城市轨道交通信号ATS 系统时间同步机制研究

0 引言

城市轨道交通作为现代城市交通的大动脉，只有在其信号系统运行环境优良的情况下，才能确保高效、安全的运营。自动列车监控系统 （ATS），在城市轨道交通信号系统中处于核心地位，负责列车运行时刻的记录、实时监控、指挥调度等工作，其时间同步机制关系到列车运行时刻表、设备运行状态信息上报、各子系统之间的协调是否正常。如果 ATS 系统的时间不统一，将会导致列车的调度混乱，运行计划瘫痪、甚至发生安全事故等。

1 城市轨道交通信号ATS 系统时间同步机制原理

1.1 时间同步的基本概念

时间同步是指通过一定的技术手段使得网络中不同设备或系统的时钟保持一致或者误差在一个允许的阈值以内。对于 ATS 系统来说，时间同步是将系统内控制中心端设备、车站端设备、车载端设备等所有设备或系统的时钟调整到统一时间，主要包括时钟源选择、时间信息传递、接收设备时钟的调整三个方面。

1.2 时间同步的基本原理

时间同步通过时钟源向网络设备发送时间信息，设备调整自身时钟实现同步。时钟源通常依托卫星授时设备（如 GPS、高精度原子钟等）提供高精度时间基准，信息经通信网络传输至终端后，接收端通过算法比对本地时钟与网络时间，调整对齐。传输延迟、时钟漂移等因素会影响同步精度，需采用多次同步、建立监测管理机制，及时发现并解决不同步问题，保障时间同步精度。

2 ATS 系统常见时间同步方法（如图1）

2.1 中央 ATS 时间同步方法

中央 ATS 时钟系统以通信系统 GPS 时钟为一级时钟源，通信GPS 时钟在控制中心通过 RS-422 或 RS-485 串口连接至中央 ATS 接口服务器（CFEP）。CFEP 为中央 ATS 系统提供时钟同步源。CFEP 与中央 ATS 系统中的应用服务器 （CAS）、数据库服务器 （DBS）、中央各工作站终端 （HMI）、时刻表编辑器 （TTE）、前端接口服务器 （LFEP），通过网络互联，采用NTP 协议进行时间同步[1]。

2.2 本地 ATS 时间同步方法

本地 ATS 系统以前端接口服务器 （LFEP） 为本地时钟源，LFEP 与本地的操作员工作站 （LOW）、时刻表处理器 （TTP）、列车排路计算机（TRC）、列车和轨道数据库服务器（TTS）、计算机联锁系统（SICAS），也通过网络互联，采用 NTP 协议进行时间同步。这个方法优点十分突出，第一是 GPS 时钟源精度非常高，能够满足 ATS 系统对高精度时间同步的需求；第二是 NTP 时间同步方法基于网络实现，不需要额外架设专用的时间同步线路，节省成本；部署与管理都比较便捷，易于实现网络中所有设备的 NTP 时间同步 [2]。但是该方法也存在一定的缺点，由于网络延迟的不确定性，一旦网络出现故障或堵塞的情况，时间同步就可能出现失败或者偏差；而且 NTP 协议如果时间同步出现故障，系统无时间同步错误告警，需要查看时间同步报文才能看出。

图 1 ATS 系统常见时间同步方法

2.3 ATS 系统时间同步检查方法

时间同步检查指令经常用到，具体操作是在设备上输入ntpq -p的命令，主要查看输出内容中第一列符号有一个 和一个 + ，offset 值小于300，认为时钟同步正常。

具体符号含义：

* 表示正在和这个NTP server 进行时间同步；

+ 表示这个server 是一个高质量的备用选项，如果NTP 正在同步的server 出现了问题，会优先和该server 同步；

# 表示这个server 优先级比较低，留作备用；

. 表示这个server 优先级十分低，暂时不属于考虑范围；

o 表示正在和这个NTP server 进行同步，不过其实是和秒脉冲信号（Pulse PerSecond）进行同步的，只有在系统中有一个可用的秒脉冲信号，才可能出现这种情况；

