信號系統(tǒng)骨干網(wǎng)連接方式的探討

徐義彤

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，江蘇蘇州 215000)

1 概述

信號系統(tǒng)是整個(gè)城市軌道交通自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要部分，完成保證列車和乘客的安全，實(shí)現(xiàn)快速、高密度、有序運(yùn)行的功能。信號系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式直接影響信號系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。信號系統(tǒng)的骨干網(wǎng)通過有線網(wǎng)絡(luò)為控制中心、車站、軌旁、車輛段、停車場的信號設(shè)備提供傳輸通道。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)，信號系統(tǒng)骨干網(wǎng)組網(wǎng)方式主要有兩種方式：一是線型組網(wǎng)方式，另一種就是環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式。目前這兩種組網(wǎng)方式在不同的信號系統(tǒng)供應(yīng)商都有應(yīng)用。本文以蘇州軌道交通2 號線信號系統(tǒng)為依托，從線型組網(wǎng)方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工作原理，優(yōu)缺點(diǎn)等角度，介紹基于線型組網(wǎng)方式的CBTC 系統(tǒng)，從而提出環(huán)型組網(wǎng)方式，總結(jié)不同組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為新建線路的信號系統(tǒng)建設(shè)提供建議。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

蘇州軌道交通2 號線采用西門子基于無線通信的列車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)骨干網(wǎng)所需的光纜鋪設(shè)在線路兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)冗余功能，信號系統(tǒng)線型骨干網(wǎng)主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、光纖熔接盒組成。通過交換機(jī)將各站光纖串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。信號系統(tǒng)包括信號ATS 子系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌旁ATP系統(tǒng)、計(jì)軸系統(tǒng)、無線系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)采用單獨(dú)的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通常在車輛段、停車場，正線各站、OCC 各設(shè)備房布置兩臺交換機(jī)通過光纖網(wǎng)絡(luò)組成兩套互為冗余的線型網(wǎng)絡(luò)。不同子系統(tǒng)在聯(lián)鎖站通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。按照子系統(tǒng)可以將傳輸總線劃分為：聯(lián)鎖總線、ECC 總線、ATS 總線、FEP 總線、SIC 總線、AC 總線，現(xiàn)場預(yù)留一組總線作為備用。其中聯(lián)鎖總線用來傳輸相鄰聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，ECC 總線用來傳輸設(shè)備集中站ECC-CU 板之間的通訊，ATS 總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)EP 總線用來中央ATS系統(tǒng)各終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，SIC 總線用來轉(zhuǎn)發(fā)列車停穩(wěn)后發(fā)車倒計(jì)時(shí)的信息。AC 總線用來控制計(jì)軸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。光纖熔接盤的總線端口劃分如圖1 所示。

圖1 光纖盤端口分配圖Fig.1 Distribution of ports on the optical fiber panel

其中FEP 總線和聯(lián)鎖總線光纖在非聯(lián)鎖站采取光纖跳線方式，在聯(lián)鎖站通過尾纖接入交換機(jī)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)。ECC 總線通過每個(gè)聯(lián)鎖區(qū)的ECC 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)并接入聯(lián)鎖站的聯(lián)鎖交換機(jī)。在全線各站配置兩臺ATS 交換機(jī)和一臺SIC 交換機(jī)，通過ATS交換機(jī)實(shí)現(xiàn)ATS 總線的串聯(lián)，ATS 總線作為系統(tǒng)的骨干網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)ATS 系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、ATP 系統(tǒng)、無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。SIC 總線通過SIC 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)并最終連接至聯(lián)鎖站的接口計(jì)算機(jī)。如圖2所示，圖2 中藍(lán)色為聯(lián)鎖總線，黑色為ATS 總線，綠色為ECC 總線，黃色為AC 總線，紫色為無線總線，灰色為FEP 總線，紅色為SIC 總線。圖2 中接點(diǎn)表示相應(yīng)總線上的交換機(jī)。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備連接圖Fig.2 Connections of onsite equipment

3 工作原理

信號系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)的功能將光纖傳輸通道進(jìn)行分組，每4 束光纖組成一個(gè)拓?fù)淇偩€，其中主用通道兩束，備用通道兩束，同時(shí)信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線采用冗余設(shè)計(jì)，現(xiàn)場布置兩套一致的光纖傳輸通道，在正線、場段、控制中心通過交換機(jī)及光纖熔接盒將全線設(shè)備串聯(lián)成線型網(wǎng)絡(luò)。劃分后各子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上采用獨(dú)立的光纖，避免相關(guān)干擾，專網(wǎng)專用。各設(shè)備集中站的元件控制計(jì)算機(jī)采集現(xiàn)場設(shè)備（如轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、軌道區(qū)段）狀態(tài)，經(jīng)過交換機(jī)傳輸?shù)铰?lián)鎖計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)運(yùn)算后通過ECC 總線控制設(shè)備集中站的ECC-CU 板卡。聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)及ATP 計(jì)算機(jī)通過ATS 交換機(jī)接入ATS 總線實(shí)現(xiàn)與ATS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，聯(lián)鎖數(shù)據(jù)經(jīng)過ATS 總線傳輸?shù)礁髡镜慕K端進(jìn)行顯示，反之ATS 終端的操作指令經(jīng)ATS 總線傳輸?shù)铰?lián)鎖計(jì)算機(jī)經(jīng)過運(yùn)算后作用到現(xiàn)場設(shè)備。本地ATS 系統(tǒng)與中央ATS 系統(tǒng)在聯(lián)鎖站通過接口計(jì)算機(jī)（LFEP）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，聯(lián)鎖數(shù)據(jù)經(jīng)LFEP 轉(zhuǎn)發(fā)后通過FEP 總線將傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行顯示，控制中心的指令亦可通過FEP 總線下達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備。

