北斗GPS衛星授時服務器（NTP授時）應用于地鐵自控系統

北斗GPS衛星授時服務器（NTP授時）應用于地鐵自控系統

京準電子科技官微——ahjzsz

1.1時鐘系統概況

    地鐵時鐘系統是軌道交通系統的重要組成部份之一，其主要作用是為控制中心調度員、車站值班員、各部門作業人員及乘客提供統一的標準時間資訊，為地鐵通信系統及其它系統（信號、AFC、ISCS、ACS系統等）提供統一的時間信號，

時鐘系統的設定對保證地鐵運行計時準確、提高運營服務質量起到了重要的作用，

1.2時鐘系統特點

高精確性

    地鐵時鐘系統中的一級母鐘和二級母鐘均采用高穩定、高精度的晶體振蕩器，以確保系統高穩定性、高精度，

    系統能夠接收來自GPS/北斗衛星的標準時間信號，經母鐘處理后發送至系統的各個部分，從而實作整個時鐘系統長期無累積誤差運行，

高可靠性

    地鐵時鐘系統的控制中心一級母鐘和車站/車輛段二級母鐘的關鍵部件都采用熱備份，當主單元出現故障時，能夠自動切換到備用單元，保證了系統的高可靠性，同時時鐘系統還采取了“節點功能逐級延續”的運行方式，具備降級使用功能，當前級節點設備出現故障時，本級節點設備仍能正常作業；同級節點發生故障互不影響，

    系統采用分布式結構、倍訓控制、掉電保護、故障自診斷、故障隔離技術、軟硬體冗余措施、保護接地、嚴格篩選元器件、抗電氣干擾及電磁干擾、提高了系統的可靠性，

可擴展性

    系統采用分布式結構方式，充分考慮了地鐵的工程的擴建(延長線)，時鐘系統的擴展可以通過保持軟體不變，硬體只需少量增加控制單元的方法實作，

易兼容性

    系統由標準化的軟體及硬體組成，用戶可按照自己的需要靈活配置，系統軟體能夠適應計算機技術的急速發展，采用目前最流行的語言編譯，運行在主流的作業系統平臺上，為保證系統持久可靠地運行，設計時充分考慮到地鐵/輕軌各種強電設備對時鐘系統的電磁干擾，各項指標均須符合IEC61000系列的要求，并取得第三方設備檢測機構簽發的標明各項電磁性能合格的檢驗報告，

易維護性

    系統設計時在關鍵設備的關鍵部位設定了用于維護和檢測的測驗點；整個時鐘系統采取了故障隔離、故障自診斷技術和自動報警措施；標準化高集成元器件的選用、具有互換性板卡的模塊化設計（相同規格的設備、介面板都具有互換性）；一級母鐘、二級母鐘的控制板均支持熱拔插技術，使得系統維護極為簡便快捷，

易適配性

    傳輸通道可以采用SDH、ATM、OTN、PCM等多種方式實作，

監控全面性

    時鐘系統的一級母鐘以及二級母鐘均可實作點對點監控、發現故障自動報警，一級母鐘的主備母鐘既可自檢測也能互相檢測，以及時發現系統故障，并進行主備母鐘自動轉換，

    二級母鐘可以通過切換按鍵顯示備用二級母鐘以及所帶子鐘的作業狀態，

    維護管理終端除了監控各個子鐘運行情況外，還可以監控到控制中心一級母鐘、各車站、車輛段二級母鐘介面板的作業狀態，并可控制一級母鐘的主備母鐘自由切換，

1.3時鐘系統基本功能描述

   地鐵工程時鐘系統按控制中心一級母鐘和車站、車輛段二級母鐘兩級方式設定，系統基本功能如下：

1.3.1同步校對

   正常情況下的同步校對：一級母鐘設備接收外部GPS/北斗衛星標準時間信號進行自動校時（也可以接收公用資訊傳輸網系的標準時間信號，比如上海的地鐵系統），保持同步，同時產生精確的同步時間碼，通過傳輸通道向各車站、車輛段二級母鐘傳送，統一校準二級母鐘；

