城市軌道交通信號系統(tǒng)時鐘不同步故障分析及優(yōu)化

黃柒光 梁 宇

(卡斯柯信號有限公司,200070,上海//第一作者,工程師)

信號系統(tǒng)是城市軌道交通中非常重要的一個系統(tǒng)，是指揮列車運行的控制設(shè)備，以確保列車實現(xiàn)安全防護、自動駕駛、自動跟蹤和自動調(diào)度,對于保障列車行駛安全和提高城市軌道交通系統(tǒng)運營效率起著關(guān)鍵性作用。一般而言、信號系統(tǒng)由自動列車控制(ATC)、計算機聯(lián)鎖(CI)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)、維護支持系統(tǒng)(MSS)等子系統(tǒng)組成。其中,ATC包括ATP(列車自動保護)、ATS(列車自動監(jiān)控)和ATO(列車自動運行)。時鐘同步對各子系統(tǒng)協(xié)同正常運行，提高城市軌道交通系統(tǒng)安全性、可靠性及提升其運營效率有著重要的意義；時鐘不同步會引起列車運營準(zhǔn)點率下降、車門開關(guān)門時間過短等故障，影響乘客滿意度。

1 時鐘同步方案

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

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

圖1 信號系統(tǒng)時鐘同步示意圖

(1) 第一層時間服務(wù)：系統(tǒng)通過串口或網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)送給FEP A和FEP B，F(xiàn)EP A和FEP B通過從時鐘系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，來同步本機操作系統(tǒng)時間。

(2) 第二層時間服務(wù)：FEP A和FEP B作為 NTP服務(wù)的服務(wù)器端來提供時間服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)器A和應(yīng)用服務(wù)器B作為NTP服務(wù)客戶端來同步兩臺前置機的時間。

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

(4) 第四層時間服務(wù)：連接信號子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)A和網(wǎng)關(guān)B作為NTP服務(wù)的服務(wù)器端來提供時間服務(wù)，信號子網(wǎng)內(nèi)的所有主機(包括ATC車載設(shè)備、ATC其它軌旁設(shè)備和DCS設(shè)備)作為NTP服務(wù)的客戶端來同步兩個網(wǎng)關(guān)的時間。

FEP對于外部時鐘服務(wù)器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于應(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)器對于FEP而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、車站服務(wù)器、ATS中心工作站和ATS車站工作站而言，它又充當(dāng)NTP服務(wù)器角色。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器對于應(yīng)用服務(wù)器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于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鐘跳變引發(fā)了信號系統(tǒng)時鐘發(fā)生跳變，導(dǎo)致列車時鐘不同步，從而造成區(qū)間ATO限速,以及部分車站PIS(乘客信息系統(tǒng))無到站信息等問題。

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鐘系統(tǒng)發(fā)生跳變而導(dǎo)致的。該地鐵線路信號系統(tǒng)與外部時鐘源采用網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議，同時采用NTP協(xié)議進行同步；信號系統(tǒng)內(nèi)部同樣采用NTP協(xié)議以及Meinberg工具。2018年5月1日，外部時鐘源由于發(fā)生故障，時鐘跳變至2018年4月24日。同時,FEP檢測到時鐘源跳變超過1 000 s，立即停止NTP服務(wù)同步錯誤時鐘源。FEP根據(jù)主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務(wù)，其主機每5 min會自動檢查NTP服務(wù)狀態(tài)，并針對主機檢查NTP服務(wù)是否啟動，若未啟動則立即啟動NTP服務(wù)，并針對備機進行關(guān)閉NTP服務(wù)；NTP服務(wù)啟動會無條件接受外部時鐘的時間，并使得FEP主機時間跳變到2018年4月24日；由于FEP跳變至2018年4月24日，CATS檢測到其時鐘與時鐘源FEP主機相差1 000 s，立即停止了CATS的NTP服務(wù)。

CATS根據(jù)主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務(wù)，CATS主機每5 min會自動檢查NTP服務(wù)狀態(tài)，針對主機檢查NTP服務(wù)是否啟動，未啟動會啟動NTP服務(wù)，同時針對備機會進行關(guān)閉NTP服務(wù)；NTP服務(wù)啟動會無條件接受外部時鐘的時間，導(dǎo)致CATS主機時間跳變到2018年4月24日。

