北斗授時技術在高速鐵路信號系統地面設備時鐘同步中的應用

王 力，吳 茜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

北斗衛星導航系統是我國完全自主研發的全球衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力[1]。北斗授時技術在通信、電力等行業已應用多年，但在鐵路行業尤其是指揮列車運行的鐵路信號系統應用尚為空白。信號系統擔負著指揮列車運行、保證行車和乘客安全、提高運輸效率的重要任務[2]，其各子系統時鐘的統一，對系統設備的運用、維護及故障分析均有著重要意義。將北斗授時技術應用于鐵路信號領域，有利于提高系統信息安全和維護水平，滿足信號設備運用、維護以及故障分析對時間準確度的要求，是北斗衛星導航系統在鐵路領域的一項重要應用。

1 高速鐵路信號系統地面設備時鐘同步應用現狀及需求分析

1.1 時鐘同步應用現狀

原鐵道部早期規劃通過建設中國鐵路時間同步網為鐵路運輸各業務時鐘系統提供統一標準時間信號，并于2008年下發了相關技術文件。技術文件規定了鐵路時間同步網由通信專業統一組織實施，描述了總體時間同步網結構及功能[3]。但因種種原因，各設備系統時鐘同步仍由各自系統實現，時間同步網僅對通信系統時鐘進行了統一。

“7.23”甬溫線特別重大鐵路交通事故發生后，國務院組織進行了鐵路安全大檢查。經檢查發現，信號系統各子系統設備時間信息不統一，存在一定安全隱患，需進行整改。為解決此問題，原鐵道部運輸局基礎部于2012年2月下發了《信號地面設備系統時鐘同步方案》[運電信號函[2012]109號][4]，對地面信號系統時鐘同步進行了初步要求，對實現信號系統地面設備時鐘同步起到了指導作用。由于信號系統設備種類繁多，網絡情況相對復雜，已按要求進行整改的鐵路局，僅對方案涉及的地面信號設備進行了改造，DMS、STP、電源屏等部分地面信號設備仍未進行系統時鐘同步；未整改的監測系統仍采用傳統的人工校時方式。各路局地面信號系統時鐘同步改造后仍采用單一的GPS時鐘源。

1.2 時鐘同步需求分析

(1)信號地面設備時鐘信息的重要作用

①時鐘信息對調度集中系統(CTC)的影響

高速鐵路行車調度指揮系統采用CTC[5]。車站手工報點時，一般依據的是本機的系統時間；車站自動報點時，依據的是應用(車次追蹤)服務器的時鐘信息。若時鐘信息不正確，將直接導致車站報點時間有誤并導致車站自律機觸發時機不正確。

②時鐘信息對列控、聯鎖設備影響

列控、聯鎖系統時鐘信息錯誤不利于系統的故障檢測和診斷，記錄報警時間信息不準確不利于系統維護。時鐘信息正確對列控系統事故分析及應急處置均有重要意義。

(2)信號地面設備時鐘同步需求分析

結合對廣鐵集團等路局運營部門的需求調研，明確主要需求如下：

①地面信號設備時鐘同步應涵蓋調度中心、車站、監測中心等地面信號設備現場主要應用處所；

②地面信號設備時鐘同步應實現計算機聯鎖、列控、TDCS/CTC系統、集中監測、列控設備動態監測、電源等子系統設備的時鐘同步；

③除實現運營設備時鐘同步外，還需考慮現場維護設備(如維護終端)的時鐘同步；

④需預留接口條件，為后續實現信號系統外其他各系統的時鐘同步打下基礎；

⑤應用授時技術選擇應充分考慮系統信息安全。

2 高速鐵路信號系統地面設備時鐘同步應用方案

2.1 授時技術選擇

(1)授時技術應用簡介

目前，國內外已廣泛采用基于衛星導航系統的授時技術，全世界已建成和在建的共有4個系統可以為全球或者區域用戶提供衛星導航授時服務[6]。

GPS系統：美國，目前最完善的導航定位系統，面向全球服務[7]；

北斗系統：中國自主建設、獨立運行，與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球導航定位系統，2018年12月提供全球服務[8]；

伽利略(GALILEO)系統：歐盟，多國、民建、民控、民用系統正在建設中，建成后可以覆蓋全球[9]；

格洛納斯(GRONASS)系統：俄羅斯，基本覆蓋全球，用戶相對較少[10]。

4種系統中，伽利略系統正在建設，而格洛納斯系統使用較少，因此以上4種衛星導航授時系統相對可用性較好的即GPS系統和中國自主設計和研制的北斗系統。

由于GPS系統發展較早，我國各行業的授時系統，都曾將GPS作為主要時鐘源設備，由GPS系統提供精確的同步時鐘信號[11]。隨著北斗衛星系統的發展，出于戰略安全考慮，近年來北斗授時技術在我國各行業已逐步擴大應用范圍[12]。

(2)北斗授時技術較GPS授時技術的優勢

GPS授時系統廣泛應用于民用領域，鐵路時間分配系統中應用衛星授時技術的場所目前也基本采用GPS授時產品，其產品應用范圍較廣，應用成熟度相對較好。但GPS系統是美國為其軍事目的而研制的應用衛星系統，其信息使用安全性相對較低，美方可根據情況降低服務精度、發送無線電干擾，甚至在特殊情況下直接關閉服務。

