廣州市軌道交通三號線主控系統骨干網的設計和選用

趙馳 張劭
（廣州地鐵總公司建設總部，廣州 510380）

摘 要 本文從三號線主控骨干網的選型原則、組網方式、網絡特點分析等幾個方面進行介紹，并根據工程檢驗闡述主控骨干網在應用過程中需關注的幾個技術關鍵。

關鍵詞 千兆以太網 主控系統 應用

Design and Selection of The MCS Backbone Network in Guangzhou Metro Line 3
ZhaoChi ZhangShao
(Guangzhou Metro Corporation Construction Business Division， 510380)
Abstract: This text intreduces the Seletion ,the compose, the Specialty, the application of the MCS Backbone Network in Guangzhou Metro line 3. It expounds that we should mainly emphasize the sereral key of technique issue in the application of the MCS Backbone Network .
Keywords: 1Gb/s Ethernet MCS Application

1 概述
廣州地鐵積極學習世界先進技術，大膽創新，繼在地鐵二號線率先在國內采用集中冷站對地鐵車站進行供冷、屏蔽門系統及全非接觸式IC卡自動售檢票系統，又在地鐵三號線率先在國內構建地鐵綜合自動化系統——主控系統。
廣州地鐵三號線主控系統集成了變電所自動化系統（PSCADA）、火災報警系統（FAS）、機電設備監控系統（EMCS）、屏蔽門系統（PSD）、防淹門（FG）。同時互聯了：廣播系統（PA）、閉路電視系統（CCTV）、車載信息系統（TIS）、車站信息系統（SIS）、自動售檢票系統（AFC）、信號系統（SIG）、時鐘系統（CLK）等。與行車指揮、防災和安全及乘客服務管理等有關的信息應進入主控系統。通過將各集成和互聯系統的信息進行整合，提供一個友好、完整、統一的人機界面，方便上述崗位人員的操作。當出現異常情況由正常運行模式轉為災害運行模式時，主控系統能迅速轉變為應急模式，為防災、救援和事故處理的指揮提供方便。

2地鐵環境特點
（1） 各種機電、通訊、（有線、無線）、信號等設備發射、輻射出大量無規則電磁信號。
（2） 采用1500VDC牽引形成畸變電場。
（3） 其它不可預見干擾。
（4） 風機等設備為回、排風、排煙公用。
（5） 控制信號要求極高。
3 選型
主控骨干網(MBN)承擔著主控系統信息交換、傳送的任務，因此骨干網的選型必須遵循：
（1）網絡和設備的高可靠性。
網絡的拓撲結構必須設計合理可靠，需要考慮物理鏈路的冗余保護；網絡設備必須具有高可靠性，需要考慮主要設備（如交換機）的冗余配置；網絡一旦發生故障后必須有很強的自愈能力。
（2）數據傳輸的實時性。
主控系統集中控制的特點，決定了主干網絡主要承載車站節點和OCC節點之間的流量，OCC和所有車站、車輛段的數據通信均需MBN完成，故需要足夠的帶寬保證數據傳輸的實時性，并且能夠通過QoS機制保證重要數據的實時傳輸。
（3）網絡的可擴展性。
考慮到今后站點增加的需要，MBN的節點擴展必須方便，并且不能影響網絡的性能。
（4）網絡管理的方便性。
考慮到網絡維護的方便性，必須有統一的網絡管理系統，對整個網絡的狀況和故障進行監測。
4 網絡構成
（1）主控系統骨干網網絡構成
廣州地鐵三號線系統的主控骨干網(MBN)采用雙環千兆工業以太網構建，車站、車輛段和OCC等每個網絡節點采用主備兩套工業級的千兆以太網交換機。所有車站、車輛段和OCC的MCS設備都連接到交換機上進行數據通信。過對辦公級以太網、彈性分組網（RPR）、工業以太網的主控系統方案提供商和網絡設備提供商的考察，特別是針對軌道交通及本項目的要求，交換機采用德國Hirschmann公司的MACH3000系列產品，構建地鐵三號線的主控系統的骨干網。
其中OCC采用兩臺MACH3005交換機,背板處理能力為40G，每臺配置8個模塊： 4塊100M的RJ45模塊,可接32個RJ45口；3塊千兆光纖模塊,每塊模塊含有2個光纖接口，共計6個,可接多模或單模光纖；其中兩個連接MBN雙環千兆以太網；兩個連接中央實時主、備服務器；兩個連接中央歷史主、備服務器；1塊路由模塊。車站、車輛段均采用兩臺MACH3002交換機，背板處理能力為16G，每臺配置4塊模塊，其中3塊100M的RJ45模塊，共有24個100M 接口；1塊千兆光纖模塊，用于連接雙環千兆工業以太網。網絡方案詳見下圖：

