基于城市軌道交通專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信課程的教學改革

李冰濤，李曙俏

（江蘇省徐州技師學院，江蘇徐州，221151）

1 城市軌道交通綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

隨著我國經(jīng)濟從高速發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型，城市軌道交通以其運量大、耗能少、快捷、準時、污染輕、占地少等特點，在我國各大城市得到迅速發(fā)展。計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展，使得我國的軌道交通已迅速步入了網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時代。通過對城市軌道交通企業(yè)的調(diào)研顯示，當前的軌道交通管理系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了綜合自動化監(jiān)控（即綜合監(jiān)控系統(tǒng)）。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)是將原來城市軌道交通系統(tǒng)里多個獨立的機電系統(tǒng)整合為一個協(xié)調(diào)運行的大系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的接口層硬件平臺和軟件平臺，從而實現(xiàn)對地鐵主要電氣設(shè)備的集中監(jiān)控和管理功能，實現(xiàn)對列車運行情況和客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)監(jiān)視功能，最終實現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)互動功能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)面向全公司管理人員，可以實現(xiàn)智能化管理；面向維修中心的維護人員，可以實現(xiàn)智能化維護；面向OCC 調(diào)度員和車站站長，可以輔助行車指揮。總之，有了綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可以極大地提高軌道交通的運營效率和運營可靠性。

由此可見，無論哪個專業(yè)的員工，除了要掌握自己本專業(yè)的知識技能之外，還要熟悉綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并且要善加利用這個系統(tǒng)，才能更好地做好本專業(yè)的工作。

2 基于計算機通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，當前的綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)滲透到軌道交通的各個專業(yè)領(lǐng)域，如供電專業(yè)的SCADA 系統(tǒng)，信號專業(yè)的維護監(jiān)測系統(tǒng)等等。甚至可以說軌道交通系統(tǒng)的每個專業(yè)都應(yīng)用了計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，而軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)則是計算機通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)最集中的應(yīng)用。

■2.1 城市軌道交通系統(tǒng)里通信知識的應(yīng)用

在《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程中，常常用一個章節(jié)講解通信的基礎(chǔ)知識，且這部分內(nèi)容與計算機網(wǎng)絡(luò)知識的聯(lián)系不是特別的密切。在對地鐵公司的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，軌道交通系統(tǒng)使用的電氣設(shè)備大多是智能化的，本身就具有通信功能，可以直接進行網(wǎng)絡(luò)通信。因為地鐵公司采購的設(shè)備來自不同的供貨商，設(shè)備的通信方式也不統(tǒng)一。從另一個角度看，通信方式是很豐富的，每個專業(yè)都會遇到各種各樣的通信問題。如圖1 所示是無錫地鐵SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看到，除了有以太網(wǎng)通信，還有RS232，RS422 和RS485 通信。

圖1 無錫地鐵SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其實，不光是SCADA 系統(tǒng)，其他專業(yè)現(xiàn)場層電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集大都是采用RS485 之類的串行通信方式。

■2.2 城市軌道交通系統(tǒng)冗余技術(shù)的應(yīng)用

冗余，指重復配置系統(tǒng)的一些部件，當某個部件發(fā)生故障時，冗余配置的部件自動介入并承擔故障部件的工作，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至崩潰。

許多行業(yè)和企業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)都有實時性的要求，不允許網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。但網(wǎng)絡(luò)涉及的環(huán)節(jié)非常多，如線路、網(wǎng)絡(luò)適配器、網(wǎng)間連接設(shè)備等，每個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問題。因此為提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大量使用了網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)。

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)傳輸通道，現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控對象連接起來匯集到車站級局域網(wǎng)，各個車站局域網(wǎng)將車站設(shè)備連接起來通過主干網(wǎng)匯集到控制中心。從應(yīng)用類型的角度，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為主干層、局域?qū)雍同F(xiàn)場層。綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）主干層：主干層用于控制中心、車輛段與各車站、停車場局域網(wǎng)的互聯(lián)。系統(tǒng)主干網(wǎng)采用的A、B 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，兩網(wǎng)熱備工作方式。其中A 網(wǎng)交換機狀態(tài)能通過B 網(wǎng)進行狀態(tài)監(jiān)視和遠程配置管理，反之B 網(wǎng)的交換機狀態(tài)也能通過A 網(wǎng)進行狀態(tài)監(jiān)視和遠程配置管理。

