标签：一级 NTP 授时 子钟 系统 信号 母钟 时钟 GPS

北斗GPS卫星授时服务器（NTP授时）应用于地铁自控系统

北斗GPS卫星授时服务器（NTP授时）应用于地铁自控系统

京准电子科技官微——ahjzsz

1.1时钟系统概况

    地铁时钟系统是轨道交通系统的重要组成部份之一，其主要作用是为控制中心调度员、车站值班员、各部门工作人员及乘客提供统一的标准时间信息，为地铁通信系统及其它系统（信号、AFC、ISCS、ACS系统等）提供统一的时间信号。

时钟系统的设置对保证地铁运行计时准确、提高运营服务质量起到了重要的作用。

1.2时钟系统特点

高精确性

    地铁时钟系统中的一级母钟和二级母钟均采用高稳定、高精度的晶体振荡器，以确保系统高稳定性、高精度。

    系统能够接收来自GPS/北斗卫星的标准时间信号，经母钟处理后发送至系统的各个部分，从而实现整个时钟系统长期无累积误差运行。

高可靠性

    地铁时钟系统的控制中心一级母钟和车站/车辆段二级母钟的关键部件都采用热备份，当主单元出现故障时，能够自动切换到备用单元，保证了系统的高可靠性。同时时钟系统还采取了“节点功能逐级延续”的运行方式，具备降级使用功能，当前级节点设备出现故障时，本级节点设备仍能正常工作；同级节点发生故障互不影响。

    系统采用分布式结构、闭环控制、掉电保护、故障自诊断、故障隔离技术、软硬件冗余措施、保护接地、严格筛选元器件、抗电气干扰及电磁干扰、提高了系统的可靠性。

可扩展性

    系统采用分布式结构方式，充分考虑了地铁的工程的扩建(延长线)。时钟系统的扩展可以通过保持软件不变，硬件只需少量增加控制单元的方法实现。

易兼容性

    系统由标准化的软件及硬件组成，用户可按照自己的需要灵活配置。系统软件能够适应计算机技术的急速发展，采用目前最流行的语言编译，运行在主流的操作系统平台上。为保证系统持久可靠地运行，设计时充分考虑到地铁/轻轨各种强电设备对时钟系统的电磁干扰，各项指标均须符合IEC61000系列的要求，并取得第三方设备检测机构签发的标明各项电磁性能合格的检验报告。

易维护性

    系统设计时在关键设备的关键部位设置了用于维护和检测的测试点；整个时钟系统采取了故障隔离、故障自诊断技术和自动报警措施；标准化高集成元器件的选用、具有互换性板卡的模块化设计（相同规格的设备、接口板都具有互换性）；一级母钟、二级母钟的控制板均支持热拔插技术，使得系统维护极为简便快捷。

易适配性

    传输通道可以采用SDH、ATM、OTN、PCM等多种方式实现。

监控全面性

    时钟系统的一级母钟以及二级母钟均可实现点对点监控、发现故障自动报警。一级母钟的主备母钟既可自检测也能互相检测，以及时发现系统故障，并进行主备母钟自动转换。

    二级母钟可以通过切换按键显示备用二级母钟以及所带子钟的工作状态。

    维护管理终端除了监控各个子钟运行情况外，还可以监控到控制中心一级母钟、各车站、车辆段二级母钟接口板的工作状态，并可控制一级母钟的主备母钟自由切换。

1.3时钟系统基本功能描述

   地铁工程时钟系统按控制中心一级母钟和车站、车辆段二级母钟两级方式设置，系统基本功能如下：

1.3.1同步校对

   正常情况下的同步校对：一级母钟设备接收外部GPS/北斗卫星标准时间信号进行自动校时（也可以接收公用信息传输网系的标准时间信号，比如上海的地铁系统），保持同步。同时产生精确的同步时间码，通过传输通道向各车站、车辆段二级母钟传送，统一校准二级母钟；

