城市轨道交通综合监控组网方案

李金龙

(北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100045)

轨道交通综合监控系统是一个模块化、可扩展的分布式计算机控制系统，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水平、运营安全性与调度高效率性，减少了系统设备的重复投资和后期维护成本。

1 综合监控系统骨干传输网

综合监控系统骨干传输网是连接各级监控系统的骨干传输通道，将中央级、车站级和车辆段的监控系统连接成为一个整体，可保障系统间的相互通信。综合监控系统骨干传输网一般由光传输主干系统和纯以太网主干系统两种类型组网构成。

1.1 光传输主干系统

采用光传输主干系统需要利用光传输设备作为骨干传输通道，在各车站、车辆段、停车场、控制中心等处设置一台或两台光传输设备，为其他专业提供连接端口。在光传输主干系统中，综合监控系统内的工业以太网交换机通常只作为接入层设备来使用。

1)优点:不需要单独敷设光纤，可节省光纤资源;针对不同类型的业务(如视频、音频等)，应对能力更强。

2)缺点:网络数据的骨干传输依赖光传输网，光传输网带宽品种少，提供业务速度慢，带宽利用率低;需要维护两种不同类型的网络设备，增加了后期维护的工作量，出现故障不方便诊断。

1.2 以太网单独组网主干系统

在以太网单独组网中，各站点综合监控网络交换机之间不经过第三方光传输平台，采用独立的光纤线路作为骨干传输通道，利用综合监控网络交换机自身的协议组建双光纤环网。整个网络系统由工业以太网交换机独立构成。

1)优点:区间光缆可以单独或由传输专业统一铺设，带宽及传输速率相对有保障;系统设备及结构相对单一，易于管理及维护。

2)缺点:工业交换机与其他厂商产品的兼容性较差(主要采用各厂商的私有协议组环)，通常要求单一品牌构成环形网络。但是，随着IEC 62439 MRP环网标准的推出，已经有越来越多的国际厂商支持该通用标准协议。

2 综合监控3种组网方式对比

2.1 单环网组网方式

为了更清晰地说明问题，采用纯以太网交换机组成主干网络，以综合监控服务器、工作站及前置机连接为例，说明整个综合监控系统由单独的一个环网组成。如图1所示，以1个中心、5个车站为例组成综合监控系统骨干网，利用RSTP(rapid spanning tree protocol，快速生成树协议)或者厂家私有的环网协议(如赫斯曼的hiper-ring协议)，防止骨干网成环。图1中的虚线表示逻辑上的断路，在正常情况下，数据是沿红色箭头方向传输的。

此种网络结构可以防止环内的单点故障，当环网中某处出现断路时，骨干网会在短时间内进行收敛，收敛的时间根据采用的环网协议以及网络中节点数目而定。例如，采用赫斯曼的hiper-ring协议，骨干网中有100台交换机的情况，骨干网在带宽百兆和千兆情况下的收敛

图1 综合监控单环网组网

时间为200和50ms，此时数据传输方向如图2所示。

图2 单点故障时的数据传输方向

此外，由于使用环网结构，在网络需要扩容(如增加站点)时，在确认环网正常工作的情况下，可以随意断开环网中任意一点添加的网络设备。由于环网结构冗余，在断开某一点后，整个网络仍处于有效的总线性传输。添加设备的扩容过程不会对网络正常工作有任何影响。

如上分析，单环网组网采用的设备少，前期投资低，可以灵活地对网络进行扩容，能够承受网络中的单点故障。但是，单环网的冗余能力低，对多点故障和其他单点故障(如车站交换机损坏等)的自愈能力差。

2.2 独立双环网组网方式

为了进一步提高系统可用性，增强系统的自愈能力，在网络结构上建议采取双环型冗余网络结构。

图3是利用赫斯曼交换机组成的双环形结构综合监控千兆以太网，各车站共享千兆带宽，车站的综合监控设备通过双网卡分别连接到本站的A、B网交换机上。在正常情况下，A、B环网都利用环网协议防止成环，综合监控数据在A网中传输，B网备用，图3中的虚线位置只是在物理上连接，逻辑上断开，网络中发生如单环网中的单点故障时和本文2.1节的处理方式相同。

