城市轨道交通综合监控组网方案

冀云帅 刘晓军 许 超

（国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，助理工程师）

城市轨道交通综合监控系统是一个模块化、可扩展的分布式控制系统，其强大的功能为轨道交通运营管理提供了信息共享平台，提高了轨道交通自动化响应能力，减少了重复投资和后期维护成本。

通常，城市轨道交通综合监控系统深度集成了防灾报警系统（FAS）、车站设备监控系统（BAS）、电力监控系统（PSCADA）等3个子专业系统，并互联其它专业系统，如PA（广播系统）、PIS（乘客信息系统）、CCTV（闭路电视）等。该系统主要由中央级综合监控系统、车站级综合监控系统及综合监控骨干传输网构成［1］。目前，骨干网一般采用光传输系统，主要利用OTN（开放式传输网）、RPR（弹性分组环）、SDH／MSTP（同步数字分级系统／基于SDH的多业务传送平台）以及工业以太网技术［2］。

为了保证系统的可靠性，整个综合监控系统由A、B双网构成。但目前许多厂家的综合监控系统软件采用的是网络地址飘移技术：通信地址只有一个，正常情况下该地址位于A网卡上，相互之间利用A网通信，当A网链路出现故障时，网络地址飘到B网卡，仍然用原来的地址在B网进行通信，B网卡的地址只作为检测链路状态使用。这样就造成了A、B双网在物理链路上不能绝对独立，会造成无法通信的情况。

本文重点阐述综合监控系统中央级和车站级工业以太网二、三层组网方案，骨干网只作为一个透明传输通道，同时对其性能进行了比较。在实际应用中根据软件系统的要求可选择不同的组网方案。

1 综合监控二层组网

在二层应用中，各级综合监控系统设备均在同一网段内，工业以太网交换机采用纯二层设备。在中心和车站进行A、B网级联，这样既保证了双网联通又考虑了冗余，同时，利用RSTP（快速生成树协议）技术，防止出现环网。组网结构如图1所示（以赫斯曼工业交换机为例）。图中实线部分为主干链路，虚线部分为备用链路，正常情况下数据通道如箭头所示。

这种组网方案具有终端设备IP地址规划简单、交换机配置简单等特点，由于是二层链路，终端设备之间通信延迟时间短，链路恢复时间快。但是，由于全线车站均在一个大的网段内，该方案也存在不能隔离广播风暴的缺陷，当其中一个车站由于故障产生大量广播报文，这些报文会很快扩散到其他车站，进而影响骨干网通信性能和其他车站终端设备工作能力，严重时还可能造成死机现象。同时，二层链路还要避免环路，这也无形中增大了后期维护的工作量。

以1号站为例，阐述该组网方案在发生网络故障时，如何保证终端通信。

图1 综合监控二层组网方案图

1.1 车站内部链路出现故障

如图2所示，通过探测机制（例如ping车站交换机），车站工作站发现连接交换机的链路出现故障时，整个网络系统并不进行切换，只有故障终端自动将通信地址由A网卡飘移到B网卡，利用B网和中央交换机之间的级联线与中央设备通信。数据通道如箭头所示。如果车站交换机或者中央终端设备出现故障，其通信切换方式与此相同。

图2 车站内部链路故障图

1.2 车站交换机上联链路出现故障

如图3所示，当车站交换机上联链路出现故障时，整个网络系统并不进行切换。若终端设备采用的探测机制不能诊断到该故障，如终端ping车站交换机，车站终端设备不会进行通信地址飘移，此时终端设备将出现通信故障。如果终端设备采用的探测机制可以诊断到该故障，如ping中央服务器，此时车站终端将进行切换，通信地址飘移到B网卡，利用B网和中央级间的级联线进行通信。数据通道如箭头所示。中央交换机上联链路出现故障时其切换方式与此相同。

1.3 中央交换机出现故障

如图4所示，当中央交换机出现故障时，整个网络系统并不进行切换。RSTP协议自动启用车站级A、B网备用链路，同时中央级终端设备通信地址飘移到B网卡，利用B网和车站级级联线进行通信。数据通道如箭头所示。若只是中央级A、B网级联线出现故障，RSTP协议自动启用车站级A、B网备用链路，中央级终端设备不进行地址飘移。

