列車全自動運行信號系統時間同步方案

黃柒光 梁 宇

(卡斯柯信號有限公司,200072,上海)

對于列車全自動運行系統,時間同步設備是保證信號系統中各子系統協同聯動的基礎,其直接關系到列車的運營準點率和運行安全性。時間同步包括信號系統與外部時鐘源的同步、安全子系統軌旁ATC(列車自動控制)系統與ATC車載設備的同步,以及采用LTE(長期演進)車地無線通信BBU(基帶處理單元)之間的同步。對于全自動運行線路而言,時間不同步將導致列車運行不準點、開關車門時間過短等故障現象,易引起乘客的不滿情緒?；诖?本文主要介紹了在列車全自動運行情況下,信號系統與外部時鐘源、各子系統之間及各車載設備之間的同步機制,研究了外部時鐘源跳變對信號系統的影響,以及某一層設備的時間錯誤對下一層設備的影響。

1 時間同步設備在信號系統中的作用

時間同步設備在信號系統中的作用為保證信號系統中各子系統協同工作,以及確保列車運行安全和運營準點。在全自動運行線路中,針對早點或晚點情況,軌旁ATS(列車自動監控)系統通過比較列車計劃與實際到站或離站時間,調整停站時間和區間運行時間,并將調整后的時間發給ATC車載設備,ATC車載設備結合軌旁傳遞的設備狀態及授權終點,計算ATO(列車自動運行)速度曲線。若軌旁ATS系統與ATC車載設備時間不同步,將影響 ATO運行速度、列車的區間運行時間及到站時間,進而影響列車的準點率。

此外,時間同步設備還在信號系統中起到了確保列車安全自動開關門的作用。在全自動運行線路中,當列車?？吭谡九_時,ATC車載設備通過軌旁應答器和車載傳感器獲取列車位置信息,并結合所采集的列車速度判斷列車準確?？空九_后,ATC車載設備向列車請求切除牽引、施加制動。當獲得列車反饋成功信息后,ATC車載設備向列車發送開車門指令,同時通過聯鎖設備發送開屏蔽門指令。根據所調整的早點、晚點停站時間,軌旁ATS系統通過車地無線通信將時間調整信息傳遞至ATC車載設備,ATC車載設備根據接收到的停站時間關閉車門。若軌旁ATS系統與ATC車載設備時間不同步,很有可能導致開車門時間過短,進而影響乘客上下車。

2 信號系統時間同步方案

列車全自動運行信號系統包括ATC設備、ATS設備、CI(計算機聯鎖)設備、MSS(維護支持系統)設備、DCS(數據通信子系統)設備。其中:ATC設備、CI設備下位機是保證系統安全的設備,安全等級為SIL(安全完整性等級)4,由冗余網絡組成;ATS設備、CI設備上位機的安全等級為SIL2,由另一對冗余網絡組成;MSS設備的安全等級為SIL0,由非冗余網絡組成。外部時鐘系統連接到ATS設備的FEP(前端處理器),ATS設備經網關與SIL4設備相連,ATS設備經維護臺與SIL0設備相連。全自動運行信號系統時間同步網絡架構示意圖如圖1所示。

注:CATS為中心應用服務器;SDM為診斷和維護子系統。

在全自動運行線路中,為實現列車的全自動運行,必須使信號系統各子系統之間的時間同步,特別是信號車載設備與軌旁設備之間的時間同步。信號系統中的關鍵設備及通信通道均采取冗余配置,且均為熱備狀態,以確保在一個關鍵設備或通信通道故障的情況下,列車仍可以全自動運行。

兩臺通信前置機FEP通過網絡及串口連接通信,將先啟動應用程序的FEP作為主機,后啟動應用程序的FEP作為備機。在網絡不穩定的情況下,通過串口通信獲取對方通信前置機狀態,以確保通信通道和通信前置機設備均為冗余狀態。通信前置機主機啟動后作為時間服務端提供時間服務,通信前置機備機停止提供時間服務。

