长春轻轨时间同步系统浅析

张红伟

摘 要：时间同步系统是长春轻轨通信网络结构中不可缺少的部分之一，为长春轻轨各系统、轻轨工作人员及旅客提供标准时间同步信号。列车安全高效运行离不开精准的时间信号，而时间同步系统通过全球定位系统获取精准时间信号，为轻轨提供精准时间信号得到保障。该文主要介绍长春轻轨通信时间同步系统的组网构架、工作过程、主要设备、网管设备、时钟系统功能，并指出时间同步系统对轻轨运行的重要性。

关键词：时间同步系统 轻轨 标准时间信号 组网构架 网管设备 功能

中图分类号：TH71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0008-04

Abstract：The time synchronization system is one of the indispensable parts for Changchun light rail communication network structure， which provides standard time for staff， passengers， and related systems in Changchun Light Rail. Light rail can run safely and efficiently with precise time signal， and the time synchronization system obtains accurate time signal through the global positioning system， which guarantees that light rail can obtain accurate time signal. The network structure， work process， major equipment， network management equipment and function of light rail communication time synchronization system are described in this paper， and the importance of time synchronization system is pointed out for running of light rail.

Key Words：Time synchronization system； Light rail； Standard time signal； Network structure； Network management equipment；Function

1 时间同步系统概述

时间与每个人息息相关，方便了人们的出行与生活。如果时间信号不协调统一，对轨道交通而言，就会出现列车运行延误、故障处理不及时等问题影响列车运营，因此标准时间信号对轨道交通的良好发展起着关键作用。长春轻轨通信时钟系统采用时间同步系统，通过全球定位系统（GPS）获取时间同步信号，并将时间同步信号发送给控制中心一级母钟，一级母钟将标准时间同步信号提供给工作人员、旅客，同时也为各系统如自动信号系统（ATS）、电力监控系统（SCADA）、防灾报警系统（FAS）等其他系统提供时间同步信号，从而实现轻轨全线时间信号同步统一。采用时间同步系统保障了长春轻轨高效运行，提高了城市轨道交通管理水平[1，2]。

2 系统组网构架及工作过程

2.1 组网构架

长春轻轨通信时间同步系统采用分布式结构，按控制中心一级母钟、车站和车辆段二级母钟两级组网方式，通过网管设备进行集中管理，控制中心设备与车站和车辆段设备之间通过光纤传输系统传递时间同步信号。一级母钟接收来自GPS时钟源接收机同步时间信号进行自动校时，保持与GPS标准时间同步，避免产生时间误差积累；同时一级母钟通过光纤传输通道以太网接口将同步时间信号发送给车站和车辆段二级母钟，二级母钟接收来自光纤传输通道以太网接口的时间同步信号，與一级母钟保持同步；子钟通过RS422接收来自二级母钟发送的时间同步信号，与二级母钟同步，从而实现轻轨全线时间信号保持同步。

2.2 工作过程

该时间同步系统结构图如图1所示，其主要由5部分构成：GPS接收机设备、一级母钟设备、二级母钟设备、子钟设备、网管设备。GPS接收机位于控制中心，控制中心一级母钟接收来自GPS时钟源接收机发送的时间同步信号。一级母钟能提供RS422、以太网等多种时间同步信号接口，将标准时间同步信号通过多路接口发送给控制中心调度大厅子钟、办公室子钟、通信电源系统、自动售检票系统、广播系统等其他各个系统，并通过以太网接口发送给传输系统，传输系统为时间同步信号传送提供承载，将一级母钟设备的时间同步信号传送给二级母钟设备。一级母钟设备配备了网管设备，对一级母钟运行进行监控和管理，以便工作人员对时间同步系统进行维护，实时监控各二级母钟及子钟的运行状态。二级母钟位于各站及车辆段通信机房内，接收来自一级母钟发送来的时间同步信号，并将时间同步信号发送给子钟。子钟设置于各站上行站台、下行站台、站厅及车辆段列检库和检修库内，为旅客与工作人员提供准确时间[3]。

3 主要设备

3.1 GPS时钟源接收机设备

全球卫星定位系统（GPS）由空间系统、地面监控系统、GPS接收机3部分组成。GPS时钟源接收机示意图如图2所示，其工作基本流程是GPS接收机通过天线接收卫星信号，卫星信号是GPS卫星向用户发送的用于导航定位的已调波，包括各空间卫星的识别标志、空间位置信息、经纬度、精密原子钟的标准时间信号、空间卫星自身的轨道参数等，然后将卫星信号传送给微处理器进行解调处理，处理器提取出标准时间信号并进行显示，同时通过外部RS422接口为控制中心一级母钟提供标准时间信号[4]。

3.2 一级母钟设备

一级母钟位于控制中心通信机房室内，作为整个轻轨时间同步系统的核心部分，其工作可靠性能决定了整个时间同步系统的稳定性能。一套母钟设备配置主、备母钟模块，通过信号切换模块对主、备母钟信号源进行监测和判断，当主母钟工作失真时，会自动切换到备母钟工作。一级母钟提供严格的时码输出，能够将标准时间信号通过接口分配给二级母钟及其他各子系统。一级母钟给各系统提供的时间信号接口相互独立，各接口局部故障不影响整个系统正常工作。同时一级母钟通过RS422接口与监控终端连接，实时监控时钟系统运行状态[5]，一级母钟设备如图3所示。