二級母鐘系統接收一級母鐘發出的標準時間碼信號，與一級母鐘隨時保持同步，并產生輸出時間驅動信號，用于驅動本站所有的子鐘，并能向中心設備回饋車站子系統的作業資訊，

   非正常情況下的同步校對：當一級母鐘接收不到GPS /北斗標準時間信號時（傳輸通道或GPS /北斗接收單元出現故障），一級母鐘能夠以自身高精度晶振產生精確的同步時間碼，對各車站及車輛段的二級母鐘進行同步校對，

二級母鐘在傳輸通道中斷的情況下，能夠獨立正常作業，以自身高精度晶振產生時間信號驅動本站子鐘的驅動資訊，使本區子鐘能夠進行正常統一的時間顯示，

   傳輸通道或其他故障恢復情況下的同步校對：二級母鐘或子鐘重新接收到上一級母鐘的時間信號后應具有自動校對功能，

1.3.2時間顯示

   母鐘顯示：“年，月，日，星期（中文字），時，分，秒，毫秒”全時標資訊；

   子鐘顯示：

          ? 日歷數字式子鐘：“年、月、日、星期（中文字）、時、分、秒”；

            ? 數字子鐘：“時：分：秒”；

            ? 模擬式子鐘“時：分”，

1.3.3為其它系統提供標準時間信號

    一級母鐘設備設有多路同步時間碼輸出介面，能夠在整秒時刻給其它各系統提供毫秒級標準時間信號，

1.3.4時鐘系統的管理功能

    時鐘系統可以通過設定在控制中心的時鐘系統管理終端具備如下管理功能：

監控及顯示

    監控終端能夠檢測地鐵時鐘系統主要設備的運行狀態，對系統的作業狀態、故障狀態進行顯示，并能夠對全系統時鐘進行點對點的控制，其主要監控及顯示的內容包括：

 ? 標準信號接收單元的作業狀態；

 ? 信號處理單元的作業狀態；

 ? 一級母鐘、二級母鐘、每個子鐘的作業狀態；

 ? 傳輸通道的作業狀態；

 ? 對全系統時鐘系統的控制（加快、減速、復位、校對、追時等）；

 ? 常用故障排除資訊及串列等幫助資訊，

故障管理

    監控終端應能對故障狀態及故障產生的時間進行存盤記錄和列印，系統出現故障時，監控終端能夠發出聲音報警，并可在監控終端主界面上顯示主要故障內容及設備位置，聲音報警信號能通過手動操作去除，同時故障資訊能夠通過10/100M以太網傳輸到集中網管，便于地鐵通信系統的集中管理，

安全管理

? 用戶管理：提供用戶創建，登陸&操作鑒權和自動注銷等用戶管理功能；

? 網路監視：可看資訊，不能修改任何資料；

? 網路維修：能對一般維修所需的資料進行修改但不能對資料庫進行修改；

? 網路管理：能修改資料庫的任何資料；

? 網管記錄：對所有登入者、操作內容進行實時監視、記錄和保存，監視程序用檔案記錄方式，該檔案可查看、列印，不能洗掉，

2.時鐘系統的組成

2.1系統總圖 

2.2總體結構

   地鐵時間系統主要由控制中心一級母鐘、網路管理設備、各車站、車輛段二級母鐘、子鐘等組成，

2.2 時鐘系統的功能描述

    控制中心的一級母鐘，接收 GPS /北斗衛星標準時間信號，同時產生精確的同步時間碼，通過傳輸系統向各車站、車輛段的二級母鐘傳送，統一校準二級母鐘，一級母鐘同時驅動控制中心各子鐘，

    各車站、車輛段的二級母鐘，接收一級母鐘的校時信號用于驅動本站所有的子鐘正常作業，

    子鐘接收二級母鐘發出的標準時間碼驅動信號，進行時間資訊顯示，

時鐘系統設定獨立監測終端，通過資料通道實時監測全線時鐘系統的運行狀態，實施故障定位、報警，并通過10/100M網路介面設備向通信集中網管終端傳輸告警資訊以實作集中管理，

