无线CBTC信号系统时间同步机制分析

2012-07-13赵晓峰

铁路通信信号工程技术 2012年2期

赵晓峰

（上海贝尔股份有限公司，上海 201203）

城市轨道交通中的无线CBTC信号系统是控制列车运行，保证列车运行安全的大型复杂实时控制系统。该系统实时性的特点不仅要求信号系统与外部时钟源进行时间同步，而且要求信号系统自身各个子系统之间及其内部也进行时间同步。此外，信号系统还会作为其他外部系统的时钟源。

1 无线CBTC信号系统的外部时钟源

城市轨道交通已经进入网络化时代，整个城市所有线路的机电系统往往采用统一的时钟源，下面以上海轨道交通为例进行说明。

上海城市轨道交通网络的统一时钟源是上层网络时间系统，主要包括一级时间服务器、二级时间服务器、GPS接收机、网管设备和交换机。

一级时间服务器提供的时间称为上海轨道交通网络的“网络中心时间”，该网络中心时间由各个时间源设备以网络时间协议（NTP）申请校时的方式逐级分发，以达到全网时间与网络中心时间同步的目标。

二级时间服务器设置在各个线路的控制中心内，通过NTP协议与一级时间服务器进行时间同步。

各个线路的无线CBTC信号系统则是从本线路的二级时间服务器获取时间同步信息，具体有两种实现方式：1）利用时钟源主机的Windows、UNIX操作系统自带的NTP服务程序，进行时间同步；2）在时钟源主机的Windows、Linux或UNIX操作系统上，安装自主开发的客户端软件或第三方客户端软件，启动NTP客户端软件，从而实现时间同步。

无线CBTC信号系统采取有条件同步，当有时间突变发生时，时钟源主机按照预先制定的同步规则进行同步；当没有时间突变发生时，时钟源主机必须与二级时间服务器同步。

2 无线CBTC信号系统时间同步机制分析

在接收到网络中心时间后，无线CBTC信号系统会在内部各个子系统进行时间同步。按照功能来划分，无线CBTC信号系统的子系统包括列车自动监控（ATS）、区域控制器(ZC）、联锁、车载控制器（VOBC）、数据通信系统（DCS）、维护等子系统。ATS主要实现对列车运行的监督和控制[1]；ZC是用于计算和生成移动授权的地面安全子系统，每个区域只有1套ZC，这里的区域是指若干连续的车站及线路，通常一条线路会划分为若干个区域；联锁是实现了与轨旁信号设备的控制接口，并为后备模式提供进路控制功能的地面安全子系统，每个区域只有1套联锁，与ZC配合工作；VOBC是根据轨旁生成的移动授权控制列车运行的车载安全子系统，每列列车只有1套VOBC；DCS为无线CBTC系统提供了基于因特网协议（IP）的数据通信网络；维护子系统主要用于收集和存储系统中各类设备日志以及各个子系统之间的通信报文等。不同的子系统与内部时钟源的时间同步方式是不同的。

2.1 无线CBTC信号系统的内部时钟源

如图1所示，无线CBTC信号系统的内部时钟源是ATS子系统的中心服务器1和2。这两个服务器均安装了用于时间同步的第三方软件NTPD Daemon，该软件采用NTP v3协议。NTP用于将计算机客户或服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源[2]。中心服务器1和2每隔10 min分别向上层网络时间系统申请一次校时，如果网络中心时间与中心服务器的时间差在50 ms以内，中心服务器接受上层网络系统的授时，超出该门限值时，中心服务器则使用本地时间。

中心服务器1是主用内部时钟源，系统内部申请校时均首选中心服务器1，中心服务器2是备用内部时钟源，当主用内部时钟源没有响应时，备用时钟源会起作用。中心服务器1和2分别向对方申请校时，以确保作为内部时钟源的时间一致性。

2.2 ATS子系统的时间同步

如图2所示，ATS子系统是一个分布式控制系统，按照地域来划分，包括控制中心的中心服务器1/2、中心ATS工作站1/2/3、大屏服务器，区域的车站ATS工作站1/2，以及轨旁的发车倒计时器。除了发车倒计时器，ATS子系统设备均是基于Windows操作系统的通用计算机设备，因此也采用了NTPD Daemon软件。

