關于冗余光纖環(huán)網在成都地鐵AFC系統(tǒng)中的應用

宋林

摘要：文章結合成都地鐵AFC系統(tǒng)網絡實際，闡述了冗余光纖環(huán)網技術在成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的應用及自動售檢票系統(tǒng)中以太網的分類，分析了冗余光纖環(huán)網的優(yōu)點及工作原理，列舉了部分常見網絡故障的分析處理，探討了光纖冗余環(huán)網在自動售檢票系統(tǒng)中的網絡管理和維護工作。

關鍵詞：光纖冗余環(huán)網；主干網絡；自動售檢票系統(tǒng)；計算機網絡通信；星、環(huán)型復合網絡拓撲結構

成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)（簡稱AFC系統(tǒng)）是一套包括自動控制、計算機網絡通信、現金自動識別、微電子計算、機電一體化、嵌入式系統(tǒng)和大型數據庫管理等高新技術運用，實現軌道交通售票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計、清風、管理等過程的自動化系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)根據各層設備和子系統(tǒng)的功能、管理職能和所處位置，自上而下可分為五層架構，分別為清分系統(tǒng)（ACC）、線路中央計算機系統(tǒng)（LC）、車站計算機系統(tǒng)（SC）、終端設備（SLE）、車票。其中，車站計算機系統(tǒng)和終端設備可稱為站級系統(tǒng)，主要由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）、自動驗票機（TCM）、半自動售票機（BOM）和車站計算機（SC）組成，直接面向乘客。從數量上講，AFC系統(tǒng)中的設備主要分部于各線路各個車站站廳內，本文講述的光纖冗余環(huán)網技術在自動售檢票系統(tǒng)的應用，就是主要講述在AFC車站級系統(tǒng)中的應用。光纖冗余環(huán)網技術作為構成自動售檢票系統(tǒng)的一個重要組成部分為自動售檢票系統(tǒng)提供了一個穩(wěn)定和快速的工業(yè)以太網網絡環(huán)境。因此，如何管理和維護冗余光纖環(huán)網對發(fā)揮自動售檢票系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著十分重要的現實意義。

1. AFC系統(tǒng)中的以太網簡介

目前，成都地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的以太網按照網絡拓撲結構分類主要有兩種：星型結構和環(huán)型拓撲結構的以太網，環(huán)型拓撲結構網絡為冗余光纖環(huán)網。位于車站層的AFC設備包括SC服務器、緊急控制器、票務工作站、監(jiān)控工作站等監(jiān)控及數據管理設備；TVM自動售票機、BOM半自動售票機、AGM自動檢票機、TCM自動驗票機等終端設備；以及支持環(huán)網功能的三層交換機、二層交換機、尾纖盒等網絡設備。

1.1 環(huán)網構成

三層交換機及二層交換機通過光纖傳輸介質，串接組成一個封閉的環(huán)形網絡（也可稱為主干網絡）。由于光纖跳線柔軟易折斷，相鄰兩臺交換機的連接若需要經過線槽，還需將光纖跳線轉接成光纜后進線槽。

三層交換機也稱為環(huán)網的主交換機，布置在車站的AFC設備房內，一個車站有且僅有一臺三層交換機。三層交換機通過通信專業(yè)的傳輸系統(tǒng)與LC網絡連接，同時本站的SC服務器、票務工作站、監(jiān)控工作站等設備接入三層交換機，此為星形連接。該交換機負責將車站級票務數據向上層（LC）傳輸。

二層交換機分布于站廳的終端設備內部，負責就近接入位于站廳內的終端設備，此為星形連接。每個車站的二層交換機數量根據終端設備數量多少而定（目前，成都地鐵使用的二層交換機一般可接入6臺終端設備）。

如圖1，橙色實線為光纖，將三層交換機和若干二層交換機串接組成光纖環(huán)形網絡，即主干網絡；藍色虛線網線，是連接SC服務器、工作站、終端設備、綜合監(jiān)控設備以及接入通信網絡使用的傳輸介質。