兩臺應用服務器CATS通過網絡及串口連接通信,將先啟動應用程序的CATS作為主機,后啟動應用程序的CATS作為備機。在網絡不穩定的情況下,通過串口通信獲取對方CATS的狀態,以確保通信通道和CATS設備均為冗余狀態。

兩臺網關服務器Gateway通過網絡及串口連接通信,將先啟動應用程序的網關服務器作為主機,后啟動應用程序的網關服務器作為備機。在網絡不穩定的情況下,通過串口通信獲取對方網關狀態,以確保通信通道和網關設備均為冗余狀態。

在全自動運行線路中,信號系統內部時間同步采用NTP(網絡時間協議),其精度為毫秒級,通過采用Meinberg時鐘同步軟件實現時間同步。信號系統由通信系統的時鐘接口獲取時間源后,通過在通信前置機部署的自開發應用程序與時鐘源進行時間同步。為避免外部時間源跳變影響信號系統內部子系統,在一定時間偏差范圍內(可配置),通信前置機需實時同步外部時間源,如外部時間源非正常跳變且超過一定時間偏差(可配置),則通信前置機判斷外部時間源出現故障,停止同步外部時間源,并給出告警信息。當外部時間源恢復正常后,經確認可在通信前置機人工輸入命令,以同步外部時間源。

信號系統對于軌旁設備與車載設備的同步要求較高。外部時鐘系統使用GPS(全球定位系統)或北斗衛星進行時間同步校準,避免產生累計誤差。信號系統內部以通信前置機獲取的時間進行同步,同時需確保通信前置機主機作為時間服務端提供時間服務,通信前置機備機停止提供時間服務,避免因兩臺通信前置機同時為下一層設備提供時間服務,而導致的硬件或操作系統異常,進而使得兩臺通信前置機的時間偏差過大,影響下一層設備的時間同步準確性及精度。

在全自動運行線路中,為確保軌旁設備與車載設備能夠保持時間同步,對于提供時間服務端的關鍵設備,信號系統將會對其進行冗余配置,同時與下一層設備進行交叉連接,以提高時間同步的可靠性。將FEP、CATS、Gateway和ATS維護臺作為客戶端,同步上一層的時鐘信息,同時為下一層設備提供時間基準。

為保證時間同步精度:①若兩臺應用服務器出現雙主機現象,則自動退出一臺主機應用程序,啟動應用服務器主機和備機時間服務、關閉通過應用服務器的應用程序控制,確保兩臺應用服務器僅有主機提供時鐘服務,避免兩臺應用服務器的時間偏差過大,進而影響下一層設備的時間同步準確性及精度。②若兩臺網關服務器出現雙主機現象,則自動退出一臺主機應用程序,啟動網關主機和備機時間服務,關閉通過網關的應用程序控制,以確保兩臺網關服務器僅有主機提供時間服務,避免兩臺網關時間偏差過大,進而影響下一層設備的時間同步準確性及精度。

信號系統內的各子系統設備進行時間同步時,需提供時間服務端設備。若服務端設備的時間跳變超過一定數值(可配置),則下一層客戶端設備時間同步服務會立即停止,進而避免下一層客戶端設備同步跳變。若服務端設備的時間跳變小于一定數值,則下一層客戶端將在一定時間內完成時間平滑調整,并與服務端設備時間保持一致,該過程可采用Meinberg時鐘同步軟件實現。

時間服務端設備采用SNTP(簡單網絡時間同步協議),下層客戶端設備的時間同步精度只能達到秒級,不能滿足列車全自動運行的需求,因此提供時間服務端的設備均需采用NTP進行時間同步。

