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，避免產(chǎn)生累計誤差；信號系統(tǒng)內(nèi)部通常采用NTP(網(wǎng)絡時間協(xié)議)或SNTP(簡單網(wǎng)絡時間協(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：系統(tǒng)通過串口或網(wǎng)絡將標準時間發(fā)送給FEP A和FEP B，F(xiàn)EP A和FEP B通過從時鐘系統(tǒng)獲取標準時間，來同步本機操作系統(tǒng)時間。

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

(3) 第三層時間服務：CATS A和CATS B作為NTP服務的服務器端來提供時間服務，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服務的客戶端來同步兩臺CATS服務器的時間。

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

FEP對于外部時鐘服務器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于應用服務器而言，它又充當NTP服務器角色。

應用服務器對于FEP而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于網(wǎng)關(guān)服務器、車站服務器、ATS中心工作站和ATS車站工作站而言，它又充當NTP服務器角色。

網(wǎng)關(guān)服務器對于應用服務器而言，主要扮演NTP客戶端角色；但對于ATC和DCS設備而言，它又充當NTP服務器角色。

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)生跳變而導致的。該地鐵線路信號系統(tǒng)與外部時鐘源采用網(wǎng)絡接口協(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服務同步錯誤時鐘源。FEP根據(jù)主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務，其主機每5 min會自動檢查NTP服務狀態(tài)，并針對主機檢查NTP服務是否啟動，若未啟動則立即啟動NTP服務，并針對備機進行關(guān)閉NTP服務；NTP服務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。

CATS根據(jù)主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務，CATS主機每5 min會自動檢查NTP服務狀態(tài)，針對主機檢查NTP服務是否啟動，未啟動會啟動NTP服務，同時針對備機會進行關(guān)閉NTP服務；NTP服務啟動會無條件接受外部時鐘的時間，導致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；網(wǎng)關(guān)沒有利用主備機動態(tài)控制NTP時鐘服務機制，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服務創(chuàng)建了計劃任務自啟動功能；由于網(wǎng)關(guān)在06:00設置了自啟動NTP任務，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端網(wǎng)關(guān)服務器相差超過1 000 s，因此立即停止了NTP服務，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設備與ATS網(wǎng)關(guān)服務器時間不同步導致的。

(2) 該線路在ATS層面采用Windows的SNTP協(xié)議(Windows time服務)進行時鐘同步，即網(wǎng)關(guān)服務器同步應用服務器，應用服務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)服務器A與網(wǎng)關(guān)服務器B；2臺網(wǎng)關(guān)服務器均采用SNTP同步應用服務器A與應用服務器B(SNTP的精度僅能到秒級)；當網(wǎng)關(guān)服務器A與網(wǎng)關(guān)服務器B相差超過50 ms，CC將不再同步網(wǎng)關(guān)服務器，而采納本地時間,從而導致CC時間與ATS網(wǎng)關(guān)時間不一致。

(4) 當列車以ATO模式駕駛，到站后ATS網(wǎng)關(guān)服務器將會給車載發(fā)送預計離站時間及區(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，導致列車離站及到達下一站時間不準確。

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服務實現(xiàn)信號系統(tǒng)時鐘同步。

通過網(wǎng)絡抓包,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。

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) 當同步的上一層時鐘設備是雙套的情況下，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備提供時鐘源，以免影響下一層設備時鐘同步。

(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。

(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，備機軟件自動停止NTP服務，以確保下一層設備(2臺應用服務器)僅同步1臺FEP，這樣可確保下一層設備(2臺應用服務器)的精度控制在50 ms內(nèi)。

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

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

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

(9) CC可將2臺網(wǎng)關(guān)服務器作為時鐘源同步。

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NTP會立即停止。

(2) 重啟NTP服務后，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端大概15 min左右可以完成同步，前提是設置NTP同步參數(shù)為非跳躍式。

(4) NTP客戶端層級stratum小于等于服務端，會導致同步失效。

(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端同步。

(6) 上層時鐘源為2套設備，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)一的標準時間，并為信號系統(tǒng)各設備提供統(tǒng)一的標準時間信號，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。