關(guān)于冗余光纖環(huán)網(wǎng)在成都地鐵AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋林

摘要：文章結(jié)合成都地鐵AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實際，闡述了冗余光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)在成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用及自動售檢票系統(tǒng)中以太網(wǎng)的分類，分析了冗余光纖環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點及工作原理，列舉了部分常見網(wǎng)絡(luò)故障的分析處理，探討了光纖冗余環(huán)網(wǎng)在自動售檢票系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)工作。

關(guān)鍵詞：光纖冗余環(huán)網(wǎng)；主干網(wǎng)絡(luò)；自動售檢票系統(tǒng)；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信；星、環(huán)型復(fù)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)（簡稱AFC系統(tǒng)）是一套包括自動控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)金自動識別、微電子計算、機(jī)電一體化、嵌入式系統(tǒng)和大型數(shù)據(jù)庫管理等高新技術(shù)運(yùn)用，實現(xiàn)軌道交通售票、檢票、計費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計、清風(fēng)、管理等過程的自動化系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)根據(jù)各層設(shè)備和子系統(tǒng)的功能、管理職能和所處位置，自上而下可分為五層架構(gòu)，分別為清分系統(tǒng)（ACC）、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)（LC）、車站計算機(jī)系統(tǒng)（SC）、終端設(shè)備（SLE）、車票。其中，車站計算機(jī)系統(tǒng)和終端設(shè)備可稱為站級系統(tǒng)，主要由自動售票機(jī)（TVM）、自動檢票機(jī)（AGM）、自動驗票機(jī)（TCM）、半自動售票機(jī)（BOM）和車站計算機(jī)（SC）組成，直接面向乘客。從數(shù)量上講，AFC系統(tǒng)中的設(shè)備主要分部于各線路各個車站站廳內(nèi)，本文講述的光纖冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)在自動售檢票系統(tǒng)的應(yīng)用，就是主要講述在AFC車站級系統(tǒng)中的應(yīng)用。光纖冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)作為構(gòu)成自動售檢票系統(tǒng)的一個重要組成部分為自動售檢票系統(tǒng)提供了一個穩(wěn)定和快速的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，如何管理和維護(hù)冗余光纖環(huán)網(wǎng)對發(fā)揮自動售檢票系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1. AFC系統(tǒng)中的以太網(wǎng)簡介

目前，成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的以太網(wǎng)按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類主要有兩種：星型結(jié)構(gòu)和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)，環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為冗余光纖環(huán)網(wǎng)。位于車站層的AFC設(shè)備包括SC服務(wù)器、緊急控制器、票務(wù)工作站、監(jiān)控工作站等監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理設(shè)備；TVM自動售票機(jī)、BOM半自動售票機(jī)、AGM自動檢票機(jī)、TCM自動驗票機(jī)等終端設(shè)備；以及支持環(huán)網(wǎng)功能的三層交換機(jī)、二層交換機(jī)、尾纖盒等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

1.1 環(huán)網(wǎng)構(gòu)成

三層交換機(jī)及二層交換機(jī)通過光纖傳輸介質(zhì)，串接組成一個封閉的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)（也可稱為主干網(wǎng)絡(luò)）。由于光纖跳線柔軟易折斷，相鄰兩臺交換機(jī)的連接若需要經(jīng)過線槽，還需將光纖跳線轉(zhuǎn)接成光纜后進(jìn)線槽。

三層交換機(jī)也稱為環(huán)網(wǎng)的主交換機(jī)，布置在車站的AFC設(shè)備房內(nèi)，一個車站有且僅有一臺三層交換機(jī)。三層交換機(jī)通過通信專業(yè)的傳輸系統(tǒng)與LC網(wǎng)絡(luò)連接，同時本站的SC服務(wù)器、票務(wù)工作站、監(jiān)控工作站等設(shè)備接入三層交換機(jī)，此為星形連接。該交換機(jī)負(fù)責(zé)將車站級票務(wù)數(shù)據(jù)向上層（LC）傳輸。

二層交換機(jī)分布于站廳的終端設(shè)備內(nèi)部，負(fù)責(zé)就近接入位于站廳內(nèi)的終端設(shè)備，此為星形連接。每個車站的二層交換機(jī)數(shù)量根據(jù)終端設(shè)備數(shù)量多少而定（目前，成都地鐵使用的二層交換機(jī)一般可接入6臺終端設(shè)備）。

