基于北斗卫星导航系统的轨道交通线网级时钟同步网平台研究

石文静 于 超

随着轨道交通线网网络化的发展，时钟系统急需解决2个问题。

第1，各条地铁线路往往独立配置包含GPS接收设备的时钟系统，甚至相关系统自备GPS接收设备，以实现系统内的时间同步。由于不同的GPS接收设备所提供的时间存在差异，各系统内的时间同步机制不完善，造成各线路间存在时间显示、时间记录不同步，影响对设备或系统故障的判断和及时恢复，甚至对轨道交通网的安全运营和管理产生隐患。

第2，国内轨道交通时钟同步系统，一般采用GPS卫星导航系统，国产化率低。为满足轨道交通线网网络发展需求，急需建立一套统一的国产化率高的线网级时钟同步网平台，以实现各线路弱电系统的时间和时钟同步。

随着我国北斗卫星导航系统的建设和完善，其综合服务能力，如服务区域、定位精度、抗干扰能力等方面明显提升。完全满足轨道交通同步网功能需求。但考虑到北斗导航系统还未完全成熟，一个城市的轨道交通同步网可暂按GPS＋北斗导航互为主备方案考虑。

1 线网级同步网平台建设方案

城市轨道交通线网级的同步网可按5层架构建设，如图1所示。

第1层包括GPS接收设备、北斗卫星接收设备、一级时间服务器和一级网管设备，主备系统宜分别设置在轨道交通线网指挥中心和备用线网指挥中心；第2层包括设置在各线控制中心的二级时间服务器、ETS服务器和二级网管设备；第3层为设在各线控制中心的各弱电系统主机，在时间同步网络内使用NTP协议；第4层为各弱电系统设在控制中心的、除了系统主机以外的所有设备和车站主机，在时间同步网络内使用NTP协议；第5层为各弱电系统设置于车站的与车站主机相连的从机，在时间同步网络内也使用NTP协议。

系统采用上述分层架构，主要有以下优点：①各条地铁线路，均遵守同一个同步源 （即第1层时间服务器设备），保证了整个线网的时间统一；②避免各条地铁线路建设时，均设置卫星导航系统设备，减少了建设的投资，实现了卫星导航系统设备的资源共享；③系统分层的架构，逐级保护，上级系统设备故障，下一级系统仍可利用本级守时设备工作，提高了系统的可靠性；④采用GPS＋北斗互为主备的卫星导航系统，提高了系统国产化率。

图1 城市轨道交通同步网五层架构图

2 同步网

同步网包括时钟同步网和时间同步网。时钟同步网为传输系统等网元设备提供时钟同步信号源；时间同步网为各业务系统及时间显示设备提供统一的、标准的时间同步信号源。

2．1 时间同步

本方案时间同步系统的主要工作原理是采用分层架构，多级保护。即：当系统的第1层设备，卫星导航系统故障、BITS故障时，一级时间服务器仍然可以利用其自带的晶振工作。2个一级时间服务器互为主备用，当2个一级时间服务器均发生故障时，系统以第2层时间设备为基准进行时间的同步。以此类推，当第1、第2、第3、第4层时间系统设备均故障，或与上层设备通信中断时，线网内需采用时钟同步的各子系统，仍可采用系统主机自身晶振进行同步。

2．2 时钟同步

传输系统核心层核心节点处的交换、传输等设备的同步时钟源，都取自本核心节点BITS系统的时钟输出模块。核心层传输节点的时钟同步信号，以从GPS设置点BITS发出的顺时针线路时钟信号作为主时钟，以从北斗取得时钟源的BITS发出的逆时针线路时钟信号作为备用时钟。汇聚层线路传输系统中传输节点的时钟同步信号，从环内线路码流中提取，主时钟信号是从本线控制中心核心传输设备和线路传输设备之间的互联线路码流中，提取的顺时针线路时钟信号；备用时钟信号是从本线控制中心核心传输设备和线路传输设备之间的互联线路码流中，提取的逆时针线路时钟信号。

2．3 时间精度的参考点

如图1所示，根据上层网络时间系统的组网结构，系统分多个参考点对时间精度进行考察。

1．考察点A为一级时间服务器NTP时间南向授时的输出端口。

2．考察点B为二级时间服务器NTP时间南向授时的时间输出口。

3．考察点C为ETS服务器NTP时间南向授时的时间输出口。

4．考察点D为弱电系统主机北向申请NTP时间同步的时间输入口。

5．考察点E为弱电系统主机NTP时间南向授时的时间输出口。该输出口与其北向申请NTP时间同步的时间输入口必须采用不同的网卡。

6．考察点F为车站主机北向申请NTP时间同步的时间输入口。

7．考察点G为车站主机NTP时间南向授时的时间输出口。

8．考察点H、I为车站从机时间。

2．4 时间精度要求

采用无条件同步方式，实现时间同步的弱电系统。

第1层设备的一级时间服务器，以卫星导航系统时间作为输入时间参考源，其输出时间精度，即与卫星导航系统时间的偏差不大于1ms。

第2层设备的二级时间服务器，以一级时间服务器为时间响应源，并作为第3层设备时间源，其输出时间与一级时间服务器的输出时间精度，即A点与B点之间的精度要求不大于5ms。

