基于工業以太網交換機的軌旁骨干網組網方案的研究

周振凱 劉曉磊

基于通信的列車運行控制 （CBTC），不依賴軌旁列車占用檢測設備，采用列車主動定位技術和連續車－地雙向數據通信技術，能夠執行安全功能的車載和地面處理器，從而構建的連續式列車自動控制系統。DCS為CBTC系統構建連續雙向的數據通信網絡，其中包括有線通信網絡和無線通信網絡。有線通信網絡為控制中心、車站、軌旁、車輛段／停車場、試車線、培訓中心和維修中心CBTC設備之間提供有線數據傳輸通道；無線通信網絡為列車與地面CBTC設備之間提供連續雙向的無線數據傳輸通道。

CBTC系統是對安全要求苛刻的控制系統，其應用場合以及工作環境，要求系統內的設備或子系統必須具備很高的安全性和可靠性。結合通信技術的發展和軌道交通實際應用環境的特點，DCS軌旁骨干網有2種組網技術：一是工業以太網交換機技術；二是基于同步數字體系 （SDH）的多業務傳送平臺 （MSTP）技術。國內已開通的地鐵線路多采用基于SDH的骨干網方案，而國外許多地鐵項目已采用工業以太網交換機組網方案，如瑞士洛桑地鐵，加拿大多倫多地鐵，法國里爾地鐵等。本文從有線網絡的結構、原理和能力角度出發，介紹基于工業以太網交換機的軌旁骨干網組網方案。

1 網絡結構

DCS有線網絡由以太網交換機和光電轉換器組成。利用骨干網交換機的MRP協議來實現光纖環網保護，確保信號應用間的通信有更高的可靠性。通常在每個集中站、車輛段／停車場、OCC各設置2臺骨干網交換機，全線各站的骨干網交換機通過骨干網光纖組成2個相互獨立的環狀網絡。骨干環網一：傳輸SIG網、ATS網和MSS信息；骨干環網二：傳輸SIG網、ATS網和NMS信息。試車線、控制中心培訓設備一般配置物理獨立的傳輸網絡，不與正線設備進行數據通信，因此與其他系統設備互不影響。

安全信息和非安全信息傳輸均采用冗余網絡且物理獨立。即SIG網傳輸安全信息，如聯鎖和ATC信息；ATS網傳輸非安全信息。承載在骨干網上的SIG、ATS應用可接入到沿線每個設備集中站，并通過以太網交換機組成的網絡與其他子系統設備相連接。DCS典型網絡結構如圖1所示。

在每個集中站都設置2臺光接口交換機和2臺電接口交換機。光接口交換機用于連接遠程的設備（如DCS無線接入點）；電接口交換機即骨干網交換機，不僅用于組成骨干網網絡，還用于連接本地與非集中站的設備。每個骨干網交換機都有2個光纖接口分別與兩端的骨干網交換機相連。SIG子網、ATS子網和MSS子網共用電接口交換機，數據流通過VLAN相互隔離。SIG網和ATS網信息傳輸相互獨立，通過各自的VLAN實現信息傳輸。在未安裝骨干網交換機的非設備集中站，通過光電轉換器將ATS設備連接至兩側的骨干網交換機。在OCC配置有3層交換機，信號系統網絡與其他系統設備網絡間的網絡通信，通過設置網關進行有效防護。

2 工作原理

2．1 傳輸原理

基于各種應用的不同帶寬需求，骨干網絡為各種應用劃分不同的VLAN，并分配足夠的通信帶寬，為各個以太網通信端口設置限流，保證不同應用的通信通道相互隔離、互不干擾。可選用的骨干網通信帶寬級別為2Gb／s，網絡配置時可留有一定備用帶寬以方便將來應用。在環網上配置了以下應用。

SIG網 （冗余）：2個網 （SIG1、SIG2），帶寬各300Mb／s，用于傳輸 ATP／ATO、聯鎖安全信息。

ATS網 （冗余）：2個網 （ATS1、ATS2），帶寬各400Mb／s，傳輸ATS信息。

MSS網 （非冗余）：帶寬100Mb／s，傳輸MSS信息。

NMS網 （非冗余）：帶寬100Mb／s，傳輸NMS信息。

這樣全部使用帶寬1600Mb／s，剩余帶寬400Mb／s。

2．2 自愈原理

2．2．1 設備冗余

DCS采用的工業級交換機主要有2種：①三層電交換機；②二層交換機配備不同的插槽，構成二層電交換機和二層光交換機。

圖1 DCS典型網絡結構圖

三層電交換機：配置有4個100／1000Base－FX SFP端口，16 個10／100／1000Base－T以太網端口。主要作為控制中心機房的主交換機使用，一般安裝在控制中心信號設備室內的骨干網機柜里。

二層電交換機：配置有4個100／1000Base－FX SFP端口，24個10／100／1000Base－T以太網端口。一般安裝在集中站信號設備室內的骨干網機柜里，用于組成環形骨干網，并與各個信號設備連接。該交換機又稱為骨干網交換機。