如圖1，橙色實線為光纖，將三層交換機(jī)和若干二層交換機(jī)串接組成光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，即主干網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)色虛線網(wǎng)線，是連接SC服務(wù)器、工作站、終端設(shè)備、綜合監(jiān)控設(shè)備以及接入通信網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸介質(zhì)。

2. 光纖冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 冗余環(huán)網(wǎng)協(xié)議

目前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域常用的環(huán)網(wǎng)協(xié)議有Ring、Turbo Ring、supreme-ring、HIPER Ring等。成都地鐵2號線所用交換機(jī)品牌為赫斯曼光纖交換機(jī)（三層：PowerMICE MS4128-L3EHC，二層：RSB20-0800M2M2），采用HIPER Ring環(huán)網(wǎng)協(xié)議；地鐵4號線二期所用交換機(jī)品牌為卓越光纖交換機(jī)，采用supreme-ring環(huán)網(wǎng)協(xié)議，其它線路也使用相關(guān)的環(huán)網(wǎng)協(xié)議。不管各線路使用何種環(huán)網(wǎng)協(xié)議，其協(xié)議均有虛擬冗余鏈路（VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol）及快速環(huán)網(wǎng)收斂功能（RRPP，Rapid Ring Protection Protocol）。

2.2 冗余鏈路的實現(xiàn)

如圖2和3，AFC系統(tǒng)設(shè)備通過光纖連接成一個封閉的環(huán)形，并且所有設(shè)備都可以與其他設(shè)備進(jìn)行通信。2號線赫斯曼系列交換機(jī)，通過HIPER Ring環(huán)網(wǎng)協(xié)議及設(shè)定指定環(huán)網(wǎng)中的三層交換機(jī)作為主交換機(jī)。正常通信時，主交換機(jī)僅啟用一個環(huán)網(wǎng)端口（狀態(tài)為“轉(zhuǎn)發(fā)”），而另一個環(huán)網(wǎng)端口為“阻塞”狀態(tài)，與其連接的鏈路稱為“虛斷路”，此時，所有終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉咏粨Q機(jī)后，二層交換機(jī)統(tǒng)一朝環(huán)網(wǎng)的一個方向傳輸，最終傳輸?shù)街鹘粨Q機(jī)，并由主交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖4，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中任一鏈路出現(xiàn)斷點時，主交換機(jī)立即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)收斂，“學(xué)習(xí)”并存儲出現(xiàn)斷點后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。即：主交換機(jī)通過定時發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)包來檢測環(huán)網(wǎng)鏈路是否出現(xiàn)故障，一旦接收不到應(yīng)答，主交換機(jī)就會確定為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在斷點。此時，主交換機(jī)立即啟用“阻塞”環(huán)網(wǎng)端口，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤稗D(zhuǎn)發(fā)”狀態(tài)。斷點兩側(cè)的二層交換機(jī)收到終端設(shè)備的數(shù)據(jù)后，向斷點兩側(cè)的方向傳輸?shù)街鹘粨Q機(jī)，從而實現(xiàn)冗余鏈路的功能。這在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域被稱為“冗余環(huán)網(wǎng)”。

圖 4 出現(xiàn)斷點，啟用虛斷鏈路

2.3 冗余環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點

近幾年，各個城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，其舒適、準(zhǔn)點、快捷的體驗使得人們越來月青睞，日益增多的乘客使得對車站AFC終端設(shè)備的需求也隨之增加。目前，成都地鐵為應(yīng)對不斷增加的客流，積極采取有效措施，時常會對車站AFC設(shè)備進(jìn)行改造，常常會增加終端設(shè)備。而一臺二層交換機(jī)最多能接入6臺終端設(shè)備，這使得改造時需要增加環(huán)網(wǎng)的接入能力。

理論上，我們只需要增加二層交換機(jī)就可增加終端設(shè)備的接入量，事實也是這樣的。我們在進(jìn)行設(shè)備改造時，將二層交換機(jī)加到加裝終端設(shè)備就近的位置，只需將對應(yīng)位置的環(huán)網(wǎng)鏈路去除，重新接入增加的二層交換機(jī)即可，而無需影響其它二層交換機(jī)及三層交換機(jī)。

綜上，冗余鏈路功能讓AFC系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)鏈路的暢通得到了保障。除了冗余功能，因為采用了光纖作為傳輸介質(zhì)，光纖冗余環(huán)網(wǎng)還具有傳輸速率高、抗電磁干擾性強(qiáng)的優(yōu)點。光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