图3 综合监控独立双环网组网

当网络中出现其他的单点故障时，如服务器的A网卡故障、网线脱落、车站A的交换机故障等，综合监控设备能自动探测网络中断，然后利用B网进行数据通信，图4是车站A交换机故障时的数据流向。

图4 综合监控A网交换机故障时数据流向

当网络中出现多点故障时，利用环网协议本身的收敛特性和综合监控系统的功能，也能达到自愈的功能，并不影响数据传输。例如，环网中有断点，在车站A网交换机故障同时发生时，系统也能正常收敛。图5是服务器A网线脱落、B网中有断点时数据的传输方向。

图5 综合监控独立双环网交换机多点故障时的数据流向

如上分析，独立双环网结构增加了车站设备的网卡和交换机数量，具有单环网所有的优点，可以灵活地对网络进行扩容，不仅能够承受网络中的单点故障，同时对多点故障也能顺利地收敛，保证数据顺利传输，冗余性能好，但是前期投资相应加大。

2.3 级联双环网组网方式

级联双环网的结构与独立双环网的结构相似，只是在车站和中心A、B网交换机之间进行级联。根据综合监控系统软件对网络的要求，为了提高网络的冗余性能，相对应的级联双环网结构也会有所差别。

2.3.1 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同时又考虑了冗余，同时利用RSTP技术，防止出现环网。组网结构如6所示(以赫斯曼工业交换机为例)，实线部分是主干链路，虚线部分是备用链路，正常情况下数据通道如箭头所示。

图6 综合监控二层组网级联双环网

这种组网方案存在诸如终端设备IP地址规划简单、交换机配置简单的特点，同时由于是二层链路，终端设备之间的通信延迟时间短、链路恢复时间快。但是，由于全线车站均在一个大的网段内，这种做法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时，这些报文会很快地扩散到其他车站，进而影响骨干网通信性能和其他站终端设备的工作能力，严重的时候还可能造成死机的现象发生。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。

下面以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。

2.3.1.1 车站内部链路出现故障

如7所示，当通过探测机制(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7 车站内部链路故障

2.3.1.2 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，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，这时终端设备将出现通信故障。若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网和中央级级联线进行通信，数据通道如箭头所示。在中央交换机上联链路出现故障时，其切换方式与此相同。

图8 车站交换机上联链路故障

2.3.1.3 中央交换机出现故障

如图9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，中央级终端设备并不进行地址飘移。

图9 中央交换机故障

2.3.2 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，这一缺点将会越来越突出。彻底解决这一问题的途径就是采用三层组网，将广播域限制在每一个车站的每一个专业中，不至于影响到其他设备。三层组网方案如图10所示。

图10 综合监控三层组网方案

在三层组网方案中，交换机应具备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，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(routing information protocol，路由信息协议)或OSPF(open shortest path first开放式最短路径优先)路由协议。同时，为了系统的可靠性，还需要在每个车站的两台三层交换机上配置VRRP(virtual router redundancy protocol，虚拟路由器冗余协议)路由冗余协议。

三层组网方案具有隔离广播域、系统可靠性更强等特点，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，且网络是在三层进行通信的，所以故障恢复时间比二层网络稍长。

下面以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。

2.3.2.1 车站内部链路出现故障

如图11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。同时，由于A、B网交换机启用了VRRP路由冗余协议，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11 车站内部链路故障

2.3.2.2 车站交换机出现故障

如图12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，才能利用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。

2.3.2.3 车站交换机上联链路出现故障

图12 车站内部交换机故障图

如图13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，车站交换机都采用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。

图13 车站交换机上联链路故障

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。

2.3.2.4 车站交换机之间级联线出现故障

如图14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，依旧按照最初的通道进行通信，只是由于启用了VRRP路由冗余协议，原来“一主一备”的交换机变成都是“主”，数据通道如箭头所示。中央交换机级联线出现故障与此相同。