主干網(wǎng)由ISCS 采用工業(yè)級千兆以太網(wǎng)交換機根據(jù)通信專業(yè)提供的8 芯單模光纖（上下行各4 芯光纖）自行組建，在控制中心、停車場、車輛段以及全線各車站組成冗余1000Mbps 光纖環(huán)網(wǎng)。

（2）局域?qū)樱壕钟驅(qū)佑煽刂浦行木钟蚓W(wǎng)、各車站局域網(wǎng)、車輛段（停車場）局域網(wǎng)等組成。控制中心局域網(wǎng)為中央級局域網(wǎng)，采用冗余的1000Mbps 交換式工業(yè)以太網(wǎng)，符合IEEE802.3 標準，采用TCP/IP 協(xié)議。各車站級局域網(wǎng)采用冗余的100/1000Mbps 交換式工業(yè)以太網(wǎng)，符合IEEE802.3標準，采用TCP/IP 協(xié)議。

（3）現(xiàn)場層：現(xiàn)場層包括BAS、PSCADA、PSD 等子系統(tǒng)的控制層網(wǎng)絡(luò)，一般采用工業(yè)控制以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線方式。

工業(yè)環(huán)境對系統(tǒng)可靠性的要求很高，使得冗余技術(shù)在工業(yè)自動控制領(lǐng)域提高到了相當高的地位，從I/O 采集板、通信鏈路、現(xiàn)場控制器到數(shù)據(jù)服務(wù)器和操作員工作站，冗余的理念基本貫穿了整個工業(yè)控制系統(tǒng)。

通信網(wǎng)關(guān)泛指系統(tǒng)與外部系統(tǒng)通信時，擔任數(shù)據(jù)收/發(fā)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備，各類系統(tǒng)擔負這一任務(wù)的設(shè)備不盡相同，有的稱為I/O 服務(wù)器或I/O 站，有的稱為FEP。

圖3 給出了常見的接口冗余配置形式。

圖3 典型的接口冗余配置

■2.3 城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)

專用視頻監(jiān)視系統(tǒng)是城市軌道交通維護和保證運輸安全的重要手段。它能夠為控制中心的調(diào)度員、各車站值班員、列車司機等提供有關(guān)列車運行、防災(zāi)救災(zāi)、旅客疏導以及社會治安等方面的視覺信息。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)由中心控制設(shè)備、車站/車輛段/停車場控制設(shè)備、圖像攝取設(shè)備、圖像顯示設(shè)備、視頻服務(wù)器、圖像存儲設(shè)備及視頻信號傳輸設(shè)備等組成。并在車輛段/停車場設(shè)置本地視頻安防系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用控制中心遠程監(jiān)控和車站/車輛段/停車場本地監(jiān)控方式，組成一個完整的兩級監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，用戶可在任何一個站點根據(jù)授權(quán)訪問各站實時圖像和歷史圖像。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并按核心層、匯聚層分層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。在控制中心1 套核心交換機，通過專用傳輸系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)通道連接到車站、車輛段/停產(chǎn)場匯聚交換機。核心交換機和匯聚交換機都具備完備的三層功能，支持RIP、OSPF、BGP、IS-IS 路由協(xié)議，支持PIMSM/DM 等組播路由協(xié)議，滿足視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)對組播的需求。

徐州地鐵軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 徐州地鐵軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 計算機網(wǎng)絡(luò)與通信課程的教學改革

鑒于以上原因，我們認為城市軌道交通專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信課程除了要教授學生通用的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信的基礎(chǔ)知識之外，還要結(jié)合城市軌道交通系統(tǒng)的特點，有針對性地增加或是增強其專業(yè)領(lǐng)域重點應(yīng)用的知識與技能。通過對城市軌道交通各地鐵公司的深入調(diào)研，我們在城市軌道交通專業(yè)的《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程中增加或是增強了以下三部分的內(nèi)容，經(jīng)過一年的教學實踐，確實對學生專業(yè)課程的學習起到良好的促進作用。現(xiàn)總結(jié)如下，希望對《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程改革有所啟發(fā)。

