地鐵智能運維平臺的環網架構及其性能探析

馬廷博 王偉

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0.引言

國內各地的系統運維工作，大部分還是依靠定期與預防式檢修，此過程需消耗諸多資源投入，而且檢修結果也僅能依托于技術員與行為管理規范。一旦技術員與某個操作步驟出現失誤，反而會使地鐵設施發生故障。

1.地鐵智能運維平臺

1.1 運維工作意圖

地鐵實施運維的根本意圖是保障列車安全、平穩、高效地運營。安全方面是讓系統處于可控的運轉工況下，保證乘客、工作者的安全，設施完備無損。而高效方面則要求系統在基本運營效率的情況下，投入的成本及資源趨近于合理，滿足地鐵交通的服務需要。其屬于設施資產密集類的產業，涉及大量的設施與專業。

1.2 智能運維情況

國內地鐵軌道交通正在全面發展中，交通網絡不斷完善，而在乘客分布不均、設施結構多元化、客流量不斷增加等客觀現象中，對于設施的可用性有更高標準。而大規模地運營與復雜設施體系、改造升級項目，加重相關運維工作的壓力。如今，國內現已開通的地鐵運維工作，還是會采取常規的運維方式，其特征表現在：預防及事后修理較多，缺乏預測修理；應用技術員作業，運維效率不佳；工作數據精細化及頻率均有缺陷；大數據系統及智能化的落實深度不足等。比如，某地鐵在2016年，專業列車日檢達到18萬余次；均衡修超過6千次；架大修有150多次。這種狀態持續到2020年，其每年日檢會達到40萬次；均衡修超1萬次；架大修有700次左右。對于地鐵列車的內部維修方法也大多運用人工檢測，相應的檢修工具、自動化水平等都會引起檢查結果的波動。而新建與改造的工程，會應用最新科技，和已有設施可能并不匹配。而在網絡化建設的趨勢下，軌道交通也進行相應的嘗試，提升運維工作效果。如綜合監測系統、故障預警系統等[1]。

2.智能平臺環網架構類型

2.1 全冗余架構

（1）環網接入部分。系統服務器直接連接交換機，其配備雙網卡的綁定功能，分成主網卡與備網卡，各自連接到主交換機與備用交換機上。系統平常工作運行中，主網卡發揮作用，保持較為活躍的工作狀態，而備用網卡則為靜默狀態。一旦主網卡發生異常情況，備用網卡會隨即被啟動，暫時取代主網卡的位置，維持正常的環網保護運行。（2）系統交換機部分。在各個節點機柜處，都會配備2臺交換機，同樣分成主用與備用，其啟動關系與網卡類似，在主交換機發生異常，無法繼續工作時，備用交換機立即負責相應的數據傳輸轉發工作，維持系統的穩定運行，支持環網保護。2臺交換機是借助堆疊線實現連接，能傳送心跳報文以及業務信息等。（3）系統連接線路。為確保系統能穩定運行，保持平臺信息通暢，在各節點處，2臺主交換機可以進行連接，并且備用交換機也會相互連接。此外，還設有支持跨設備對接的鏈路聚合，把2條鏈路設置在某個跨設備的接口，支持鏈路之間的信息備份，保障信息流量能穩定輸送。（4）系統平臺拓撲部分。網絡拓撲是環境，依托于ERPS協議，防止形成環路，繼而引發廣播風暴。另外，在平臺發生異常狀況后能立即啟動冗余配置的備份鏈路，以保持平臺正常的網絡連接，能滿足電信級的切換標準。此種環網架構運行下，如果發生二度異常，運維業務不會終止。

2.2 雙環網結構

（1）接入部分。系統服務器2個網卡處于不綁定的狀態，而且各網卡都是運行工作的狀態，二者各自會連接2個獨立運行的環網，通過服務器上層程序，進行雙發選收信息，以實現對運維業務的保護。（2）交換機部分。同樣會設置兩臺交換機，但不涉及主交換機及備用之分，而且二者無需相互連接以及堆疊。各自從屬于不同的環網，如果某臺設備發生運行異常情況，僅能波及到相連的環網，不會干擾到另外的環網，以此達到冗余保護的效果。（3）系統線路。按照雙環網的結構特點，各節點也會配置2條鏈路，但各自連接不同的環網，一個突發異常情況，不能對另外的環網有任何干擾，達到線路保護的目的。（4）系統拓撲。相互處于獨立狀態的環網，各自按照ERPS協議運轉，可防止在環網中出現廣播風暴，而且在故障切換中支持運維業務倒換，達到環網內部運維保護的效果。同時，2個環網信息互為備份，有效提升智能運維系統的穩定性。此種環網架構運行下，也能確保在發生二度異常時運維業務保持原狀[2]。

