北斗授时技术在高速铁路信号系统地面设备时钟同步中的应用

王 力，吴 茜

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

北斗卫星导航系统是我国完全自主研发的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力[1]。北斗授时技术在通信、电力等行业已应用多年，但在铁路行业尤其是指挥列车运行的铁路信号系统应用尚为空白。信号系统担负着指挥列车运行、保证行车和乘客安全、提高运输效率的重要任务[2]，其各子系统时钟的统一，对系统设备的运用、维护及故障分析均有着重要意义。将北斗授时技术应用于铁路信号领域，有利于提高系统信息安全和维护水平，满足信号设备运用、维护以及故障分析对时间准确度的要求，是北斗卫星导航系统在铁路领域的一项重要应用。

1 高速铁路信号系统地面设备时钟同步应用现状及需求分析

1.1 时钟同步应用现状

原铁道部早期规划通过建设中国铁路时间同步网为铁路运输各业务时钟系统提供统一标准时间信号，并于2008年下发了相关技术文件。技术文件规定了铁路时间同步网由通信专业统一组织实施，描述了总体时间同步网结构及功能[3]。但因种种原因，各设备系统时钟同步仍由各自系统实现，时间同步网仅对通信系统时钟进行了统一。

“7.23”甬温线特别重大铁路交通事故发生后，国务院组织进行了铁路安全大检查。经检查发现，信号系统各子系统设备时间信息不统一，存在一定安全隐患，需进行整改。为解决此问题，原铁道部运输局基础部于2012年2月下发了《信号地面设备系统时钟同步方案》[运电信号函[2012]109号][4]，对地面信号系统时钟同步进行了初步要求，对实现信号系统地面设备时钟同步起到了指导作用。由于信号系统设备种类繁多，网络情况相对复杂，已按要求进行整改的铁路局，仅对方案涉及的地面信号设备进行了改造，DMS、STP、电源屏等部分地面信号设备仍未进行系统时钟同步；未整改的监测系统仍采用传统的人工校时方式。各路局地面信号系统时钟同步改造后仍采用单一的GPS时钟源。

1.2 时钟同步需求分析

(1)信号地面设备时钟信息的重要作用

①时钟信息对调度集中系统(CTC)的影响

高速铁路行车调度指挥系统采用CTC[5]。车站手工报点时，一般依据的是本机的系统时间；车站自动报点时，依据的是应用(车次追踪)服务器的时钟信息。若时钟信息不正确，将直接导致车站报点时间有误并导致车站自律机触发时机不正确。

②时钟信息对列控、联锁设备影响

列控、联锁系统时钟信息错误不利于系统的故障检测和诊断，记录报警时间信息不准确不利于系统维护。时钟信息正确对列控系统事故分析及应急处置均有重要意义。

(2)信号地面设备时钟同步需求分析

结合对广铁集团等路局运营部门的需求调研，明确主要需求如下：

①地面信号设备时钟同步应涵盖调度中心、车站、监测中心等地面信号设备现场主要应用处所；

②地面信号设备时钟同步应实现计算机联锁、列控、TDCS/CTC系统、集中监测、列控设备动态监测、电源等子系统设备的时钟同步；

③除实现运营设备时钟同步外，还需考虑现场维护设备(如维护终端)的时钟同步；

④需预留接口条件，为后续实现信号系统外其他各系统的时钟同步打下基础；

⑤应用授时技术选择应充分考虑系统信息安全。

2 高速铁路信号系统地面设备时钟同步应用方案

2.1 授时技术选择

(1)授时技术应用简介

目前，国内外已广泛采用基于卫星导航系统的授时技术，全世界已建成和在建的共有4个系统可以为全球或者区域用户提供卫星导航授时服务[6]。

GPS系统：美国，目前最完善的导航定位系统，面向全球服务[7]；

北斗系统：中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球导航定位系统，2018年12月提供全球服务[8]；

伽利略(GALILEO)系统：欧盟，多国、民建、民控、民用系统正在建设中，建成后可以覆盖全球[9]；

格洛纳斯(GRONASS)系统：俄罗斯，基本覆盖全球，用户相对较少[10]。

4种系统中，伽利略系统正在建设，而格洛纳斯系统使用较少，因此以上4种卫星导航授时系统相对可用性较好的即GPS系统和中国自主设计和研制的北斗系统。

由于GPS系统发展较早，我国各行业的授时系统，都曾将GPS作为主要时钟源设备，由GPS系统提供精确的同步时钟信号[11]。随着北斗卫星系统的发展，出于战略安全考虑，近年来北斗授时技术在我国各行业已逐步扩大应用范围[12]。

(2)北斗授时技术较GPS授时技术的优势

GPS授时系统广泛应用于民用领域，铁路时间分配系统中应用卫星授时技术的场所目前也基本采用GPS授时产品，其产品应用范围较广，应用成熟度相对较好。但GPS系统是美国为其军事目的而研制的应用卫星系统，其信息使用安全性相对较低，美方可根据情况降低服务精度、发送无线电干扰，甚至在特殊情况下直接关闭服务。

