地鐵智能運(yùn)維平臺的環(huán)網(wǎng)架構(gòu)及其性能分析

覃 旺

目前,廣州地鐵信號系統(tǒng)維修維護(hù)模式主要以周期檢修、預(yù)防維修為主,人力成本和材料成本消耗巨大,只能依靠檢修人員以及復(fù)雜的維修管理流程保證設(shè)備維修質(zhì)量。當(dāng)檢修人員或維修管理環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時,就會導(dǎo)致設(shè)備故障。為了提高信號系統(tǒng)維修水平,降低人力和材料消耗,同時保證信號系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行,廣州地鐵、廣州鐵科智控公司聯(lián)合開展了信號系統(tǒng)智能運(yùn)維平臺的研究。

智能運(yùn)維平臺需要采集各線路列車運(yùn)行和關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)等信息，并通過分布式控制系統(tǒng)DCS 系統(tǒng)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)；根據(jù)DCS 系統(tǒng)設(shè)計的四維評價法［1-2］，可通過設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜哂?，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高可靠保護(hù)；同時，部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)對時延要求敏感，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在故障切換過程中，盡可能地縮短切換時間。本文根據(jù)DCS 系統(tǒng)需求，提出了3 種不同的基于ERPS協(xié)議的環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，通過可靠性的分析、計算和對比，以及收斂性能的測試和分析，其結(jié)果可直接用于軌道交通或相關(guān)領(lǐng)域，工程人員可根據(jù)實際條件來選擇合適的組網(wǎng)架構(gòu)。

1 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

1.1 全冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

1）接入冗余。服務(wù)器雙歸接入交換機(jī)，服務(wù)器啟用雙網(wǎng)卡綁定功能，其中主、備網(wǎng)卡分別接入主交換機(jī)和備交換機(jī)，正常時，主網(wǎng)卡處于活躍狀態(tài)，備網(wǎng)卡處于靜默狀態(tài)。當(dāng)主網(wǎng)卡出現(xiàn)故障時，服務(wù)器的備網(wǎng)卡立刻激活，代替主網(wǎng)卡工作，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

2）交換機(jī)冗余。在每個節(jié)點機(jī)柜布置2 臺交換機(jī)，一臺為主，一臺為備，兩交換機(jī)之間通過堆疊線互連，用以傳輸心跳報文或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。當(dāng)主交換機(jī)故障時，數(shù)據(jù)切換到備交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

3）線路冗余。節(jié)點之間主交換機(jī)與主交換機(jī)互連，備交換機(jī)與備交換機(jī)互連。配置跨設(shè)備的鏈路聚合，將2 條鏈路劃入同一個跨設(shè)備Eth-Trunk接口，實現(xiàn)鏈路間的備份，保證了數(shù)據(jù)流量的可靠傳輸。

4）拓?fù)淙哂唷＞W(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榄h(huán)型，通過ERPS協(xié)議避免產(chǎn)生環(huán)路，防止發(fā)生廣播風(fēng)暴；同時在出現(xiàn)故障時，可快速激活冗余備份鏈路，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性，可達(dá)到電信級切換要求［3］。

該組網(wǎng)架構(gòu)可以保證環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)二度故障時，業(yè)務(wù)不中斷。全冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)湟妶D1。

圖1 全冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)?/p>

1.2 雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

1）接入冗余。服務(wù)器2 塊網(wǎng)卡不綁定，每個網(wǎng)卡均處于活躍狀態(tài)。2 塊網(wǎng)卡分別接到2 個互相獨立的環(huán)網(wǎng)1 和環(huán)網(wǎng)2，由服務(wù)器的上層軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“雙發(fā)選收”，進(jìn)行業(yè)務(wù)保護(hù)。

2）交換機(jī)冗余。在每個節(jié)點機(jī)柜布置2 臺交換機(jī)，不區(qū)分主備，不需要互連，也不需要組成堆疊。2 臺交換機(jī)分別屬于2 個獨立的環(huán)網(wǎng)Ring1 和環(huán)網(wǎng)Ring2，任何1 臺交換機(jī)故障都只會影響其中1 個環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)冗余保護(hù)。

3）線路冗余。節(jié)點之間的2 條鏈路分別屬于不同環(huán)網(wǎng)，其中1 條出現(xiàn)故障不影響另一個環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行，實現(xiàn)線路冗余。

