地鐵通信與信號-時鐘系統(tǒng)課件

項目十六 時鐘系統(tǒng)2023/8/241[知識要點]掌握城市軌道交通時鐘系統(tǒng)的設(shè)備組成。掌握時鐘系統(tǒng)為城市軌道交通的哪些用戶服務(wù)。了解時鐘系統(tǒng)的組網(wǎng)模式及其特點。[理論內(nèi)容]一、GPS時鐘簡介2023/8/2421．關(guān)于時間的基本概念時間頻率標準源時鐘頻率標準源一般有四種：晶體鐘、銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘。晶體鐘會老化，易受外界環(huán)境變化影響，對時鐘長期精度產(chǎn)生漂移影響；原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準。定時、授時、時間同步、守時定時——是指根據(jù)參考時間標準對本地鐘進行校準的過程。授時——是指采用適當?shù)氖侄伟l(fā)播標準時間的過程。時間同步——是指在母鐘與子鐘之間時間一致的過程，又稱時間統(tǒng)一的過程。守時——是指將本地鐘與已校準的標準時間保持下去的過程。2023/8/242．GPS時鐘的實現(xiàn)時鐘系統(tǒng)一般采用GPS(Globe

Position

System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS)標準時間信息，GPS接收模塊示意圖如圖16-1所示。其工作基本流程是GPS接收模塊通過接收天線接收到GPS衛(wèi)星信號，然后將衛(wèi)星信號傳送給微處理器計算出標準時鐘，并將此時鐘信息顯示在液晶顯示面板上；同時也可以通過外部接口如串口或以太網(wǎng)口傳送給外部設(shè)備，為外部設(shè)備提供標準時鐘信息。圖16-1

GPS接收模塊的示意圖3GPS時鐘原理圖2023/10/214GPS同步時鐘主要由以下幾部分組成：GPS/GNSS接收機，其中可以為GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或銣鐘，本地同步校準單元，測差單元，誤差處理及控制結(jié)構(gòu)，輸入輸出等幾部分。3．GPS時鐘的特點傳統(tǒng)的時鐘在城市軌道交通企業(yè)中需要定期校時，這樣操作人員工作量大，容易出現(xiàn)差錯，采用以GPS為母鐘的時鐘系統(tǒng)可以為城市軌道交通系統(tǒng)運營提供統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng)，精確度高，系統(tǒng)可自動校時，無需人工操作。2023/10/215二、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)功能為保證城市軌道交通列車安全、準時、可靠運行，需要各部門、各專業(yè)之間密切配合，因此城市軌道交通設(shè)置時鐘系統(tǒng)以保證準時服務(wù)乘客、統(tǒng)一全線設(shè)備標準時間。時鐘系統(tǒng)具有以下功能。1．顯示統(tǒng)一的標準時間信息時鐘系統(tǒng)提供全線統(tǒng)一的時間基準，由設(shè)置在全線各站、車廠的指針式和數(shù)字式子鐘顯

示，為乘客和工作人員提供包

括年、月、日、星期、時、分、秒等的準確時間信息。2023/10/2162．向其他系統(tǒng)提供標準時間信號時鐘子系統(tǒng)在控制中心可向其他通信子系統(tǒng)、ATS自動信號系統(tǒng)、SCADA電力監(jiān)控系統(tǒng)、FAS防災(zāi)報警系統(tǒng)、AFC自動售檢票系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備提供準確、統(tǒng)一的時間信息，在全線執(zhí)行統(tǒng)一的定時標準，為軌道交通行車指揮、列車運行、設(shè)備管理提供時間基準，確保通信系統(tǒng)以及其他重要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步。2023/10/217三、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組成時鐘系統(tǒng)由中心母鐘、監(jiān)控終端、二級母鐘、子鐘及傳輸通道構(gòu)成，如圖16-2所示。2023/10/218圖16-2時鐘系統(tǒng)1．中心母鐘中心母鐘也稱為一級母鐘，主要功能是作為基礎(chǔ)主時鐘系統(tǒng)。一般中心母鐘接收兩種標準的時間信號：一種是GPS時鐘作為主用時鐘；另一種是接收CCTV時間信號，作為備用時鐘。中

心母鐘可將校準后的標準時間信息通過串口或以太網(wǎng)口分配給

控制中心及各場所的二級母鐘和其他需要提取標準時間的系統(tǒng)。中心母鐘具有故障告警功能，并可將故障信息發(fā)送給監(jiān)控網(wǎng)管計算機。中心母鐘主要由以下幾部分組成：標準時間信號接收單元、主備母鐘、自動轉(zhuǎn)換單元、輸出接口單元等。2023/10/2192023/10/21(1)標準時間信號接收單元