第3层设备采用无条件方式同步的弱电系统主机，从二级时间服务器获得时间，并向控制中心弱电系统从机和车站主机输出时间，其输出时间与二级时间服务器的输出时间之间的精度，即B点与E点之间的精度要求不大于20ms。

第4层设备的弱电系统从机和车站主机，从各自系统的弱电系统主机获得时间，其输出时间与弱电系统主机的输出时间之间的精度，即E点与G点之间的精度要求不大于20ms。

第5层设备为车站从机，其显示时间与车站主机输出时间之间的精度，即G点与H点之间的精度要求应小于20ms。一级时间服务器的输出时间与车站从机时间之间的精度，即A点与H点之间的精度要求不大于65ms，同一弱电系统内不同车站间设备的时间精度，即H点与I点之间的精度要求不大于100ms。

对采用有条件同步方式实现时间同步的弱电系统，第1层设备的一级时间服务器，偏差不大于1ms；第2层设备A点与B′点之间的精度，要求不大于5ms，B′点与C点之间的精度，要求不大于15ms，从而A点与C点之间的精度，要求不大于20ms；第3层设备C点与E点之间的精度，要求不大于20ms；第4层设备E点与G点之间的精度，要求不大于20ms；第5层设备为车站从机，G点与H点之间的精度，要求不大于20ms。

总的系统要求，一级时间服务器的输出时间与车站从机时间之间的精度，即A点与H点之间的精度，要求不大于85ms；同一弱电系统内车站间设备的时间精度，即H点与I点之间的精度，要求不大于100ms。

3 总结

目前，上海已经建成完整的同步网络，在东宝兴路控制中心和中山北路控制中心，分别设置时间同步网络的主备用同步网设备。各条地铁线路在控制中心设置二级时间服务器。由于上海市上层NTP网络建设时间较早，仍采用基于双GPS系统。随着设备使用年限的增加，在下一步网络改造时，将会充分考虑采用北斗。而南京、杭州、厦门等城市正在展开同步网系统的研究。

天津市区已经开通建成1、2、3条地铁线路，随着5、6号线和天津市线网指挥中心的建设，也开始同步网的建设。目前已经完成 《天津市城市轨道交通线网网络化资源共享研究－－通信信号》的课题研究，并将北斗＋GPS双系统互备方案纳入规划，以指导5、6号线及后续线路同步时钟网的建设。即在双林线网指挥中心设置主用同步网设备（基于GPS），在备用线网指挥中心设置备用同步网设备 （基于北斗），构成天津轨道交通的同步保障体系。各条地铁线路控制中心设置二级同步网设备，分别通过上层骨干传输网络，接入一级同步网系统。上层网络的网管设备和各新建线路的网管对系统同步进行实时在线监控。信号系统、AFC系统宜采用有条件同步，并配置单独的端口，为本线信号、AFC系统在同一个VLAN （单独划分）下提供数据；其他弱电系统宜采用无条件同步方式。

同时，对天津市线网同步系统IP地址进行规划。天津市全线网内为上层网时间同步网系统规划独立的NTP专用IP地址，为010．ABC．DEF．GHI。

ABC的值为185～189，185表明该IP地址用于各上层中心的二级时间同步服务器南向授时端口，及各弱电系统用NTP专用IP地址；186代表该IP地址用于1～13等线路的时间同步服务器南向授时端口；187表明该IP地址用于预留其他线路时间同步服务器南向授时端口。ABC＝188，且当DEF＝000时，表明该IP地址用于上层NTP时间服务器；当DEF＝001时，表明该IP地址用于各设备与网管相关联端口；当DEF＝01C～24C（C＝1～9）时，表明该IP地址用于1～13等线路二级时间同步服务器南向授时端口及各弱电系统。ABC＝189，DEF＝01C～24C （C＝1～9）时，表明该IP地址用于预留其他线路二级时间同步服务器南向授时端口及各弱电系统。GHI为各子系统的地址。其中通信各子系统 （传输、公务电话等）的IP为101～119，其他系统 （综合监控等）为120～149。

本方案采用5层架构建设同步网系统，解决了全线网的时间同步问题，节省了建设投资，实现了线网层面的资源共享。一级时间服务器采用GPS＋北斗双星主备用模式，提高了系统的可靠性和国产化率。随着我国北斗卫星导航系统的完善，其授时、定位等技术也必将在轨道交通行业得到广泛的应用和发展，这在国产化、安全性和保密方面意义重大。

［1］ 李伟章，杨海江．城市轨道交通通信［M］．北京：中国铁道出版社，2013．

［2］ 郭彬．电网时钟系统的北斗／GPS双模同步技术研究［J］．计算机测量与控制，2011（19）：139．