北斗授时系统具有完全自主知识产权，信息使用安全可靠，更适应未来国内民用领域的卫星应用技术发展趋势，其授时系统产品目前在铁路领域尚无实际应用先例。

北斗卫星导航系统建设进展很快，应用条件日趋成熟。目前在我国测绘、气象、渔业、林业、电信、水利、交通运输、森林防火、减灾救灾、公共安全等行业和诸多领域开展了积极的应用，发挥了重要的作用，产生了显著的经济、社会效益[13]。

采用北斗授时系统更符合未来技术发展政策，可弥补长久以来铁路领域使用GPS作为唯一同步时钟源的风险性，解决了由局域到广域的时钟源可靠性问题，增强了时钟源配置的灵活性和可扩充性，实现了授时的冗余效益。

2.2 信号系统时钟同步总体设计

根据信号系统时钟同步需求，为提高授时可靠性并预留其他系统未来接入条件，地面信号系统时钟同步推荐采用多时钟服务器，冗余时钟源授时方式。系统总体架构如图1所示。

图1 地面信号系统时钟同步总体架构

时钟同步设备包括3个组成部分：分别是调度中心授时设备，CTC/TDCS车站授时设备(可选)，监测中心授时设备。客专中心、线路节点车站在通道环回中心处分别设置1对双套冗余的高精度时钟服务器，监测中心设置1套单机的时钟服务器，实现不同层次地面设备的授时。

调度中心时钟服务器采用1对双套冗余的高精度时钟服务器，设置在调度中心机房，通过NTP时钟协议为中心的服务器、调度台、复视终端、中心网络设备、网络安全等相关设备提供时钟信息；CTC系统的TSRS接口服务器(临时限速服务器)向TSRS提供时钟同步信息，在有TSRS的情况下，列控的维修机与列控中心均与TSRS进行时钟同步，CTC车站不与车站列控中心进行时钟同步。

为缩短传输链路，保证地面时钟信号传输精度，线路CTC传输节点车站根据情况可设置一套高精度时钟服务器。服务器设置在CTC系统网络中车站环回中心通道的车站处，管辖以此站为中心的相邻系统网络内的相应车站，为车站车务终端、自律机、电务维护终端、车站网络及网络安全设备等通过NTP协议提供时钟信息。当调度中心或CTC传输节点车站的某个处所时钟服务器出现故障时，能够实现切换。

电务段监测中心设置1套单机的时钟服务器，设置在信号集中监测设备所属电务段处，为信号集中监测系统及所有不涉及行车安全的信号设备提供时钟信息[14]。

2.3 信号系统时钟同步详细设计

(1)CTC系统

CTC系统内部时钟同步采取基于NTP协议的多级同步机制，如图2所示。

图2 CTC系统时钟同步网络

CTC中心设置1对双套冗余的内含高精度铷原子钟的北斗/GPS卫星授时仪获取标准北京时间，设置1套高性能服务器作为CTC中心时钟服务器。中心时钟服务器直接与北斗卫星授时仪进行时钟同步，是整个CTC系统的一级时钟源。中心时钟服务器直接向CTC中心应用服务器、调度台等设备提供时钟同步信息。

CTC中心时钟服务器通过中心通信前置服务器经网络向车站自律机、CTC车站车务终端、电务维护终端、车站网络及网络安全设备等通过NTP协议提供时钟信息。

CTC系统内部采用NTP标准时钟同步协议，所有CTC内部设备时钟同步间隔为5 min，保证在正常情况下，CTC中心和车站设备误差不超过1 s。

(2)列车运行控制系统

CTCS-2级列控系统地面设备包括临时限速服务器(TSRS)、列控中心(TCC)、ZPW-2000系列轨道电路、应答器和地面电子单元(LEU)以及相关的网络设备等。CTCS-3级列控系统地面设备包括TSRS、RBC、TCC、ZPW-2000系列轨道电路、应答器、GSM-R通信接口设备以及相关网络设备等[15]。

在有TSRS的情况下，列控的维修机与列控中心均与TSRS进行时钟同步，CTC车站不与车站列控中心进行时钟同步。具体时钟同步方式如图3所示。

图3 列控设备时钟同步示意

在没有TSRS的情况下，TCC与CTC车站自律机按照规定的应用层接口协议进行时钟同步。TCC应在每个整点时刻，根据CTC系统发送的时钟消息校核内部时钟。

(3)计算机联锁设备

对于CTC车站，计算机联锁上位机从CTC车站自律机获取时钟同步信息。联锁上位机根据与CTC车站自律机交换的时钟同步数据帧中的时钟信息进行时钟同步，并将同步的时钟信息转发至控显机、维修机、值班员台等联锁内部设备。

