城市軌道交通綜合監控組網方案

李金龍

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100045)

軌道交通綜合監控系統是一個模塊化、可擴展的分布式計算機控制系統，其強大的功能為軌道交通運營管理提供了信息共享平臺，提高了軌道交通自動化水平、運營安全性與調度高效率性，減少了系統設備的重復投資和后期維護成本。

1 綜合監控系統骨干傳輸網

綜合監控系統骨干傳輸網是連接各級監控系統的骨干傳輸通道，將中央級、車站級和車輛段的監控系統連接成為一個整體，可保障系統間的相互通信。綜合監控系統骨干傳輸網一般由光傳輸主干系統和純以太網主干系統兩種類型組網構成。

1.1 光傳輸主干系統

采用光傳輸主干系統需要利用光傳輸設備作為骨干傳輸通道，在各車站、車輛段、停車場、控制中心等處設置一臺或兩臺光傳輸設備，為其他專業提供連接端口。在光傳輸主干系統中，綜合監控系統內的工業以太網交換機通常只作為接入層設備來使用。

1)優點:不需要單獨敷設光纖，可節省光纖資源;針對不同類型的業務(如視頻、音頻等)，應對能力更強。

2)缺點:網絡數據的骨干傳輸依賴光傳輸網，光傳輸網帶寬品種少，提供業務速度慢，帶寬利用率低;需要維護兩種不同類型的網絡設備，增加了后期維護的工作量，出現故障不方便診斷。

1.2 以太網單獨組網主干系統

在以太網單獨組網中，各站點綜合監控網絡交換機之間不經過第三方光傳輸平臺，采用獨立的光纖線路作為骨干傳輸通道，利用綜合監控網絡交換機自身的協議組建雙光纖環網。整個網絡系統由工業以太網交換機獨立構成。

1)優點:區間光纜可以單獨或由傳輸專業統一鋪設，帶寬及傳輸速率相對有保障;系統設備及結構相對單一，易于管理及維護。

2)缺點:工業交換機與其他廠商產品的兼容性較差(主要采用各廠商的私有協議組環)，通常要求單一品牌構成環形網絡。但是，隨著IEC 62439 MRP環網標準的推出，已經有越來越多的國際廠商支持該通用標準協議。

2 綜合監控3種組網方式對比

2.1 單環網組網方式

為了更清晰地說明問題，采用純以太網交換機組成主干網絡，以綜合監控服務器、工作站及前置機連接為例，說明整個綜合監控系統由單獨的一個環網組成。如圖1所示，以1個中心、5個車站為例組成綜合監控系統骨干網，利用RSTP(rapid spanning tree protocol，快速生成樹協議)或者廠家私有的環網協議(如赫斯曼的hiper-ring協議)，防止骨干網成環。圖1中的虛線表示邏輯上的斷路，在正常情況下，數據是沿紅色箭頭方向傳輸的。

此種網絡結構可以防止環內的單點故障，當環網中某處出現斷路時，骨干網會在短時間內進行收斂，收斂的時間根據采用的環網協議以及網絡中節點數目而定。例如，采用赫斯曼的hiper-ring協議，骨干網中有100臺交換機的情況，骨干網在帶寬百兆和千兆情況下的收斂

圖1 綜合監控單環網組網

時間為200和50ms，此時數據傳輸方向如圖2所示。

圖2 單點故障時的數據傳輸方向

此外，由于使用環網結構，在網絡需要擴容(如增加站點)時，在確認環網正常工作的情況下，可以隨意斷開環網中任意一點添加的網絡設備。由于環網結構冗余，在斷開某一點后，整個網絡仍處于有效的總線性傳輸。添加設備的擴容過程不會對網絡正常工作有任何影響。

如上分析，單環網組網采用的設備少，前期投資低，可以靈活地對網絡進行擴容，能夠承受網絡中的單點故障。但是，單環網的冗余能力低，對多點故障和其他單點故障(如車站交換機損壞等)的自愈能力差。