由于CATS跳變到2018年4月24日，同時網(wǎng)關(guān)檢測到其與時鐘源CATS主機相差1 000 s，立即停止了網(wǎng)關(guān)的NTP服務(wù)；網(wǎng)關(guān)沒有利用主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務(wù)機制，但由于前期NTP協(xié)議工具Meinberg不太穩(wěn)定，出現(xiàn)過自動停止的情況，因此實施過程對NTP服務(wù)創(chuàng)建了計劃任務(wù)自啟動功能；由于網(wǎng)關(guān)在06:00設(shè)置了自啟動NTP任務(wù)，因此在06:00時網(wǎng)關(guān)同樣跳變到2018年4月24日。

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

2.2 蘇州某地鐵線路時鐘不同步故障分析

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在ATO模式下，出現(xiàn)司機界面顯示時間不正確，以及在站臺停站時間過短的現(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))進行時鐘同步，即網(wǎng)關(guān)服務(wù)器同步應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器同步通信前置機等均采用了SNTP協(xié)議。

(3) CC采用了NTP，同時CC同步的上層時鐘為網(wǎng)關(guān)服務(wù)器A與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器B；2臺網(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)；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50 ms，CC將不再同步網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，而采納本地時間,從而導(dǎo)致CC時間與ATS網(wǎng)關(guān)時間不一致。

(4) 當(dāng)列車以ATO模式駕駛，到站后ATS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將會給車載發(fā)送預(yù)計離站時間及區(qū)間運行時間，這兩個時間采用的都是絕對時間，由于時間的不一致，導(dǎo)致列車離站及到達下一站時間不準(zhǔn)確。

對香港和蘇州兩個城市地鐵線路信號系統(tǒng)部署的時鐘同步方案進行了比較,可知：香港某地鐵線路(無人駕駛)采用NTP協(xié)議，并利用Meinberg工具實現(xiàn)信號系統(tǒng)時鐘同步；蘇州某地鐵線路采用SNTP協(xié)議，并利用Windows time服務(wù)實現(xiàn)信號系統(tǒng)時鐘同步。

通過網(wǎng)絡(luò)抓包,以及結(jié)合自開發(fā)工具提取時鐘報文參數(shù)，并對上述兩種時鐘同步方案進行比較(見圖2～3)。由圖2～3可知,采用NTP協(xié)議和Meinberg工具進行時鐘同步，相比采用SNTP協(xié)議和Windows time進行時鐘同步，偏差要小，前者由CC監(jiān)測到的時間更精準(zhǔn)。

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

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

3 時鐘同步優(yōu)化方案

經(jīng)對幾個項目時鐘不同步問題故障分析，總結(jié)出時鐘同步優(yōu)化方案:

(1) 信號系統(tǒng)內(nèi)部采用NTP協(xié)議的Meinberg工具，該協(xié)議可確保時間精度控制在50 ms之內(nèi)；對于采用多個時鐘源的情況，不會影響下一層時鐘同步。

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

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

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

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

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

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

(8) 其它ATS終端、車站ATS服務(wù)器等將2臺應(yīng)用服務(wù)器作為時鐘源進行同步。

(9) CC可將2臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為時鐘源同步。

以上優(yōu)化方案在試驗環(huán)境中進行了驗證，驗證情況如下：

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

(2) 重啟NTP服務(wù)后，時鐘客戶端會立刻向上層時鐘同步。

(3) 時鐘跳變在1 000 s內(nèi)，每層級時鐘客戶端與服務(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stratum小于等于服務(wù)端，會導(dǎo)致同步失效。

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

(6) 上層時鐘源為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，此時會出現(xiàn)下層時鐘不能同步上層時鐘源。因為上層2個時鐘源采用的SNTP協(xié)議，時鐘精度僅能保持在秒級，很容易相差50 ms，當(dāng)2個時鐘源相差50 ms，下一層時鐘源采用NTP協(xié)議，將會停止向上一層時鐘源同步。

4 結(jié)語

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

通過對上述幾個城市出現(xiàn)的信號系統(tǒng)時鐘不同步故障進行分析，總結(jié)優(yōu)化了信號系統(tǒng)時鐘同步方案，并在試驗環(huán)境下對優(yōu)化方案進行了驗證。目前,優(yōu)化的時鐘同步方案成功運用在成都、蘇州、深圳、廣州和武漢等多個城市，且運行良好，至今未出現(xiàn)時鐘不同步引起的相關(guān)故障。