3.3 二级母钟设备

二级母钟位于轻轨各站和车辆段通信机房内，二级母钟设备如图4所示，其结构组成包括：中央处理单元、晶振、电源、驱动电路、接口装置。二级母钟通过通信机房内传输系统以太网接口与中心一级母钟相连。二级母钟一方面用于接收一级母钟发送的标准时间信号，并校准自身精度，与一级母钟保持同步；另一方面二级母钟采用RS422接口以点对点方式向子钟发送标准时间信号。同时二级母钟具有监控管理接口，通过与网管设备连接对该站二级母钟和子钟进行监测。

3.4 子钟设备

子钟有两种类型，即数字式和指针式，长春轻轨子钟设备采用悬挂式数字子钟，带有超亮LED数码管显示，显示时、分、秒、年、月、日、星期。数字式子钟悬挂于轻轨站厅、上行站台、下行站台、列检库及检修库内，主要由驱动电路、主控模块、时间显示模块及接口电路等组成，子钟设备如图5所示。子钟自动接收二级母钟发出的时间同步信号，将自身的时间精度进行校准刷新，与二级母钟保持同步，并向所属的二级母钟发送该机工作状态。

4 网管设备设计

在控制中心设置一套时间同步系统监测管理终端即中心网管设备，对轻轨全线时间同步系统设备进行实时监测与管理。网管设备通过RS422接口与中心一级母钟连接，网管设备界面如图6所示。界面有如下几方面作用。

（1）界面上显示当前日期（年月日星期时分秒），与一级母钟时间保持同步。

（2）当网管设备通信正常，主母钟、备母钟、标准时钟源正常时，显示正常，否则会显示故障。

（3）当全球定位系统接收模块正常工作时，会显示GPS校时，否则出现GPS无效。

（4）当主母钟正常工作时，会显示主母钟工作；当主母钟故障时，系统切换到备母钟工作方式，会显示备母钟工作。

（5）可对轻轨各站子钟进行设置。

（6）网管设备界面上小方框代表被监控的区域，当显示绿色时，表示子钟运行正常，当显示红色时，表示某站子钟故障，点击小方块进入子钟状态界面，如图7所示，同时还可以对子钟进行追时、正常、停止操作。

（7）系统增加了值班记录存储、打印、查看及运行状态调用功能，帮助工作人员了解更多信息。

5 系统功能

5.1 同步校对

（1） 一级母钟接收来自GPS时钟源接收机设备发送的时间同步信号，通过数据处理单元提取标准的时间同步信号，通过多业务传输平台经过光纤发送到各车站、车辆段的二级母钟，同步全线各系统时间信号。

（2） 一级母钟和二级母钟通过传输系统光纤传输通道传递时间同步信号，避免产生累计误差。

（3） 控制中心一级母钟在接收不到GPS时钟源接收机设备发送的时间同步信号情况下，利用自身稳定的高频晶振产生时间信号发送给各二级母钟，并向时钟系统网管设备发出告警。

（4）在控制中心一级母钟或者光纤通道发生故障时，二级母钟利用自身稳定的高频晶振产生时间信号来驱动子钟工作，并向时钟系统网管设备发出告警。

（5）当二级母钟出现故障时，子钟利用上次刷新的时间信号作为子钟自身的时间起始信号为工作人员及旅客提供时间信息，并向时钟系统网管设备发出告警。

5.2 系统扩容

该时间同步系统具备扩容功能，系统扩容时无需增加控制模块，只需直接增加接口板模块便可实现系统功能。扩展不影响既有设备的使用，软件基本不变。在该工程中，中心母鐘分路输出接口箱的RS422接口设计数量为31个，并可根据实际情况及以后的需要很方便地进行扩容，二级母钟分路输出接口箱的RS422接口设计数量为31个，最多可扩展为256个。

5.3 运行状态显示与管理

5.3.1 状态显示

控制中心网管设备能够实时监测到时钟系统子母钟运行状况，并对当前运行状况进行显示、方便工作人员查看，并能够对各站及车辆段子母钟进行标定控制。

5.3.2 状态管理

当时间同步系统出现故障时，网管设备将产生告警，工作人员可根据告警信息方便查阅故障信息，同时网管设备与集中告警系统进行连接，实时将故障信息发送集中告警系统以便集中管理。

6 结语

时间同步系统已经应用于长春轻轨，为轻轨车站工作人员、列车司机、上班族及整个轻轨系统等提供标准时间同步信号，在使用过程中达到了理想效果，通过实践可知该系统满足线路运行的要求。在轻轨通信系统中使用统一的标准时间同步信号，对保证列车安全、高效、准时运营起到了重要作用。通过对长春轻轨时间同步系统进行学习，使得自己掌握了构建时钟系统方面的知识，为以后轻轨维护与管理奠定基础。

参考文献

[1] 刘志红.地铁通信时间系统方案分析[J].科学之友，2011（10）：153-154.

[2] 李文斌，张宝林，廖谨宇.地铁通信时钟系统浅析和管理[J].数字技术与应用，2016，5（12）：23-24.

[3] 李伟章，徐幼铭.城市轨道交通信[M].中国铁道出版社，2008.

[4] 贾毓杰.城市轨道交通通信与信号[M].机械工业出版社，2009.

[5] 李建国.城市轨道交通系统概论[M].机械工业出版社，2009.