2.2 獨立雙環網組網方式

為了進一步提高系統可用性，增強系統的自愈能力，在網絡結構上建議采取雙環型冗余網絡結構。

圖3是利用赫斯曼交換機組成的雙環形結構綜合監控千兆以太網，各車站共享千兆帶寬，車站的綜合監控設備通過雙網卡分別連接到本站的A、B網交換機上。在正常情況下，A、B環網都利用環網協議防止成環，綜合監控數據在A網中傳輸，B網備用，圖3中的虛線位置只是在物理上連接，邏輯上斷開，網絡中發生如單環網中的單點故障時和本文2.1節的處理方式相同。

圖3 綜合監控獨立雙環網組網

當網絡中出現其他的單點故障時，如服務器的A網卡故障、網線脫落、車站A的交換機故障等，綜合監控設備能自動探測網絡中斷，然后利用B網進行數據通信，圖4是車站A交換機故障時的數據流向。

圖4 綜合監控A網交換機故障時數據流向

當網絡中出現多點故障時，利用環網協議本身的收斂特性和綜合監控系統的功能，也能達到自愈的功能，并不影響數據傳輸。例如，環網中有斷點，在車站A網交換機故障同時發生時，系統也能正常收斂。圖5是服務器A網線脫落、B網中有斷點時數據的傳輸方向。

圖5 綜合監控獨立雙環網交換機多點故障時的數據流向

如上分析，獨立雙環網結構增加了車站設備的網卡和交換機數量，具有單環網所有的優點，可以靈活地對網絡進行擴容，不僅能夠承受網絡中的單點故障，同時對多點故障也能順利地收斂，保證數據順利傳輸，冗余性能好，但是前期投資相應加大。

2.3 級聯雙環網組網方式

級聯雙環網的結構與獨立雙環網的結構相似，只是在車站和中心A、B網交換機之間進行級聯。根據綜合監控系統軟件對網絡的要求，為了提高網絡的冗余性能，相對應的級聯雙環網結構也會有所差別。

2.3.1 綜合監控二層組網

在二層應用中，各級綜合監控系統設備均在同一網段內，工業以太網交換機采用純二層設備。在中心和車站進行A、B網級聯，這樣既保證了雙網聯通同時又考慮了冗余，同時利用RSTP技術，防止出現環網。組網結構如6所示(以赫斯曼工業交換機為例)，實線部分是主干鏈路，虛線部分是備用鏈路，正常情況下數據通道如箭頭所示。

圖6 綜合監控二層組網級聯雙環網

這種組網方案存在諸如終端設備IP地址規劃簡單、交換機配置簡單的特點，同時由于是二層鏈路，終端設備之間的通信延遲時間短、鏈路恢復時間快。但是，由于全線車站均在一個大的網段內，這種做法也存在不能隔離廣播風暴的缺陷。當其中一個車站由于故障產生大量廣播報時，這些報文會很快地擴散到其他車站，進而影響骨干網通信性能和其他站終端設備的工作能力，嚴重的時候還可能造成死機的現象發生。同時，二層鏈路還要避免環路，這也無形中增大了后期維護的工作量。

下面以1號站為例，闡述當發生網絡故障時該組網方案是如何保證終端通信的。

2.3.1.1 車站內部鏈路出現故障

如7所示，當通過探測機制(如Ping車站交換機)車站工作站發現連接交換機的鏈路出現故障時，整個網絡系統并不進行切換，只有故障終端自動將通信地址由A網卡飄移到B網卡，利用B網和中央交換機之間的級聯線與中央設備通信，數據通道如箭頭所示。如果車站交換機或者中央終端設備出現故障，其通信切換方式與此相同。

圖7 車站內部鏈路故障

2.3.1.2 車站交換機上聯鏈路出現故障

如圖8所示，當車站交換機上聯鏈路出現故障時，整個網絡系統并不進行切換。若終端設備采用的探測機制不能診斷到該故障，如終端Ping車站交換機，車站終端設備不會進行通信地址飄移，這時終端設備將出現通信故障。若終端設備采用的探測機制可以診斷到該故障，如Ping中央服務器，此時車站終端將進行切換，通信地址飄移到B網卡，利用B網和中央級級聯線進行通信，數據通道如箭頭所示。在中央交換機上聯鏈路出現故障時，其切換方式與此相同。

