一种基于北斗的列车统一授时系统和方法

技术领域

本发明主要涉及到轨道交通技术领域，特指一种基于北斗的列车统一授时系统和方法。

背景技术

随着轨道交通科技的日益发展，列车用于控制和状态监测的车载设备日益增多。但众多车载设备目前的授时手段相对落后，缺乏安全、可信、统一的时间基准。

由于不同车载设备之间的实时时间不同步，将会导致各设备进行数据交互时的时间戳不在统一的时间基线上，可能引起列车精准度不足甚至控制错误；并且，各设备记录在本地的运行数据文件用于事后联动分析时，也会因为时间轴不一致，无法综合发现不同设备运行数据之间的关联性，造成列车潜在的安全隐患无法被及时准确发现，从而有可能引发安全事故。

现有技术技术中，在对列车车载设备授时主要采用以下几种方式：

1)利用手持设备人工校时；

如列车运行监控装置(LKJ)，作为铁路行车安全控制设备，一旦发生时间错误，可能导致设备无法正常工作，严重时影响列车揭示控制，带来严重的安全隐患。目前铁路行业内一般采用IC卡或手持终端在地面卫星母钟设备进行校时后，再由人工上车对LKJ进行人工校时和复核，并依靠本地时钟芯片进行守时。

该方案的优点是，由人工对进行严格复核，避免了自动校时可能存在的时间偶发错误问题。缺点是人工作业效率低且，需定期操作用于消除本地时钟的时间累积误差，否则将导致LKJ时间错误产生安全事故。

2)利用GNSS卫星时间自动校时；

如中国机车远程监测与诊断系统(CMD)、机车综合无线通信设备(CIR)、机车信号装置等车载设备，直接从GNSS卫星接收导航电文，进行时间解算后，采用GNSS时间对本地时间进行校准。

这种方法的优点是时间精准。缺点是在列车高速运营场景中，电磁环境较为复杂，存在导航电文接收误码或PNT算法BUG导致时间偶发错误，与真实时间存在极大偏差，这样的时间一旦提供给控制设备使用，轻则设备工作异常，重则引发安全事故。该方案不能作为可信的时钟基准。

3)周期从列控系统获取时间；

如TAX(机车安全信息综合监测装置)、LMD(LKJ设备运行监测管理系统)等设备，通过周期性从LKJ列控系统获取时间，校正本地时钟芯片的时间，作为自身的时间基准。

这种方案的优点是LKJ列控系统是列车控制中枢，时间的正确性有保障，选择LKJ列控系统的时间作为时间基准是较为合理的选择。缺点是继承了LKJ的时钟累积误差，并且未对固定通信周期的时间和总线通信延时进行消除，存在固定时间偏差。

4)周期从TAX装置获取时间；

如语音录音记录装置、机车车载安全防护系统(6A)、弓网检测装置、轨道检测装置等设备，与LKJ列控系统没有直接的通信接口，通过与TAX(机车安全信息综合监测装置)通信，间接获取LKJ时间，用于校正本地时间。其中，LKJ为一级时钟源，TAX作为二级时钟源。

该方案的优点是保持了与LKJ列控系统在时间上的统一维度，并且利用了既有通信总线传输通道，无需对各车载设备的硬件和软件进行改动，易于实现。缺点是既有TAX对外播发LKJ时间采用广播式RS485总线，缺乏有效的接入鉴权机制和管控手段，外部设备无序接入，任接入一节点通信接口不规范或故障，都可能影响TAX总线数据传输的安全性和可靠性，并且可能引起时间信息在传输过程中的错误。

综上所述，目前列车车载设备授时系统和方法尚缺乏可信的时钟基准、便捷可靠的时钟信息传输通道，以及设备间的时钟同步机制，不足以支撑列车控制及列车健康监测数据联动分析等需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、易实现、授时精度高的基于北斗的列车统一授时系统和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于北斗的列车统一授时系统，其包括：授时单元、通信单元及信息接口单元；所述通信单元和信息接口单元复用基于机车安全信息综合监测装置，并通过RS485总线通信；所述授时单元用于生成可信的时钟基准；所述通信单元用于提供可靠的时钟信息传输通道；所述信息接口单元用于实现与列车车载设备之间的数据交互；所述信息接口单元与列车车载设备之间的接口和通信协议与基于机车安全信息综合监测装置相兼容。