本文所提時間同步方法的特點有:①可確保信號系統內ATC、ATS、CI、MSS、DCS五個子系統時間的統一,且時間同步精度可達毫秒級,能夠滿足列車全自動運行的需求;②關鍵設備和通信通道采取冗余配置且均為熱備狀態,可避免某臺設備或通信通道故障對下一層設備同步時間的影響,提高了系統的可靠性;③對于所有冗余時間服務端設備,僅有主機提供時間服務,可避免兩臺時間服務端設備由于操作系統或硬件偶發原因出現的故障或跳變,導致的兩臺時間服務端設備時間偏差過大,進而影響下一層設備的時間同步;④時間服務端設備可在一定時間范圍內跳變,下一層設備可在一定時間內平滑調整同步時間服務端設備的時間,避免出現由于時間跳變影響列車全自動運行的情況;⑤當時間服務端設備跳變超過一定時間時,下一層設備可自動停止同步時間服務,避免其他設備時間變化過大,進而影響列車全自動運行。

某項目中,采用SNTP和NTP的ATC車載設備與ATS網關時間同步分析情況,如表1和表2所示。由表1和表2可知:采用NTP的時間同步精度遠高于采用SNTP的時間精度。

表1 采用SNTP的ATC車載設備與ATS網關時間同步分析情況

表2 采用NTP的ATC車載設備與ATS網關時間同步分析情況

3 信號系統時間同步說明

關于信號系統時間同步方法的說明如下:

1) 信號系統的通信前置機通過網絡從時鐘系統獲取統一時間源,當通信前置機獲取時間信息后,同步本機操作系統時間。兩臺通信前置機的主機為下一層客戶端設備和通信前置機的備機提供時間服務,通信前置機的備機停止作為服務端提供時間服務。

2) 當通信前置機主機因硬件、操作系統或應用程序故障退出時,通信前置機備機應用程序升為主機,同時作為服務端提供時間服務。對于發生故障的原主機,當應用程序啟動后將其作為備機,備機應用程序主動停止時間服務。若備機應用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統發送停止時間服務指令,以確保僅有主機提供時間服務。

3) 將兩臺應用服務器作為客戶端,同步通信前置機的主機時間。兩臺應用服務器中僅由應用服務器主機作為服務端為下一層設備提供時間服務,應用服務器備機作為服務端停止提供時間服務。當應用服務器主機因硬件、操作系統或應用程序故障退出時,應用服務器備機應用程序升為主機,同時提供時間服務。對于發生故障的原主機,當應用程序啟動后將其作為備機,備機應用程序主動停止時間服務。若備機應用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統發送停止時間服務指令,以確保僅有主機提供時間服務。

4) 將ATS工作站、ATS維護臺、ATS車站服務器和聯鎖SDM工作站作為客戶端,同步兩臺應用服務器的主機時間。將兩臺網關服務器作為客戶端,同步應用服務器的主機時間。兩臺網關服務器中僅有網關主機作為服務端為下一層設備提供時間服務,網關備機作為服務端停止提供時間服務。

5) 當網關主機因硬件、操作系統或應用程序故障退出時,網關備機應用程序升為主機,同時作為服務端提供時間服務。對于故障的原主機,當應用程序啟動后將其作為備機,備機應用程序作為服務端主動停止時間服務。若備機應用程序沒有啟動,主機將向備機操作系統發送停止時間服務指令,以確保僅有主機提供時間服務。

6) 將ATC設備、DCS設備作為客戶端,同步兩臺網關服務器中的主機時間。ATS維護臺與MSS子系統通信,并作為服務端為MSS設備提供時間服務,MSS設備作為客戶端同步ATS維護臺時間。

4 結語

本文介紹了全自動運行系統中的時間同步方法。信號系統的內部與外部分別采用不同的時間同步方法,避免外部時鐘跳變直接影響內部信號系統。信號系統內采用NTP,且冗余設備僅主機提供時間服務,確保了設備的時間同步精度,其時間同步精度可達毫秒級,保障了列車全自動運行的需求。目前,本文所提時鐘同步方案已成功用于上海、北京、成都和鄭州等多個城市的線路,線路運行情況良好,至今未出現由時鐘不同步引起的相關故障問題。