基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的軌旁骨干網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究

周振凱 劉曉磊

基于通信的列車運(yùn)行控制 （CBTC），不依賴軌旁列車占用檢測設(shè)備，采用列車主動定位技術(shù)和連續(xù)車－地雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)，能夠執(zhí)行安全功能的車載和地面處理器，從而構(gòu)建的連續(xù)式列車自動控制系統(tǒng)。DCS為CBTC系統(tǒng)構(gòu)建連續(xù)雙向的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其中包括有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)。有線通信網(wǎng)絡(luò)為控制中心、車站、軌旁、車輛段／停車場、試車線、培訓(xùn)中心和維修中心CBTC設(shè)備之間提供有線數(shù)據(jù)傳輸通道；無線通信網(wǎng)絡(luò)為列車與地面CBTC設(shè)備之間提供連續(xù)雙向的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。

CBTC系統(tǒng)是對安全要求苛刻的控制系統(tǒng)，其應(yīng)用場合以及工作環(huán)境，要求系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備或子系統(tǒng)必須具備很高的安全性和可靠性。結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展和軌道交通實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，DCS軌旁骨干網(wǎng)有2種組網(wǎng)技術(shù)：一是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)；二是基于同步數(shù)字體系 （SDH）的多業(yè)務(wù)傳送平臺 （MSTP）技術(shù)。國內(nèi)已開通的地鐵線路多采用基于SDH的骨干網(wǎng)方案，而國外許多地鐵項(xiàng)目已采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)方案，如瑞士洛桑地鐵，加拿大多倫多地鐵，法國里爾地鐵等。本文從有線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理和能力角度出發(fā)，介紹基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的軌旁骨干網(wǎng)組網(wǎng)方案。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCS有線網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器組成。利用骨干網(wǎng)交換機(jī)的MRP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)保護(hù)，確保信號應(yīng)用間的通信有更高的可靠性。通常在每個集中站、車輛段／停車場、OCC各設(shè)置2臺骨干網(wǎng)交換機(jī)，全線各站的骨干網(wǎng)交換機(jī)通過骨干網(wǎng)光纖組成2個相互獨(dú)立的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。骨干環(huán)網(wǎng)一：傳輸SIG網(wǎng)、ATS網(wǎng)和MSS信息；骨干環(huán)網(wǎng)二：傳輸SIG網(wǎng)、ATS網(wǎng)和NMS信息。試車線、控制中心培訓(xùn)設(shè)備一般配置物理獨(dú)立的傳輸網(wǎng)絡(luò)，不與正線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此與其他系統(tǒng)設(shè)備互不影響。

安全信息和非安全信息傳輸均采用冗余網(wǎng)絡(luò)且物理獨(dú)立。即SIG網(wǎng)傳輸安全信息，如聯(lián)鎖和ATC信息；ATS網(wǎng)傳輸非安全信息。承載在骨干網(wǎng)上的SIG、ATS應(yīng)用可接入到沿線每個設(shè)備集中站，并通過以太網(wǎng)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)與其他子系統(tǒng)設(shè)備相連接。DCS典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在每個集中站都設(shè)置2臺光接口交換機(jī)和2臺電接口交換機(jī)。光接口交換機(jī)用于連接遠(yuǎn)程的設(shè)備（如DCS無線接入點(diǎn)）；電接口交換機(jī)即骨干網(wǎng)交換機(jī)，不僅用于組成骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，還用于連接本地與非集中站的設(shè)備。每個骨干網(wǎng)交換機(jī)都有2個光纖接口分別與兩端的骨干網(wǎng)交換機(jī)相連。SIG子網(wǎng)、ATS子網(wǎng)和MSS子網(wǎng)共用電接口交換機(jī)，數(shù)據(jù)流通過VLAN相互隔離。SIG網(wǎng)和ATS網(wǎng)信息傳輸相互獨(dú)立，通過各自的VLAN實(shí)現(xiàn)信息傳輸。在未安裝骨干網(wǎng)交換機(jī)的非設(shè)備集中站，通過光電轉(zhuǎn)換器將ATS設(shè)備連接至兩側(cè)的骨干網(wǎng)交換機(jī)。在OCC配置有3層交換機(jī)，信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其他系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)間的網(wǎng)絡(luò)通信，通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有效防護(hù)。