2.3 單環網結構

該結構可以說是上一種的簡化版，直接消除其中一個環網，僅留下一個環網運行。此結構不涉及接入、線路與交換機方面的冗余布置，其中僅有拓撲冗余。相較而言，其優劣勢比較明顯，優點在于：整體框架比較簡單，能省去部分設施資源的使用，使得運維平臺建造成本下降。但缺點是性能較差，運維穩定性不足。

3.地鐵交通智能運維平臺環網架構性能探討

3.1 運行可靠性

運維平臺運行可靠性的分析方式較多，如定界法、因子分解法、圖變換、狀態枚舉法等。雖然可以較為精準地確定環網架構的可靠性，但操作過程比較繁瑣，如果在現實地鐵改造項目中運用，無疑會增加工作量。因而，建議選擇古典概型的方法，評估上述環網框架即可，相關分析過程如下：

（1）全冗余結構。根據該環網結構，可將其當成若干基礎割集相互串聯的框架。設環網中其中一條鏈路實際可靠性是λ；而其中某臺交換機運行可靠性是P；服務器的數據發送端下掛于節點1；相應數據接收端則下掛于節點k；在此環路的節點共有n個；平臺總體的運行可靠性是P1。由此：u=2λ-λ2，υ= [λP(2 -λP)]，x=(1-P)·(λ+P-λP)·(λP)2，整理出以下表達式：

其中，P(La)表示在系統環路處于正常運轉狀態下，平臺信息數據流能直接按照順時針方向的鏈路La進行所需傳送任務的可靠性；P(Lb)表示在正常順時針方向的鏈路La出現異常，無法使用的情況下，信息數據流會轉而變成逆時針方向輸送，通過鏈路Lb進行數據傳送的可靠性。在可靠性評估中，為簡化計算分析的過程，可通過工程化假設處理。

一方面，把網絡拓撲分成各自獨立的子集，而主設備和主鏈路；備用設備和備用鏈路，分別看成基礎割集。在地鐵運維系統中，僅要確保其中某個割集保持通暢，便可認定相應節點和相鄰節點之間，有可用的數據傳輸渠道。另一方面，主用和備用交換機，而且具有相距不遠的堆疊線，同時鋪設于人工值守的機柜中，在發生運行異常時，能迅速替換，此過程中的檢修時長趨近于0。所以，便能不考慮此部分對于運維平臺總體可靠性的干擾問題，也就是可靠性可等同于“1”。在上述兩項假設下進行可靠性評估計算，可減少實際的運算量[3]。

（2）雙環網結構。基本思路與全冗余大致相同。設設環網中其中一條鏈路實際可靠性是λ；而其中某臺交換機運行可靠性是P；服務器的數據發送端下掛于節點1；相應數據接收端則下掛于節點k；在此環路的節點共有n個；平臺總體的運行可靠性是P2；w=P(A網)。由此可得出以下表達式：

其中，Ring1表示環網1。通過上述表達式代入整理，可得到如下表達式：

P2=2·P(A網)-P2(A網)=w(2-w)

（3）單環網結構。在單環網的系統中，僅包含一個環網，可以看成在雙環網框架下，A網的運行可靠性。把單環網平臺的總體運行可靠性設成P3。由此能得到以下表達式：

P3=P(A網)=λk+1Pk+λn-k+3Pn-k+2-λn+2Pn

（4）可靠性比較。以某市地鐵列車運行狀況為例，其網絡運行異常一般出現在光纖鏈路的部分，沒有猶豫交換機問題，出現網絡中斷的情況。按照交換機的運轉性能參數，其的平均無故障時長（MTBF）是57年；平均修復時長（MTTR）是2h，由此按照平臺可靠性的運算表達式，能得出：

由此能得出該運維系統交換機的運行可靠性（P）為0.99999，為便于后續分析便利，可靠性取值為0.99。

針對運維系統平臺光纜問題，因為故障存在明顯的偶然性與隨機性，所以需把其可靠性（λ）當成變量，取值范圍在0.9～1，基于此，評估對于傳輸網絡可靠性的干擾程度。通過分析環網架構中的節點總數；環網內服務器的接收端下掛節點，也就是從接收端至發送端之間的距離，借此評估各種環網結構的運行可靠性。經過對比探討，3種環網架構中，全冗余架構的可靠性最好，而后是雙環網、單環網。這種現象表現是因為在全冗余結構中，采取心跳線連接，構成大量的連接路徑。通過相關分析：在運維平臺設備與鏈路的工作可靠性，都能達到0.999及其以上的情況下，全冗余結構和雙環網結構相較，前者故障率能比后者減少3個數量級左右[4]。