- 表示这个server被聚类算法（clustering algorithm）认为不合格；

x 表示这个server被交集算法（intersection algorithm）认为不合格；

空白： 表示这个server 不可达；

参数含义：

remote： 远程 NTP server 的计算机名或 IP 地址；

refid： 给远程NTP server提供时间同步的服务器的计算机名或 IP地址；

st： 远程NTP server的层级别（stratum）。由于NTP是层型结构，有顶端的服务器， 多层的Relay；

Server 再到客户端。所以服务器从高到低级别可以设定为 1-16。为了减缓负荷和网络堵塞， 原则上应该避免直接连接到级别为 1 的服务器；

t： 如果为u表示单播或者多播客户端，b表示广播或者组播客户端，l 表示参考时钟是本地，s 表示点对点，A 表示多播服务器，B 表示广播服务器，M 表示组播服务器；

when： 自上次时钟同步以来经过了多少时间（当 when=poll 时，进行一次时钟同步，同时 when 被清零，从头开始计时。），单位是s；

poll： 本地机和远程NTP server多少时间进行一次同步，单位是s；

reach： 表示最近8 次时钟同步包接收情况（1 表示接收成功，0 表示接收失败。每接收一个包左移一位。对于一个运行较长时间的 NTPclient而言，这个值应为377->11，111，111，即最近8次包接收均成功；否则表示有丢包情况发生）；

delay： 从本地机发送同步要求到远程NTP server的往返延误，单位是：ms；

offset： 这是个关键的值， 它告诉了我们本地机和服务器之间的时间差别。offset 越接近于 0， 我们就和服务器的时间越接近，单位是：ms；

jitter： 这是一个用来做统计的值. 它统计了在特定个连续的连接数里offset 的分布情况。简单地说这个数值的绝对值越小我们和服务器的时间就越精确，单位是：ms。

3 ATS 系统时间同步面临的问题

3.1 网络延迟与抖动

在 ATS 系统中，网络延迟会造成时间信息传输的延迟、接收设备无法接收到准确的时间信息，从而造成时间同步失准；网络抖动会造成网络延迟出现不稳定，造成时间同步不准确。尤其对于广域网环境来说，其网络组成结构更复杂，网络中的多个路由节点、跨区域传输、网络中接入的多个运营商网络等，造成其网络延迟更大，波动也更多；WAN 网络中的网络流量波动性极大，其网络高峰期数据传输激增，网络拥塞也会产生延迟、抖动现象。广域网的 ATS 系统更容易出现时间同步抖动现象、时间偏差积累现象等问题[3]。

3.2 时钟漂移

ATS 系统设备时钟因硬件、环境等因素产生漂移，导致与标准时间偏差逐渐增大。尽管初期能精确同步，但长期偏差积累影响时间同步稳定性，需持续校准以维持精度。然而频繁校准会带来两方面问题：一是大网环境下大量时间同步请求占用大量带宽，增加通讯负荷；二是轨道交通系统设备分布广、数量多，频繁人为或自动校准将显著增加维护工作量和运营成本。

3.3 GPS 时钟源可靠性

GPS 时钟源是 ATS 系统整个时间同步的时钟源头，其可靠性直接影响整个系统时间同步的好坏，一旦 GPS 时钟源本身出现故障，ATS 系统将无法准确得到时间信息。并且若源头本身就存在误差，那么后续所有设备的时间都将建立在一个“不准确”的基础之上，最终导致整个系统时间同步精度下降。当 GPS 时钟源正常时，系统在整秒输出标准时间报文，报头为”Eb9047”，包含精确时间信息，报尾”ba0d1a”确认有效，显示 CFEP 与 GPS 同步成功。若 GPS 故障，报头变为”Eb9041”，提示较时位错误，系统不执行同步并等待下一条信息。