圖8 車站交換機上聯鏈路故障

2.3.1.3 中央交換機出現故障

如圖9所示，當中央交換機出現故障時，整個網絡系統并不進行切換。RSTP協議自動啟用車站級A、B網備用鏈路，同時中央級終端設備通信地址飄移到B網卡，利用B網和車站級級聯線進行通信，數據通道如箭頭所示。若只是中央級A、B網級聯線出現故障，RSTP協議自動啟用車站級A、B網備用鏈路，中央級終端設備并不進行地址飄移。

圖9 中央交換機故障

2.3.2 綜合監控三層組網

二層組網方案存在不能隔離廣播域的缺點，在如今軌道交通沿線車站越來越多的情況下，這一缺點將會越來越突出。徹底解決這一問題的途徑就是采用三層組網，將廣播域限制在每一個車站的每一個專業中，不至于影響到其他設備。三層組網方案如圖10所示。

圖10 綜合監控三層組網方案

在三層組網方案中，交換機應具備路由或三層交換功能，不同車站、不同專業之間的設備劃分在不同的網段，利用三層路由進行通信。與二層組網方案相比，所有車站和中央的A、B網交換機都存在級聯線，并處于激活狀態，三層交換機要開啟RIP(routing information protocol，路由信息協議)或OSPF(open shortest path first開放式最短路徑優先)路由協議。同時，為了系統的可靠性，還需要在每個車站的兩臺三層交換機上配置VRRP(virtual router redundancy protocol，虛擬路由器冗余協議)路由冗余協議。

三層組網方案具有隔離廣播域、系統可靠性更強等特點，但相比二層組網方案，其交換機性能要求更嚴格，配置更復雜，且網絡是在三層進行通信的，所以故障恢復時間比二層網絡稍長。

下面以1號站為例，闡述當發生網絡故障時，該組網方案是如何保證終端通信的。

2.3.2.1 車站內部鏈路出現故障

如圖11所示，當車站終端設備鏈路出現故障時，整個網絡系統不進行切換，只有故障設備通信地址漂移到B網卡。同時，由于A、B網交換機啟用了VRRP路由冗余協議，數據依舊通過車站內部級聯鏈路利用A網進行通信(數據通道如箭頭所示)。

圖11 車站內部鏈路故障

2.3.2.2 車站交換機出現故障

如圖12所示，當車站交換機出現故障時，整個網絡系統不進行切換。只有終端設備通信地址漂移到B網卡，才能利用B網進行通信，這需要交換機的動態路由協議來實現(數據通道如箭頭所示)。當中央交換機出現故障時，其切換方式與此相同。

2.3.2.3 車站交換機上聯鏈路出現故障

圖12 車站內部交換機故障圖

如圖13所示，當車站交換機上聯鏈路出現故障時，無論采用何種探測機制，車站交換機都采用B網進行通信，但設備通信地址不進行漂移，所有切換均需要交換機的動態路由協議來實現(數據通道如箭頭所示)。當中央交換機上聯鏈路出現故障時，其切換方式與此相同。

圖13 車站交換機上聯鏈路故障

相比二層組網的該類型故障，三層組網的可靠性更強，不會因為探測機制的不同造成終端設備的通信故障。

2.3.2.4 車站交換機之間級聯線出現故障

如圖14所示，當車站A、B網交換機之間的級聯線出現故障時，終端設備通信地址不進行漂移，依舊按照最初的通道進行通信，只是由于啟用了VRRP路由冗余協議，原來“一主一備”的交換機變成都是“主”，數據通道如箭頭所示。中央交換機級聯線出現故障與此相同。

圖14 車站交換機級聯線故障

3 軟件平臺對網絡系統的要求

3.1 南瑞RT21-ISCS

3.1.1 網卡及切換機制

RT21-ISCS軟件平臺下終端設備使用雙網卡、雙IP地址的浮動方式，但其設備對外只有一個IP地址，其工作原理與雙網卡、單IP的浮動方式類似。A、B網卡具有不同的IP地址，在正常狀態下，B網卡不作為通信使用，只因做鏈路檢測和備用網卡。當設備A網卡發生故障時，所使用的IP地址自動漂移至B網卡，由B網卡使用該IP地址，繼續實現設備的通信功能。

