城市軌道交通綜合監(jiān)控組網(wǎng)方案

冀云帥 劉曉軍 許 超

（國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，助理工程師）

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、可擴(kuò)展的分布式控制系統(tǒng)，其強(qiáng)大的功能為軌道交通運(yùn)營管理提供了信息共享平臺，提高了軌道交通自動(dòng)化響應(yīng)能力，減少了重復(fù)投資和后期維護(hù)成本。

通常，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成了防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）等3個(gè)子專業(yè)系統(tǒng)，并互聯(lián)其它專業(yè)系統(tǒng)，如PA（廣播系統(tǒng)）、PIS（乘客信息系統(tǒng)）、CCTV（閉路電視）等。該系統(tǒng)主要由中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)及綜合監(jiān)控骨干傳輸網(wǎng)構(gòu)成［1］。目前，骨干網(wǎng)一般采用光傳輸系統(tǒng)，主要利用OTN（開放式傳輸網(wǎng)）、RPR（彈性分組環(huán)）、SDH／MSTP（同步數(shù)字分級系統(tǒng)／基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)［2］。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)由A、B雙網(wǎng)構(gòu)成。但目前許多廠家的綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用的是網(wǎng)絡(luò)地址飄移技術(shù)：通信地址只有一個(gè)，正常情況下該地址位于A網(wǎng)卡上，相互之間利用A網(wǎng)通信，當(dāng)A網(wǎng)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)地址飄到B網(wǎng)卡，仍然用原來的地址在B網(wǎng)進(jìn)行通信，B網(wǎng)卡的地址只作為檢測鏈路狀態(tài)使用。這樣就造成了A、B雙網(wǎng)在物理鏈路上不能絕對獨(dú)立，會(huì)造成無法通信的情況。

本文重點(diǎn)闡述綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級和車站級工業(yè)以太網(wǎng)二、三層組網(wǎng)方案，骨干網(wǎng)只作為一個(gè)透明傳輸通道，同時(shí)對其性能進(jìn)行了比較。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)軟件系統(tǒng)的要求可選擇不同的組網(wǎng)方案。

1 綜合監(jiān)控二層組網(wǎng)

在二層應(yīng)用中，各級綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備均在同一網(wǎng)段內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用純二層設(shè)備。在中心和車站進(jìn)行A、B網(wǎng)級聯(lián)，這樣既保證了雙網(wǎng)聯(lián)通又考慮了冗余，同時(shí)，利用RSTP（快速生成樹協(xié)議）技術(shù)，防止出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示（以赫斯曼工業(yè)交換機(jī)為例）。圖中實(shí)線部分為主干鏈路，虛線部分為備用鏈路，正常情況下數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。

這種組網(wǎng)方案具有終端設(shè)備IP地址規(guī)劃簡單、交換機(jī)配置簡單等特點(diǎn)，由于是二層鏈路，終端設(shè)備之間通信延遲時(shí)間短，鏈路恢復(fù)時(shí)間快。但是，由于全線車站均在一個(gè)大的網(wǎng)段內(nèi)，該方案也存在不能隔離廣播風(fēng)暴的缺陷，當(dāng)其中一個(gè)車站由于故障產(chǎn)生大量廣播報(bào)文，這些報(bào)文會(huì)很快擴(kuò)散到其他車站，進(jìn)而影響骨干網(wǎng)通信性能和其他車站終端設(shè)備工作能力，嚴(yán)重時(shí)還可能造成死機(jī)現(xiàn)象。同時(shí)，二層鏈路還要避免環(huán)路，這也無形中增大了后期維護(hù)的工作量。

以1號站為例，闡述該組網(wǎng)方案在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，如何保證終端通信。

圖1 綜合監(jiān)控二層組網(wǎng)方案圖

1.1 車站內(nèi)部鏈路出現(xiàn)故障

如圖2所示，通過探測機(jī)制（例如ping車站交換機(jī)），車站工作站發(fā)現(xiàn)連接交換機(jī)的鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不進(jìn)行切換，只有故障終端自動(dòng)將通信地址由A網(wǎng)卡飄移到B網(wǎng)卡，利用B網(wǎng)和中央交換機(jī)之間的級聯(lián)線與中央設(shè)備通信。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。如果車站交換機(jī)或者中央終端設(shè)備出現(xiàn)故障，其通信切換方式與此相同。

圖2 車站內(nèi)部鏈路故障圖

1.2 車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障

如圖3所示，當(dāng)車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不進(jìn)行切換。若終端設(shè)備采用的探測機(jī)制不能診斷到該故障，如終端ping車站交換機(jī)，車站終端設(shè)備不會(huì)進(jìn)行通信地址飄移，此時(shí)終端設(shè)備將出現(xiàn)通信故障。如果終端設(shè)備采用的探測機(jī)制可以診斷到該故障，如ping中央服務(wù)器，此時(shí)車站終端將進(jìn)行切換，通信地址飄移到B網(wǎng)卡，利用B網(wǎng)和中央級間的級聯(lián)線進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。中央交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)其切換方式與此相同。

1.3 中央交換機(jī)出現(xiàn)故障

如圖4所示，當(dāng)中央交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不進(jìn)行切換。RSTP協(xié)議自動(dòng)啟用車站級A、B網(wǎng)備用鏈路，同時(shí)中央級終端設(shè)備通信地址飄移到B網(wǎng)卡，利用B網(wǎng)和車站級級聯(lián)線進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。若只是中央級A、B網(wǎng)級聯(lián)線出現(xiàn)故障，RSTP協(xié)議自動(dòng)啟用車站級A、B網(wǎng)備用鏈路，中央級終端設(shè)備不進(jìn)行地址飄移。