二级母钟系统接收一级母钟发出的标准时间码信号，与一级母钟随时保持同步，并产生输出时间驱动信号，用于驱动本站所有的子钟，并能向中心设备回馈车站子系统的工作信息。

   非正常情况下的同步校对：当一级母钟接收不到GPS /北斗标准时间信号时（传输通道或GPS /北斗接收单元出现故障），一级母钟能够以自身高精度晶振产生精确的同步时间码，对各车站及车辆段的二级母钟进行同步校对。

二级母钟在传输通道中断的情况下，能够独立正常工作，以自身高精度晶振产生时间信号驱动本站子钟的驱动信息，使本区子钟能够进行正常统一的时间显示。

   传输通道或其他故障恢复情况下的同步校对：二级母钟或子钟重新接收到上一级母钟的时间信号后应具有自动校对功能。

1.3.2时间显示

   母钟显示：“年，月，日，星期（中文字），时，分，秒，毫秒”全时标信息；

   子钟显示：

          Ø 日历数字式子钟：“年、月、日、星期（中文字）、时、分、秒”；

            Ø 数字子钟：“时：分：秒”；

            Ø 模拟式子钟“时：分”。

1.3.3为其它系统提供标准时间信号

    一级母钟设备设有多路同步时间码输出接口，能够在整秒时刻给其它各系统提供毫秒级标准时间信号。

1.3.4时钟系统的管理功能

    时钟系统可以通过设置在控制中心的时钟系统管理终端具备如下管理功能：

监控及显示

    监控终端能够检测地铁时钟系统主要设备的运行状态，对系统的工作状态、故障状态进行显示，并能够对全系统时钟进行点对点的控制，其主要监控及显示的内容包括：

 Ø 标准信号接收单元的工作状态；

 Ø 信号处理单元的工作状态；

 Ø 一级母钟、二级母钟、每个子钟的工作状态；

 Ø 传输通道的工作状态；

 Ø 对全系统时钟系统的控制（加快、减速、复位、校对、追时等）；

 Ø 常用故障排除信息及列表等帮助信息。

故障管理

    监控终端应能对故障状态及故障产生的时间进行存储记录和打印。系统出现故障时，监控终端能够发出声音报警，并可在监控终端主界面上显示主要故障内容及设备位置。声音报警信号能通过手动操作去除。同时故障信息能够通过10/100M以太网传输到集中网管，便于地铁通信系统的集中管理。

安全管理

Ø 用户管理：提供用户创建，登陆&操作鉴权和自动注销等用户管理功能；

Ø 网络监视：可看信息，不能修改任何数据；

Ø 网络维修：能对一般维修所需的数据进行修改但不能对数据库进行修改；

Ø 网络管理：能修改数据库的任何数据；

Ø 网管记录：对所有登入者、操作内容进行实时监视、记录和保存，监视过程用文件记录方式。该文件可查看、打印，不能删除。

2.时钟系统的组成

2.1系统总图 

 

2.2总体结构

   地铁时间系统主要由控制中心一级母钟、网络管理设备、各车站、车辆段二级母钟、子钟等组成。

 

 

 

2.2 时钟系统的功能描述

    控制中心的一级母钟，接收 GPS /北斗卫星标准时间信号，同时产生精确的同步时间码，通过传输系统向各车站、车辆段的二级母钟传送，统一校准二级母钟。一级母钟同时驱动控制中心各子钟。

    各车站、车辆段的二级母钟，接收一级母钟的校时信号用于驱动本站所有的子钟正常工作。

    子钟接收二级母钟发出的标准时间码驱动信号，进行时间信息显示。

时钟系统设置独立监测终端，通过数据通道实时监测全线时钟系统的运行状态，实施故障定位、报警，并通过10/100M网络接口设备向通信集中网管终端传输告警信息以实现集中管理。

