石文靜 于 超

隨著軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的時鐘系統(tǒng)，甚至相關(guān)系統(tǒng)自備GPS接收設(shè)備，以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的時間同步。由于不同的GPS接收設(shè)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(shè)備或系統(tǒng)故障的判斷和及時恢復(fù)，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(dǎo)航系統(tǒng)，國產(chǎn)化率低。為滿足軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和完善，其綜合服務(wù)能力，如服務(wù)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(dǎo)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(dǎo)航互為主備方案考慮。

1 線網(wǎng)級同步網(wǎng)平臺建設(shè)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(shè)，如圖1所示。

第1層包括GPS接收設(shè)備、北斗衛(wèi)星接收設(shè)備、一級時間服務(wù)器和一級網(wǎng)管設(shè)備，主備系統(tǒng)宜分別設(shè)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(shè)置在各線控制中心的二級時間服務(wù)器、ETS服務(wù)器和二級網(wǎng)管設(shè)備；第3層為設(shè)在各線控制中心的各弱電系統(tǒng)主機，在時間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用NTP協(xié)議；第4層為各弱電系統(tǒng)設(shè)在控制中心的、除了系統(tǒng)主機以外的所有設(shè)備和車站主機，在時間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用NTP協(xié)議；第5層為各弱電系統(tǒng)設(shè)置于車站的與車站主機相連的從機，在時間同步網(wǎng)絡(luò)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(wù)器設(shè)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(shè)時，均設(shè)置衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備，減少了建設(shè)的投資，實現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)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(shè)備故障，下一級系統(tǒng)仍可利用本級守時設(shè)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(dǎo)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(shè)備提供時鐘同步信號源；時間同步網(wǎng)為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)及時間顯示設(shè)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(dāng)系統(tǒng)的第1層設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障、BITS故障時，一級時間服務(wù)器仍然可以利用其自帶的晶振工作。2個一級時間服務(wù)器互為主備用，當(dāng)2個一級時間服務(wù)器均發(fā)生故障時，系統(tǒng)以第2層時間設(shè)備為基準進行時間的同步。以此類推，當(dāng)?shù)?、第2、第3、第4層時間系統(tǒng)設(shè)備均故障，或與上層設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備和線路傳輸設(shè)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(shè)備和線路傳輸設(shè)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(luò)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(wù)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(wù)器NTP時間南向授時的時間輸出口。

3．考察點C為ETS服務(wù)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(shè)備的一級時間服務(wù)器，以衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)時間的偏差不大于1ms。

第2層設(shè)備的二級時間服務(wù)器，以一級時間服務(wù)器為時間響應(yīng)源，并作為第3層設(shè)備時間源，其輸出時間與一級時間服務(wù)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(shè)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(wù)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(wù)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(shè)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(shè)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(yīng)小于20ms。一級時間服務(wù)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(shè)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(shè)備的一級時間服務(wù)器，偏差不大于1ms；第2層設(shè)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(shè)備C點與E點之間的精度，要求不大于20ms；第4層設(shè)備E點與G點之間的精度，要求不大于20ms；第5層設(shè)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(wù)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(shè)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(luò)，在東寶興路控制中心和中山北路控制中心，分別設(shè)置時間同步網(wǎng)絡(luò)的主備用同步網(wǎng)設(shè)備。各條地鐵線路在控制中心設(shè)置二級時間服務(wù)器。由于上海市上層NTP網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時間較早，仍采用基于雙GPS系統(tǒng)。隨著設(shè)備使用年限的增加，在下一步網(wǎng)絡(luò)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(shè)，也開始同步網(wǎng)的建設(shè)。目前已經(jīng)完成 《天津市城市軌道交通線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)5、6號線及后續(xù)線路同步時鐘網(wǎng)的建設(shè)。即在雙林線網(wǎng)指揮中心設(shè)置主用同步網(wǎng)設(shè)備（基于GPS），在備用線網(wǎng)指揮中心設(shè)置備用同步網(wǎng)設(shè)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(shè)置二級同步網(wǎng)設(shè)備，分別通過上層骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入一級同步網(wǎng)系統(tǒng)。上層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管設(shè)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(wù)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(wù)器南向授時端口；187表明該IP地址用于預(yù)留其他線路時間同步服務(wù)器南向授時端口。ABC＝188，且當(dāng)DEF＝000時，表明該IP地址用于上層NTP時間服務(wù)器；當(dāng)DEF＝001時，表明該IP地址用于各設(shè)備與網(wǎng)管相關(guān)聯(lián)端口；當(dāng)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(wù)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(yù)留其他線路二級時間同步服務(wù)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(wù)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(shè)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(shè)投資，實現(xiàn)了線網(wǎng)層面的資源共享。一級時間服務(wù)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(dǎo)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(yīng)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．