2.3 時鐘系統設備分布

2.3.1控制中心

    時鐘系統在控制中心內應安裝以下設備：

? 在控制中心通信設備室安裝一級母鐘及輸出介面設備等設備；

? 在調度大廳安裝數字式日歷子鐘；

? 在運營辦公室安裝數字式日歷子鐘；

? 在設備機房以及其他相關辦公用房等處安裝數字式子鐘；

? 在網管室安裝網管設備及列印輸出設備，

2.3.2車站

    時間系統在各車站應安裝一下設備：

? 在車站通信機房安裝二級母鐘及輸出介面設備等設備；

? 在車站管理用房（車控室、站長室、通信機房、票務室、交接班室和站務員室等）安裝數字式子鐘；

? 在車站站廳公共區域的客服中心安裝數字子鐘；

? 在車站站臺層因有乘客資訊系統（PIS）顯示時間資訊，故不單獨設定子鐘，

2.2.3車輛段

    時間系統在車輛段應安裝一下設備：

? 在車輛段通信機房安裝二級母鐘及輸出介面設備等設備；

? 在信號樓調度室和停車列檢庫運轉值班室安裝數字式日歷子鐘；

? 在設備管理用房（如通信、信號設備機房）安裝數字式子鐘，

? 在管理用房（值班室和管理室等）安裝數字式子鐘，

2.4主要設備

2.4.1一級母鐘

    一級母鐘安裝于控制中心通信機房內，其內部構成圖如圖1所示，一級母鐘主要包括以下模塊：

? 主、備GPS標準時間信號接識訓；

? 主、備母鐘；

? 分路輸出介面箱；

? NTP服務器模塊；

? 電源模塊等

圖1、一級母鐘框圖

2.4.1.2一級母鐘的主要功能

    一級母鐘接收來自GPS/北斗衛星發出的標準時間信號經解碼和比對后校準自身精度，輸出時間信號，標準時間信號經傳輸網路發送至各個車站/車輛段的二級母鐘，一級母鐘各模塊功能介紹如下：

   GPS標準時間信號接識訓：采集GPS標準時間信號并準確保時間系統無累積誤差運行，接識訓采用RS-422介面與一級母鐘通訊，主備GPS標準時間信號接收器具有故障自切換功能，

   分路輸出介面箱：實作一級母鐘的主、備母鐘與傳輸子系統的介面轉換及分路輸出，可以為各車站的二級母鐘提供標準時間信號及監控其運行狀態，為其他通信系統和NTP服務器提供標準時間信號輸出介面，

    其介面形式采用標準的RS-422和RS-485介面，

   NTP服務器：接收控制中心一級母鐘或GPS發出的時間信號，再通過計算機網路系統，使用TCP/IP協議或UDP網路時間協議，同步網路內的服務器、客戶機以及相關計算機系統的時間，

   電源控制箱：以雙備份的模式向一級母鐘及分路輸出介面箱提供12V直流電，

2.4.1.3一級母鐘的性能指標

? 精度：與標準時間信號的時間的偏差：≤1毫秒；

? 負載：二級母鐘：100個；

     子鐘：200個；

     標準時間信號：20路（只發不收）；

? 驅動最大距離：1219米；

? 穩定性：主備信號處理單元的配置采用雙機系統模式，具有自檢和互檢功能，并且主、備機之間可實作自動或手動切換；

? 可靠性：具有熱備份功能，一級母鐘的主、備母鐘可以自動和手動切換；

     主母鐘故障立即自動切換到備母鐘，全面接替主母鐘作業；

     當主母鐘故障解除立即自動由備母鐘切換回主母鐘作業；

     滿足25年×365天×24小時連續不間斷作業，

2.4.2二級母鐘

    二級母鐘設定在各個車站和車輛段通信機房內，二級母鐘的結構圖如圖2所示，主要包括以下模塊：.