3.2 網絡收斂性能

在運維平臺發生拓撲調整及異常情況，會隨即啟動鏈路切換。而運行狀態收斂期間，環網結構、運行協議都會對切換過程的時長有影響。地鐵智能系統運行中的故障，目前分成兩個等級。

（1）一級故障。1）在節點主鏈路發生斷線時，全冗余結構的切換時長，是由鏈路聚合組內的切換情況決定，把報文設成100ms的工況下，發生此故障時，交換機會與極少數報文無法獲取，啟動鏈路切換操作。雙環網結構下，不涉及主備分別，所以切換時長是根據服務器本身的判決時長與A網運行協議的倒換時長確定。假設判決時長超過倒換時長，則接收端不能倒換至B網，直接把輸送路徑切換成倒換時長，同時該時間小于50ms。如果判決時長更短，系統服務器可隨即完成切換。在單環網結構下，切換動作完全由倒換時長確定。2）服務器的主鏈路發生斷線時，全冗余結構下，切換動作是根據網卡與備用交換機確定。在交換機處于堆疊狀態時，2個交換機地址解析協議沒有同步，在數據傳輸切換至備用設備中，應重新運行，會消耗一段時間。在雙環網結構下，切換動作是根據服務器本身與系統上層程序的處理情況確定，而后者是和服務器程序有聯系，時間通常在200ms以內。在單環網結構下，服務器直接和網絡連接，沒有任何額外的運行鏈路，所以在發生此故障時，會直接導致數據通信中斷。3）節點的主交換機宕機，全冗余結構中，會受到交換機堆疊中2臺設備切換時長影響。在備交換機從備用工況調整成主要工況后，同樣要經歷學習的過程，切換動作實現時間較長。而雙環網與單環網在遇到此種平臺故障時，表現和節點主鏈路的斷線異常相同。

（2）二級故障。1）節點互聯鏈路加上斷線故障。全冗余結構下，切換周期是由鏈路聚合組內的切換時長，還有協議倒換時長共同決定。假設遇到兩條鏈路一起斷線，會先在聚合口中進行業務切換，而后通過協議保護切換，此過程需等待較長的時間。雙環網結構下，切換動作是根據A網的保護時間確定，而B網不會對整個平臺運行產生任何干擾。單環網結構中，發生2條鏈路的異常情況時，由于其沒有配備任何保護路徑，所以會直接阻斷運維業務的正常運行。2）節點內的交換機都出現故障。全冗余結構中，面對此故障的切換處理比較復雜，包含堆疊情況、地址解析協議以及ERPF，此切換過程大約會等待5s。雙環網結構中，服務器間的判決時長會超過協議倒換動作的時間，在系統服務器察覺到此類異常前，平臺的切換動作就已經結束。在單環網結構中，沒有配置任何對于節點中的額外保護。3）節點的主交換機以及相應備用鏈路同時出現故障，全冗余架構對此故障的切換處理反應和上一種相同。雙環網結構下，2個子網都具備啟動切換的條件，而且切換時長依舊會短于服務器處理時間，導致服務器獲取到異常故障前切換動作就已完成。此外，對于此種故障現象，單環網完全不具備處理性能[5]。

總的來講，全冗余結構的收斂效率最低，其他2種架構在該項性能上的表現沒有過大差距，但后者的長期可用性更差，無法完成二級故障的系統保護。聯系上文對3種環網架構的分析，三者各有應用優劣勢。具體來說，在可靠性上，全冗余架構最佳，其次是雙環網；在拓撲構成的復雜性上，全冗余架構最為復雜，單環網是相對最簡單的一種；系統運行收斂性能上，單環網架構的反應速度最快，全冗余架構是最慢的；環網建造成本上，全冗余環網造價最高，超過單環網的2倍，而雙環網與其相差不大。

4.結語

智能化的運維平臺投入到地鐵交通中，有助于優化系統運維的效果，控制資源消耗，并維系軌道交通的運行安全。通過比較不同環網架構，總結出各自的適用范圍。全冗余結構可用于系統可靠性標準極為嚴格的項目，如信號系統，雙環網則用在可靠性與延時方面無過高標準的項目中，如綜合監控系統，單環網能用在可靠性標準偏低、延時方面標準高、對于造價有要求的項目。