在RT21-ISCS軟件平臺下，終端設備使用Ping交換機的方式，作為A網卡至B網卡是否切換的判決機制。如果A網卡出現連續3個Ping交換機數據包無響應時，設備自動切換至B網卡進行通信。

3.1.2 軟件對網絡系統的要求

RT21-ISCS軟件平臺對網絡交換機有如下要求:須支持IGMP Snooping(Internet group management protocol snooping，互聯網組播管理協議窺探)，以及組播靜態綁定功能;通常采用純粹二層的網絡組網方式，同時要求A、B網之間必須實現互聯;對Ping指令的響應能力必須突出。

針對以上的要求，網絡交換機必須在組播、二層收斂等方面做全面的配置。同時，針對Ping指令響應的問題，也需要在通信程序的編寫和通信點表的統計上更加嚴謹，最大限度地減少網絡中的廣播包數量。

下一代RT21-ISCS軟件平臺將能夠支持純三層的組網方案，同時Ping機制也做了修改，可以確保探測機制不影響交換機的性能。

3.2 泰雷茲SCADAsoft

3.2.1 網卡及切換機制

在SCADAsoft軟件平臺下，終端設備使用雙網卡、單IP地址的浮動方式。在正常狀態下，B網卡不作為通信使用，只用做鏈路檢測和備用網卡。當設備A網卡發生故障時，所使用的IP地址自動漂移至B網卡，由B網卡使用該IP地址繼續實現設備的通信功能。

在SCADAsoft軟件平臺下，A網卡至B網卡的切換由該網卡至交換機連接的鏈路狀態決定。終端設備會檢查A網卡鏈路的連接狀態，當該鏈路中斷后，設備自動切換至B網卡。

3.2.2 軟件對網絡系統的要求

SCADAsoft軟件平臺對網絡交換機沒有特殊要求，不限定二層或三層的網絡組網方式，但要求A、B網之間必須實現互聯，以保證某臺設備從A網卡切換至B網卡后仍然能實現與其他正常設備間的通信。

3.3 英維思SCADAsoft

3.3.1 網卡及切換機制

在SCADAsoft軟件平臺下，終端設備使用雙網卡、雙IP地址的工作方式。

3.3.2 軟件對網絡系統的要求

SCADAsoft軟件平臺對交換機設備沒有特殊要求，不限定二層或三層的網絡組網方式，不要求A、B網之間相互獨立或互聯，即可以實現冗余數據通信。

4 結語

系統網絡是綜合監控系統的動脈，是綜合監控系統正常運行的有力保障。為了更好地解決綜合監控系統網絡中各節點出現的故障，筆者給出了幾種綜合監控系統網絡方案及各種故障的解決方案。同時，對于綜合監控系統網絡與系統軟件平臺的結合，筆者認為選定好系統軟件平臺后，要結合其網絡特點，揚其長處，避其短處。只有這樣，才能保障綜合監控系統在運營時能順利地開通使用，使其在運營時真正發揮作用。

［1］李中.地鐵綜合監控系統應用技術研究［J］.城市軌道交通研究，2008(10):44-47.

［2］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:50-55.

［3］北京建設管理有限公司.北京軌道交通昌平線綜合監控系統工程招標文件［G］.北京，2008.

［4］北京建設管理有限公司.北京軌道交通9號線綜合監控系統工程招標文件［G］.北京，2008.

［5］北京建設管理有限公司.北京軌道交通10號線二期綜合監控系統工程招標文件［G］.北京，2009.

［6］北京建設管理有限公司.北京軌道交通5號線綜合監控系統工程招標文件［G］.北京，2005.

［7］北京城建設計研究總院有限責任公司.北京軌道交通昌平線工程可研報告［R］.北京，2007.

［8］北京城建設計研究總院有限責任公司.北京軌道交通10號線二期工程可研報告［R］.北京，2006.