設(shè)備發(fā)送的時(shí)間同步信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元提取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步信號(hào)，通過(guò)多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)經(jīng)過(guò)光纖發(fā)送到各車(chē)站、車(chē)輛段的二級(jí)母鐘，同步全線各系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)。

（2） 一級(jí)母鐘和二級(jí)母鐘通過(guò)傳輸系統(tǒng)光纖傳輸通道傳遞時(shí)間同步信號(hào)，避免產(chǎn)生累計(jì)誤差。

（3） 控制中心一級(jí)母鐘在接收不到GPS時(shí)鐘源接收機(jī)設(shè)備發(fā)送的時(shí)間同步信號(hào)情況下，利用自身穩(wěn)定的高頻晶振產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)發(fā)送給各二級(jí)母鐘，并向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備發(fā)出告警。

（4）在控制中心一級(jí)母鐘或者光纖通道發(fā)生故障時(shí)，二級(jí)母鐘利用自身穩(wěn)定的高頻晶振產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)子鐘工作，并向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備發(fā)出告警。

（5）當(dāng)二級(jí)母鐘出現(xiàn)故障時(shí)，子鐘利用上次刷新的時(shí)間信號(hào)作為子鐘自身的時(shí)間起始信號(hào)為工作人員及旅客提供時(shí)間信息，并向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備發(fā)出告警。

5.2 系統(tǒng)擴(kuò)容

該時(shí)間同步系統(tǒng)具備擴(kuò)容功能，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)無(wú)需增加控制模塊，只需直接增加接口板模塊便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。擴(kuò)展不影響既有設(shè)備的使用，軟件基本不變。在該工程中，中心母鐘分路輸出接口箱的RS422接口設(shè)計(jì)數(shù)量為31個(gè)，并可根據(jù)實(shí)際情況及以后的需要很方便地進(jìn)行擴(kuò)容，二級(jí)母鐘分路輸出接口箱的RS422接口設(shè)計(jì)數(shù)量為31個(gè)，最多可擴(kuò)展為256個(gè)。

5.3 運(yùn)行狀態(tài)顯示與管理

5.3.1 狀態(tài)顯示

控制中心網(wǎng)管設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到時(shí)鐘系統(tǒng)子母鐘運(yùn)行狀況，并對(duì)當(dāng)前運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示、方便工作人員查看，并能夠?qū)Ω髡炯败?chē)輛段子母鐘進(jìn)行標(biāo)定控制。

5.3.2 狀態(tài)管理

當(dāng)時(shí)間同步系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)管設(shè)備將產(chǎn)生告警，工作人員可根據(jù)告警信息方便查閱故障信息，同時(shí)網(wǎng)管設(shè)備與集中告警系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)將故障信息發(fā)送集中告警系統(tǒng)以便集中管理。

6 結(jié)語(yǔ)

時(shí)間同步系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于長(zhǎng)春輕軌，為輕軌車(chē)站工作人員、列車(chē)司機(jī)、上班族及整個(gè)輕軌系統(tǒng)等提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)，在使用過(guò)程中達(dá)到了理想效果，通過(guò)實(shí)踐可知該系統(tǒng)滿足線路運(yùn)行的要求。在輕軌通信系統(tǒng)中使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)，對(duì)保證列車(chē)安全、高效、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)營(yíng)起到了重要作用。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春輕軌時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使得自己掌握了構(gòu)建時(shí)鐘系統(tǒng)方面的知識(shí)，為以后輕軌維護(hù)與管理奠定基礎(chǔ)。

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