2. 光纖冗余環(huán)網技術的應用

2.1 冗余環(huán)網協(xié)議

目前，計算機網絡領域常用的環(huán)網協(xié)議有Ring、Turbo Ring、supreme-ring、HIPER Ring等。成都地鐵2號線所用交換機品牌為赫斯曼光纖交換機（三層：PowerMICE MS4128-L3EHC，二層：RSB20-0800M2M2），采用HIPER Ring環(huán)網協(xié)議；地鐵4號線二期所用交換機品牌為卓越光纖交換機，采用supreme-ring環(huán)網協(xié)議，其它線路也使用相關的環(huán)網協(xié)議。不管各線路使用何種環(huán)網協(xié)議，其協(xié)議均有虛擬冗余鏈路（VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol）及快速環(huán)網收斂功能（RRPP，Rapid Ring Protection Protocol）。

2.2 冗余鏈路的實現

如圖2和3，AFC系統(tǒng)設備通過光纖連接成一個封閉的環(huán)形，并且所有設備都可以與其他設備進行通信。2號線赫斯曼系列交換機，通過HIPER Ring環(huán)網協(xié)議及設定指定環(huán)網中的三層交換機作為主交換機。正常通信時，主交換機僅啟用一個環(huán)網端口（狀態(tài)為“轉發(fā)”），而另一個環(huán)網端口為“阻塞”狀態(tài)，與其連接的鏈路稱為“虛斷路”，此時，所有終端設備產生的數據傳輸到二層交換機后，二層交換機統(tǒng)一朝環(huán)網的一個方向傳輸，最終傳輸到主交換機，并由主交換機進行轉發(fā)。

如圖4，當環(huán)網中任一鏈路出現斷點時，主交換機立即進行網絡收斂，“學習”并存儲出現斷點后的網絡結構。即：主交換機通過定時發(fā)送監(jiān)測數據包來檢測環(huán)網鏈路是否出現故障，一旦接收不到應答，主交換機就會確定為環(huán)網結構中存在斷點。此時，主交換機立即啟用“阻塞”環(huán)網端口，將其狀態(tài)轉變?yōu)椤稗D發(fā)”狀態(tài)。斷點兩側的二層交換機收到終端設備的數據后，向斷點兩側的方向傳輸到主交換機，從而實現冗余鏈路的功能。這在計算機網絡領域被稱為“冗余環(huán)網”。

圖 4 出現斷點，啟用虛斷鏈路

2.3 冗余環(huán)網的優(yōu)點

近幾年，各個城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，其舒適、準點、快捷的體驗使得人們越來月青睞，日益增多的乘客使得對車站AFC終端設備的需求也隨之增加。目前，成都地鐵為應對不斷增加的客流，積極采取有效措施，時常會對車站AFC設備進行改造，常常會增加終端設備。而一臺二層交換機最多能接入6臺終端設備，這使得改造時需要增加環(huán)網的接入能力。

理論上，我們只需要增加二層交換機就可增加終端設備的接入量，事實也是這樣的。我們在進行設備改造時，將二層交換機加到加裝終端設備就近的位置，只需將對應位置的環(huán)網鏈路去除，重新接入增加的二層交換機即可，而無需影響其它二層交換機及三層交換機。

綜上，冗余鏈路功能讓AFC系統(tǒng)主干網絡鏈路的暢通得到了保障。除了冗余功能，因為采用了光纖作為傳輸介質，光纖冗余環(huán)網還具有傳輸速率高、抗電磁干擾性強的優(yōu)點。光纖環(huán)網技術的應用提高了AFC系統(tǒng)網絡通信的可靠性和穩(wěn)定性。

