地鐵環(huán)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分析與應(yīng)用

楊昕紅

（沈陽職業(yè)技術(shù)學院 科研處，遼寧 沈陽 110045）

軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）[1-3]采用計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制、通訊及分布智能等技術(shù)，實現(xiàn)地鐵環(huán)境與設(shè)備系統(tǒng)的三級控制管理模式，由中央控制系統(tǒng)（OCC）、全線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、車站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制機及監(jiān)控測試等設(shè)備組成。通過中央控制級與車站級兩級管理體系，實現(xiàn)對控制中心、車站、就地三級控制功能[4]。

地鐵BAS 系統(tǒng)主要是對車站及區(qū)間隧道內(nèi)的空調(diào)通風、給排水、照明等機電設(shè)備進行全面的運行管理與控制。確保機電設(shè)備處于安全、高效、節(jié)能和最佳運行狀態(tài)，并可對火災(zāi)事故預(yù)警，保證乘客的安全和設(shè)備的正常運行，提供舒適的乘車環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)通信是構(gòu)成BAS 系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，是支撐BAS 系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)、傳遞BAS 系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)平臺。良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)BAS 系統(tǒng)性能指標的關(guān)鍵。同時，為了方便管理和監(jiān)控，對各車站終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址進行合理分配是十分必要的。一個好的網(wǎng)絡(luò)分配方案，能大大降低設(shè)備維護的工作量，提升工作效率[5]。

1 環(huán)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成分析

地鐵BAS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即由分布在不同地點的計算機系統(tǒng)連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。沈陽地鐵的BAS 系統(tǒng)由主干網(wǎng)（通信傳輸網(wǎng)）、中央級和車站級局域網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

控制中心設(shè)置2 套具有網(wǎng)管功能的三層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，冗余熱備方式連接，實現(xiàn)中心冗余以太網(wǎng)與骨干網(wǎng)的連接。為了有效地防止局域網(wǎng)中的廣播風暴，利用VLAN技術(shù)對控制中心和車站進行子網(wǎng)劃分，然而子網(wǎng)的劃分阻止了中心與車站之間的互通，所以必須在控制中心采用三層設(shè)備。三層交換機和路由器都能夠?qū)崿F(xiàn)子網(wǎng)間的通信，三層交換機將傳統(tǒng)路由器的數(shù)據(jù)包處理功能和交換機的速度優(yōu)勢結(jié)合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。

各車站在車站控制室、A端環(huán)控室、B端環(huán)控室分別設(shè)置2 臺具有網(wǎng)管功能的二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，如圖1 所示。交換機的上下聯(lián)接充分考慮地鐵運營的實際情況，由于車站通信設(shè)備相對比較分散，若采用雙絞線連接各個交換機，最遠的傳輸距離為100 m，遠遠不能滿足通信距離與通信速率的要求。因此，交換機利用下聯(lián)RJ45 接口連接車站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，上聯(lián)冗余光纖接口組成光纖冗余環(huán)網(wǎng)，有效地解決傳輸距離和速度問題。同時，采用雙環(huán)網(wǎng)，利用交換機的快速生成樹技術(shù)加快了以太網(wǎng)環(huán)路故障收斂的速度。當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)愈合時間小于100 ms，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保障了地鐵運營的安全。

圖1 車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 局域網(wǎng)

局域網(wǎng)是由通信線路連接，分布在相對有限區(qū)域內(nèi)的一組計算機及其他設(shè)備，設(shè)備間可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。運用局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效地保護整個系統(tǒng)的完整性和安全性，同時有利于對系統(tǒng)的整體維護及升級保護。常見的局域網(wǎng)有以太網(wǎng)、令牌環(huán)和令牌總線。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，絕大多數(shù)編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。地鐵中采用工業(yè)以太網(wǎng)，使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展。

中央級和車站級采用雙冗余星型或環(huán)形以太網(wǎng)，各終端均以鏈路冗余方式通過交換機接入主干網(wǎng)。以太網(wǎng)的構(gòu)架十分成熟，從協(xié)議的完善，到傳輸介質(zhì)、收發(fā)設(shè)備的研究，以及網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性都能夠滿足BAS 系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)在幾乎所有的監(jiān)控設(shè)備都支持以太網(wǎng)，不同速率的節(jié)點可以無縫連接，無需轉(zhuǎn)換設(shè)備，所以組網(wǎng)十分方便。BAS系統(tǒng)要求中央監(jiān)控系統(tǒng)和車站監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信響應(yīng)時間小于2 s，實時性要求相對不高，采用100 m的高速以太網(wǎng)，很容易能滿足要求。