作为本发明系统的进一步改进：所述授时单元采用多源时钟复核的机制，用来保障时间的精准性和可用性。

作为本发明系统的进一步改进：所述授时单元包括北斗授时模块、移动通信模块和主处理模块；所述北斗授时模块用来接收和处理卫星信号及导航电文，实时解算出北斗时间，发送给主处理模块；所述主处理模块用来对北斗时间信息中的可用卫星数、定位有效标识进行判断；所述移动通信模块用来拨号联网，为所述主处理模块建立远程数据传输通道，实现与网络时钟服务器之间的数据交互。

作为本发明系统的进一步改进：所述主处理模块在处理过程中，若可用北斗卫星数大于设定阈值、定位质量为有效，则判断该北斗时间可用。

作为本发明系统的进一步改进：所述主处理模块预先配置多个网络时钟服务器地址，通过移动网络向所有服务器发送NTP时间请求，在设定的阈值时间内收到任意一个服务器的时间回应，双方按NTP协议进行交互；所述主处理模块获取NTP时间，消除授时单元的本地钟差和通信延迟误差；若在规定时间内，所有服务器均无回应，则认为NTP时间获取失败。

作为本发明系统的进一步改进：所述主处理模块在获取到北斗时间和NTP时间信息后，进行时间比对逻辑判断，若两者的时间偏差在阈值范围内，则判断时钟源可信，采用北斗时间校正授时单元的本地时间，作为可信时钟对外输出，否则输出无效时间。

作为本发明系统的进一步改进：所述主处理模块以北斗卫星时间为基础，采用多源时钟复核、滤除信号干扰措施，生成可信时钟源。

作为本发明系统的进一步改进：所述通信单元上电完成自检后，实时从授时单元接收信息；当判断授时单元输出的时钟信息为有效后，则采用NTP协议从通信单元获取时间，对本地时钟进行校正，消除通信过程中的延时和本地钟差，并置时间有效标识。

作为本发明系统的进一步改进：所述通信单元采取接入鉴权、数据加密措施；由所述信息接口单元向通信单元发送接入鉴权请求，通信单元从设备信息数据库中查询信息接口单元是否为合法设备，若为合法则通过认证，由通信单元实时向信息接口单元播发加密后的机车安全信息；若认证失败，由通信单元告知认证结果，断开连接。

作为本发明系统的进一步改进：所述通信单元采取主备冗余设计，上电后默认A机为主机，B机为备机，两者分别从授时单元获取时间并对校正本地时钟。

作为本发明系统的进一步改进：由主机A机负责与信息接口单元进行数据交互，备机B机仅负责对信息进行侦听；A机、B机定时向对方发送主备状态信息，当备机B机收到主机故障信息或通信超时，则自动升级为主机，负责对外播发机车安全信息，当A机恢复正常，则工作在备机状态。

作为本发明系统的进一步改进：所述信息接口单元从通信单元接收到有效信息后，透传给外部的车载设备，车载设备连续侦测一定数量的数据，若判断时间标识为有效，且数据包中包含的时间信息连续向前流动，则视为有效，则对本地时间进行校正。

本发明进一步提供一种基于北斗的列车统一授时方法，其流程包括：

预先配置多个网络时钟服务器地址，通过移动网络向所有服务器发送NTP时间请求，在规定时间内收到任意一个服务器的时间回应，双方按NTP协议进行交互；

获取NTP时间，消除授时单元的本地钟差和通信延迟误差；若在规定时间内，所有服务器均无回应，则认为NTP时间获取失败；

在获取到北斗时间和NTP时间信息后，进行时间比对逻辑判断，若两者的时间偏差在阈值范围内，则判断时钟源可信，采用北斗时间校正授时单元的本地时间，作为可信时钟对外输出，否则输出无效时间。

实时从授时单元接收信息；当判断授时单元输出的时钟信息为有效后，则采用NTP协议从通信单元获取时间，对本地时钟进行校正，消除通信过程中的延时和本地钟差，并置时间有效标识。

作为本发明方法的进一步改进：在通信过程中采取接入鉴权、数据加密措施；由所述信息接口单元向通信单元发送接入鉴权请求，通信单元从设备信息数据库中查询信息接口单元是否为合法设备，若为合法则通过认证，由通信单元实时向信息接口单元播发加密后的机车安全信息；若认证失败，由通信单元告知认证结果，断开连接。