3 AFC系統(tǒng)中環(huán)形網絡的管理

3.1 網絡管理

AFC系統(tǒng)作為實時面向乘客的計程、計費的一套自動售檢票設備，加之移動互聯(lián)的現場運營需求，要求車站AFC終端設備能夠實時保持網絡通信暢通。光纖冗余環(huán)網作為AFC系統(tǒng)網絡中的重要組成部分，現場維保人員對其管理和維護技能的掌握顯得越發(fā)重要。在車站AFC環(huán)形網絡中，網絡的管理和維護重點工作可分為以下幾個方面：

1）網絡設備的管理。AFC系統(tǒng)中的光纖環(huán)網設備包括各類AFC設備、尾纖盒（光纖轉接器）和網絡交換機等。網絡交換機的管理主要通過支持Java的Web瀏覽器實現，通過Web界面可以實時查看交換機的各種參數和運行狀態(tài)，并可根據需要對三層交換機的配置參數進行備份，便于更換三層交換機后導入配置，快速恢復現場網絡。AFC設備的管理主要通過制定定期的維護工作和實時的網絡狀態(tài)監(jiān)控進行。

2）網絡鏈路的管理。采用有冗余通信功能的AFC系統(tǒng)網絡，由于具備了冗余和自愈功能，在管理上需要定期對設備的鏈路狀態(tài)進行檢查，讓冗余功能發(fā)揮應有的作用。通用實現方式為：通過Web實時監(jiān)控網路鏈路的檢查，判斷網路鏈路狀態(tài)和設備端口信息，保障網路的暢通。成都地鐵2號線使用的赫斯曼交換機，主交換機具有環(huán)網管理故障指示功能，可通過查看RM指示燈實時監(jiān)測環(huán)網鏈路狀態(tài)，較為方便。

3.2 常見網絡故障分析和診斷

在AFC系統(tǒng)光纖環(huán)網中，可以通過Web網頁記錄故障發(fā)生的歷史。網絡的故障可以分為鏈路故障、協(xié)議故障、配置故障和交換機故障。故障處理過程中需要注意網絡數據的備份和恢復?，F場網絡故障多為鏈路故障：

1）SC服務器、工作站離線或單臺終端設備掉線的故障。由于此類故障表現為單臺網絡故障，故車站環(huán)網一般無故障，應檢查故障設備或服務器的網線鏈路是否斷開、松脫。

2）一組或多組終端設備出現網絡故障（如：無法實現移動支付）。此類故障具有一組或多組設備的特點，且故障設備在物理位置上連續(xù)，也即連在同一臺二層交換機的終端設備出現網絡故障。此類故障現象可從兩方面展開分析：一是相連的二層交換機故障，更換交換機可恢復；二是環(huán)網中出現兩個斷點，導致兩個斷點之間的設備被孤立，從而導致網絡故障，在兩個斷點處仔細檢查光纖跳線是否被損壞或連接不良，進行相應處理。

3）單個車站全部終端設備、服務器均出現網絡故障。此類故障范圍表現為車站所有AFC設備出現網絡故障，極有可能該環(huán)網連向上層（即連向通信網絡）的鏈路被中段，導致車站所有設備無法與LC和ACC通信，進而表現為車站全部AFC設備無法進行移動支付。檢查三層交換機與通信專業(yè)的連接鏈路，進行相應的處理。

另外此類故障還可能是三層交換機故障導致，此情況可能性較小。

4結語

光纖冗余環(huán)網技術在城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中的應用，因為光纖的接入，可使AFC系統(tǒng)車站主干網絡保持連通性更加可靠；采用環(huán)形網絡的架構使得AFC系統(tǒng)網絡管理模式更加多樣化，提高了自動售檢票系統(tǒng)網絡的穩(wěn)定性和安全性，同時，環(huán)網架構還利于后期設備改造增減主干網絡終端設備接入能力，其在自動售檢票系統(tǒng)中的應用也會越來越廣泛。

參考文獻：

[1] 王軍，蘇含貴.自動售檢票系統(tǒng)（AFC）檢修工[M].四川：西南交通大學出版社，2017.

[2] 李成忠，靳桅.計算機網絡[M].北京：清華大學出版社，2010.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）