2 工作原理

2．1 傳輸原理

基于各種應(yīng)用的不同帶寬需求，骨干網(wǎng)絡(luò)為各種應(yīng)用劃分不同的VLAN，并分配足夠的通信帶寬，為各個以太網(wǎng)通信端口設(shè)置限流，保證不同應(yīng)用的通信通道相互隔離、互不干擾?？蛇x用的骨干網(wǎng)通信帶寬級別為2Gb／s，網(wǎng)絡(luò)配置時可留有一定備用帶寬以方便將來應(yīng)用。在環(huán)網(wǎng)上配置了以下應(yīng)用。

SIG網(wǎng) （冗余）：2個網(wǎng) （SIG1、SIG2），帶寬各300Mb／s，用于傳輸 ATP／ATO、聯(lián)鎖安全信息。

ATS網(wǎng) （冗余）：2個網(wǎng) （ATS1、ATS2），帶寬各400Mb／s，傳輸ATS信息。

MSS網(wǎng) （非冗余）：帶寬100Mb／s，傳輸MSS信息。

NMS網(wǎng) （非冗余）：帶寬100Mb／s，傳輸NMS信息。

這樣全部使用帶寬1600Mb／s，剩余帶寬400Mb／s。

2．2 自愈原理

2．2．1 設(shè)備冗余

DCS采用的工業(yè)級交換機(jī)主要有2種：①三層電交換機(jī)；②二層交換機(jī)配備不同的插槽，構(gòu)成二層電交換機(jī)和二層光交換機(jī)。

圖1 DCS典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

三層電交換機(jī)：配置有4個100／1000Base－FX SFP端口，16 個10／100／1000Base－T以太網(wǎng)端口。主要作為控制中心機(jī)房的主交換機(jī)使用，一般安裝在控制中心信號設(shè)備室內(nèi)的骨干網(wǎng)機(jī)柜里。

二層電交換機(jī)：配置有4個100／1000Base－FX SFP端口，24個10／100／1000Base－T以太網(wǎng)端口。一般安裝在集中站信號設(shè)備室內(nèi)的骨干網(wǎng)機(jī)柜里，用于組成環(huán)形骨干網(wǎng)，并與各個信號設(shè)備連接。該交換機(jī)又稱為骨干網(wǎng)交換機(jī)。

二層光交換機(jī)：配置有2個100／1000Base－FX SFP，2個10／100／1000Base－T以太網(wǎng)端口，24個100Mb／s SFP端口。一般安裝于集中站信號設(shè)備室內(nèi)的骨干網(wǎng)機(jī)柜里，利用光纖跳線和光纜連接到軌旁TRE。

各設(shè)備集中站分別配置2個電交換機(jī)，全線電交換機(jī)分別組建1個2芯光纖環(huán)網(wǎng)。其中：SIG1、ATS1、MSS網(wǎng)共用一個電交換機(jī)；SIG2、ATS2、NMS網(wǎng)共用另一個電交換機(jī)。

在應(yīng)用層面，信號設(shè)備傳輸?shù)男畔⑹侵貜?fù)的，冗余的。對冗余網(wǎng)絡(luò)，沒有熱備／冷備之說，2個網(wǎng)絡(luò)同時工作。環(huán)網(wǎng)上一處光纜中斷，光纜環(huán)保護(hù)將確保各節(jié)點(diǎn)之間通信不受影響。環(huán)網(wǎng)上任一交換機(jī)故障，不影響環(huán)網(wǎng)上連接到其他交換機(jī)上的設(shè)備之間的通信。2個交換機(jī)完全獨(dú)立，其中一個交換機(jī)環(huán)網(wǎng)上任何故障不會影響到另一交換機(jī)環(huán)網(wǎng)。

2．2．2 MRP協(xié)議

為了保證服務(wù)的高可用性，充分利用環(huán)網(wǎng)拓?fù)涮峁┑娜哂嘟Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)使用MRP重新配置協(xié)議。該協(xié)議保證無環(huán)回的拓?fù)?，?jīng)實(shí)際測試能夠在50ms以內(nèi)完成自身重新配置，并將數(shù)據(jù)流自動引導(dǎo)到另一個方向傳輸?shù)竭_(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

該協(xié)議是 “Hello”數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)包由環(huán)網(wǎng)服務(wù)器設(shè)備的一個環(huán)接口 （環(huán)接口1）發(fā)送，在環(huán)網(wǎng)服務(wù)器設(shè)備的另一個環(huán)接口 （環(huán)接口2）接收（環(huán)上每臺交換機(jī)有2個環(huán)接口）。一旦收到 “Hello”數(shù)據(jù)包，環(huán)接口2將保持在監(jiān)聽模式；也就是說環(huán)接口2接收但不能轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)包。MRP原理如圖2所示。