2.3 时钟系统设备分布

2.3.1控制中心

    时钟系统在控制中心内应安装以下设备：

Ø 在控制中心通信设备室安装一级母钟及输出接口设备等设备；

Ø 在调度大厅安装数字式日历子钟；

Ø 在运营办公室安装数字式日历子钟；

Ø 在设备机房以及其他相关办公用房等处安装数字式子钟；

Ø 在网管室安装网管设备及打印输出设备。

2.3.2车站

    时间系统在各车站应安装一下设备：

Ø 在车站通信机房安装二级母钟及输出接口设备等设备；

Ø 在车站管理用房（车控室、站长室、通信机房、票务室、交接班室和站务员室等）安装数字式子钟；

Ø 在车站站厅公共区域的客服中心安装数字子钟；

Ø 在车站站台层因有乘客信息系统（PIS）显示时间信息，故不单独设置子钟。

2.2.3车辆段

    时间系统在车辆段应安装一下设备：

Ø 在车辆段通信机房安装二级母钟及输出接口设备等设备；

Ø 在信号楼调度室和停车列检库运转值班室安装数字式日历子钟；

Ø 在设备管理用房（如通信、信号设备机房）安装数字式子钟。

Ø 在管理用房（值班室和管理室等）安装数字式子钟。

2.4主要设备

2.4.1一级母钟

    一级母钟安装于控制中心通信机房内，其内部构成图如图1所示。一级母钟主要包括以下模块：

Ø 主、备GPS标准时间信号接收机；

Ø 主、备母钟；

Ø 分路输出接口箱；

Ø NTP服务器模块；

Ø 电源模块等

 

图1、一级母钟框图

2.4.1.2一级母钟的主要功能

    一级母钟接收来自GPS/北斗卫星发出的标准时间信号经解码和比对后校准自身精度，输出时间信号。标准时间信号经传输网络发送至各个车站/车辆段的二级母钟。一级母钟各模块功能介绍如下：

   GPS标准时间信号接收机：采集GPS标准时间信号并准确保时间系统无累积误差运行。接收机采用RS-422接口与一级母钟通讯。主备GPS标准时间信号接收器具有故障自切换功能。

   分路输出接口箱：实现一级母钟的主、备母钟与传输子系统的接口转换及分路输出，可以为各车站的二级母钟提供标准时间信号及监控其运行状态，为其他通信系统和NTP服务器提供标准时间信号输出接口。

    其接口形式采用标准的RS-422和RS-485接口。

   NTP服务器：接收控制中心一级母钟或GPS发出的时间信号，再通过计算机网络系统，使用TCP/IP协议或UDP网络时间协议，同步网络内的服务器、客户机以及相关计算机系统的时间。

   电源控制箱：以双备份的模式向一级母钟及分路输出接口箱提供12V直流电。

2.4.1.3一级母钟的性能指标

Ø 精度：与标准时间信号的时间的偏差：≤1毫秒；

Ø 负载：二级母钟：100个；

     子钟：200个；

     标准时间信号：20路（只发不收）；

Ø 驱动最大距离：1219米；

Ø 稳定性：主备信号处理单元的配置采用双机系统模式，具有自检和互检功能，并且主、备机之间可实现自动或手动切换；

Ø 可靠性：具有热备份功能，一级母钟的主、备母钟可以自动和手动切换；

     主母钟故障立即自动切换到备母钟，全面接替主母钟工作；

     当主母钟故障解除立即自动由备母钟切换回主母钟工作；

     满足25年×365天×24小时连续不间断工作。

2.4.2二级母钟

    二级母钟设置在各个车站和车辆段通信机房内，二级母钟的结构图如图2所示，主要包括以下模块：.