■3.1 計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程中通信知識的補充

為此，在教學中增加了串口通信、IIC 通信和RS485 通信三次課的內(nèi)容。通過實例，讓學生親自感受通信是如何實現(xiàn)的。不僅如此，我們想通過這些通信知識的學習，讓學生體會通信是如何從底層最簡單的數(shù)據(jù)傳輸，一步步增加數(shù)據(jù)格式內(nèi)容，一步步增加通信功能，從而發(fā)展到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信功能的。這樣學生不至于對后面的OSI 參考模型以及TPC/IP 協(xié)議的學習感到復雜難懂，他們會理解復雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是在簡單通信基礎(chǔ)之上逐步發(fā)展完善起來的。

這可以通過串口通信、IIC 通信與RS485 通信的數(shù)據(jù)格式與通信特點的簡單比較中看得更加明顯。

如圖5 所示為RS232 串口通信的數(shù)據(jù)格式。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)格式由起始位、停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位4 部分組成，非常簡單，所以只能實現(xiàn)點對點通信，且因為數(shù)據(jù)信號為電平信號，所以傳輸距離有限，但它是全雙工的工作方式。

圖5 RS232 串口通信的數(shù)據(jù)格式

IIC 通信主要用于器件之間傳輸數(shù)據(jù)，如現(xiàn)在智能設(shè)備上的數(shù)據(jù)顯示器件常常使用IIC 通信方式。

其二為串通招投標。在藥品、設(shè)備的采購過程中，參與招標的藥企或設(shè)備供應(yīng)商在利益的驅(qū)動下，暗行串通抬價之事侵占國有資產(chǎn)，加劇醫(yī)療保險基金流失。

IIC 通信的數(shù)據(jù)格式如圖6 所示。IIC 通信采用雙線制，一根是數(shù)據(jù)線SDA，一根是時鐘線SCL。IIC 通信采用的是主從通信方式。因為數(shù)據(jù)格式包含設(shè)備地址信息，可實現(xiàn)多點通訊。它以半雙工方式工作。IIC 通信有單獨的時鐘線來確保通信設(shè)備兩端采用一致的步調(diào)傳輸數(shù)據(jù)，也稱作同步數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 IIC 協(xié)義簡圖（數(shù)據(jù)格式）

比較兩種通信格式可以看到，點對點通信的數(shù)據(jù)格式最簡單，多點通信的數(shù)據(jù)格式就需要加入地址信息。

與前兩種通信相比，RS485的通信格式要更加復雜。RS485 通信采用 Modbus-RTU 通訊規(guī)約，格式如圖7 所示。RS485 采用的也是主從通信方式，RS485 通信格式也包含設(shè)備地址信息，可實現(xiàn)多點通訊。它也是以半雙工方式工作。RS485 通信的功能碼是一個字節(jié)，所以通信功能更多。RS485 通信的最大特點是采用差分信號負邏輯，信號抗干擾能力強，適合長距離數(shù)據(jù)傳輸，最常用于電噪聲工業(yè)環(huán)境。

圖7 RS485 通信格式

通過以上的通信方式的比較可以看到，數(shù)據(jù)的通信功能越強，數(shù)據(jù)格式就越復雜。大家可以想象一下，如果讓許許多多的計算機之間相互通信，相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式一定會相當復雜。人們把能夠讓所有計算機都互相通信而制定的各種各樣的數(shù)據(jù)格式稱之為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。如局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)格式如圖8 所示，數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)了兩個地址，源地址和目的地址，當然數(shù)據(jù)格式會更加復雜。

圖8 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的基本格式

其實，計算機網(wǎng)絡(luò)就是計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在下面的計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識的學習中，有了以上的通信數(shù)據(jù)格式知識的基礎(chǔ)，再進行OSI 參考模型、TCP/IP協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)知識的學習，學生接受起來就容易多了。

■3.2 計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程中冗余技術(shù)的學習

為了讓學生對冗余技術(shù)有更直觀的認識，我們在計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的課程中增加了浮動路由與熱主機備份的內(nèi)容。

（1）浮動路由的拓撲結(jié)構(gòu)如圖9 所示。兩個路由器，車站一個，主變電所一個，實現(xiàn)車站，主變電所兩個局域網(wǎng)能夠互通，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，車站與主變電所之間配置浮動路由。