為時鐘系統(tǒng)提供高精度的時間基準而設(shè)置，以實現(xiàn)時鐘系統(tǒng)的無累積誤差運行。在正常情況下，標準時間信號接收來自GPS的衛(wèi)星時鐘信號，經(jīng)解碼、比對后，經(jīng)由輸出接口向母鐘發(fā)送標準時間代碼，以實現(xiàn)對母鐘精度的校準。當GPS發(fā)生故障時，將自動轉(zhuǎn)換為接收CCTV標準時間。1010(2)主備母鐘

母鐘通過標準接口接收標準時間信號接收單元發(fā)送的標準時間信號，用以校準自身的精度。當標準時間信號接收單元出現(xiàn)故障時，母鐘將采用自身的高穩(wěn)晶振作為時間基準。由于母鐘是整個時鐘系統(tǒng)的中樞部分，其可靠性要求較高，一般采用雙機熱備容錯配置。當主母鐘故障時，可通過自動或人工手動切換到備用母鐘。母鐘能夠顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息，并具備12／24小時兩種顯示方式的轉(zhuǎn)換功能。母鐘通過標準接口與控制中心及各站點的二級母鐘連接，將標準時間信號發(fā)送給該二級母鐘并將其校準。同時母鐘可接收回送的該二級母鐘及控制中心子鐘的運行狀態(tài)信息，再將這些信息送到監(jiān)控網(wǎng)管系統(tǒng)。2023/10/21112023/10/2112自動轉(zhuǎn)換單元檢測主母鐘的工作狀態(tài)，實現(xiàn)母鐘主、備機的自動轉(zhuǎn)換。輸出接口單元通過標準接口，將時鐘信息送給二級母鐘或其他需要提取時鐘信息的系統(tǒng)。2023/10/21132．監(jiān)控終端監(jiān)控終端能夠?qū)崟r監(jiān)測整個時鐘系統(tǒng)的運行狀態(tài)，可進行故障管理、性能管理、配置管理及安全管理、報表統(tǒng)計等集中

維護功能，并可向網(wǎng)管系統(tǒng)提供故障信息，實現(xiàn)集中告警功能。2023/10/21142023/10/213．二級母鐘二級母鐘設(shè)置在各車站及車輛段、停車廠等需要提取時鐘的場所，用于控制所屬子鐘運行，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16-3所示。1圖16-3車站二級母鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖152023/10/2116通過標準接口，二級母鐘一方面可以接收中心母鐘經(jīng)由傳輸系統(tǒng)發(fā)送過來的標準時間信號，顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息，并校準自身精度；另一方面可將標準時間信號發(fā)送至所屬子鐘，使子鐘顯示標準時間僧＆從而達到全線時間的統(tǒng)一。除此之外，二級母鐘還具有監(jiān)控和故障告警功能，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸接口接入便攜機在各個車站實現(xiàn)對全線設(shè)備的監(jiān)控，并可向中心母鐘回送自身及所屬子鐘的運行狀態(tài)信息及故障信息。172023/10/21172023/10/21

1182023/10/21二級母鐘具有獨立的晶振，中心母鐘發(fā)送來的標準時間信號對二級母鐘是校對的關(guān)系，而不是絕對指揮關(guān)系，當中心母鐘或傳輸通道發(fā)生故障時，二級母鐘仍可依靠自身的晶振指揮子鐘運行。4．子鐘子鐘一般設(shè)置在車站的站臺、站廳及辦公場所等，分為數(shù)字子鐘和指針子鐘，如圖16—4所示。圖16-4子鐘示意圖192023/10/21數(shù)字式子鐘一般為數(shù)碼管形式，安裝在各車站的站臺或

站廳內(nèi)，向乘客顯示日期及時問信息，還可顯示站內(nèi)外溫度

等信息。指針式子鐘一般為機械式機芯，安裝在各車站、車廠及控制中心的辦公室內(nèi)，為軌道交通系統(tǒng)工作人員提供準確的時間信息，是軌道交通系統(tǒng)可以準時、可靠運行的重要保障。子鐘通過標準接口接收二級母鐘發(fā)送的時間信號，將自身的精度校準后，顯示統(tǒng)一的時間信息。20當子鐘接收不到來自二級母鐘發(fā)送的時間信號時，仍能依靠自身的晶振獨立運行。此時與標準時間的校準可通過子鐘上的按鍵，人工手動進行校時。當重新接收到二級母鐘發(fā)送來