位于控制中心的设备通过控制中心的局域网，向中心服务器1和2申请校时，在获得授时后，中心ATS工作站和大屏服务器就可以向操作员提供统一的系统时间。备份服务器获得授时后，还会作为维护子系统的时钟源。

位于区域的设备通过区域的局域网和DCS骨干网，向中心服务器1和2申请授时，从而确保区域ATS和中心ATS的人机界面上使用一致的时间。

发车倒计时器位于站台，每个车站有4架，用于向列车司机指示停站信息，包括停站时间、扣车、跳停等。发车倒计时与中心服务器的通信采用UDP/IP协议，其时间同步机制是通过自行开发的应用数据通信协议来实现的。当发车倒计时器有显示内容时，中心服务器每秒钟发送一次显示信息；当发车倒计时器无显示内容时，中心服务器每分钟发送一次关闭显示命令。

2.3 安全子系统的时间同步

如图3所示，安全子系统的时钟源也是ATS的中心服务器1和2，其时间同步机制是基于UDP/IP的专用通信协议。在这个协议中，各个子系统之间会传送时间信息，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒。

如表1所示，通信发起者是指进行通信的两个子系统中发起通信握手的一方；通信保持者是指进行通信的两个子系统中发送轮询信息的一方。轮询周期是指通信保持者向通信发起者发送固定格式的信息的时间间隔。超时是指通信中的一方收不到另一方信息的最长时间，超过这个时间通信连接就会中断。

表1 安全子系统校时分析

ZC、联锁、VOBC都需要接受ATS的授时，同一区域的ZC和联锁之间需要相互校时，相邻区域的ZC之间也需要相互校时，ZC和VOBC之间同样需要相互校时。

此外，VOBC还会发送时间信息到所在列车的司机显示单元，包括停站时间、系统时间等。

2.4 DCS子系统的时间同步

如图4所示，DCS是一个包含多种网络的综合网络系统，在控制中心、区域和列车有局域网，在轨旁有骨干网和无线局域网。

控制中心的网络设备主要有中心骨干网交换机、中心安全网关、中心局域网交换机、网络管理服务器和中心防火墙。区域的网络设备主要有车站骨干网交换机、车站安全网关、车站局域网交换机。轨旁的网络设备主要有轨旁无线单元。列车的网络设备主要有车载无线单元和车载安全网关。

中心和车站骨干网交换机、中心和车站局域网交换机、轨旁和车载无线单元，以及中心防火墙均使用其固件自带的SNTP协议与中心服务器校时；中心、车站和车载安全网关则使用Linux操作系统自带的SNTP软件进行校时；网络管理服务器则安装了NTPD Deamon软件。

除了安全网关，其他设备的校时间隔均是10 min，安全网关涉及无线CBTC信号系统的实时安全通信，其校时间隔相对较短。

2.5 维护子系统的时间同步

如图5所示，维护子系统主要设备有备份服务器、数据库服务器、数据记录器。备份服务器用于储存无线CBTC信号系统中的所有设备的数据日志，其时间同步机制是通过安装第三方软件——TARDIS与中心服务器进行校时，校时间隔也是10 min，维护子系统的实时性要求相对不高，所以时间校准的门限值较大，是100 ms。数据库服务器1和2则采用Windows操作系统自带的Windows Time Protocol服务进行校时。位于中心和区域的数据记录器则使用NTPD Daemon软件进行校时。

3 无线CBTC信号系统时钟对外部系统的影响

无线CBTC信号系统在控制中心会向乘客广播系统(PAS) /乘客导向系统(PIDS)发送每个站台的预计到达列车的到点和发点。由于信号系统和PAS/PIDS系统是分别向上层网络时间系统申请校时的，所以当有一方与网络中心时间不一致时，就会导致PAS/PIDS在站台上不能预报列车到站时间信息，给广大候车乘客造成列车提前进站的假象。

此外，无线CBTC信号系统在列车上也会向外部系统——车辆的列车综合管理系统(TIMS)发送当前列车预计到达下一个站台的时间信息，由于车辆TIMS只能与信号系统校时，因此当两个系统时间不一致时，会造成列车广播系统误报，从而给乘客造成不便。