圖9 浮動路由實例

為了保證線路的高可靠性，車站路由器與主變電所路由器有兩條線路。①正常情況，數(shù)據(jù)包從優(yōu)先級高的線路走，②線路出現(xiàn)故障，備用線路立即啟用，保證數(shù)據(jù)正常傳輸。

這是一個典型的通道冗余的例子，通過這個模擬實例的配置，學生們能夠知道平時的雙網(wǎng)線是如何工作的。

（2）熱主機備份的作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)線路的冗余。如圖10 所示是熱主機備份拓撲結(jié)構(gòu)圖，下面區(qū)域是車站局域網(wǎng)，車站服務(wù)器可以上傳數(shù)據(jù)給上面控制中心的服務(wù)器網(wǎng)站。對車站局域網(wǎng)來說，出口有兩個網(wǎng)關(guān)R0 和R1，這兩個網(wǎng)關(guān)稱為熱主機備份，作用是實現(xiàn)上網(wǎng)線路的冗余。當一個網(wǎng)關(guān)設(shè)備R0 發(fā)生故障，會自動切換到另一個備用網(wǎng)關(guān)R1 設(shè)備，數(shù)據(jù)包會從備用網(wǎng)關(guān)設(shè)備R1 通過，繼續(xù)傳送給控制中心的服務(wù)器網(wǎng)站，不會影響數(shù)據(jù)的傳輸，有效地保證了車站局域網(wǎng)出口的穩(wěn)定性。

圖10 熱主機備份拓撲結(jié)構(gòu)

這是一個典型的設(shè)備冗余的例子，通過這個例子的學習，學生能夠體會到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熱主機備份狀態(tài)是如何配置的，體會設(shè)備冗余的工作機制是怎樣的。

■3.3 計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程中視頻監(jiān)控系統(tǒng)實訓

鑒于視頻監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，我們在計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程中增加了視頻監(jiān)控系統(tǒng)實訓的內(nèi)容。內(nèi)容主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成，視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機參數(shù)——監(jiān)控錄像占用硬盤容量的計算方法等。

最后通過一個實訓實例：錄像機加交換機接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，讓學生對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)過程有一個全面的了解。因為在工業(yè)現(xiàn)場，為方便布線，常在錄像機與攝像機之間加入交換機，這樣可以使得監(jiān)控系統(tǒng)的操作更加靈活方便。本實例的硬件設(shè)備連接如圖11 所示。

圖11 錄像機加交換機接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

這種連接的好處有兩點，一是視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以方便連接互聯(lián)網(wǎng)，二是如果錄像機與攝像機之間距離很遠，只需在路由器與交換機之間使用光纖連接即可，非常方便。

本實訓實例的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個綜合性的項目，它使用到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有交換機和路由器，在對攝像機進行連接時，需要在錄像機端進行IP 地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS 等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，而且需要使用網(wǎng)線將錄像機、攝像機、交換機以及路由器等設(shè)備進行正確的連接，如果要想實現(xiàn)上網(wǎng)，還要進行互聯(lián)網(wǎng)的連接與設(shè)置。通過這個實例的學習，也想讓學生對所學的網(wǎng)絡(luò)知識有一個綜合練習的機會。

在本實訓實例中還有一個技術(shù)問題：在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，錄像機與攝像機實際上是在同一個局域網(wǎng)里，即路由器LAN 端口的網(wǎng)段，如IP 地址為192.168.1.0/24 網(wǎng)段。如果攝像機的影像要在錄像機的通道里進行顯示，其條件是攝像機的IP 地址與錄像機通道的IP 地址必須相同，且與路由器LAN 端口在同一個網(wǎng)段。故必須要對攝像機IP 地址和錄像機通道的IP 地址進行修改，即它們的IP 地址都要修改為192.168.1.0/24的網(wǎng)段，這樣攝像機才能自動添加到錄像機的相應(yīng)通道。

當前，我國的城市軌道交通事業(yè)正在飛速發(fā)展，為了使軌道交通更加安全、高效、環(huán)保，各種高新技術(shù)也在廣泛使用。在這樣的大背景下，軌道交通的教育事業(yè)也要跟上時代的步伐，能夠培養(yǎng)出更多掌握新知識、新技能的人才，為我國的軌道交通事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。