黃柒光 梁 宇

(卡斯柯信號(hào)有限公司,200070,上海//第一作者,工程師)

信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通中非常重要的一個(gè)系統(tǒng)，是指揮列車(chē)運(yùn)行的控制設(shè)備，以確保列車(chē)實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)度,對(duì)于保障列車(chē)行駛安全和提高城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率起著關(guān)鍵性作用。一般而言、信號(hào)系統(tǒng)由自動(dòng)列車(chē)控制(ATC)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CI)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)、維護(hù)支持系統(tǒng)(MSS)等子系統(tǒng)組成。其中,ATC包括ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))、ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)和ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)。時(shí)鐘同步對(duì)各子系統(tǒng)協(xié)同正常運(yùn)行，提高城市軌道交通系統(tǒng)安全性、可靠性及提升其運(yùn)營(yíng)效率有著重要的意義；時(shí)鐘不同步會(huì)引起列車(chē)運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)點(diǎn)率下降、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間過(guò)短等故障，影響乘客滿意度。

1 時(shí)鐘同步方案

信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步主要通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)通信前置機(jī)(FEP)從通信系統(tǒng)時(shí)鐘接口獲取時(shí)鐘源，信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部以FEP獲取的時(shí)鐘源進(jìn)行同步；外部時(shí)鐘系統(tǒng)通常使用GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)進(jìn)行同步時(shí)間校準(zhǔn)，避免產(chǎn)生累計(jì)誤差；信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部通常采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)或SNTP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)進(jìn)行時(shí)鐘同步。信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步示意如圖1所示。

注:LATS代表所有的車(chē)站服務(wù)器;DCS代表數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

圖1 信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步示意圖

(1) 第一層時(shí)間服務(wù)：系統(tǒng)通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)送給FEP A和FEP B，F(xiàn)EP A和FEP B通過(guò)從時(shí)鐘系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，來(lái)同步本機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)間。

(2) 第二層時(shí)間服務(wù)：FEP A和FEP B作為 NTP服務(wù)的服務(wù)器端來(lái)提供時(shí)間服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)器A和應(yīng)用服務(wù)器B作為NTP服務(wù)客戶端來(lái)同步兩臺(tái)前置機(jī)的時(shí)間。

(3) 第三層時(shí)間服務(wù)：CATS A和CATS B作為NTP服務(wù)的服務(wù)器端來(lái)提供時(shí)間服務(wù)，所有工作站、LATS和連接信號(hào)子網(wǎng)的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)(即網(wǎng)關(guān)A和網(wǎng)關(guān)B)作為NTP服務(wù)的客戶端來(lái)同步兩臺(tái)CATS服務(wù)器的時(shí)間。

(4) 第四層時(shí)間服務(wù)：連接信號(hào)子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)A和網(wǎng)關(guān)B作為NTP服務(wù)的服務(wù)器端來(lái)提供時(shí)間服務(wù)，信號(hào)子網(wǎng)內(nèi)的所有主機(jī)(包括ATC車(chē)載設(shè)備、ATC其它軌旁設(shè)備和DCS設(shè)備)作為NTP服務(wù)的客戶端來(lái)同步兩個(gè)網(wǎng)關(guān)的時(shí)間。

FEP對(duì)于外部時(shí)鐘服務(wù)器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器而言，它又充當(dāng)NTP服務(wù)器角色。

應(yīng)用服務(wù)器對(duì)于FEP而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對(duì)于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、車(chē)站服務(wù)器、ATS中心工作站和ATS車(chē)站工作站而言，它又充當(dāng)NTP服務(wù)器角色。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對(duì)于ATC和DCS設(shè)備而言，它又充當(dāng)NTP服務(wù)器角色。

2 案例分析

2.1 成都某地鐵線路時(shí)鐘不同步故障分析

2.1.1 故障現(xiàn)象

2018年5月1日，成都某地鐵線路因外部時(shí)鐘跳變引發(fā)了信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生跳變，導(dǎo)致列車(chē)時(shí)鐘不同步，從而造成區(qū)間ATO限速,以及部分車(chē)站PIS(乘客信息系統(tǒng))無(wú)到站信息等問(wèn)題。