當(dāng)環(huán)網(wǎng)上斷了1根光纖后，環(huán)接口2收不到“Hello”數(shù)據(jù)包，且連續(xù)3次收不到 “Hello”數(shù)據(jù)包，環(huán)服務(wù)器就認(rèn)為環(huán)上有1個鏈路斷開：環(huán)接口2將改變發(fā)送模式，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。環(huán)網(wǎng)被重新配置，所有連接至環(huán)網(wǎng)上的設(shè)備都可以正常通信，降級情況如圖3所示。

圖2 MRP原理－正常情況

圖3 MRP原理－降級情況

如果環(huán)接口2再次收到 “Hello”數(shù)據(jù)包，那么環(huán)網(wǎng)服務(wù)器將強(qiáng)制環(huán)接口2恢復(fù)監(jiān)聽模式。

3 能力分析

根據(jù)CBTC應(yīng)用環(huán)境要求，軌旁骨干網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)具備2種能力：不同應(yīng)用業(yè)務(wù)獨(dú)立傳輸能力；傳輸介質(zhì) （光纖）故障保護(hù)能力。

3．1 獨(dú)立傳輸能力

工業(yè)以太網(wǎng)是從民間以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來，依舊執(zhí)行CSMA／CD，即載波偵聽多路訪問／沖突檢測的方法。在此條件下，各種應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包都在一種無序狀態(tài)下傳送，安全、非安全不同等級數(shù)據(jù)包都采用同樣處理方法，只靠接收端去識別數(shù)據(jù)包是否應(yīng)該接受，這對于CBTC系統(tǒng)存在不小的安全隱患。為此地鐵信號系統(tǒng)的設(shè)備廠商采用不同的通信協(xié)議和加密方式，對安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)進(jìn)行有效隔離，并采用雙獨(dú)立環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而SDH的MSTP技術(shù)是通過EPLAN技術(shù)，把不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)裝進(jìn)不同虛容器（VC）中，實(shí)現(xiàn)物理層隔離，各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獨(dú)立傳輸，相互無影響。

3．2 故障保護(hù)能力

工業(yè)以太網(wǎng)和MSTP技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形組網(wǎng)，且在傳輸介質(zhì) （光纖）故障時，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間小于50ms。工業(yè)以太網(wǎng)的組網(wǎng)方案采用雙環(huán)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個環(huán)網(wǎng)相互獨(dú)立，互為冗余，故能抵御傳輸介質(zhì)的單處故障，甚至多處故障；而MSTP技術(shù)可以提供多種組網(wǎng)方式，例如環(huán)形、相交環(huán)、相切環(huán)、線性、Mesh等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時提供2纖／4纖復(fù)用段保護(hù)技術(shù)，其中4纖復(fù)用段保護(hù)技術(shù)能夠在傳輸介質(zhì)多處故障情況下，保證網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行。

MSTP技術(shù)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，MSTP設(shè)備廣泛應(yīng)用在電信網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)品成熟度和可靠性極高；工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)采用的均是工業(yè)級設(shè)備，滿足工業(yè)級EMC測試標(biāo)準(zhǔn)，其抗震、防沖擊、抗電磁干擾能力較強(qiáng)，設(shè)備的可靠性較高，更能適應(yīng)地鐵運(yùn)行中的各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境。同時，受項(xiàng)目工期和市政規(guī)劃等因素影響，國內(nèi)地鐵線路具有分段式開通，后期規(guī)劃延伸線等特點(diǎn)，采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)交換機(jī)進(jìn)行有線傳輸通信，網(wǎng)絡(luò)更易于擴(kuò)展和管理，工程實(shí)施更易操作，只需將延伸線交換機(jī)接入既有線路的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)即可。

4 總結(jié)

綜上，基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)具備傳輸延遲小、傳輸寬帶大、便于管理等特性，具有抗毀／自恢復(fù)能力，能適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境。目前國內(nèi)地鐵線路也要求數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如在建的成都4號線，深圳11號線等項(xiàng)目均采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)方案。隨著工程實(shí)際應(yīng)用的不斷增加，基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)方案在技術(shù)上一定會更加成熟和可靠，運(yùn)營維護(hù)和投資經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性將逐步體現(xiàn)，必然會得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］ 付嵩，孟凡江，王忠峰．城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)研究［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2012（3）．

［2］ 林海香，董昱．無線CBTC系統(tǒng)車地通信方案研究［J］．蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（12）．

［3］ 孫路．無錫地鐵2號線CBTC數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)簡析［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2013（3）．