信號系統骨干網連接方式的探討

徐義彤

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營分公司，江蘇蘇州 215000)

1 概述

信號系統是整個城市軌道交通自動控制系統中的重要部分，完成保證列車和乘客的安全，實現快速、高密度、有序運行的功能。信號系統的網絡連接方式直接影響信號系統工作的穩定性和可靠性。信號系統的骨干網通過有線網絡為控制中心、車站、軌旁、車輛段、停車場的信號設備提供傳輸通道。結合通信技術的發展和軌道交通實際應用環境的特點，信號系統骨干網組網方式主要有兩種方式：一是線型組網方式，另一種就是環網組網方式。目前這兩種組網方式在不同的信號系統供應商都有應用。本文以蘇州軌道交通2 號線信號系統為依托，從線型組網方式的網絡結構，工作原理，優缺點等角度，介紹基于線型組網方式的CBTC 系統，從而提出環型組網方式，總結不同組網方式的優缺點，為新建線路的信號系統建設提供建議。

2 網絡結構

蘇州軌道交通2 號線采用西門子基于無線通信的列車控制系統，系統骨干網所需的光纜鋪設在線路兩側，實現冗余功能，信號系統線型骨干網主要由以太網交換機、光電轉換器、光纖熔接盒組成。通過交換機將各站光纖串聯起來實現數據交互。信號系統包括信號ATS 子系統、聯鎖系統、軌旁ATP系統、計軸系統、無線系統。每個子系統采用單獨的數據總線進行數據傳輸。通常在車輛段、停車場，正線各站、OCC 各設備房布置兩臺交換機通過光纖網絡組成兩套互為冗余的線型網絡。不同子系統在聯鎖站通過交換機實現關聯。按照子系統可以將傳輸總線劃分為：聯鎖總線、ECC 總線、ATS 總線、FEP 總線、SIC 總線、AC 總線，現場預留一組總線作為備用。其中聯鎖總線用來傳輸相鄰聯鎖計算機之間的數據傳輸，ECC 總線用來傳輸設備集中站ECC-CU 板之間的通訊，ATS 總線實現聯鎖系統與ATS 系統之間的數據交互，FEP 總線用來中央ATS系統各終端之間的數據傳輸，SIC 總線用來轉發列車停穩后發車倒計時的信息。AC 總線用來控制計軸系統的數據傳輸。光纖熔接盤的總線端口劃分如圖1 所示。

圖1 光纖盤端口分配圖Fig.1 Distribution of ports on the optical fiber panel

其中FEP 總線和聯鎖總線光纖在非聯鎖站采取光纖跳線方式，在聯鎖站通過尾纖接入交換機實現串聯。ECC 總線通過每個聯鎖區的ECC 交換機實現串聯并接入聯鎖站的聯鎖交換機。在全線各站配置兩臺ATS 交換機和一臺SIC 交換機，通過ATS交換機實現ATS 總線的串聯，ATS 總線作為系統的骨干網總線實現ATS 系統、聯鎖系統、ATP 系統、無線系統的數據交互。SIC 總線通過SIC 交換機實現串聯并最終連接至聯鎖站的接口計算機。如圖2所示，圖2 中藍色為聯鎖總線，黑色為ATS 總線，綠色為ECC 總線，黃色為AC 總線，紫色為無線總線，灰色為FEP 總線，紅色為SIC 總線。圖2 中接點表示相應總線上的交換機。

圖2 現場設備連接圖Fig.2 Connections of onsite equipment

3 工作原理

信號系統根據各子系統的功能將光纖傳輸通道進行分組，每4 束光纖組成一個拓撲總線，其中主用通道兩束，備用通道兩束，同時信號系統網絡總線采用冗余設計，現場布置兩套一致的光纖傳輸通道，在正線、場段、控制中心通過交換機及光纖熔接盒將全線設備串聯成線型網絡。劃分后各子系統在數據傳輸上采用獨立的光纖，避免相關干擾，專網專用。各設備集中站的元件控制計算機采集現場設備（如轉轍機、信號機、軌道區段）狀態，經過交換機傳輸到聯鎖計算機進行邏輯運算，聯鎖計算機運算后通過ECC 總線控制設備集中站的ECC-CU 板卡。聯鎖計算機及ATP 計算機通過ATS 交換機接入ATS 總線實現與ATS 系統數據交互，聯鎖數據經過ATS 總線傳輸到各站的終端進行顯示，反之ATS 終端的操作指令經ATS 總線傳輸到聯鎖計算機經過運算后作用到現場設備。本地ATS 系統與中央ATS 系統在聯鎖站通過接口計算機（LFEP）實現數據交互，聯鎖數據經LFEP 轉發后通過FEP 總線將傳輸到控制中心進行顯示，控制中心的指令亦可通過FEP 總線下達到現場設備。