北斗授時系統具有完全自主知識產權，信息使用安全可靠，更適應未來國內民用領域的衛星應用技術發展趨勢，其授時系統產品目前在鐵路領域尚無實際應用先例。

北斗衛星導航系統建設進展很快，應用條件日趨成熟。目前在我國測繪、氣象、漁業、林業、電信、水利、交通運輸、森林防火、減災救災、公共安全等行業和諸多領域開展了積極的應用，發揮了重要的作用，產生了顯著的經濟、社會效益[13]。

采用北斗授時系統更符合未來技術發展政策，可彌補長久以來鐵路領域使用GPS作為唯一同步時鐘源的風險性，解決了由局域到廣域的時鐘源可靠性問題，增強了時鐘源配置的靈活性和可擴充性，實現了授時的冗余效益。

2.2 信號系統時鐘同步總體設計

根據信號系統時鐘同步需求，為提高授時可靠性并預留其他系統未來接入條件，地面信號系統時鐘同步推薦采用多時鐘服務器，冗余時鐘源授時方式。系統總體架構如圖1所示。

圖1 地面信號系統時鐘同步總體架構

時鐘同步設備包括3個組成部分：分別是調度中心授時設備，CTC/TDCS車站授時設備(可選)，監測中心授時設備。客專中心、線路節點車站在通道環回中心處分別設置1對雙套冗余的高精度時鐘服務器，監測中心設置1套單機的時鐘服務器，實現不同層次地面設備的授時。

調度中心時鐘服務器采用1對雙套冗余的高精度時鐘服務器，設置在調度中心機房，通過NTP時鐘協議為中心的服務器、調度臺、復視終端、中心網絡設備、網絡安全等相關設備提供時鐘信息；CTC系統的TSRS接口服務器(臨時限速服務器)向TSRS提供時鐘同步信息，在有TSRS的情況下，列控的維修機與列控中心均與TSRS進行時鐘同步，CTC車站不與車站列控中心進行時鐘同步。

為縮短傳輸鏈路，保證地面時鐘信號傳輸精度，線路CTC傳輸節點車站根據情況可設置一套高精度時鐘服務器。服務器設置在CTC系統網絡中車站環回中心通道的車站處，管轄以此站為中心的相鄰系統網絡內的相應車站，為車站車務終端、自律機、電務維護終端、車站網絡及網絡安全設備等通過NTP協議提供時鐘信息。當調度中心或CTC傳輸節點車站的某個處所時鐘服務器出現故障時，能夠實現切換。

電務段監測中心設置1套單機的時鐘服務器，設置在信號集中監測設備所屬電務段處，為信號集中監測系統及所有不涉及行車安全的信號設備提供時鐘信息[14]。

2.3 信號系統時鐘同步詳細設計

(1)CTC系統

CTC系統內部時鐘同步采取基于NTP協議的多級同步機制，如圖2所示。

圖2 CTC系統時鐘同步網絡

CTC中心設置1對雙套冗余的內含高精度銣原子鐘的北斗/GPS衛星授時儀獲取標準北京時間，設置1套高性能服務器作為CTC中心時鐘服務器。中心時鐘服務器直接與北斗衛星授時儀進行時鐘同步，是整個CTC系統的一級時鐘源。中心時鐘服務器直接向CTC中心應用服務器、調度臺等設備提供時鐘同步信息。

CTC中心時鐘服務器通過中心通信前置服務器經網絡向車站自律機、CTC車站車務終端、電務維護終端、車站網絡及網絡安全設備等通過NTP協議提供時鐘信息。

CTC系統內部采用NTP標準時鐘同步協議，所有CTC內部設備時鐘同步間隔為5 min，保證在正常情況下，CTC中心和車站設備誤差不超過1 s。

(2)列車運行控制系統

CTCS-2級列控系統地面設備包括臨時限速服務器(TSRS)、列控中心(TCC)、ZPW-2000系列軌道電路、應答器和地面電子單元(LEU)以及相關的網絡設備等。CTCS-3級列控系統地面設備包括TSRS、RBC、TCC、ZPW-2000系列軌道電路、應答器、GSM-R通信接口設備以及相關網絡設備等[15]。

在有TSRS的情況下，列控的維修機與列控中心均與TSRS進行時鐘同步，CTC車站不與車站列控中心進行時鐘同步。具體時鐘同步方式如圖3所示。

圖3 列控設備時鐘同步示意

在沒有TSRS的情況下，TCC與CTC車站自律機按照規定的應用層接口協議進行時鐘同步。TCC應在每個整點時刻，根據CTC系統發送的時鐘消息校核內部時鐘。

(3)計算機聯鎖設備

對于CTC車站，計算機聯鎖上位機從CTC車站自律機獲取時鐘同步信息。聯鎖上位機根據與CTC車站自律機交換的時鐘同步數據幀中的時鐘信息進行時鐘同步，并將同步的時鐘信息轉發至控顯機、維修機、值班員臺等聯鎖內部設備。