图14 车站交换机级联线故障

3 软件平台对网络系统的要求

3.1 南瑞RT21-ISCS

3.1.1 网卡及切换机制

RT21-ISCS软件平台下终端设备使用双网卡、双IP地址的浮动方式，但其设备对外只有一个IP地址，其工作原理与双网卡、单IP的浮动方式类似。A、B网卡具有不同的IP地址，在正常状态下，B网卡不作为通信使用，只因做链路检测和备用网卡。当设备A网卡发生故障时，所使用的IP地址自动漂移至B网卡，由B网卡使用该IP地址，继续实现设备的通信功能。

在RT21-ISCS软件平台下，终端设备使用Ping交换机的方式，作为A网卡至B网卡是否切换的判决机制。如果A网卡出现连续3个Ping交换机数据包无响应时，设备自动切换至B网卡进行通信。

3.1.2 软件对网络系统的要求

RT21-ISCS软件平台对网络交换机有如下要求:须支持IGMP Snooping(Internet group management protocol snooping，互联网组播管理协议窥探)，以及组播静态绑定功能;通常采用纯粹二层的网络组网方式，同时要求A、B网之间必须实现互联;对Ping指令的响应能力必须突出。

针对以上的要求，网络交换机必须在组播、二层收敛等方面做全面的配置。同时，针对Ping指令响应的问题，也需要在通信程序的编写和通信点表的统计上更加严谨，最大限度地减少网络中的广播包数量。

下一代RT21-ISCS软件平台将能够支持纯三层的组网方案，同时Ping机制也做了修改，可以确保探测机制不影响交换机的性能。

3.2 泰雷兹SCADAsoft

3.2.1 网卡及切换机制

在SCADAsoft软件平台下，终端设备使用双网卡、单IP地址的浮动方式。在正常状态下，B网卡不作为通信使用，只用做链路检测和备用网卡。当设备A网卡发生故障时，所使用的IP地址自动漂移至B网卡，由B网卡使用该IP地址继续实现设备的通信功能。

在SCADAsoft软件平台下，A网卡至B网卡的切换由该网卡至交换机连接的链路状态决定。终端设备会检查A网卡链路的连接状态，当该链路中断后，设备自动切换至B网卡。

3.2.2 软件对网络系统的要求

SCADAsoft软件平台对网络交换机没有特殊要求，不限定二层或三层的网络组网方式，但要求A、B网之间必须实现互联，以保证某台设备从A网卡切换至B网卡后仍然能实现与其他正常设备间的通信。

3.3 英维思SCADAsoft

3.3.1 网卡及切换机制

在SCADAsoft软件平台下，终端设备使用双网卡、双IP地址的工作方式。

3.3.2 软件对网络系统的要求

SCADAsoft软件平台对交换机设备没有特殊要求，不限定二层或三层的网络组网方式，不要求A、B网之间相互独立或互联，即可以实现冗余数据通信。

4 结语

系统网络是综合监控系统的动脉，是综合监控系统正常运行的有力保障。为了更好地解决综合监控系统网络中各节点出现的故障，笔者给出了几种综合监控系统网络方案及各种故障的解决方案。同时，对于综合监控系统网络与系统软件平台的结合，笔者认为选定好系统软件平台后，要结合其网络特点，扬其长处，避其短处。只有这样，才能保障综合监控系统在运营时能顺利地开通使用，使其在运营时真正发挥作用。

［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):44-47.

［2］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003:50-55.

［3］北京建设管理有限公司.北京轨道交通昌平线综合监控系统工程招标文件［G］.北京，2008.

［4］北京建设管理有限公司.北京轨道交通9号线综合监控系统工程招标文件［G］.北京，2008.

［5］北京建设管理有限公司.北京轨道交通10号线二期综合监控系统工程招标文件［G］.北京，2009.

［6］北京建设管理有限公司.北京轨道交通5号线综合监控系统工程招标文件［G］.北京，2005.

［7］北京城建设计研究总院有限责任公司.北京轨道交通昌平线工程可研报告［R］.北京，2007.

［8］北京城建设计研究总院有限责任公司.北京轨道交通10号线二期工程可研报告［R］.北京，2006.