4 能力分析

信號系統采用總線型拓撲結構是指采用單根數據傳輸線作為通信介質（光纖），所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到通信介質，而且能被所有其他的站點接收。根據信號系統子系統不同，可劃分為不同的虛擬網絡（VLAN）。線型組網的信號系統總體上工作穩定，數據傳輸延時低，各子系統即相互獨立又相互關聯，網絡結構連接簡單,并且容易拓展，當線路需要延伸時，可將延伸線設備通過耦合的方式接入主線網絡。這種連接方式只需在區間上下行各布置一根電纜，通過交換機串聯成線型冗余的網絡，需要的設備少，工程成本低，施工起來比較方便。但當總線型網絡結構中傳輸節點，如交換機故障，或傳輸介質故障如光纖斷開，此時整個總線型網絡結構就被切斷，導致數據無法通過總線進行傳輸，如圖3 所示，當3 號站交換機故障時，3 站的數據無法傳輸至1 號站，導致1 號站和2 號站設備無法正常使用。對于聯鎖總線和FEP 總線，由于只需要在聯鎖站接入交換機，其他站均采取跳線形式，兩個聯鎖站之間線路長，使用的光纖也會出現損耗大的情況，從而影響數據傳輸。總線型網絡結構采用的分布式協議不能保證信息的及時傳送，不具有實時功能，這也導致終端設備存在數據丟包現象。

圖3 總線型拓撲結構Fig.3 Topological structure of bus mode

5 新型組網方式

線型組網方式在每個車站布置冗余的網絡提高可靠性，但是未考慮到外部環境因素造成的整個設備房斷電造成網絡中斷的異常情況，此時系統傳輸鏈路被切斷，聯鎖數據及無線數據無法通過總線進行傳輸，對行車影響較大。為提高系統的抗干擾性，可以將線型組網方式改為環網方式。在新建線路中，環網組網方式已經成為一種趨勢。信號系統環型結構是指在總線型基礎上通過首尾相連的閉合環型通信線路，并采用環網保護機制使通信鏈路抑制成環。對于既有線采用線型網絡連接的系統可以進行升級改造，如圖4 所示，將1 號站與4 號站首尾相連組成環形網絡結構，經過優化設計后的數據通信網絡采用環型以太網結構，在工作路徑發生故障后，故障點相鄰的兩個節點會馬上知曉故障，并做出相應的保護切換措施，把流量由工作路徑倒換到方向相反的保護路徑上去，由反向的保護路徑“繞道”抵達故障點的下一節點設備，這樣就繞過了故障節點。當ST02-ST03 鏈路故障時，環型網絡變為總線型結構，數據業務會自動從相反的路徑到達目的地。環形網絡相比總線型網絡提高網絡可靠性，同時環形網絡采用光纜少，也減少光纖損耗，提高數據傳輸效率。

圖4 環型拓撲結構Fig.4 Topological structure of ring mode

6 總結

信號系統作為地鐵機電系統中最重要的子系統，其安全可靠性直接影響行車安全，影響乘客體驗。國內早期線路中采用西門子信號系統的組網方式大多采用線型組網，如蘇州1 號線，蘇州2 號線，南京3 號線。系統在設計之初未考慮外界因素影響，如電源故障導致網絡中斷從而影響到整個信號系統，在新建線路中，如蘇州5 號線，南京7 號線均將系統組網方式采取環網方式，相比于線型組網，環網連接方式系統可靠性更高，通信鏈路故障造成的影響小，逐漸成為信號系統組網的優先選擇。