列車全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間同步方案

黃柒光 梁 宇

(卡斯柯信號(hào)有限公司,200072,上海)

對(duì)于列車全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng),時(shí)間同步設(shè)備是保證信號(hào)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ),其直接關(guān)系到列車的運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)點(diǎn)率和運(yùn)行安全性。時(shí)間同步包括信號(hào)系統(tǒng)與外部時(shí)鐘源的同步、安全子系統(tǒng)軌旁ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備的同步,以及采用LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))車地?zé)o線通信BBU(基帶處理單元)之間的同步。對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行線路而言,時(shí)間不同步將導(dǎo)致列車運(yùn)行不準(zhǔn)點(diǎn)、開(kāi)關(guān)車門時(shí)間過(guò)短等故障現(xiàn)象,易引起乘客的不滿情緒?；诖?本文主要介紹了在列車全自動(dòng)運(yùn)行情況下,信號(hào)系統(tǒng)與外部時(shí)鐘源、各子系統(tǒng)之間及各車載設(shè)備之間的同步機(jī)制,研究了外部時(shí)鐘源跳變對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響,以及某一層設(shè)備的時(shí)間錯(cuò)誤對(duì)下一層設(shè)備的影響。

1 時(shí)間同步設(shè)備在信號(hào)系統(tǒng)中的作用

時(shí)間同步設(shè)備在信號(hào)系統(tǒng)中的作用為保證信號(hào)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)協(xié)同工作,以及確保列車運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)點(diǎn)。在全自動(dòng)運(yùn)行線路中,針對(duì)早點(diǎn)或晚點(diǎn)情況,軌旁ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)通過(guò)比較列車計(jì)劃與實(shí)際到站或離站時(shí)間,調(diào)整停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,并將調(diào)整后的時(shí)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(diǎn),計(jì)算ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)速度曲線。若軌旁ATS系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備時(shí)間不同步,將影響 ATO運(yùn)行速度、列車的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間及到站時(shí)間,進(jìn)而影響列車的準(zhǔn)點(diǎn)率。

此外,時(shí)間同步設(shè)備還在信號(hào)系統(tǒng)中起到了確保列車安全自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的作用。在全自動(dòng)運(yùn)行線路中,當(dāng)列車?？吭谡九_(tái)時(shí),ATC車載設(shè)備通過(guò)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(zhǔn)確?？空九_(tái)后,ATC車載設(shè)備向列車請(qǐng)求切除牽引、施加制動(dòng)。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(kāi)車門指令,同時(shí)通過(guò)聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送開(kāi)屏蔽門指令。根據(jù)所調(diào)整的早點(diǎn)、晚點(diǎn)停站時(shí)間,軌旁ATS系統(tǒng)通過(guò)車地?zé)o線通信將時(shí)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(shí)間關(guān)閉車門。若軌旁ATS系統(tǒng)與ATC車載設(shè)備時(shí)間不同步,很有可能導(dǎo)致開(kāi)車門時(shí)間過(guò)短,進(jìn)而影響乘客上下車。

2 信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間同步方案

列車全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)包括ATC設(shè)備、ATS設(shè)備、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)設(shè)備、MSS(維護(hù)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(jī)是保證系統(tǒng)安全的設(shè)備,安全等級(jí)為SIL(安全完整性等級(jí))4,由冗余網(wǎng)絡(luò)組成;ATS設(shè)備、CI設(shè)備上位機(jī)的安全等級(jí)為SIL2,由另一對(duì)冗余網(wǎng)絡(luò)組成;MSS設(shè)備的安全等級(jí)為SIL0,由非冗余網(wǎng)絡(luò)組成。外部時(shí)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(hù)臺(tái)與SIL0設(shè)備相連。全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)時(shí)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(hù)子系統(tǒng)。

在全自動(dòng)運(yùn)行線路中,為實(shí)現(xiàn)列車的全自動(dòng)運(yùn)行,必須使信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的時(shí)間同步,特別是信號(hào)車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間的時(shí)間同步。信號(hào)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(gè)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(dòng)運(yùn)行。

兩臺(tái)通信前置機(jī)FEP通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動(dòng)應(yīng)用程序的FEP作為主機(jī),后啟動(dòng)應(yīng)用程序的FEP作為備機(jī)。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過(guò)串口通信獲取對(duì)方通信前置機(jī)狀態(tài),以確保通信通道和通信前置機(jī)設(shè)備均為冗余狀態(tài)。通信前置機(jī)主機(jī)啟動(dòng)后作為時(shí)間服務(wù)端提供時(shí)間服務(wù),通信前置機(jī)備機(jī)停止提供時(shí)間服務(wù)。

兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器CATS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動(dòng)應(yīng)用程序的CATS作為主機(jī),后啟動(dòng)應(yīng)用程序的CATS作為備機(jī)。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過(guò)串口通信獲取對(duì)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(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器Gateway通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及串口連接通信,將先啟動(dòng)應(yīng)用程序的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為主機(jī),后啟動(dòng)應(yīng)用程序的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為備機(jī)。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,通過(guò)串口通信獲取對(duì)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(dòng)運(yùn)行線路中,信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間同步采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議),其精度為毫秒級(jí),通過(guò)采用Meinberg時(shí)鐘同步軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。信號(hào)系統(tǒng)由通信系統(tǒng)的時(shí)鐘接口獲取時(shí)間源后,通過(guò)在通信前置機(jī)部署的自開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序與時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)間同步。為避免外部時(shí)間源跳變影響信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng),在一定時(shí)間偏差范圍內(nèi)(可配置),通信前置機(jī)需實(shí)時(shí)同步外部時(shí)間源,如外部時(shí)間源非正常跳變且超過(guò)一定時(shí)間偏差(可配置),則通信前置機(jī)判斷外部時(shí)間源出現(xiàn)故障,停止同步外部時(shí)間源,并給出告警信息。當(dāng)外部時(shí)間源恢復(fù)正常后,經(jīng)確認(rèn)可在通信前置機(jī)人工輸入命令,以同步外部時(shí)間源。

信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于軌旁設(shè)備與車載設(shè)備的同步要求較高。外部時(shí)鐘系統(tǒng)使用GPS(全球定位系統(tǒng))或北斗衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn),避免產(chǎn)生累計(jì)誤差。信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部以通信前置機(jī)獲取的時(shí)間進(jìn)行同步,同時(shí)需確保通信前置機(jī)主機(jī)作為時(shí)間服務(wù)端提供時(shí)間服務(wù),通信前置機(jī)備機(jī)停止提供時(shí)間服務(wù),避免因兩臺(tái)通信前置機(jī)同時(shí)為下一層設(shè)備提供時(shí)間服務(wù),而導(dǎo)致的硬件或操作系統(tǒng)異常,進(jìn)而使得兩臺(tái)通信前置機(jī)的時(shí)間偏差過(guò)大,影響下一層設(shè)備的時(shí)間同步準(zhǔn)確性及精度。

在全自動(dòng)運(yùn)行線路中,為確保軌旁設(shè)備與車載設(shè)備能夠保持時(shí)間同步,對(duì)于提供時(shí)間服務(wù)端的關(guān)鍵設(shè)備,信號(hào)系統(tǒng)將會(huì)對(duì)其進(jìn)行冗余配置,同時(shí)與下一層設(shè)備進(jìn)行交叉連接,以提高時(shí)間同步的可靠性。將FEP、CATS、Gateway和ATS維護(hù)臺(tái)作為客戶端,同步上一層的時(shí)鐘信息,同時(shí)為下一層設(shè)備提供時(shí)間基準(zhǔn)。

為保證時(shí)間同步精度:①若兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器出現(xiàn)雙主機(jī)現(xiàn)象,則自動(dòng)退出一臺(tái)主機(jī)應(yīng)用程序,啟動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器主機(jī)和備機(jī)時(shí)間服務(wù)、關(guān)閉通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用程序控制,確保兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器僅有主機(jī)提供時(shí)鐘服務(wù),避免兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器的時(shí)間偏差過(guò)大,進(jìn)而影響下一層設(shè)備的時(shí)間同步準(zhǔn)確性及精度。②若兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器出現(xiàn)雙主機(jī)現(xiàn)象,則自動(dòng)退出一臺(tái)主機(jī)應(yīng)用程序,啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)主機(jī)和備機(jī)時(shí)間服務(wù),關(guān)閉通過(guò)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序控制,以確保兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器僅有主機(jī)提供時(shí)間服務(wù),避免兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)時(shí)間偏差過(guò)大,進(jìn)而影響下一層設(shè)備的時(shí)間同步準(zhǔn)確性及精度。

信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步時(shí),需提供時(shí)間服務(wù)端設(shè)備。若服務(wù)端設(shè)備的時(shí)間跳變超過(guò)一定數(shù)值(可配置),則下一層客戶端設(shè)備時(shí)間同步服務(wù)會(huì)立即停止,進(jìn)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(shí)間跳變小于一定數(shù)值,則下一層客戶端將在一定時(shí)間內(nèi)完成時(shí)間平滑調(diào)整,并與服務(wù)端設(shè)備時(shí)間保持一致,該過(guò)程可采用Meinberg時(shí)鐘同步軟件實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間服務(wù)端設(shè)備采用SNTP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議),下層客戶端設(shè)備的時(shí)間同步精度只能達(dá)到秒級(jí),不能滿足列車全自動(dòng)運(yùn)行的需求,因此提供時(shí)間服務(wù)端的設(shè)備均需采用NTP進(jìn)行時(shí)間同步。