的時間信號后，回送自身的工作狀態(tài)。新安裝上的指針式子鐘具有自動校時功能，當接收到二級母鐘發(fā)送來的標準時間信號時，能夠以最短距離方式快速調(diào)整指針的位置到標準時間。由于子鐘的工作場所較復(fù)雜，有的場所需要提供照明，所以指針式子鐘一般采用內(nèi)置式照明設(shè)備。2023/10/21215．傳輸接口常用的串行通信接口包括RS-232串行接口、Rs-422串行接口、RS-485串行接口三種。RS-422串行接口傳輸距

離在1km左右，基本能夠覆蓋一個車站的范圍，同時RS一422接口具有單點到多點的傳輸特性，所以在城市軌道交

通中應(yīng)用較多。時鐘系統(tǒng)二

級母鐘與子鐘之間的連線，

二級母鐘與其他系統(tǒng)接口之

間的連線一般都采用此接口。2023/10/2122RS-422串行通訊接口電路四、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式2023/10/2123為保證城市軌道交通列車安全、準時、可靠運行，需要各部門、各專業(yè)之間密切配合，因此城市軌道交通必須設(shè)置時鐘系統(tǒng)以保證準時服務(wù)乘客、統(tǒng)一全線設(shè)備標準時間。其有兩種組網(wǎng)模式。1.時鐘系統(tǒng)單獨組網(wǎng)模式城市軌道交通中的時鐘系統(tǒng)一般采用控制中心／車站兩級組網(wǎng)方式，如上面所介紹：一級母鐘接收來自GPS的標準時間信號校正本身晶振，產(chǎn)生穩(wěn)定的標準時間信號，通過傳輸系統(tǒng)傳給車站、車輛段、停車廠等的二級母鐘。二級母鐘接收一級母鐘標準時間信號，校正本身晶振，產(chǎn)生穩(wěn)定標準時間信號，驅(qū)動所帶全部子鐘顯示統(tǒng)一時間，為乘客和工作人員提供統(tǒng)一時間。一級母鐘在控制中心還為其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間信號，使各系統(tǒng)的定時設(shè)備與時鐘系統(tǒng)同步。2023/10/21242023/10/212．與旅客引導(dǎo)系統(tǒng)混合組網(wǎng)模式旅客引導(dǎo)信息系統(tǒng)的主要功能是通過文字、圖像、聲音等形式為進出車站的旅客提供列車到發(fā)的有關(guān)信息，引導(dǎo)旅客快捷方便的乘車，并可為候車旅客提供新聞、廣告、娛樂等信息服務(wù)。顯示終端包括PDP等離子屏幕、液晶顯示屏、LED顯示屏等形式，一般設(shè)在各車站站廳、站臺。2525綜合考慮兩個系統(tǒng)的顯示內(nèi)容信息、顯示界面形式，可以將時鐘系統(tǒng)與引導(dǎo)顯示系統(tǒng)融合，具體網(wǎng)絡(luò)模式為：保留各車站的二級母鐘，取消站廳、站臺內(nèi)的子鐘。一級母鐘在控制中心為旅客信息系統(tǒng)提供時間信號或由車站二級母鐘給車站旅客引導(dǎo)設(shè)備直接提供時間信號，由旅客信息系統(tǒng)在各車站站廳、站臺的顯示終端上以固定窗口的形式顯示時鐘信息，如圖16-5所示。2023/10/2126圖16-5

時鐘與引導(dǎo)系統(tǒng)整合方案示意圖兩種時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式均能滿足城市軌道交通運用的需求，第一種方案中各系統(tǒng)獨立運行互不影響，第二種方案利用旅客

引導(dǎo)系統(tǒng)顯示時間信息完成子鐘顯示，顯示屏幕不具備自身校時的功能，當時鐘系統(tǒng)故障或線路故障時，屏幕上顯示不了時鐘信息，但具有經(jīng)濟、合理，集成化程度高的特點。2023/10/2127五、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)運作模式2023/10/21281．中央控制運作模式系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，只用中央控制運作模式，中心母鐘可正常接收GPS信號，并將此信號轉(zhuǎn)換成標準時間信號傳送給二級母鐘及其他需要接收時間信號的系統(tǒng)，從而使各終端用戶的時間與GPS的時間保持同步。當一級母鐘不能接收GPS信號時，一級母鐘將會通過自身的高穩(wěn)晶振提供時間信號，此時各終端用戶仍然接收來自一級母鐘的時間信號，一般一級母鐘自身晶振的精度可達到