(4)信號集中監測設備

電務段監測中心設置一套單機的高精度時鐘服務器，為信號集中監測電務段中心設備提供時鐘信息，并由電務段中心設備通過既有監測網絡向車站監測分機提供統一時鐘信息。信號集中監測系統的時鐘同步采用NTP協議。

(5)列控設備動態監控系統(DMS)

路局DMS中心的時鐘校核服務器作為整個DMS系統的中心時鐘源，DMS各站段用戶端進行時鐘校核，實現DMS時鐘同步功能。

(6)自動閉塞ZPW-2000設備

客專ZPW2000系列設備從列控中心按照協議規定獲取統一時鐘信息。既有線ZPW2000系列設備與信號集中監測系統車站站機按照協議規定獲取統一時鐘信息。

(7)電源屏設備

智能電源屏設備通過信號集中監測系統車站站機按照協議規定獲取統一時鐘信息。

(8)調車機車監控系統

無線調車監控設備從車站計算機聯鎖設備獲得時鐘同步信息，兩者間按照協議規定接口通信。

3 地面時鐘同步設備

3.1 時鐘同步設備功能

地面同步設備通過接收北斗/GPS衛星信號獲取標準時鐘，或通過地面定時鏈路接收上一級時間節點獲取標準時間(NTP方式和DCLS方式)，以滿足鐵路信號地面設備運用、維護及故障分析對時鐘準確度的要求。具體功能如下。

(1)時鐘同步功能

①通過接收外部標準時間源(上級時間信號/BD/GPS)獲得標準時間通過配置的NTP接口等方式向其他通信、信息系統提供統一的時間信號，從而實現全線設備的時間同步。

②可輸出NTP(網絡時間協議)、1PPS(秒脈沖)、E1等時間信號，滿足信息輸出及接口要求。

③具有傳輸同步信號延遲補償功能，根據要求實施定時自動校驗，以消除系統的時間漂移。

④提供守時功能，即在已經獲得初始時間的情況下，當外部時間基準信號(衛星信號)和地面基本信號不可用時，依靠本地守時源(恒溫晶振/銣原子鐘)振蕩，保持高精確的時間輸出。

(2)自動告警功能

當時鐘同步設備發生故障時，可實時發送故障告警信息，并通過指示燈告警，提醒維護人員及時處理故障。

(3)配置管理功能

配置管理功能提供系統和設備各種運行參數的配置和修改功能。

(4)狀態監測及自診斷功能

能夠真實顯示系統的網絡拓撲結構，實時反映其連接狀態及各點設備實時運行條件和狀態，同時系統顯示通道、設備異常狀態，并對故障進行管理[16]。

(5)安全管理功能

實現對時間監控管理終端的用戶授權、用戶操作鑒權。用戶進入網管系統需登錄及登錄口令。

(6)信息存儲與上報

由設備產生的信息中，告警信息和事件信息必須從通信接口實時自動上報監控中心，但設備也具有存儲能力；其他信息暫存在設備內供監控中心定時輪詢和隨時查詢。

3.2 系統接口

北斗/GPS雙模高精度時鐘服務器使用的接口方式如表1和表2所示。

表1 定時輸入信號類型及數量

表2 定時輸出信號類型及數量

3.3 系統測試方案

(1)測試內容

①二級時鐘NTP輸出

正常跟蹤BD/GPS情況下，二級母鐘NTP輸出接口的時間同步性。

②設備保護倒換功能

主備時鐘倒換實驗。

③母鐘NTP授時服務特性

正常跟蹤BD/GPS情況下，同步時鐘NTP輸出接口的時間與列控系統、信號集中監測系統、計算機聯鎖系統及其他進行時間同步的系統時間精度系統時間同步性。

(2)測試指標

①正常跟蹤情況下時間同步精度指標

待二級時間節點同步后，采用時間測試儀表測試二級母鐘輸出1PPS信號和NTP時間信號精度，1PPS信號精度應滿足≤150 ns，NTP時間信號精度應滿足≤2 ms；

②守時精度指標

拔掉所有母鐘的時間輸入線纜，測試二級母鐘輸出1PPS及NTP信號精度，連續測量24 h，精度應滿足≤0.1 ms；測試三級母鐘輸出1PPS及NTP信號精度，連續測量24 h，精度應滿足≤10 ms。

4 結語

利用北斗授時技術實現信號系統地面設備時鐘同步方案已在廣鐵集團廣深線實施，為北斗授時技術首次在鐵路信號領域的工程應用。自2015年北斗/GPS雙模時鐘同步服務器上道試用以來，設備運用穩定，實現了信號系統地面設備的時鐘自動同步。較以往人工校時方式，大大提高了信號系統故障分析及應急處理水平。

目前北斗授時系統多采用“GPS+北斗”雙模定位授時模式，今后完全可以過渡到北斗“主用”，進而在新建系統中采用單一北斗定位授時模式[17]。2018年12月27日，北斗系統正式邁入全球時代，北斗系統將為全球用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。將北斗系統應用到鐵路信號等關鍵領域將是未來的發展方向。