2 综合监控三层组网

二层组网方案存在不能隔离广播域的缺点，在如今轨道交通沿线车站越来越多的情况下，这一缺点将越来越突出。彻底解决这一问题的途径就是三层组网，将广播域限制在每一个车站的每一个专业中，从而不至于影响到其它设备。三层组网方案如图5所示。

图3 车站交换机上联链路故障图

图4 中央交换机故障图

图5 综合监控三层组网方案图

在三层组网方案中，交换机应具备三层路由或三层交换功能，不同车站、不同专业之间的设备划分在不同的网段，利用三层路由进行通信。与二层组网方案相比，在三层组网方案中，所有车站和中央的A、B网交换机都存在级联线，并处于激活状态；三层交换机要开启RIP（路由信息协议）或OSPF（开放式最短路径优先）路由协议；为了系统的可靠性，需要在每个车站的2台三层交换机上配置VRRP（虚拟冗余路由协议）。

三层组网方案具有隔离广播域、系统可靠性高等特点，但相比二层组网方案，其交换机性能要求更严格，配置更复杂，故障恢复时间比二层网络稍长。

以1号站为例，阐述当发生网络故障时，该组网方案是如何保证终端通信的。

2.1 车站内部链路出现故障

如图6所示，当车站终端设备链路出现故障时，整个网络系统不进行切换，只有故障设备通信地址漂移到B网卡，且由于A、B网交换机启用了VRRP，数据依旧通过车站内部级联链路利用A网进行通信。数据通道如箭头所示。

图6 车站内部链路故障图

2.2 车站交换机出现故障

如图7所示，当车站交换机出现故障时，整个网络系统不进行切换，只有终端设备通信地址漂移到B网卡，利用B网进行通信。这需要交换机的动态路由协议来实现。数据通道如箭头所示。当中央交换机出现故障时，其切换方式与此相同。

图7 车站内部交换机故障图

2.3 车站交换机上联链路出现故障

如图8所示，当车站交换机上联链路出现故障时，无论采用何种探测机制，车站交换机采用B网进行通信，但设备通信地址不进行漂移。所有切换均需要交换机的动态路由协议来实现。数据通道如箭头所示。当中央交换机上联链路出现故障时，其切换方式与此相同。

相比二层组网的该类型故障，三层组网的可靠性更强，不会因为探测机制的不同造成终端设备的通信故障。

2.4 车站交换机之间级联线出现故障

如图9所示，当车站A、B网交换机之间的级联线出现故障时，终端设备通信地址不进行漂移，仍按照最初的通道进行通信，只是由于启用了VRRP，原来一主一备的交换机均变为主交换机。数据通道如 箭头所示。中央交换机级联线出现故障时与此相同。

图8 车站交换机上联链路故障图

图9 车站交换机级联线故障图

3 结语

综上所述，综合监控二层和三层组网方案各有其优缺点。目前，城市轨道交通综合监控系统一般在20～50万点，属于大型网路系统，三层组网方案在安全性和后期维护方面更适合目前的系统，且具有路由功能的三层交换机已经普及，性能和价格也能接受。二层组网方案因其配置简单、价格低廉，在底层子系统中可以使用。

组播技术以其控制网络流量、减少链路带宽和设备CPU负载等特点在轨道交通综合监控系统软件中有大量应用。为支持组播技术，发挥其优越性，工业以太网交换机应能提供组播路由功能，如PIMDM（密集模式型PIM（协议无关组播路由协议））、PIM－SM（稀疏模式型PIM），这样才能更好地以三层结构组网，发挥三层组网和组播技术的特点。

本文介绍了综合监控系统应用交换机过渡过程中的性能对比。无论是车站内部链路故障、车站交换机故障、车站交换机上联链路故障，还是车站交换机之间级联线故障，三层交换机都显示出冗余切换的灵活性、快速性和安全性。

［1］ 李中.地铁综合监控系统应用技术研究［J］.城市轨道交通研究，2008（10）：44.

［2］ 张育萍.城市轨道交通中通信系统传输技术比较与分析［J］.现代城市轨道交通，2009（5）：9.