2.1.2 故障分析

經(jīng)分析,成都某地鐵線路故障是由外部時(shí)鐘系統(tǒng)發(fā)生跳變而導(dǎo)致的。該地鐵線路信號(hào)系統(tǒng)與外部時(shí)鐘源采用網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議，同時(shí)采用NTP協(xié)議進(jìn)行同步；信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部同樣采用NTP協(xié)議以及Meinberg工具。2018年5月1日，外部時(shí)鐘源由于發(fā)生故障，時(shí)鐘跳變至2018年4月24日。同時(shí),FEP檢測(cè)到時(shí)鐘源跳變超過(guò)1 000 s，立即停止NTP服務(wù)同步錯(cuò)誤時(shí)鐘源。FEP根據(jù)主備機(jī)動(dòng)態(tài)控制NTP時(shí)鐘服務(wù)，其主機(jī)每5 min會(huì)自動(dòng)檢查NTP服務(wù)狀態(tài)，并針對(duì)主機(jī)檢查NTP服務(wù)是否啟動(dòng)，若未啟動(dòng)則立即啟動(dòng)NTP服務(wù)，并針對(duì)備機(jī)進(jìn)行關(guān)閉NTP服務(wù)；NTP服務(wù)啟動(dòng)會(huì)無(wú)條件接受外部時(shí)鐘的時(shí)間，并使得FEP主機(jī)時(shí)間跳變到2018年4月24日；由于FEP跳變至2018年4月24日，CATS檢測(cè)到其時(shí)鐘與時(shí)鐘源FEP主機(jī)相差1 000 s，立即停止了CATS的NTP服務(wù)。

CATS根據(jù)主備機(jī)動(dòng)態(tài)控制NTP時(shí)鐘服務(wù)，CATS主機(jī)每5 min會(huì)自動(dòng)檢查NTP服務(wù)狀態(tài)，針對(duì)主機(jī)檢查NTP服務(wù)是否啟動(dòng)，未啟動(dòng)會(huì)啟動(dòng)NTP服務(wù)，同時(shí)針對(duì)備機(jī)會(huì)進(jìn)行關(guān)閉NTP服務(wù)；NTP服務(wù)啟動(dòng)會(huì)無(wú)條件接受外部時(shí)鐘的時(shí)間，導(dǎo)致CATS主機(jī)時(shí)間跳變到2018年4月24日。

由于CATS跳變到2018年4月24日，同時(shí)網(wǎng)關(guān)檢測(cè)到其與時(shí)鐘源CATS主機(jī)相差1 000 s，立即停止了網(wǎng)關(guān)的NTP服務(wù)；網(wǎng)關(guān)沒(méi)有利用主備機(jī)動(dòng)態(tài)控制NTP時(shí)鐘服務(wù)機(jī)制，但由于前期NTP協(xié)議工具M(jìn)einberg不太穩(wěn)定，出現(xiàn)過(guò)自動(dòng)停止的情況，因此實(shí)施過(guò)程對(duì)NTP服務(wù)創(chuàng)建了計(jì)劃任務(wù)自啟動(dòng)功能；由于網(wǎng)關(guān)在06:00設(shè)置了自啟動(dòng)NTP任務(wù)，因此在06:00時(shí)網(wǎng)關(guān)同樣跳變到2018年4月24日。

由于2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器均跳變至2018年4月24日，此時(shí)CC(車(chē)載控制器)監(jiān)測(cè)到本地時(shí)間與時(shí)鐘服務(wù)端網(wǎng)關(guān)服務(wù)器相差超過(guò)1 000 s，因此立即停止了NTP服務(wù)，同時(shí)采用本地時(shí)間代替；由于CC監(jiān)測(cè)到的到站、離站時(shí)間及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間均由ATS網(wǎng)關(guān)發(fā)送，在ATO模式下，CC根據(jù)ATS發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行離站以及計(jì)算區(qū)間運(yùn)行速度；由于CC監(jiān)測(cè)到的時(shí)間與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時(shí)間不一致，從而引起相關(guān)故障。