Ø 一级母钟时间信号接收单元；

Ø 主、备二级母钟；

Ø 分路输出接口箱；

Ø 电源模块； 

图2 二级母钟内部结构图

2.4.2.1二级母钟主要功能

    各车站及车辆段的二级母钟在正常条件下，接收一级母钟经传输系统发出的标准时间信号，消除累计误差，与一级母钟保持同步，并向本车站/车辆段所有子钟发送标准时间信号，同时把自己区域内各子钟的时间及运行状态码传送回一级母钟。

    当一级母钟或传输通道出现故障时，二级母钟自动报警并用自身晶振发送时间信号给子钟。

2.4.2.2二级母钟的性能指标

Ø 精度：二级母钟与一级母钟输出时间的偏差：≤20毫秒。

Ø 负载能力：子钟：200个；

标准时间信号：10路（只发不收）

Ø 子钟驱动最大距离：1219米；

Ø 稳定性：双机热备份模式；

Ø 可靠性：各接口局部故障不影响整个系统正常工作；

    能够保持365天×24小时连续不间断工作。

2.4.3子钟

     子钟接收来自一级母钟或二级母钟的标准时间信号，显示统一的时间。子钟可以按以下分类：

       Ø 根据工作模式分为：数字式子钟和指针式（模拟式）；

       Ø 根据观结构上分为：单面和双面类型；

       Ø 根据显示方式分为：日历数字式子钟和时分（秒）指针式子钟；

       Ø 根据安装方式分为：壁挂式子钟和嵌入式子钟。

2.4.3.1模拟子钟内部结构图

 

2.4.3.2数字子钟内部结构图

 

2.4.3.3 各种子钟的图例

2.4.3.4子钟分布

 

2.4.3.5子钟的性能指标

Ø 精  度：与一级母钟或二级母钟的时间偏差：≤10毫秒；

Ø 可靠性：内置时钟集成电路和充电电池，断电后可继续保持实时时间，

    来电后子钟能自动刷新和显示正确时间。

2.4.3.6子钟的制造工艺要求

Ø 钟壳：采用金属材料，表面经酸洗、磷化处理和热镀锌处理后喷涂，着色均匀、牢固，不变色。

Ø 安装配件：表面处理符合防锈要求，表面喷涂光滑，颜色一致；表面在静电喷涂前作酸洗、磷化处理和热镀锌处理，外表面达到国标2级，内表面达到国标4级，喷涂表面为亚光，色泽均匀；表面平整度在每平方米面积内不超过1毫米，表面折角处无皱纹、裂纹、毛刺、焊接等痕迹，四周缝隙保持一致，门开启灵活，无卡阻现象。在装配前，对封闭结构的内表面也有必要喷涂或进行防锈处理，处理质量符合SSPC标准。

Ø 其他：具有防震、防尘、防潮、防雨等功能保证在运输储存、安装调试和使用过程中不变形、不损坏，防护等级IP≥65。

2.4.4时钟系统的网络管理终端

2.4.4.1网络管理终端的主要功能

 时钟系统监测管理终端即监控计算机，具备自诊断功能，可进行系统性能管理、配置管理、故障管理、安全管理。它通过标准的RS-232接口与一级母钟相连，具有集中维护功能和自诊断功能。

    系统出现故障时能够发出声光报警，指示故障部位。同时，故障信息能够传输到集中告警终端，以便与地铁通信系统的集中管理。

可实现远程联网报警，及时将相关信息传送到不在故障现场的设备管理人员的通讯工具上。

2.4.4.2网络管理终端的显示

    维护管理终端能够实时检测地铁时钟系统主要设备的运行状态，对系统的工作状态、故障状态进行显示、打印、存档，并能够对全线时钟进行点对点的控制，其主要监控及显示的内容包括：

Ø 主、备GPS的工作状态；

Ø 主、备一级母钟的工作状态及信号处理单元的工作状态；

Ø 车站/车辆段二级母钟、每个子钟的工作状态；

Ø 传输通道的工作状态；

Ø 对全线时钟系统的控制；

Ø 基本故障排除原则等帮助信息；

Ø 对故障状态及时间进行打印和存储记录。

2.5时钟系统各主要设备功耗

设备名称	单位	单机 功耗(W)
一级母钟	台	50
二级母钟	台	50
日历式数字子钟	台	50
数字式子钟	台	20
主、备GPS标准时间信号接收机	台	10
NTP服务器模块	台	20
网络管理终端	台	250

