廣州市軌道交通三號線主控系統(tǒng)骨干網(wǎng)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(wǎng)的選型原則、組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡特點分析等幾個方面進行介紹，并根據(jù)工程檢驗闡述主控骨干網(wǎng)在應用過程中需關注的幾個技術關鍵。

關鍵詞 千兆以太網(wǎng) 主控系統(tǒng) 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(chuàng)新，繼在地鐵二號線率先在國內(nèi)采用集中冷站對地鐵車站進行供冷、屏蔽門系統(tǒng)及全非接觸式IC卡自動售檢票系統(tǒng)，又在地鐵三號線率先在國內(nèi)構建地鐵綜合自動化系統(tǒng)——主控系統(tǒng)。
廣州地鐵三號線主控系統(tǒng)集成了變電所自動化系統(tǒng)（PSCADA）、火災報警系統(tǒng)（FAS）、機電設備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）、屏蔽門系統(tǒng)（PSD）、防淹門（FG）。同時互聯(lián)了：廣播系統(tǒng)（PA）、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）、車載信息系統(tǒng)（TIS）、車站信息系統(tǒng)（SIS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、信號系統(tǒng)（SIG）、時鐘系統(tǒng)（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(tǒng)。通過將各集成和互聯(lián)系統(tǒng)的信息進行整合，提供一個友好、完整、統(tǒng)一的人機界面，方便上述崗位人員的操作。當出現(xiàn)異常情況由正常運行模式轉(zhuǎn)為災害運行模式時，主控系統(tǒng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閼蹦Ｊ剑瑸榉罏摹⒕仍褪鹿侍幚淼闹笓]提供方便。

2地鐵環(huán)境特點
（1） 各種機電、通訊、（有線、無線）、信號等設備發(fā)射、輻射出大量無規(guī)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(wǎng)(MBN)承擔著主控系統(tǒng)信息交換、傳送的任務，因此骨干網(wǎng)的選型必須遵循：
（1）網(wǎng)絡和設備的高可靠性。
網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構必須設計合理可靠，需要考慮物理鏈路的冗余保護；網(wǎng)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(wǎng)絡一旦發(fā)生故障后必須有很強的自愈能力。
（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
主控系統(tǒng)集中控制的特點，決定了主干網(wǎng)絡主要承載車站節(jié)點和OCC節(jié)點之間的流量，OCC和所有車站、車輛段的數(shù)據(jù)通信均需MBN完成，故需要足夠的帶寬保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，并且能夠通過QoS機制保證重要數(shù)據(jù)的實時傳輸。
（3）網(wǎng)絡的可擴展性。
考慮到今后站點增加的需要，MBN的節(jié)點擴展必須方便，并且不能影響網(wǎng)絡的性能。
（4）網(wǎng)絡管理的方便性。
考慮到網(wǎng)絡維護的方便性，必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，對整個網(wǎng)絡的狀況和故障進行監(jiān)測。
4 網(wǎng)絡構成
（1）主控系統(tǒng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡構成
廣州地鐵三號線系統(tǒng)的主控骨干網(wǎng)(MBN)采用雙環(huán)千兆工業(yè)以太網(wǎng)構建，車站、車輛段和OCC等每個網(wǎng)絡節(jié)點采用主備兩套工業(yè)級的千兆以太網(wǎng)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(shù)據(jù)通信。過對辦公級以太網(wǎng)、彈性分組網(wǎng)（RPR）、工業(yè)以太網(wǎng)的主控系統(tǒng)方案提供商和網(wǎng)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(chǎn)品，構建地鐵三號線的主控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)。
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(huán)千兆以太網(wǎng)；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(huán)千兆工業(yè)以太網(wǎng)。網(wǎng)絡方案詳見下圖：