本文所提時(shí)間同步方法的特點(diǎn)有:①可確保信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)ATC、ATS、CI、MSS、DCS五個(gè)子系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一,且時(shí)間同步精度可達(dá)毫秒級(jí),能夠滿足列車全自動(dòng)運(yùn)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(tái)設(shè)備或通信通道故障對(duì)下一層設(shè)備同步時(shí)間的影響,提高了系統(tǒng)的可靠性;③對(duì)于所有冗余時(shí)間服務(wù)端設(shè)備,僅有主機(jī)提供時(shí)間服務(wù),可避免兩臺(tái)時(shí)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(tái)時(shí)間服務(wù)端設(shè)備時(shí)間偏差過(guò)大,進(jìn)而影響下一層設(shè)備的時(shí)間同步;④時(shí)間服務(wù)端設(shè)備可在一定時(shí)間范圍內(nèi)跳變,下一層設(shè)備可在一定時(shí)間內(nèi)平滑調(diào)整同步時(shí)間服務(wù)端設(shè)備的時(shí)間,避免出現(xiàn)由于時(shí)間跳變影響列車全自動(dòng)運(yùn)行的情況;⑤當(dāng)時(shí)間服務(wù)端設(shè)備跳變超過(guò)一定時(shí)間時(shí),下一層設(shè)備可自動(dòng)停止同步時(shí)間服務(wù),避免其他設(shè)備時(shí)間變化過(guò)大,進(jìn)而影響列車全自動(dòng)運(yùn)行。

某項(xiàng)目中,采用SNTP和NTP的ATC車載設(shè)備與ATS網(wǎng)關(guān)時(shí)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(shí)間同步精度遠(yuǎn)高于采用SNTP的時(shí)間精度。

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

3 信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間同步說(shuō)明

關(guān)于信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間同步方法的說(shuō)明如下:

1) 信號(hào)系統(tǒng)的通信前置機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從時(shí)鐘系統(tǒng)獲取統(tǒng)一時(shí)間源,當(dāng)通信前置機(jī)獲取時(shí)間信息后,同步本機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)間。兩臺(tái)通信前置機(jī)的主機(jī)為下一層客戶端設(shè)備和通信前置機(jī)的備機(jī)提供時(shí)間服務(wù),通信前置機(jī)的備機(jī)停止作為服務(wù)端提供時(shí)間服務(wù)。

2) 當(dāng)通信前置機(jī)主機(jī)因硬件、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障退出時(shí),通信前置機(jī)備機(jī)應(yīng)用程序升為主機(jī),同時(shí)作為服務(wù)端提供時(shí)間服務(wù)。對(duì)于發(fā)生故障的原主機(jī),當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)后將其作為備機(jī),備機(jī)應(yīng)用程序主動(dòng)停止時(shí)間服務(wù)。若備機(jī)應(yīng)用程序沒(méi)有啟動(dòng),主機(jī)將向備機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)送停止時(shí)間服務(wù)指令,以確保僅有主機(jī)提供時(shí)間服務(wù)。

3) 將兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器作為客戶端,同步通信前置機(jī)的主機(jī)時(shí)間。兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器中僅由應(yīng)用服務(wù)器主機(jī)作為服務(wù)端為下一層設(shè)備提供時(shí)間服務(wù),應(yīng)用服務(wù)器備機(jī)作為服務(wù)端停止提供時(shí)間服務(wù)。當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器主機(jī)因硬件、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障退出時(shí),應(yīng)用服務(wù)器備機(jī)應(yīng)用程序升為主機(jī),同時(shí)提供時(shí)間服務(wù)。對(duì)于發(fā)生故障的原主機(jī),當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)后將其作為備機(jī),備機(jī)應(yīng)用程序主動(dòng)停止時(shí)間服務(wù)。若備機(jī)應(yīng)用程序沒(méi)有啟動(dòng),主機(jī)將向備機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)送停止時(shí)間服務(wù)指令,以確保僅有主機(jī)提供時(shí)間服務(wù)。

4) 將ATS工作站、ATS維護(hù)臺(tái)、ATS車站服務(wù)器和聯(lián)鎖SDM工作站作為客戶端,同步兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器的主機(jī)時(shí)間。將兩臺(tái)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(jī)時(shí)間。兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中僅有網(wǎng)關(guān)主機(jī)作為服務(wù)端為下一層設(shè)備提供時(shí)間服務(wù),網(wǎng)關(guān)備機(jī)作為服務(wù)端停止提供時(shí)間服務(wù)。

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

6) 將ATC設(shè)備、DCS設(shè)備作為客戶端,同步兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中的主機(jī)時(shí)間。ATS維護(hù)臺(tái)與MSS子系統(tǒng)通信,并作為服務(wù)端為MSS設(shè)備提供時(shí)間服務(wù),MSS設(shè)備作為客戶端同步ATS維護(hù)臺(tái)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

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