2.6时钟系统的接口

2.6.1与传输系统的接口

    若标准时间信号的来源是公用信息系统传输网，接口可采用网线型RJ45也可采用标准RS422接口；若标准时间信号来源是GPS/北斗卫星信号，采用标准RS422接口。

一级母钟：

    一级母钟为传输系统提供RS422接口，数量必须保证系统功能及扩展需求。

二级母钟：

    在各车站/车辆段由传输系统提供1路RS422接口，连接二级母钟，实现控制中心一级母钟与车站/车辆段二级母钟的联机通讯。

2.6.2与其它系统的接口

    控制中心一级母钟设20路标准时间码输出接口，能够在整秒时刻给地铁控制中心传输系统、无线系统、广播系统、公务电话系统、专用电话系统、广播系统、乘客信息服务系统、电视监视系统、信号系统、售检票系统、防灾报警系统、设备监控系统、电力监控系统、集中维护系统等系统提供标准时间信号。

2.6.3时钟系统标准时间通用接口协议

Ø 输出接口：标准RS-422端口

Ø 波特率：  9600bit/s

Ø 数据位：  8位

Ø 起始位：  1位

Ø 停止位：  1位

Ø 校验位：  有

Ø 工作方式：异步

Ø 数据格式：（ASCII字符串，共21个字符）

Ø 最大传输距离： 1219米

2.6.4时钟系统与信号系统的接口协议

    时钟系统为信号系统提供标准时间信号，根据信号系统的要求，控制中心一级母钟和车站/车辆段二级母钟分别提供1路符合 “NMEA0183”格式的标准时间接口，接口类型为RS-422。

2.6.5接口连接方式

    在控制中心一级母钟控制柜的后部装有标准时间输出接口箱，提供20个接口卡座（两线TX+、TX-）给其他系统设备提供标准时间信号；1个单设的两线卡座（TX+、TX-）给NTP服务器提供标准时间信号。

 时钟系统对其他系统（传输系统、无线系统、广播系统、公务电话系统、专用电话系统、广播系统、乘客信息服务系统、电视监视系统、信号系统、售检票系统、防灾报警系统、设备监控系统、电力监控系统、集中维护系统等）提供标准时间，采用单工通信模式，使用2线通信线缆。

    时钟系统的一级母钟与二级母钟的信号传输提供40路路标准RS422接口，其中17路作为预留。采用双工通信模式，采用4线通信线缆。

2.7 时钟系统的线缆  

电源线：使用RYY3*1.0mm²（圆形，拉伸强度强，3芯，截面积为1平方毫米）型号的线缆用于时钟系统设备供电。

信号线：母钟与子钟通讯均采用低烟无卤阻燃的超五类屏蔽双绞线。

3时钟系统设计要求

3.1地铁时钟系统设计规范

3.1.1时钟系统技术规范

   详见附件1：《GB 50490-2009 城市轨道交通技术规范》（PDF）时钟系统部分。

3.1.2时钟系统设计规范

   详见附件2：《GB50157-2003 地铁设计规范》（PDF）时钟系统部分。

3.1.3质量验收规范

   详见附件3：《GB 50382-2006城市轨道交通通信工程质量验收规范》（PDF）时钟系统部分。

3.2 时钟系统的防雷及其他

防雷：

Ø GPS天线接收头处于室外，应采取隔离措施以防雷；

Ø 时钟系统设备电源均采用压敏电阻，起到抗浪涌的作用；

Ø 电缆的过压保护采用气体放电管保护器；电缆的过流保护采用能够自恢复的保护器；

Ø 时钟系统的传输接口芯片均采用抗雷击芯片；

Ø 时钟系统安全保护的接地电阻不大于1欧姆。

 

时钟的设计生产：

Ø 符合相关ISO和IEC标准的要求，以及SMPTE/EBU时间码标准。

Ø 机械结构便于安装维护，便于扩容，具有足够的机械强度和硬度

Ø 安装配件齐全

Ø 设备的装配均具有防震性能，保证在不变形、不损坏。

电磁兼容性

Ø 均满足EN 50121-4标准中的有关规定，并能适应地铁电磁环境。

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