1.3 骨干網(wǎng)

骨干網(wǎng)是多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，不僅有數(shù)據(jù)，還有語音和視頻圖像，覆蓋范圍達到幾十千米。骨干網(wǎng)有由通信系統(tǒng)為BAS 系統(tǒng)提供所需的全線通道，各站點的監(jiān)控信息加載到通信系統(tǒng)的傳輸層設(shè)備（如OTN、SDH 和RPR 等）上，實現(xiàn)控制中心與車站的數(shù)據(jù)傳遞。

通信系統(tǒng)可以為BAS 系統(tǒng)提供冗余星型或環(huán)形兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)由控制中心的交換機作為中央節(jié)點，其他各車站的交換機作為子結(jié)點與其點對點連接。環(huán)型結(jié)構(gòu)是由中心的交換機和各個車站的交換機通過點到點的鏈路首尾相連形成的一個閉合的環(huán)，這種結(jié)構(gòu)使共享介質(zhì)組成環(huán)型連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個方向在各個節(jié)點間傳輸，信息從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點[6（]如圖2所示）。

圖2 星型與環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

在兩種拓撲結(jié)構(gòu)都能實現(xiàn)傳輸?shù)那疤嵯?，通過對它們在實時性和安全性方面的性能進行對比分析：

1）實時性方面

由于是公共交通系統(tǒng)，因此要求中心BAS 控制響應(yīng)時間不大于2.8 s（即中心BAS 控制響應(yīng)時間為中心BAS 工作站發(fā)出命令到車站控制器輸出動作的時間)。根據(jù)通信系統(tǒng)給BAS系統(tǒng)提供的帶寬，在控制中心監(jiān)控工作站上對一個數(shù)據(jù)標簽的響應(yīng)時間進行測試，數(shù)據(jù)響應(yīng)一次，對標簽值進行累加一次，最后得到1 000 次的累積時間。經(jīng)過測試得到在總帶寬均為230 m 的條件下，星型拓撲結(jié)構(gòu)的總響應(yīng)時間為590 s，每次的響應(yīng)時間為0.59 s；環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的總響應(yīng)時間為880 s，每次的響應(yīng)時間為0.88 s，顯然星型拓撲結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時間較短。究其原因，由于環(huán)型結(jié)構(gòu)信息源在環(huán)路中是串行的穿過各個結(jié)點，當環(huán)中節(jié)點過多時，在同等網(wǎng)絡(luò)帶寬的條件下，勢必影響信息傳輸速率，使網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間延長[7]。

2）安全性方面

采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，利用VLAN 技術(shù)[8]通過中心三層交換機對整個網(wǎng)絡(luò)進行子網(wǎng)劃分，以中心交換機為中心，各子網(wǎng)分別與中心相聯(lián)接，子網(wǎng)間彼此隔離，保證相對獨立安全。對于環(huán)型結(jié)構(gòu)，控制中心的三層交換機作為環(huán)網(wǎng)的一般節(jié)點，在保證各個車站與控制中心進行通信的前提下，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，各子網(wǎng)間以接力方式傳輸通信，無法通過VALN 技術(shù)使各個車站彼此隔離，沒有相對獨立性，當一個車站受到網(wǎng)絡(luò)風暴襲擊，所有車站均受到影響，所以這種拓撲結(jié)構(gòu)存在潛在的網(wǎng)絡(luò)風險。顯然，從安全性的角度分析，星型拓撲結(jié)構(gòu)更適合在地鐵BAS系統(tǒng)中應(yīng)用。

綜合以上性能分析，環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)在實時性方面可以滿足BAS 的性能要求。在同等配置下，環(huán)型結(jié)構(gòu)雖然能夠節(jié)約組網(wǎng)的成本，但是網(wǎng)絡(luò)安全性能要遠遠低于星型結(jié)構(gòu)。如果要提高其安全性，必須要在每個車站配置三層交換機，勢必增加更高的成本，所以星型結(jié)構(gòu)的性價比要優(yōu)于環(huán)型結(jié)構(gòu)。

2 環(huán)控系統(tǒng)的IP地址分配

以星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的地鐵線路為模型，中心為三層交換機，各車站采用二層交換機。對整個線路進行IP 地址規(guī)劃[9]，并且采用三層VLAN 技術(shù)，對車站進行邏輯隔離。

2.1 網(wǎng)址規(guī)劃原則

為更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能，使其能在增設(shè)或改設(shè)站點情況發(fā)生條件下，順利實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的擴展、網(wǎng)絡(luò)性能的保障、網(wǎng)絡(luò)管理的正常運行，在BAS 系統(tǒng)中，合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)IP 地址尤為重要，一般遵循以下原則：