二層光交換機：配置有2個100／1000Base－FX SFP，2個10／100／1000Base－T以太網端口，24個100Mb／s SFP端口。一般安裝于集中站信號設備室內的骨干網機柜里，利用光纖跳線和光纜連接到軌旁TRE。

各設備集中站分別配置2個電交換機，全線電交換機分別組建1個2芯光纖環網。其中：SIG1、ATS1、MSS網共用一個電交換機；SIG2、ATS2、NMS網共用另一個電交換機。

在應用層面，信號設備傳輸的信息是重復的，冗余的。對冗余網絡，沒有熱備／冷備之說，2個網絡同時工作。環網上一處光纜中斷，光纜環保護將確保各節點之間通信不受影響。環網上任一交換機故障，不影響環網上連接到其他交換機上的設備之間的通信。2個交換機完全獨立，其中一個交換機環網上任何故障不會影響到另一交換機環網。

2．2．2 MRP協議

為了保證服務的高可用性，充分利用環網拓撲提供的冗余結構，網絡使用MRP重新配置協議。該協議保證無環回的拓撲，經實際測試能夠在50ms以內完成自身重新配置，并將數據流自動引導到另一個方向傳輸到達目的節點。

該協議是 “Hello”數據包的擴展應用。這些數據包由環網服務器設備的一個環接口 （環接口1）發送，在環網服務器設備的另一個環接口 （環接口2）接收（環上每臺交換機有2個環接口）。一旦收到 “Hello”數據包，環接口2將保持在監聽模式；也就是說環接口2接收但不能轉發任何數據包。MRP原理如圖2所示。

當環網上斷了1根光纖后，環接口2收不到“Hello”數據包，且連續3次收不到 “Hello”數據包，環服務器就認為環上有1個鏈路斷開：環接口2將改變發送模式，開始發送數據包。環網被重新配置，所有連接至環網上的設備都可以正常通信，降級情況如圖3所示。

圖2 MRP原理－正常情況

圖3 MRP原理－降級情況

如果環接口2再次收到 “Hello”數據包，那么環網服務器將強制環接口2恢復監聽模式。

3 能力分析

根據CBTC應用環境要求，軌旁骨干網應重點具備2種能力：不同應用業務獨立傳輸能力；傳輸介質 （光纖）故障保護能力。

3．1 獨立傳輸能力

工業以太網是從民間以太網技術發展而來，依舊執行CSMA／CD，即載波偵聽多路訪問／沖突檢測的方法。在此條件下，各種應用業務數據包都在一種無序狀態下傳送，安全、非安全不同等級數據包都采用同樣處理方法，只靠接收端去識別數據包是否應該接受，這對于CBTC系統存在不小的安全隱患。為此地鐵信號系統的設備廠商采用不同的通信協議和加密方式，對安全數據和非安全數據進行有效隔離，并采用雙獨立環網結構，大大提高了系統的可靠性。而SDH的MSTP技術是通過EPLAN技術，把不同的數據業務裝進不同虛容器（VC）中，實現物理層隔離，各種業務數據獨立傳輸，相互無影響。

3．2 故障保護能力

工業以太網和MSTP技術都可以實現環形組網，且在傳輸介質 （光纖）故障時，網絡恢復時間小于50ms。工業以太網的組網方案采用雙環組網結構，每個環網相互獨立，互為冗余，故能抵御傳輸介質的單處故障，甚至多處故障；而MSTP技術可以提供多種組網方式，例如環形、相交環、相切環、線性、Mesh等網絡結構，同時提供2纖／4纖復用段保護技術，其中4纖復用段保護技術能夠在傳輸介質多處故障情況下，保證網絡有效運行。

MSTP技術遵循國際標準，MSTP設備廣泛應用在電信網絡中，產品成熟度和可靠性極高；工業以太網技術采用的均是工業級設備，滿足工業級EMC測試標準，其抗震、防沖擊、抗電磁干擾能力較強，設備的可靠性較高，更能適應地鐵運行中的各種惡劣的運行環境。同時，受項目工期和市政規劃等因素影響，國內地鐵線路具有分段式開通，后期規劃延伸線等特點，采用工業以太網技術交換機進行有線傳輸通信，網絡更易于擴展和管理，工程實施更易操作，只需將延伸線交換機接入既有線路的工業以太環網即可。

4 總結

綜上，基于工業以太網交換機組網具備傳輸延遲小、傳輸寬帶大、便于管理等特性，具有抗毀／自恢復能力，能適應工業控制環境。目前國內地鐵線路也要求數據通信系統采用工業級網絡設備，如在建的成都4號線，深圳11號線等項目均采用工業以太網交換機組網方案。隨著工程實際應用的不斷增加，基于工業以太網交換機組網方案在技術上一定會更加成熟和可靠，運營維護和投資經濟的優越性將逐步體現，必然會得到更加廣泛的應用。

［1］ 付嵩，孟凡江，王忠峰．城市軌道交通CBTC系統中數據通信子系統研究［J］．現代城市軌道交通，2012（3）．

［2］ 林海香，董昱．無線CBTC系統車地通信方案研究［J］．蘭州交通大學學報，2010（12）．

［3］ 孫路．無錫地鐵2號線CBTC數據通訊子系統簡析［J］．現代城市軌道交通，2013（3）．