3 AFC系統(tǒng)中環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的管理

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理

AFC系統(tǒng)作為實時面向乘客的計程、計費(fèi)的一套自動售檢票設(shè)備，加之移動互聯(lián)的現(xiàn)場運(yùn)營需求，要求車站AFC終端設(shè)備能夠?qū)崟r保持網(wǎng)絡(luò)通信暢通。光纖冗余環(huán)網(wǎng)作為AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，現(xiàn)場維保人員對其管理和維護(hù)技能的掌握顯得越發(fā)重要。在車站AFC環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)重點工作可分為以下幾個方面：

1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。AFC系統(tǒng)中的光纖環(huán)網(wǎng)設(shè)備包括各類AFC設(shè)備、尾纖盒（光纖轉(zhuǎn)接器）和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的管理主要通過支持Java的Web瀏覽器實現(xiàn)，通過Web界面可以實時查看交換機(jī)的各種參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并可根據(jù)需要對三層交換機(jī)的配置參數(shù)進(jìn)行備份，便于更換三層交換機(jī)后導(dǎo)入配置，快速恢復(fù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。AFC設(shè)備的管理主要通過制定定期的維護(hù)工作和實時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行。

2）網(wǎng)絡(luò)鏈路的管理。采用有冗余通信功能的AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由于具備了冗余和自愈功能，在管理上需要定期對設(shè)備的鏈路狀態(tài)進(jìn)行檢查，讓冗余功能發(fā)揮應(yīng)有的作用。通用實現(xiàn)方式為：通過Web實時監(jiān)控網(wǎng)路鏈路的檢查，判斷網(wǎng)路鏈路狀態(tài)和設(shè)備端口信息，保障網(wǎng)路的暢通。成都地鐵2號線使用的赫斯曼交換機(jī)，主交換機(jī)具有環(huán)網(wǎng)管理故障指示功能，可通過查看RM指示燈實時監(jiān)測環(huán)網(wǎng)鏈路狀態(tài)，較為方便。

3.2 常見網(wǎng)絡(luò)故障分析和診斷

在AFC系統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)中，可以通過Web網(wǎng)頁記錄故障發(fā)生的歷史。網(wǎng)絡(luò)的故障可以分為鏈路故障、協(xié)議故障、配置故障和交換機(jī)故障。故障處理過程中需要注意網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)故障多為鏈路故障：

1）SC服務(wù)器、工作站離線或單臺終端設(shè)備掉線的故障。由于此類故障表現(xiàn)為單臺網(wǎng)絡(luò)故障，故車站環(huán)網(wǎng)一般無故障，應(yīng)檢查故障設(shè)備或服務(wù)器的網(wǎng)線鏈路是否斷開、松脫。

2）一組或多組終端設(shè)備出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障（如：無法實現(xiàn)移動支付）。此類故障具有一組或多組設(shè)備的特點，且故障設(shè)備在物理位置上連續(xù)，也即連在同一臺二層交換機(jī)的終端設(shè)備出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。此類故障現(xiàn)象可從兩方面展開分析：一是相連的二層交換機(jī)故障，更換交換機(jī)可恢復(fù)；二是環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)兩個斷點，導(dǎo)致兩個斷點之間的設(shè)備被孤立，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障，在兩個斷點處仔細(xì)檢查光纖跳線是否被損壞或連接不良，進(jìn)行相應(yīng)處理。

3）單個車站全部終端設(shè)備、服務(wù)器均出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。此類故障范圍表現(xiàn)為車站所有AFC設(shè)備出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，極有可能該環(huán)網(wǎng)連向上層（即連向通信網(wǎng)絡(luò)）的鏈路被中段，導(dǎo)致車站所有設(shè)備無法與LC和ACC通信，進(jìn)而表現(xiàn)為車站全部AFC設(shè)備無法進(jìn)行移動支付。檢查三層交換機(jī)與通信專業(yè)的連接鏈路，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

另外此類故障還可能是三層交換機(jī)故障導(dǎo)致，此情況可能性較小。

4結(jié)語

光纖冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)在城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用，因為光纖的接入，可使AFC系統(tǒng)車站主干網(wǎng)絡(luò)保持連通性更加可靠；采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)使得AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模式更加多樣化，提高了自動售檢票系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性，同時，環(huán)網(wǎng)架構(gòu)還利于后期設(shè)備改造增減主干網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備接入能力，其在自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用也會越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王軍，蘇含貴.自動售檢票系統(tǒng)（AFC）檢修工[M].四川：西南交通大學(xué)出版社，2017.

[2] 李成忠，靳桅.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

（作者單位：成都地鐵運(yùn)營有限公司）