2 綜合監(jiān)控三層組網(wǎng)

二層組網(wǎng)方案存在不能隔離廣播域的缺點(diǎn)，在如今軌道交通沿線車站越來越多的情況下，這一缺點(diǎn)將越來越突出。徹底解決這一問題的途徑就是三層組網(wǎng)，將廣播域限制在每一個(gè)車站的每一個(gè)專業(yè)中，從而不至于影響到其它設(shè)備。三層組網(wǎng)方案如圖5所示。

圖3 車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路故障圖

圖4 中央交換機(jī)故障圖

圖5 綜合監(jiān)控三層組網(wǎng)方案圖

在三層組網(wǎng)方案中，交換機(jī)應(yīng)具備三層路由或三層交換功能，不同車站、不同專業(yè)之間的設(shè)備劃分在不同的網(wǎng)段，利用三層路由進(jìn)行通信。與二層組網(wǎng)方案相比，在三層組網(wǎng)方案中，所有車站和中央的A、B網(wǎng)交換機(jī)都存在級聯(lián)線，并處于激活狀態(tài)；三層交換機(jī)要開啟RIP（路由信息協(xié)議）或OSPF（開放式最短路徑優(yōu)先）路由協(xié)議；為了系統(tǒng)的可靠性，需要在每個(gè)車站的2臺三層交換機(jī)上配置VRRP（虛擬冗余路由協(xié)議）。

三層組網(wǎng)方案具有隔離廣播域、系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)，但相比二層組網(wǎng)方案，其交換機(jī)性能要求更嚴(yán)格，配置更復(fù)雜，故障恢復(fù)時(shí)間比二層網(wǎng)絡(luò)稍長。

以1號站為例，闡述當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，該組網(wǎng)方案是如何保證終端通信的。

2.1 車站內(nèi)部鏈路出現(xiàn)故障

如圖6所示，當(dāng)車站終端設(shè)備鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不進(jìn)行切換，只有故障設(shè)備通信地址漂移到B網(wǎng)卡，且由于A、B網(wǎng)交換機(jī)啟用了VRRP，數(shù)據(jù)依舊通過車站內(nèi)部級聯(lián)鏈路利用A網(wǎng)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。

圖6 車站內(nèi)部鏈路故障圖

2.2 車站交換機(jī)出現(xiàn)故障

如圖7所示，當(dāng)車站交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不進(jìn)行切換，只有終端設(shè)備通信地址漂移到B網(wǎng)卡，利用B網(wǎng)進(jìn)行通信。這需要交換機(jī)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。當(dāng)中央交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其切換方式與此相同。

圖7 車站內(nèi)部交換機(jī)故障圖

2.3 車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障

如圖8所示，當(dāng)車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，無論采用何種探測機(jī)制，車站交換機(jī)采用B網(wǎng)進(jìn)行通信，但設(shè)備通信地址不進(jìn)行漂移。所有切換均需要交換機(jī)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通道如箭頭所示。當(dāng)中央交換機(jī)上聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，其切換方式與此相同。

相比二層組網(wǎng)的該類型故障，三層組網(wǎng)的可靠性更強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)樘綔y機(jī)制的不同造成終端設(shè)備的通信故障。

2.4 車站交換機(jī)之間級聯(lián)線出現(xiàn)故障

如圖9所示，當(dāng)車站A、B網(wǎng)交換機(jī)之間的級聯(lián)線出現(xiàn)故障時(shí)，終端設(shè)備通信地址不進(jìn)行漂移，仍按照最初的通道進(jìn)行通信，只是由于啟用了VRRP，原來一主一備的交換機(jī)均變?yōu)橹鹘粨Q機(jī)。數(shù)據(jù)通道如 箭頭所示。中央交換機(jī)級聯(lián)線出現(xiàn)故障時(shí)與此相同。

圖8 車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路故障圖

圖9 車站交換機(jī)級聯(lián)線故障圖

3 結(jié)語

綜上所述，綜合監(jiān)控二層和三層組網(wǎng)方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)一般在20～50萬點(diǎn)，屬于大型網(wǎng)路系統(tǒng)，三層組網(wǎng)方案在安全性和后期維護(hù)方面更適合目前的系統(tǒng)，且具有路由功能的三層交換機(jī)已經(jīng)普及，性能和價(jià)格也能接受。二層組網(wǎng)方案因其配置簡單、價(jià)格低廉，在底層子系統(tǒng)中可以使用。

組播技術(shù)以其控制網(wǎng)絡(luò)流量、減少鏈路帶寬和設(shè)備CPU負(fù)載等特點(diǎn)在軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件中有大量應(yīng)用。為支持組播技術(shù)，發(fā)揮其優(yōu)越性，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)能提供組播路由功能，如PIMDM（密集模式型PIM（協(xié)議無關(guān)組播路由協(xié)議））、PIM－SM（稀疏模式型PIM），這樣才能更好地以三層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，發(fā)揮三層組網(wǎng)和組播技術(shù)的特點(diǎn)。

本文介紹了綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用交換機(jī)過渡過程中的性能對比。無論是車站內(nèi)部鏈路故障、車站交換機(jī)故障、車站交換機(jī)上聯(lián)鏈路故障，還是車站交換機(jī)之間級聯(lián)線故障，三層交換機(jī)都顯示出冗余切換的靈活性、快速性和安全性。

［1］ 李中.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2008（10）：44.

［2］ 張育萍.城市軌道交通中通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)比較與分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2009（5）：9.