3.4 安全风险

随着轨道交通智能化、网络化发展，ATS 系统时间同步易遭时间欺骗、报文篡改等网络攻击。攻击者通过伪造时间信息或修改同步报文，可能干扰列车运行调度，引发误停、延误等安全事故。现有时间同步机制多基于 NTP 等传统协议，安全防护设计薄弱，存在检测能力不足、响应迟缓等问题，难以有效抵御伪造时钟源、报文及拒绝服务等针对性攻击，威胁运营安全。

4 ATS 系统时间同步面临问题的优化策略

4.1 网络优化与延迟补偿

减少网络延时和抖动对时间同步带来的不利影响就需要对通信网进行全面的优化，一方面使用高速和性能稳定的网络设备，如高性能交换机、路由器等，优化网络拓扑结构，减少网络跳数，减少网络传输延时，另一方面可以采用先进的延时补偿算法，如 NTP、PTP 协议中使用对称时延测量算法等对网络传输延迟都进行了很好的测量，根据测量的网络传输延迟结构，调整时间报文的发送时间和接收时间，对网络延迟进行有效补偿，提高时间同步精度。

4.2 时钟校准与管理

定期对比 ATS 系统设备时钟与高精度时钟源，及时的调整设备时钟偏差，利用时钟滤波算法实现对时钟漂移的预测和补偿，降低时钟漂移影响对时间同步精度的影响。还可以引入冗余时钟设计，当主时钟失效出现故障或时钟漂移过大时，自动切换至备用时钟，保持时间的同步性、连续性与稳定性。我们还可以加强时钟设备维护管理制度，定期对时钟设备进行排查，检查时钟设备的运行状态，对于已出现性能下降、老化严重或存在潜在故障风险的时钟模块，应及时进行维修或更换，防止因个别设备故障引发整个系统时间同步异常。

4.3 时钟源冗余与备份

ATS 系统可以引入多个 GPS 时钟源，当某一个时钟源出现故障或损坏，系统会自动倒换到其他正常工作的时钟源，确保时间信息的不间断供应。还可以创建本地时钟源备份，引入高精度恒温晶振等设备作为备份的本地时钟源，在外部时钟源完全失效的紧急情况下，它能为 ATS 系统提供一个临时但足够准确的时间基准，维持系统在短期内的基本时钟同步功能。这样，即使在极端条件下，如自然灾害导致所有外部时钟源不可用时，ATS 系统仍能依靠本地时钟源继续运作，保障关键调度任务的执行[4]。

4.4 安全防护强化

在时间同步报文传输环节，可以通过加密技术，对时间同步报文进行加密处理，避免时间信息被窃取、篡改、破坏等，确保时间信息的安全性、保密性、完整性。对时间同步设备需要进行严格的身份认证，通过认证才能进行同步工作，防止非法设备进入系统，进行恶意攻击。安装安全监测预警系统，在时间同步环节实时监测安全，发现安全问题，及时预警、处理。

5 结束语

本论文通过研究城市轨道交通信号 ATS 系统时间同步机制，对其工作原理进行研究、对时间同步常用方法、优缺点进行研究、对时间同步所面临网络延时与抖动、时钟漂移、时钟源可靠性和安全等问题进行研究并给出相应的优化方法，得出正确的时间同步对 ATS 系统的高效、安全运行具有重要影响。通过正确的时间同步方法选择，可以在正确地进行网络、时钟、时钟源备份、安全防护的基础上，极大地提高ATS 系统时间同步的正确性、稳定性和可靠性。

参考文献

[1]郭永泉.城市轨道交通综合监控系统集成信号ATS的研究[J].现代城市轨道交通 ， 2008（6）：3.

[2]王成志.城市轨道交通ATS系统中车站分机的研究与设计[D].兰州交通大学 ，2015.

[3]孙剑.城市轨道交通信号配时自动控制方法分析[J].集成电路应用 ，2024，41（02）：178-179.

[4] 倪尉 .TACS 系统在城市轨道交通信号系统更新改造工程中的应用研究 [J]. 铁道通信信号 ，2022，58（08）：73-78.