(4)信号集中监测设备

电务段监测中心设置一套单机的高精度时钟服务器，为信号集中监测电务段中心设备提供时钟信息，并由电务段中心设备通过既有监测网络向车站监测分机提供统一时钟信息。信号集中监测系统的时钟同步采用NTP协议。

(5)列控设备动态监控系统(DMS)

路局DMS中心的时钟校核服务器作为整个DMS系统的中心时钟源，DMS各站段用户端进行时钟校核，实现DMS时钟同步功能。

(6)自动闭塞ZPW-2000设备

客专ZPW2000系列设备从列控中心按照协议规定获取统一时钟信息。既有线ZPW2000系列设备与信号集中监测系统车站站机按照协议规定获取统一时钟信息。

(7)电源屏设备

智能电源屏设备通过信号集中监测系统车站站机按照协议规定获取统一时钟信息。

(8)调车机车监控系统

无线调车监控设备从车站计算机联锁设备获得时钟同步信息，两者间按照协议规定接口通信。

3 地面时钟同步设备

3.1 时钟同步设备功能

地面同步设备通过接收北斗/GPS卫星信号获取标准时钟，或通过地面定时链路接收上一级时间节点获取标准时间(NTP方式和DCLS方式)，以满足铁路信号地面设备运用、维护及故障分析对时钟准确度的要求。具体功能如下。

(1)时钟同步功能

①通过接收外部标准时间源(上级时间信号/BD/GPS)获得标准时间通过配置的NTP接口等方式向其他通信、信息系统提供统一的时间信号，从而实现全线设备的时间同步。

②可输出NTP(网络时间协议)、1PPS(秒脉冲)、E1等时间信号，满足信息输出及接口要求。

③具有传输同步信号延迟补偿功能，根据要求实施定时自动校验，以消除系统的时间漂移。

④提供守时功能，即在已经获得初始时间的情况下，当外部时间基准信号(卫星信号)和地面基本信号不可用时，依靠本地守时源(恒温晶振/铷原子钟)振荡，保持高精确的时间输出。

(2)自动告警功能

当时钟同步设备发生故障时，可实时发送故障告警信息，并通过指示灯告警，提醒维护人员及时处理故障。

(3)配置管理功能

配置管理功能提供系统和设备各种运行参数的配置和修改功能。

(4)状态监测及自诊断功能

能够真实显示系统的网络拓扑结构，实时反映其连接状态及各点设备实时运行条件和状态，同时系统显示通道、设备异常状态，并对故障进行管理[16]。

(5)安全管理功能

实现对时间监控管理终端的用户授权、用户操作鉴权。用户进入网管系统需登录及登录口令。

(6)信息存储与上报

由设备产生的信息中，告警信息和事件信息必须从通信接口实时自动上报监控中心，但设备也具有存储能力；其他信息暂存在设备内供监控中心定时轮询和随时查询。

3.2 系统接口

北斗/GPS双模高精度时钟服务器使用的接口方式如表1和表2所示。

表1 定时输入信号类型及数量

表2 定时输出信号类型及数量

3.3 系统测试方案

(1)测试内容

①二级时钟NTP输出

正常跟踪BD/GPS情况下，二级母钟NTP输出接口的时间同步性。

②设备保护倒换功能

主备时钟倒换实验。

③母钟NTP授时服务特性

正常跟踪BD/GPS情况下，同步时钟NTP输出接口的时间与列控系统、信号集中监测系统、计算机联锁系统及其他进行时间同步的系统时间精度系统时间同步性。

(2)测试指标

①正常跟踪情况下时间同步精度指标

待二级时间节点同步后，采用时间测试仪表测试二级母钟输出1PPS信号和NTP时间信号精度，1PPS信号精度应满足≤150 ns，NTP时间信号精度应满足≤2 ms；

②守时精度指标

拔掉所有母钟的时间输入线缆，测试二级母钟输出1PPS及NTP信号精度，连续测量24 h，精度应满足≤0.1 ms；测试三级母钟输出1PPS及NTP信号精度，连续测量24 h，精度应满足≤10 ms。

4 结语

利用北斗授时技术实现信号系统地面设备时钟同步方案已在广铁集团广深线实施，为北斗授时技术首次在铁路信号领域的工程应用。自2015年北斗/GPS双模时钟同步服务器上道试用以来，设备运用稳定，实现了信号系统地面设备的时钟自动同步。较以往人工校时方式，大大提高了信号系统故障分析及应急处理水平。

目前北斗授时系统多采用“GPS+北斗”双模定位授时模式，今后完全可以过渡到北斗“主用”，进而在新建系统中采用单一北斗定位授时模式[17]。2018年12月27日，北斗系统正式迈入全球时代，北斗系统将为全球用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。将北斗系统应用到铁路信号等关键领域将是未来的发展方向。