作为本发明方法的进一步改进：通信单元采取主备冗余设计，上电后默认A机为主机，B机为备机，两者分别从授时单元获取时间并对校正本地时钟；由主机负责与信息接口单元进行数据交互，B机仅负责对信息进行侦听；A机、B机定时向对方发送主备状态信息，当备机收到主机故障信息或通信超时，则自动升级为主机，负责对外播发机车安全信息，当A机恢复正常，则工作在备机状态。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的基于北斗的列车统一授时系统和方法，结构简单、成本低、易实现、授时精度高，能够为列车众多车载设备提供统一时间基准，为列车精准控制、列车健康状态联动分析提供必要的前提条件。

2、本发明的基于北斗的列车统一授时系统和方法，时钟源精准可靠：本发明基于高精度的北斗时间作为授时基准，同时为了避免引入北斗信号遭遇电磁干扰或北斗模块PNT算法BUG时输出的错误时间数据，采用NTP时间进行自动复核，保障时钟源精准可靠，消除因时间错误引起的安全隐患。

3、本发明的基于北斗的列车统一授时系统和方法，易于实现、成本低、可扩展性强：本发明基于现有的机车安全信息综合监测装置(TAX)作为时间信息的传输平台，无需单独增加一套授时系统设备，本发明在硬件上不改变车载设备的连接关系，在软件上无需改变通信协议，仅对内部总线架构进行升级设计，并且TAX与各车载设备既有的通信协议中已包括时间信息，不会对各车载设备的软件产生变更影响，因此方案的可实施性较高，成本低；同时，TAX平台可通过增加信息接口单元的插件配置数量和接口数量，具有较强的扩展性，满足后续应用需求。

4、本发明的基于北斗的列车统一授时系统和方法，授时信息传输通道安全可靠：本发明采取了通信单元主备冗余机制，单一通信故障或通道故障，不影响时间信息的可靠传输；系统具备外部设备接入鉴权功能，阻断非授权设备接入，具备数据加密功能，避免时间信息在传输过程中被恶意篡改。

5、本发明的基于北斗的列车统一授时系统和方法，提出了点对点网关式RS485总线，取代现有广播式RS485总线，解决了多节点通信时，RS485总线易受到各节点的通信终端干扰，导致通讯死锁、丢帧或错帧等问题。

附图说明

图1是本发明系统的拓扑结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中授时单元的拓扑结构原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中授时单元的工作流程示意图。

图4是本发明在具体应用实例中通信单元与信息接口单元的工作流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明的基于北斗的列车统一授时系统，是基于机车安全信息综合监测装置(TAX)设计，包括：授时单元、通信单元及信息接口单元；所述通信单元和信息接口单元复用既有的TAX，两者通过RS485总线通信；所述授时单元，用于生成可信的时钟基准；所述通信单元用于提供可靠的时钟信息传输通道；所述信息接口单元用于实现本发明的系统与列车车载设备之间的数据交互；所述信息接口单元与列车车载设备之间的接口和通信协议与既有TAX相兼容。

在具体应用实例中，所述授时单元采用多源时钟复核的机制，用以保障时间的精准性和可用性。

在具体应用实例中，所述授时单元包括北斗授时模块、移动通信模块和主处理模块；所述北斗授时模块用来接收和处理卫星信号及导航电文，实时解算出北斗时间，发送给主处理模块；所述主处理模块用来对北斗时间信息中的可用卫星数、定位有效标识进行判断；所述移动通信模块用来拨号联网，为所述主处理模块建立远程数据传输通道，实现与网络时钟服务器之间的数据交互。

在具体应用实例中，所述主处理模块在处理过程中，若可用北斗卫星数大于8颗(可配置)、定位质量为有效，则判断该北斗时间可用，避免采信不良的卫星信号用于列车授时。

参见图3，在具体应用实例中，所述主处理模块预先配置多个网络时钟服务器地址，通过移动网络向所有服务器发送NTP时间请求，在规定时间内(默认为2s)收到任意一个服务器的时间回应，双方按NTP协议进行交互；所述主处理模块获取NTP时间，消除授时单元的本地钟差和通信延迟误差。若在规定时间内，所有服务器均无回应，则认为NTP时间获取失败。例如，以3min(默认)为周期，继续下一轮NTP时间获取操作，直至获取NTP时间成功。

在具体应用实例中，所述主处理模块在获取到北斗时间和NTP时间信息后，进行时间比对逻辑判断，若两者的时间偏差在阈值范围内(默认1s)，则判断时钟源可信，采用北斗时间校正授时单元的本地时间，作为可信时钟对外输出，否则输出无效时间。