4）拓?fù)淙哂唷? 個獨立環(huán)網(wǎng)分別運(yùn)行ERPS 協(xié)議，在環(huán)內(nèi)避免發(fā)生廣播風(fēng)暴，并在故障切換時進(jìn)行業(yè)務(wù)倒換，實現(xiàn)環(huán)內(nèi)保護(hù)；環(huán)網(wǎng)Ring1 和環(huán)網(wǎng)Ring2 互為備份，進(jìn)一步提高了其可靠性。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同樣可以保證環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)二度故障時，業(yè)務(wù)不中斷。雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)湟妶D2。

圖2 雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)?/p>

1.3 單環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

單環(huán)網(wǎng)架構(gòu)是雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的簡化，即去掉環(huán)網(wǎng)Ring2，只保留1 個環(huán)網(wǎng)。該架構(gòu)無接入冗余、線路冗余、交換機(jī)冗余，只存在環(huán)路的拓?fù)淙哂?，可靠性相對較低；但由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了交換機(jī)資源和光纜（或電纜） 資源，降低了投資成本。單環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)湟妶D3。

圖3 單環(huán)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)?/p>

2 可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性計算是當(dāng)前研究的熱門方向，主要有：狀態(tài)枚舉法、因子分解法、最小路（割）集法、不交化方法等精確算法；定界法、圖變換、模擬法等近似算法［4-6］。這些計算方法都能有效解決網(wǎng)絡(luò)可靠性的計算問題，但均較為復(fù)雜，直接應(yīng)用于工程實踐存在較大難度。本文提出的3種環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則，每條鏈路、每個交換機(jī)的狀態(tài)相互獨立，可根據(jù)古典概型直接計算可靠性，計算過程如下。

2.1 全冗余環(huán)網(wǎng)可靠性計算

全冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)淇傻刃橐恍┗靖罴拇⒙?lián)［7］，其等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 全冗余環(huán)網(wǎng)等效架構(gòu)

假設(shè)任意一條鏈路的可靠性為λ，任意一臺交換機(jī)的可靠性為P，服務(wù)器發(fā)送端下掛在節(jié)點1，服務(wù)器接收端下掛在節(jié)點k，整個環(huán)路有n 個節(jié)點，系統(tǒng) 整體可 靠 性 為P1。記u=2λ-λ2，v=[λP(2-λP)]，x=(1-P)·(λ+P-λP)·(λP)2，得到：

式中，P（La）為在環(huán)路無故障時，數(shù)據(jù)流通過順時針方向鏈路La傳輸?shù)目煽啃?；P（Lb）為在順時針鏈路La不通后，數(shù)據(jù)流通過逆時針方向鏈路Lb傳輸?shù)目煽啃?。為了減小計算P（La）、P（Lb）時的計算量，本文做了以下工程化假設(shè)。

1）通過拓?fù)浞指畛苫ハ嗒毩⒌淖蛹髟O(shè)備與主鏈路、備設(shè)備與備鏈路各看作一個基本割集，本節(jié)點內(nèi)只需要保證任意一個割集聯(lián)通，就認(rèn)為本節(jié)點通向相鄰節(jié)點存在一條有效路徑。此時，有2 種耦合形式會導(dǎo)致“黑洞路徑”，需要排除。“黑洞路徑”如圖5 紅線所示。

2）主備交換機(jī)之間的堆疊線，其距離近，且布置在有人值守機(jī)柜內(nèi)，故障時可立即替換，維修耗時接近于0，因此可以忽略其可靠性對系統(tǒng)整體可靠性的影響，即默認(rèn)可靠性等于1。

根據(jù)上述假設(shè)，記：

根據(jù)串并聯(lián)概率計算方法，計算通過鏈路La通信的可靠性：

計算在La上發(fā)生“黑洞路徑”概率，得到：

圖5 節(jié)點間耦合故障

計算整條La的可靠性：

同理，可求得在La故障時，數(shù)據(jù)通過Lb傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

將式（2）、（9）、（8）代入式（1）、（3），得：

2.2 雙環(huán)網(wǎng)可靠性計算

雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)湟嗫傻刃橐恍┗靖罴ㄟ^串并聯(lián)而成，其等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。