車站設備采用星型接入方法，網絡即可滿足車站的本地數據交換要求，又可以滿足數據流在骨干網上的傳輸需求。同時星形結構又具有良好的可擴展性和伸縮性，并易于隔離故障點。

（2）赫茲曼全雙工雙環千兆以太網路的技術特點
赫茲曼千兆工業以太網網交換機組成的全雙工冗余主控骨干網的技術特點如下：
HIRSCHMANN的雙環以太網具有優良的性能，有力地支持MCS安全、穩定運行。
① 具有多重冗余和高可靠性。采用“超級環”（HIPER-RING）、雙鏈路冗余（Link Redundancy）、雙節點冗余（Dual-homing）和生成樹（Spanning Tree）等多種冗余方式，采用雙電源冗余、無源背板大大提高了系統的可靠性。其工作環境溫度范圍可以達到0～50℃，防護等級達IP30。
② 采用模塊化設計，便于未來擴展。
③ 采用雙環網冗余和環間冗余。環間冗余（下聯冗余），即可以在兩個環網在中央建立兩條互為熱備的連接通道，當其中一條發生故障時可以自動切換到另外一條通道，為系統的擴展提供了很大的方便。
④ 主干鏈路物理徑路冗余保護，冗余網絡的切換時間不大于500ms。在以太環網鏈路切換時，采用HIPER-Ring技術在鏈路層已經開始糾錯。
⑤ 較高的實時性。高優先級（64Byte的幀格式）實時傳輸時間為97.36us，低優先級（1518Byte的幀格式）實時傳輸時間為457.76 us，它的實時性完全可以滿足工業控制實時性需要。
⑥ 具有QoS性能，可以進行優先級控制。
因此組成雙環網允許的故障點為： 當1處出現故障，數據可以通過另一環網傳輸數據；當2處出現故障，數據可以通過另一環網傳輸數據；當3處出現故障，赫斯曼交換機B的管理口偵測到3出現故障，自動閉合Redundant線路，使環網自愈；當4處出現故障，數據可以通過車輛段交換機之間的連接傳輸數據，反之亦然。因此這種方案可以做到1，2，3，4同時出現故障。
（3）網絡管理系統
網絡管理系統（NMS）用于配置、監視和管理整個MCS網絡。NMS系統功能由赫茲曼的網管軟件Hivision和英國Invensys公司Citect監控軟件完成，整個NMS系統基于SNMP協議。其中Hivision主要完成交換機的監視和配置功能，Citect完成除交換機之外的其他網絡設備（如UPS、OPS控制器、服務器、工作站、打印機等）的監視功能。

5 千兆以太網組網過程中應考慮的問題
（1）網絡效率考慮。
網絡效率來自于多方面的措施：選用高帶寬背板、高效率的交換機保證網絡系統的高效率；利用交換機的VLAN技術或三層路由交換功能，將每個接入網均劃分為不同的網端或VLAN，進行有效的廣播隔離，提高網絡系統的效率；利用交換機的優先級機制，對MBN的帶寬進行劃分給予重要節點較高的優先級，以保證重要信息的及時傳輸。
（2）網絡可靠性考慮。
采用雙網設計，中央采用雙網平衡、動態尋徑的策略，一個節點上某一個網卡或網線的損壞不會影響此節點的網絡功能，一臺交換機的損壞也不會影響系統的網絡功能，保證網絡方案的可靠性，雙環網冗余的網絡拓撲可以允許交換機、三處光纖(共四處)或者交換機、兩處光纖、網線（網卡）四種故障。
（3）網絡安全性考慮。
在連接OCC的路由交換機上，配置防火墻功能，阻擋對中央級控制系統的非法訪問；同時采用VLAN技術，在交換機中的虛網劃分也能提高網絡的安全性，比如使中央歷史主、備服務器就不在車站級節點的網絡可達范圍內；在各網絡節點上的操作系統級采取必要的安全措施。

6結束語
從共享式網絡到交換式網絡，從第二層交換到到多層交換，從以太網、快速以太網到千兆以太網，網絡技術飛速發展，千兆以太網的應用已非常成熟，千兆以太網組網技術與多媒體技術（如MPEG-4）的有機結合，將使我們在未來的相當一段時間里，充分享受到千兆以太網技術給我們帶來的巨大實惠。
赫茲曼全雙工冗余千兆以太網在廣州地鐵三號線使用，對實現主控系統的實時性、可靠性、可擴展能力提供了有力的保證。

參考文獻：
1、 《廣州市軌道交通三號線主控系統采購合同文件》
2、郭向勇 吳光斌 趙怡濱 千兆以太網組網技術 北京 電子工業出版社 2002年
3、郭詮水 王寶智 全新計算機網絡工程教程 北京 北京希望電子出版社 2001年

作者簡介：
趙馳，男，1980年生，本科畢業，現任廣州地鐵總公司建設總部項目經理
聯系地址：廣州市芳村區花地大道南8號地鐵建設總部機電系統工程部
聯系人：趙馳
郵政編碼：510380
電話：（020）83106484 013924082328
傳真：（020）83106300
電子郵箱：zhaochi@gzmtr.com