? 一級母鐘時間信號接收單元；

? 主、備二級母鐘；

? 分路輸出介面箱；

? 電源模塊； 

圖2 二級母鐘內部結構圖

2.4.2.1二級母鐘主要功能

    各車站及車輛段的二級母鐘在正常條件下，接收一級母鐘經傳輸系統發出的標準時間信號，消除累計誤差，與一級母鐘保持同步，并向本車站/車輛段所有子鐘發送標準時間信號，同時把自己區域內各子鐘的時間及運行狀態碼傳送回一級母鐘，

    當一級母鐘或傳輸通道出現故障時，二級母鐘自動報警并用自身晶振發送時間信號給子鐘，

2.4.2.2二級母鐘的性能指標

? 精度：二級母鐘與一級母鐘輸出時間的偏差：≤20毫秒，

? 負載能力：子鐘：200個；

標準時間信號：10路（只發不收）

? 子鐘驅動最大距離：1219米；

? 穩定性：雙機熱備份模式；

? 可靠性：各介面區域故障不影響整個系統正常作業；

    能夠保持365天×24小時連續不間斷作業，

2.4.3子鐘

     子鐘接收來自一級母鐘或二級母鐘的標準時間信號，顯示統一的時間，子鐘可以按以下分類：

       ? 根據作業模式分為：數字式子鐘和指標式（模擬式）；

       ? 根據觀結構上分為：單面和雙面型別；

       ? 根據顯示方式分為：日歷數字式子鐘和時分（秒）指標式子鐘；

       ? 根據安裝方式分為：壁掛式子鐘和嵌入式子鐘，

2.4.3.1模擬子鐘內部結構圖

2.4.3.2數字子鐘內部結構圖

2.4.3.3 各種子鐘的圖例

2.4.3.4子鐘分布

2.4.3.5子鐘的性能指標

? 精  度：與一級母鐘或二級母鐘的時間偏差：≤10毫秒；

? 可靠性：內置時鐘集成電路和充電電池，斷電后可繼續保持實時時間，

    來電后子鐘能自動重繪和顯示正確時間，

2.4.3.6子鐘的制造工藝要求

? 鐘殼：采用金屬材料，表面經酸洗、磷化處理和熱鍍鋅處理后噴涂，著色均勻、牢固，不變色，

? 安裝配件：表面處理符合防銹要求，表面噴涂光滑，顏色一致；表面在靜電噴涂前作酸洗、磷化處理和熱鍍鋅處理，外表面達到國標2級，內表面達到國標4級，噴涂表面為亞光，色澤均勻；表面平整度在每平方米面積內不超過1毫米，表面折角處無皺紋、裂紋、毛刺、焊接等痕跡，四周縫隙保持一致，門開啟靈活，無卡阻現象，在裝配前，對封閉結構的內表面也有必要噴涂或進行防銹處理，處理質量符合SSPC標準，

? 其他：具有防震、防塵、防潮、防雨等功能保證在運輸儲存、安裝除錯和使用程序中不變形、不損壞，防護等級IP≥65，

2.4.4時鐘系統的網路管理終端

2.4.4.1網路管理終端的主要功能

 時鐘系統監測管理終端即監控計算機，具備自診斷功能，可進行系統性能管理、配置管理、故障管理、安全管理，它通過標準的RS-232介面與一級母鐘相連，具有集中維護功能和自診斷功能，

    系統出現故障時能夠發出聲光報警，指示故障部位，同時，故障資訊能夠傳輸到集中告警終端，以便與地鐵通信系統的集中管理，

可實作遠程聯網報警，及時將相關資訊傳送到不在故障現場的設備管理人員的通訊工具上，

2.4.4.2網路管理終端的顯示

    維護管理終端能夠實時檢測地鐵時鐘系統主要設備的運行狀態，對系統的作業狀態、故障狀態進行顯示、列印、存檔，并能夠對全線時鐘進行點對點的控制，其主要監控及顯示的內容包括：