4 能力分析

信號系統(tǒng)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指采用單根數(shù)據(jù)傳輸線作為通信介質(zhì)（光纖），所有的站點(diǎn)都通過相應(yīng)的硬件接口直接連接到通信介質(zhì)，而且能被所有其他的站點(diǎn)接收。根據(jù)信號系統(tǒng)子系統(tǒng)不同，可劃分為不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VLAN）。線型組網(wǎng)的信號系統(tǒng)總體上工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低，各子系統(tǒng)即相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接簡單,并且容易拓展，當(dāng)線路需要延伸時(shí)，可將延伸線設(shè)備通過耦合的方式接入主線網(wǎng)絡(luò)。這種連接方式只需在區(qū)間上下行各布置一根電纜，通過交換機(jī)串聯(lián)成線型冗余的網(wǎng)絡(luò)，需要的設(shè)備少，工程成本低，施工起來比較方便。但當(dāng)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中傳輸節(jié)點(diǎn)，如交換機(jī)故障，或傳輸介質(zhì)故障如光纖斷開，此時(shí)整個(gè)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就被切斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法通過總線進(jìn)行傳輸，如圖3 所示，當(dāng)3 號站交換機(jī)故障時(shí)，3 站的數(shù)據(jù)無法傳輸至1 號站，導(dǎo)致1 號站和2 號站設(shè)備無法正常使用。對于聯(lián)鎖總線和FEP 總線，由于只需要在聯(lián)鎖站接入交換機(jī)，其他站均采取跳線形式，兩個(gè)聯(lián)鎖站之間線路長，使用的光纖也會(huì)出現(xiàn)損耗大的情況，從而影響數(shù)據(jù)傳輸?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用的分布式協(xié)議不能保證信息的及時(shí)傳送，不具有實(shí)時(shí)功能，這也導(dǎo)致終端設(shè)備存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

圖3 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of bus mode

5 新型組網(wǎng)方式

線型組網(wǎng)方式在每個(gè)車站布置冗余的網(wǎng)絡(luò)提高可靠性，但是未考慮到外部環(huán)境因素造成的整個(gè)設(shè)備房斷電造成網(wǎng)絡(luò)中斷的異常情況，此時(shí)系統(tǒng)傳輸鏈路被切斷，聯(lián)鎖數(shù)據(jù)及無線數(shù)據(jù)無法通過總線進(jìn)行傳輸，對行車影響較大。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，可以將線型組網(wǎng)方式改為環(huán)網(wǎng)方式。在新建線路中，環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式已經(jīng)成為一種趨勢。信號系統(tǒng)環(huán)型結(jié)構(gòu)是指在總線型基礎(chǔ)上通過首尾相連的閉合環(huán)型通信線路，并采用環(huán)網(wǎng)保護(hù)機(jī)制使通信鏈路抑制成環(huán)。對于既有線采用線型網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)可以進(jìn)行升級改造，如圖4 所示，將1 號站與4 號站首尾相連組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在工作路徑發(fā)生故障后，故障點(diǎn)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)馬上知曉故障，并做出相應(yīng)的保護(hù)切換措施，把流量由工作路徑倒換到方向相反的保護(hù)路徑上去，由反向的保護(hù)路徑“繞道”抵達(dá)故障點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這樣就繞過了故障節(jié)點(diǎn)。當(dāng)ST02-ST03 鏈路故障時(shí)，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榭偩€型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會(huì)自動(dòng)從相反的路徑到達(dá)目的地。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相比總線型網(wǎng)絡(luò)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時(shí)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)采用光纜少，也減少光纖損耗，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖4 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topological structure of ring mode

6 總結(jié)

信號系統(tǒng)作為地鐵機(jī)電系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)，其安全可靠性直接影響行車安全，影響乘客體驗(yàn)。國內(nèi)早期線路中采用西門子信號系統(tǒng)的組網(wǎng)方式大多采用線型組網(wǎng)，如蘇州1 號線，蘇州2 號線，南京3 號線。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初未考慮外界因素影響，如電源故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷從而影響到整個(gè)信號系統(tǒng)，在新建線路中，如蘇州5 號線，南京7 號線均將系統(tǒng)組網(wǎng)方式采取環(huán)網(wǎng)方式，相比于線型組網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)連接方式系統(tǒng)可靠性更高，通信鏈路故障造成的影響小，逐漸成為信號系統(tǒng)組網(wǎng)的優(yōu)先選擇。