2.2 蘇州某地鐵線路時(shí)鐘不同步故障分析

2.2.1 故障現(xiàn)象

2017年6月26日，蘇州某地鐵線路部分列車(chē)在ATO模式下，出現(xiàn)司機(jī)界面顯示時(shí)間不正確，以及在站臺(tái)停站時(shí)間過(guò)短的現(xiàn)象。

2.2.2 故障分析

(1) 經(jīng)分析,該故障是由于CC設(shè)備與ATS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時(shí)間不同步導(dǎo)致的。

(2) 該線路在ATS層面采用Windows的SNTP協(xié)議(Windows time服務(wù))進(jìn)行時(shí)鐘同步，即網(wǎng)關(guān)服務(wù)器同步應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器同步通信前置機(jī)等均采用了SNTP協(xié)議。

(3) CC采用了NTP，同時(shí)CC同步的上層時(shí)鐘為網(wǎng)關(guān)服務(wù)器A與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器B；2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器均采用SNTP同步應(yīng)用服務(wù)器A與應(yīng)用服務(wù)器B(SNTP的精度僅能到秒級(jí))；當(dāng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器A與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器B相差超過(guò)50 ms，CC將不再同步網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，而采納本地時(shí)間,從而導(dǎo)致CC時(shí)間與ATS網(wǎng)關(guān)時(shí)間不一致。

(4) 當(dāng)列車(chē)以ATO模式駕駛，到站后ATS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將會(huì)給車(chē)載發(fā)送預(yù)計(jì)離站時(shí)間及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間采用的都是絕對(duì)時(shí)間，由于時(shí)間的不一致，導(dǎo)致列車(chē)離站及到達(dá)下一站時(shí)間不準(zhǔn)確。

對(duì)香港和蘇州兩個(gè)城市地鐵線路信號(hào)系統(tǒng)部署的時(shí)鐘同步方案進(jìn)行了比較,可知：香港某地鐵線路(無(wú)人駕駛)采用NTP協(xié)議，并利用Meinberg工具實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步；蘇州某地鐵線路采用SNTP協(xié)議，并利用Windows time服務(wù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)抓包,以及結(jié)合自開(kāi)發(fā)工具提取時(shí)鐘報(bào)文參數(shù)，并對(duì)上述兩種時(shí)鐘同步方案進(jìn)行比較(見(jiàn)圖2～3)。由圖2～3可知,采用NTP協(xié)議和Meinberg工具進(jìn)行時(shí)鐘同步，相比采用SNTP協(xié)議和Windows time進(jìn)行時(shí)鐘同步，偏差要小，前者由CC監(jiān)測(cè)到的時(shí)間更精準(zhǔn)。

圖2 蘇州某地鐵線路信號(hào)系統(tǒng)CC與軌旁ATS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時(shí)鐘同步情況

圖3 香港某地鐵線路信號(hào)系統(tǒng)CC與軌旁ATS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時(shí)鐘同步情況

3 時(shí)鐘同步優(yōu)化方案

經(jīng)對(duì)幾個(gè)項(xiàng)目時(shí)鐘不同步問(wèn)題故障分析，總結(jié)出時(shí)鐘同步優(yōu)化方案:

(1) 信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部采用NTP協(xié)議的Meinberg工具，該協(xié)議可確保時(shí)間精度控制在50 ms之內(nèi)；對(duì)于采用多個(gè)時(shí)鐘源的情況，不會(huì)影響下一層時(shí)鐘同步。

(2) FEP與外部時(shí)鐘系統(tǒng)采用自開(kāi)發(fā)軟件。由于Meinberg工具對(duì)于上層時(shí)鐘源在1 000 s之內(nèi)發(fā)生的偏差或跳變,下一層時(shí)鐘均可以與上層同步;而實(shí)際信號(hào)系統(tǒng)一般規(guī)定外部時(shí)鐘源存在幾秒或十幾秒的偏差或跳變時(shí)，停止信號(hào)系統(tǒng)通信前置機(jī)與外部時(shí)鐘系統(tǒng)同步。