1）唯一性：該編號在BAS系統(tǒng)中唯一存在。

2）簡單性：地址分配簡單易管理，避免在主干上采用復(fù)雜的掩碼方式。

3）可擴展性：地址分配的每一層次都有剩余號段，為后續(xù)的線路增設(shè)、調(diào)整需求提供充足的空間。

4）統(tǒng)一性：不同車站相同設(shè)備的終端IP地址號相同，有利于實現(xiàn)IP地址的分配與管理。

2.2 網(wǎng)址規(guī)劃方式

由于地鐵各車站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較固定，每個車站與控制中心通過交換機端口點對點連接，采用基于端口的VLAN 劃分方式是個合理的選擇。每個車站網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置，一主一備，當遇到通信故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)雙網(wǎng)冗余切換。綜合以上考慮，將地鐵的每個車站劃分為不同VLAN，為了避免廣播風暴的發(fā)生，使車站之間相互隔離，同時每個車站的主備網(wǎng)絡(luò)相互隔離，利用控制中心三層交換機VLAN 的功能，將每個車站分別劃分成2 個 VLAN。

根據(jù)地鐵BAS 系統(tǒng)的實際應(yīng)用和需求，可以采用以線路與車站為主導(dǎo)，主/備網(wǎng)為輔的地址規(guī)劃方式，采用24 位IP 地址掩碼（即最多可以擴展為254 臺主機）。設(shè)置時采用的IP 地址格式為P1.P2.P3.P4/24，P1代表不同地鐵線路，P2為不同的車站，P3 用于主/備網(wǎng)的區(qū)分，P4 代表終端地址號。例如沈陽地鐵一號線部分終端設(shè)備的IP 地址規(guī)劃采取如下形式：車站1 的主控PLC（主網(wǎng)）的IP 地址設(shè)為10.1.10.10/24，網(wǎng)關(guān)設(shè)為10.1.10.254，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；車站2 的主控PLC（備網(wǎng)）的IP 地址設(shè)為10.2.20.10/24，網(wǎng)關(guān)設(shè)為10.2.20.254，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；其他站點以此類推。IP 地址規(guī)劃是BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[10]的一個重要部分，良好的IP地址規(guī)劃能夠有效地控制網(wǎng)絡(luò)沖突和病毒的擴散速度，減少不必要的管理和維護工作，提高工作效率。使用三層交換機的VLAN 功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址的規(guī)劃，可以有效地限制廣播，VLAN 劃分得越細，廣播的范圍就越小，出現(xiàn)問題后定位查找就越容易。

3 環(huán)控系統(tǒng)的車站通風空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用

沈陽地鐵BAS 系統(tǒng)車站通風空調(diào)系統(tǒng)包括：車站公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)（也稱大系統(tǒng)）、設(shè)備用房空調(diào)通風系統(tǒng)（也稱小系統(tǒng)）、空調(diào)水系統(tǒng)。采用優(yōu)化控制方式實現(xiàn)地鐵車站中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

環(huán)控的控制功能包括點動控制、模式控制、時間表控制。點動控制主要是在工作站進行單點控制；模式控制包括正常營運模式和發(fā)生災(zāi)害模式；時間表控制是根據(jù)地鐵運行環(huán)境及車站其他系統(tǒng)的監(jiān)控要求，預(yù)先做好的正常運行的執(zhí)行設(shè)置命令。

環(huán)控的監(jiān)視功能實現(xiàn)監(jiān)視全線車站和區(qū)間的通風空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、配電照明系統(tǒng)、電扶梯等設(shè)備，同時還實現(xiàn)監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。

環(huán)控的通信功能是具有智能通信接口的，各個現(xiàn)場設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)PLC NOE 和控制器相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊。

4 結(jié) 語

本文通過對地鐵BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究，根據(jù)現(xiàn)場測試分析，確定了一種經(jīng)濟有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中心與車站選擇光纖以太局域網(wǎng)，能夠較好地滿足BAS 系統(tǒng)的性能指標，主干網(wǎng)采用星型結(jié)構(gòu)，其性價比優(yōu)于環(huán)型結(jié)構(gòu)。根據(jù)IP 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則和BAS 系統(tǒng)實際需求，實現(xiàn)了BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)地址的合理規(guī)劃，并將設(shè)計的BAS 系統(tǒng)運用在地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)中，實現(xiàn)對影響地鐵環(huán)境的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質(zhì)等主要因素的智能控制，保障了地鐵設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的工作環(huán)境和為乘客、工作人員提供安全可靠的舒適環(huán)境。