車站設備采用星型接入方法，網(wǎng)絡即可滿足車站的本地數(shù)據(jù)交換要求，又可以滿足數(shù)據(jù)流在骨干網(wǎng)上的傳輸需求。同時星形結(jié)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(huán)千兆以太網(wǎng)路的技術特點
赫茲曼千兆工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)交換機組成的全雙工冗余主控骨干網(wǎng)的技術特點如下：
HIRSCHMANN的雙環(huán)以太網(wǎng)具有優(yōu)良的性能，有力地支持MCS安全、穩(wěn)定運行。
① 具有多重冗余和高可靠性。采用“超級環(huán)”（HIPER-RING）、雙鏈路冗余（Link Redundancy）、雙節(jié)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(tǒng)的可靠性。其工作環(huán)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(huán)網(wǎng)冗余和環(huán)間冗余。環(huán)間冗余（下聯(lián)冗余），即可以在兩個環(huán)網(wǎng)在中央建立兩條互為熱備的連接通道，當其中一條發(fā)生故障時可以自動切換到另外一條通道，為系統(tǒng)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(wǎng)絡的切換時間不大于500ms。在以太環(huán)網(wǎng)鏈路切換時，采用HIPER-Ring技術在鏈路層已經(jīng)開始糾錯。
⑤ 較高的實時性。高優(yōu)先級（64Byte的幀格式）實時傳輸時間為97.36us，低優(yōu)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(yè)控制實時性需要。
⑥ 具有QoS性能，可以進行優(yōu)先級控制。
因此組成雙環(huán)網(wǎng)允許的故障點為： 當1處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過另一環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；當2處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過另一環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；當3處出現(xiàn)故障，赫斯曼交換機B的管理口偵測到3出現(xiàn)故障，自動閉合Redundant線路，使環(huán)網(wǎng)自愈；當4處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過車輛段交換機之間的連接傳輸數(shù)據(jù)，反之亦然。因此這種方案可以做到1，2，3，4同時出現(xiàn)故障。
（3）網(wǎng)絡管理系統(tǒng)
網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）用于配置、監(jiān)視和管理整個MCS網(wǎng)絡。NMS系統(tǒng)功能由赫茲曼的網(wǎng)管軟件Hivision和英國Invensys公司Citect監(jiān)控軟件完成，整個NMS系統(tǒng)基于SNMP協(xié)議。其中Hivision主要完成交換機的監(jiān)視和配置功能，Citect完成除交換機之外的其他網(wǎng)絡設備（如UPS、OPS控制器、服務器、工作站、打印機等）的監(jiān)視功能。

5 千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)過程中應考慮的問題
（1）網(wǎng)絡效率考慮。
網(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)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(wǎng)均劃分為不同的網(wǎng)端或VLAN，進行有效的廣播隔離，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的效率；利用交換機的優(yōu)先級機制，對MBN的帶寬進行劃分給予重要節(jié)點較高的優(yōu)先級，以保證重要信息的及時傳輸。
（2）網(wǎng)絡可靠性考慮。
采用雙網(wǎng)設計，中央采用雙網(wǎng)平衡、動態(tài)尋徑的策略，一個節(jié)點上某一個網(wǎng)卡或網(wǎng)線的損壞不會影響此節(jié)點的網(wǎng)絡功能，一臺交換機的損壞也不會影響系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能，保證網(wǎng)絡方案的可靠性，雙環(huán)網(wǎng)冗余的網(wǎng)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(wǎng)線（網(wǎng)卡）四種故障。
（3）網(wǎng)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(tǒng)的非法訪問；同時采用VLAN技術，在交換機中的虛網(wǎng)劃分也能提高網(wǎng)絡的安全性，比如使中央歷史主、備服務器就不在車站級節(jié)點的網(wǎng)絡可達范圍內(nèi)；在各網(wǎng)絡節(jié)點上的操作系統(tǒng)級采取必要的安全措施。

6結(jié)束語
從共享式網(wǎng)絡到交換式網(wǎng)絡，從第二層交換到到多層交換，從以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)到千兆以太網(wǎng)，網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展，千兆以太網(wǎng)的應用已非常成熟，千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)技術與多媒體技術（如MPEG-4）的有機結(jié)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(wǎng)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(wǎng)在廣州地鐵三號線使用，對實現(xiàn)主控系統(tǒng)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(tǒng)采購合同文件》
2、郭向勇 吳光斌 趙怡濱 千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)技術 北京 電子工業(yè)出版社 2002年
3、郭詮水 王寶智 全新計算機網(wǎng)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(yè)，現(xiàn)任廣州地鐵總公司建設總部項目經(jīng)理
聯(lián)系地址：廣州市芳村區(qū)花地大道南8號地鐵建設總部機電系統(tǒng)工程部
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