10-6，所提供的時間仍能滿足運營要求。2．車站降級控制運作模式當一級母鐘因故不能向二級母鐘傳送時間信號時，系統(tǒng)進入車站降級控制運作模式，二級母鐘通過自身的高穩(wěn)晶振為分布于各站點的子鐘提供時間信號，但不向其他系統(tǒng)提供時間信號。當二級母鐘因故無法向子鐘提供時間信號時，子鐘自行運作繼續(xù)向乘客提供時間信息。2023/10/2129休息、休息2023/10/2130[項目實施]任務(wù)一 現(xiàn)場教學(xué)認識設(shè)備1．目標掌握城市軌道交通時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。了解時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式及相關(guān)設(shè)備。設(shè)備一級母鐘、二級母鐘、數(shù)字子鐘、指針子鐘及連接線纜電源等。實施步驟認識設(shè)備：認識GPS接收裝置、中心母鐘、二級母鐘、子鐘等設(shè)備外觀及設(shè)置位置。學(xué)習(xí)城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式，及各設(shè)備、接口的應(yīng)用。連接一級母鐘、二級母鐘、子鐘及電源，使系統(tǒng)能正常運20行23/1。0/2131任務(wù)二 時鐘調(diào)整1．目標1)熟練掌握時鐘系統(tǒng)故障時的有關(guān)作業(yè)規(guī)定。掌握二級母鐘指示燈各種告警的含義。根據(jù)要求設(shè)置二級母鐘及子鐘。設(shè)備數(shù)字式子鐘、指針式子鐘、城市軌道交通關(guān)于時鐘系統(tǒng)故障處理程序。實施步驟1)通過學(xué)習(xí)，熟練掌握城市軌道交通關(guān)于時鐘系統(tǒng)故障處理程序。20223)/1操0/2作1：掌握數(shù)字式和指針式子鐘的調(diào)整方法。32[拓展與提高]一、GPS時鐘原理

l.GPS系統(tǒng)的基本組成GPS是由美國國防部研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測距與授時、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，簡稱全球定位系統(tǒng)。GPS由三部分構(gòu)成：GPS衛(wèi)星(空間部分)、地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)、GPS接收機(用戶部分)。2．GPS系統(tǒng)的定時原理GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS用戶通過GPS接收機接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，即可獲取準確的空間位置信息、同步時鐘及標準時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時刻偏差，所以需要接收4顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接收1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時。2023/10/2133若設(shè)(x，y，z)為接收機的位置，(xn，yn，zn)為已知衛(wèi)星的位置，則列解下列方程就可以得到x，y，z和標準時間T：式中△T為用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時差；

Tn為衛(wèi)星n所發(fā)射信號的發(fā)射時間；tn為衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主鐘標準時間的時差；

c為光速。2023/10/2134由于GPS采用被動定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標準是精密定位和授時的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標準時間進行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標準時間之間保持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛(wèi)星上同一個基準頻率。GPS接收機對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進行處理，經(jīng)過一套嚴密的誤差校正系統(tǒng)處理，使輸出的信號在較長時間內(nèi)處于高穩(wěn)定性。2023/10/2135二、二級母鐘操作說明二級母鐘主要包括主母鐘、備母鐘、電源模塊及通信模塊等，如圖16-6及16-7所示。圖16．6二級母鐘外觀示意圖2023/10/2136圖16-7二級母鐘后面板接口示意圖2023/10/21371．指示燈顯示接通二級母鐘電源，打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，主母鐘開始工作，備母鐘工作指示燈閃爍。1)主備母鐘的信號板前面均有5個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為：①工作指示，紅色閃爍為正常；②與中心母鐘通信狀態(tài)指示，綠色閃爍為接收數(shù)據(jù)，紅色閃爍為發(fā)送數(shù)據(jù)；③主備之間通信狀態(tài)指示，閃爍為正常；④預(yù)留；⑤預(yù)留。電源板的前面有3個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為：①主母鐘電源指示，常亮黃色為正常；②備母鐘電源指示，常亮黃色為正常；③通信板電源指示，常亮黃色為正常。通信板的前面有8個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為：第幾個燈閃爍表示與第幾路子鐘通信狀態(tài)指示。綠色閃爍為接收數(shù)據(jù)，紅色閃爍為發(fā)送數(shù)據(jù)。2023/10/