? 主、備GPS的作業狀態；

? 主、備一級母鐘的作業狀態及信號處理單元的作業狀態；

? 車站/車輛段二級母鐘、每個子鐘的作業狀態；

? 傳輸通道的作業狀態；

? 對全線時鐘系統的控制；

? 基本故障排除原則等幫助資訊；

? 對故障狀態及時間進行列印和存盤記錄，

2.5時鐘系統各主要設備功耗

2.6時鐘系統的介面

2.6.1與傳輸系統的介面

    若標準時間信號的來源是公用資訊系統傳輸網，介面可采用網線型RJ45也可采用標準RS422介面；若標準時間信號來源是GPS/北斗衛星信號，采用標準RS422介面，

一級母鐘：

    一級母鐘為傳輸系統提供RS422介面，數量必須保證系統功能及擴展需求，

二級母鐘：

    在各車站/車輛段由傳輸系統提供1路RS422介面，連接二級母鐘，實作控制中心一級母鐘與車站/車輛段二級母鐘的聯機通訊，

2.6.2與其它系統的介面

    控制中心一級母鐘設20路標準時間碼輸出介面，能夠在整秒時刻給地鐵控制中心傳輸系統、無線系統、廣播系統、公務電話系統、專用電話系統、廣播系統、乘客資訊服務系統、電視監視系統、信號系統、售檢票系統、防災報警系統、設備監控系統、電力監控系統、集中維護系統等系統提供標準時間信號，

2.6.3時鐘系統標準時間通用介面協議

? 輸出介面：標準RS-422埠

? 波特率：  9600bit/s

? 資料位：  8位

? 起始位：  1位

? 停止位：  1位

? 校驗位：  有

? 作業方式：異步

? 資料格式：（ASCII字串，共21個字符）

? 最大傳輸距離： 1219米

2.6.4時鐘系統與信號系統的介面協議

    時鐘系統為信號系統提供標準時間信號，根據信號系統的要求，控制中心一級母鐘和車站/車輛段二級母鐘分別提供1路符合 “NMEA0183”格式的標準時間介面，介面型別為RS-422，

2.6.5介面連接方式

    在控制中心一級母鐘控制柜的后部裝有標準時間輸出介面箱，提供20個介面卡座（兩線TX+、TX-）給其他系統設備提供標準時間信號；1個單設的兩線卡座（TX+、TX-）給NTP服務器提供標準時間信號，

 時鐘系統對其他系統（傳輸系統、無線系統、廣播系統、公務電話系統、專用電話系統、廣播系統、乘客資訊服務系統、電視監視系統、信號系統、售檢票系統、防災報警系統、設備監控系統、電力監控系統、集中維護系統等）提供標準時間，采用單工通信模式，使用2線通信線纜，

    時鐘系統的一級母鐘與二級母鐘的信號傳輸提供40路路標準RS422介面，其中17路作為預留，采用雙工通信模式，采用4線通信線纜，

2.7 時鐘系統的線纜  

電源線：使用RYY3*1.0mm2（圓形，拉伸強度強，3芯，截面積為1平方毫米）型號的線纜用于時鐘系統設備供電，

信號線：母鐘與子鐘通訊均采用低煙無鹵阻燃的超五類屏蔽雙絞線，

3時鐘系統設計要求

3.1地鐵時鐘系統設計規范

3.1.1時鐘系統技術規范

   詳見附件1：《GB 50490-2009 城市軌道交通技術規范》（PDF）時鐘系統部分，

3.1.2時鐘系統設計規范

   詳見附件2：《GB50157-2003 地鐵設計規范》（PDF）時鐘系統部分，

3.1.3質量驗收規范

   詳見附件3：《GB 50382-2006城市軌道交通通信工程質量驗收規范》（PDF）時鐘系統部分，

3.2 時鐘系統的防雷及其他

防雷：

? GPS天線接收頭處于室外，應采取隔離措施以防雷；

? 時鐘系統設備電源均采用壓敏電阻，起到抗浪涌的作用；

? 電纜的過壓保護采用氣體放電管保護器；電纜的過流保護采用能夠自恢復的保護器；

? 時鐘系統的傳輸介面芯片均采用抗雷擊芯片；

? 時鐘系統安全保護的接地電阻不大于1歐姆，

時鐘的設計生產：

? 符合相關ISO和IEC標準的要求，以及SMPTE/EBU時間碼標準，

? 機械結構便于安裝維護，便于擴容，具有足夠的機械強度和硬度

? 安裝配件齊全

? 設備的裝配均具有防震性能，保證在不變形、不損壞，

電磁兼容性

? 均滿足EN 50121-4標準中的有關規定，并能適應地鐵電磁環境，

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