假設(shè)任意一條鏈路可靠性為λ，任意一臺交換機(jī)可靠性為P，服務(wù)器發(fā)送端下掛在節(jié)點1，服務(wù)器接收端下掛在節(jié)點k，整個環(huán)路有n 個節(jié)點，系統(tǒng)整體可靠性P2，并記w =P(A網(wǎng))。則有：

圖6 雙環(huán)網(wǎng)等效架構(gòu)圖

將式（14）代入（13），得

將（15）式代入（12），有

2.3 單環(huán)網(wǎng)可靠性計算

單環(huán)網(wǎng)只有1個ERPS 環(huán)，其可靠性即為雙環(huán)網(wǎng)A 網(wǎng)的可靠性。設(shè)單環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)整體可靠性為P3，有：

2.4 可靠性對比

根據(jù)廣州地鐵集團(tuán)公司的光纜、交換機(jī)故障維修記錄，在2004—2016 年的12 年時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)故障主要來源于光纖鏈路故障，未發(fā)生過因為交換機(jī)故障而造成的網(wǎng)絡(luò)中斷。

根據(jù)交換機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)，其MTBF（平均無故障時間）=57 年，MTTR（平均修復(fù)時間）=2h，則根據(jù)可維修系統(tǒng)的可靠性計算公式［8～9］，有

計算得到交換機(jī)可靠性P=0.99999，為計算方便，取值P=0.99。

對于光纜故障，由于其發(fā)生的隨機(jī)性較大，光纜可靠性λ 可視為變量，在0.9～1 變化區(qū)間內(nèi)，觀察其對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響。

根據(jù)上述分析計算結(jié)果，本文給出不同n（環(huán)網(wǎng)節(jié)點總數(shù)）、k（環(huán)網(wǎng)中，服務(wù)器接收端下掛的節(jié)點編號，該變量表示接收端到發(fā)送端的距離）值的可靠性曲線，如圖7 所示。同時，為了直觀看出不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可靠性，給出故障率變化曲線，如圖8 所示。

由圖7、圖8 可看出，全冗余環(huán)網(wǎng)的可靠性最高，雙環(huán)網(wǎng)次之，單環(huán)網(wǎng)的可靠性最低。由于全冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用心跳線互聯(lián)，可提供更多連通路徑。經(jīng)過分析計算得出：當(dāng)設(shè)備可靠性、鏈路可靠性均在0.999 以上時，全冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的故障率比雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的故障率低3個數(shù)量級。

圖7 3 種環(huán)網(wǎng)的可靠性對比

3 收斂性能分析

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)拓?fù)涓淖兓蛘吖收蠒r，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)鏈路切換。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)收斂過程中，不同組網(wǎng)方式、不同協(xié)議條件下會產(chǎn)生不同的故障切換時間［10-12］。本文針對3 種組網(wǎng)架構(gòu)，采用6 臺華為S5700 交換機(jī)，分別根據(jù)圖1～圖3，在節(jié)點數(shù)n=3 條件下，給出在一度、二度故障條件下的試驗結(jié)果，并簡單分析影響切換時間的因素。3 種組網(wǎng)方式的性能對比見表1。

圖8 3 種環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的故障率對比

表1 3 種組網(wǎng)形式性能對比

續(xù)表

經(jīng)過測試結(jié)果對比分析，可以看到，全冗余網(wǎng)絡(luò)收斂最慢，雙環(huán)網(wǎng)和單環(huán)網(wǎng)收斂性能相當(dāng)，但單環(huán)網(wǎng)可靠性低，不能進(jìn)行二度故障保護(hù)。

4 結(jié)論

3 種組網(wǎng)方式各有優(yōu)缺點，對比如表2 所示。

表2 3 種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點對比

綜上所述，在一些對可靠性要求極高的場合，全冗余環(huán)網(wǎng)是首選方案，適合在信號系統(tǒng)部署；在一些對可靠性、時延有一定要求，但要求又不是特別高的場合，雙環(huán)網(wǎng)方案是首選，適合在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署；在一些可靠性要求較低、時延要求高，且價格敏感的應(yīng)用場合，如運(yùn)維系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)等，可優(yōu)先考慮單環(huán)網(wǎng)方案［13-18］。目前，3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在廣州地鐵舊線運(yùn)維、新線建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，將來可在軌道交通其他線路或其他應(yīng)用領(lǐng)域推廣。