在具体应用实例中，所述主处理模块以北斗卫星时间为基础，采用多源时钟复核、滤除信号干扰等措施，生成可信时钟源。

在具体应用实例中，所述通信单元上电完成自检后，实时从授时单元接收信息；当判断授时单元输出的时钟信息为有效后，则采用NTP协议从通信单元获取时间，对本地时钟进行校正，消除通信过程中的延时和本地钟差，并置时间有效标识。

参见图4，在具体应用实例中，所述通信单元具备多路RS485总线接口，为提高通信单元与信息接口单元之间通信可靠性，双方采取接入鉴权、数据加密措施。由所述信息接口单元向通信单元发送接入鉴权请求，通信单元从设备信息数据库中查询信息接口单元是否为合法设备，若为合法则通过认证，由通信单元实时向信息接口单元播发加密后的机车安全信息，信息中包括时间信息及有效标识。若认证失败，由通信单元告知认证结果，断开连接。

在具体应用实例中，所述通信单元采取主备冗余设计，上电后默认A机为主机，B机为备机，两者分别通过RS485总线从授时单元获取时间并对校正本地时钟。由主机负责与信息接口单元进行数据交互，B机仅负责对信息进行侦听。A、B机定时向对方发送主备状态信息，当备机收到主机故障信息或通信超时，则自动升级为主机，负责对外播发机车安全信息(包含时间信息和有效标识)，当A机恢复正常，则工作在备机状态。

在具体应用实例中，所述信息接口单元从通信单元接收到有效信息后，透传给外部的车载设备，车载设备连续侦测一定数量的数据(如5包)，若判断时间标识为有效，且数据包中包含的时间信息连续向前流动，则视为有效，则对本地时间进行校正。

由上可知，本发明利用机车安全信息综合监测装置(TAX)这一公共信息平台，实现了列车实时时钟信息的对外播发，为各车载设备提供统一时钟基准。而且，本发明提出了一种点对点的网关式RS485总线架构，取代现有TAX的多节点RS485通信方式，兼容既有TAX的RS485硬件接口和软件协议，同时还提出了时钟信息传输时的通信单元主备冗余切换和信息接口单元接入鉴权的方法，保障时钟信息的可靠传输。进一步，本发明利用了可信时钟源的生成方法，基于北斗授时和NTP时间的复核校验，保障了时间基准的精准性和可用性。

可以理解，在本发明的上述方案中，时钟源生成方案进一步采用北斗时间、GPS时间、NTP时间进行多复核设计，可进一步提高时钟源的可信度。还可解决NTP时间不可用时，采取北斗时间和GPS时间比对措施，提高系统可用性。这应当在本发明的保护范围之内。

本发明进一步提供一种基于北斗的列车统一授时方法，以基于上述本发明的系统来实施为例，其流程包括：

预先配置多个网络时钟服务器地址，通过移动网络向所有服务器发送NTP时间请求，在规定时间内(默认为2s)收到任意一个服务器的时间回应，双方按NTP协议进行交互；

获取NTP时间，消除授时单元的本地钟差和通信延迟误差；若在规定时间内，所有服务器均无回应，则认为NTP时间获取失败；例如，以3min(默认)为周期，继续下一轮NTP时间获取操作，直至获取NTP时间成功；

在获取到北斗时间和NTP时间信息后，进行时间比对逻辑判断，若两者的时间偏差在阈值范围内(默认1s)，则判断时钟源可信，采用北斗时间校正授时单元的本地时间，作为可信时钟对外输出，否则输出无效时间。

实时从授时单元接收信息；当判断授时单元输出的时钟信息为有效后，则采用NTP协议从通信单元获取时间，对本地时钟进行校正，消除通信过程中的延时和本地钟差，并置时间有效标识。

在具体应用实例中，在通信过程中采取接入鉴权、数据加密措施；由所述信息接口单元向通信单元发送接入鉴权请求，通信单元从设备信息数据库中查询信息接口单元是否为合法设备，若为合法则通过认证，由通信单元实时向信息接口单元播发加密后的机车安全信息，信息中包括时间信息及有效标识。若认证失败，由通信单元告知认证结果，断开连接。

在具体应用实例中，通信单元采取主备冗余设计，上电后默认A机为主机，B机为备机，两者分别通过RS485总线从授时单元获取时间并对校正本地时钟。由主机负责与信息接口单元进行数据交互，B机仅负责对信息进行侦听。A、B机定时向对方发送主备状态信息，当备机收到主机故障信息或通信超时，则自动升级为主机，负责对外播发机车安全信息(包含时间信息和有效标识)，当A机恢复正常，则工作在备机状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。