(3) 當(dāng)同步的上一層時(shí)鐘設(shè)備是雙套的情況下，如果相互之間偏差超過(guò)50 ms，那么必須停止其中一臺(tái)時(shí)鐘設(shè)備提供時(shí)鐘源，以免影響下一層設(shè)備時(shí)鐘同步。

(4) 2臺(tái)FEP采用自開(kāi)發(fā)軟件接口協(xié)議與外部時(shí)鐘源同步，但無(wú)法確保2臺(tái)FEP的時(shí)鐘精度偏差均在50 ms內(nèi)(僅采用NTP或PTP協(xié)議時(shí)才能確保精度在50 ms內(nèi))，不能同時(shí)為下一層提供時(shí)鐘源服務(wù)。

(5) 2臺(tái)FEP為一主一備，熱備可隨時(shí)進(jìn)行切換，只保留主機(jī)提供NTP服務(wù)，備機(jī)軟件自動(dòng)停止NTP服務(wù)，以確保下一層設(shè)備(2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器)僅同步1臺(tái)FEP，這樣可確保下一層設(shè)備(2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器)的精度控制在50 ms內(nèi)。

(6) 2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器精度在50 ms內(nèi)，可設(shè)置該2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器為時(shí)鐘源，提高了冗余性。

(7) 2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行同步2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，由于2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器精度控制在50 ms內(nèi)，這樣可確保2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器精度在50 ms內(nèi)。

(8) 其它ATS終端、車(chē)站ATS服務(wù)器等將2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器作為時(shí)鐘源進(jìn)行同步。

(9) CC可將2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為時(shí)鐘源同步。

以上優(yōu)化方案在試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證情況如下：

(1) 上層時(shí)鐘源跳變量超過(guò)1 000 s，下層客戶端時(shí)鐘同步服務(wù)NTP會(huì)立即停止。

(2) 重啟NTP服務(wù)后，時(shí)鐘客戶端會(huì)立刻向上層時(shí)鐘同步。

(3) 時(shí)鐘跳變?cè)? 000 s內(nèi)，每層級(jí)時(shí)鐘客戶端與服務(wù)端大概15 min左右可以完成同步，前提是設(shè)置NTP同步參數(shù)為非跳躍式。

(4) NTP客戶端層級(jí)stratum小于等于服務(wù)端，會(huì)導(dǎo)致同步失效。

(5) 如有多個(gè)時(shí)鐘源，如時(shí)鐘源相差50 ms，下一層時(shí)鐘客戶端會(huì)停止向服務(wù)端同步。

(6) 上層時(shí)鐘源為2套設(shè)備，采用Windows time的SNTP協(xié)議，下一層采用NTP協(xié)議Meinberg工具，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)下層時(shí)鐘不能同步上層時(shí)鐘源。因?yàn)樯蠈?個(gè)時(shí)鐘源采用的SNTP協(xié)議，時(shí)鐘精度僅能保持在秒級(jí)，很容易相差50 ms，當(dāng)2個(gè)時(shí)鐘源相差50 ms，下一層時(shí)鐘源采用NTP協(xié)議，將會(huì)停止向上一層時(shí)鐘源同步。

4 結(jié)語(yǔ)

信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)行的重要組成部分，能確保列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)。時(shí)鐘同步為工作人員和廣大乘客提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并為信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，在保證城市軌道交通的安全、穩(wěn)定、正常運(yùn)營(yíng)起到了重要作用。

通過(guò)對(duì)上述幾個(gè)城市出現(xiàn)的信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘不同步故障進(jìn)行分析，總結(jié)優(yōu)化了信號(hào)系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案，并在試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。目前,優(yōu)化的時(shí)鐘同步方案成功運(yùn)用在成都、蘇州、深圳、廣州和武漢等多個(gè)城市，且運(yùn)行良好，至今未出現(xiàn)時(shí)鐘不同步引起的相關(guān)故障。