工业以太网在地铁自动化信息系统中的应用

2013-09-25宋鸿昇

城市轨道交通研究 2013年1期

宋鸿昇王瑞

（1.天津市地下铁道集团有限公司，300070，天津；2.百通赫思曼网络系统国际贸易（上海）有限公司，100025，北京／／第一作者，工程师）

0 概述

以太网技术凭借其优越的性能、良好的兼容性和操作性，成为目前市场占有率超过80%的首选局域网技术。以太网技术又可以按照不同的应用领域分为商用以太网和工业以太网。相对于传统概念上的商用以太网，工业以太网技术拥有更多适应工业自动化应用需求的如下特点：

·应用环境——工业应用环境大多比较恶劣，可能要求网络设备具有－40～＋70℃的工作温度；同时，网络设备可能面临很强的灰尘、湿度、震动、冲击以及电磁干扰的影响，甚至会出现化学物质对于设备电路板的腐蚀。

·安装方式——控制级工业以太网设备会与控制设备安装在统一的控制柜内，使用标准的35mm卡轨式安装方式，24V低压直流供电，连接PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（远程传输单元）等控制终端。

·可靠性要求——工业应用大多属于“关键应用”，无法容忍网络出现长时间的中断，要求网络设备具有极高的可靠性和极低的故障率，对于设备元器件选择和测试具有更高的标准。

·实时性要求——工业应用在要求通信网络具有极低的通信延迟的同时，还要求其在出现故障点时能够极为快速地进行收敛。

·安全性要求——工业应用对于通信网络具有很高的安全性要求，有时在实现严格控制接入设备的前提下，会要求网络设备能对工业应用中所使用的特殊通信协议进行协议层的深度防护。

·认证及标准——不同的工业自动化行业会对网络设备提出相应的国际（或国内）认证及标准，例如通用的UL 508和UL 1604，电力行业的IEC 61850－3和IEEE 1613，轨道交通行业的EN 50121和EN 50155，等等。

与其它大多数工业领域自动化应用相比，地铁自动化应用具有线路长、地下站环境特殊、实时性要求高和多业务多设备相结合等特点。从数据通信及网络应用的角度来划分，一个完整的地铁自动化系统一般由多种子系统组成（见图1）。其中，综合交换数据业务系统（ISDS）即骨干网传输系统，通常隶属于通信专业，闭路电视系统（CCTV）和广播系统（PA）通过该系统实现互联；综合监控系统（ISCS）包含环控系统（BAS）、电力监测系统（PSCADA）、火灾报警系统（FAS）、门禁系统（ACS）和屏蔽门系统（PSD／SD）等多个子系统，目前存在两种组网方式：依靠传输骨干网组网和采用工业以太网独立组网；信号系统包含列车自动监控系统（ATS）、微机联锁（CI）系统和微机监测系统（MSS）等子系统，一般独立于传输骨干网之外，独立组网；自动售检票（AFC）系统通常依靠传输骨干网实现各车站间的互联；办公系统（OA）主要服务于各条地铁线路的运营以及数据管理，其中的视频会议系统（MCS）是最近几年才出现的新需求。

图1 地铁自动化信息系统构成图

1 骨干网系统

骨干网系统是覆盖整条地铁线路的综合性通信传输平台，为各个接入的子系统提供不同类型的接口，实现各子系统内不同车站间的相互连接。目前较为常见的骨干网系统有光传输设备骨干网和工业以太网设备骨干网两类。

1.1 光传输设备骨干网

在地铁自动化信息系统中，光传输骨干网通常是以MSTP（基于SDH的多业务传送平台）、开放式传输网（OTN）或弹性分组环（RPR）等光传输设备构建而成的多业务传输平台。在每个站点（包括车辆段和控制中心）设置2台光传输设备，分别连接构成冗余的传输骨干网A网和B网。

相比于由工业以太网交换机构建而成的以太网骨干网，光传输设备骨干网具有如下优势：

·多种业务类型使用统一的光纤通道进行传输，更节省光纤资源。

·光传输设备除了有以太网接口，还具有更多种的业务接口类型，如V35、2M、RS232等，可以通过设备直接传输模拟信号。

但是，使用光传输设备构成的骨干网也具有以下缺点：

·光传输设备品种不如以太网设备多，同时，由于传输设备自身的数据包封装和传输机制，导致传输设备在以IP数据类型为主体的地铁自动化信息系统中的传输效率要低于以太网设备。

·用户通常需要维护两种不同的网络设备：光传输骨干网设备和子系统实现接入的以太网交换机设备，这样就增大了设备配置、维护及故障定位分析的难度。

1.2 工业以太网设备骨干网

随着通信设备和自动化设备网络化、数字化程度的不断提高，由工业以太网交换机构成的骨干网系统越来越多地出现在地铁自动化系统中。图2所示即为天津地铁2、3号线使用万兆级工业以太网交换机所构成的骨干网系统。

图2 天津地铁2、3号线骨干网系统

相比于传输设备骨干网，由工业以太网交换机所构成的骨干网具有以下优势：

·工业以太网交换机品牌众多，具有良好的兼容性，同时，基于万兆级别的骨干网可以为系统提供更高级别的传输带宽。

·对用户方而言，骨干网系统结构及设备统一，更方便于配置、管理及维护。

·使用工业以太网设备构成的骨干网可以极大地降低通信系统成本。

由工业以太网设备所构成的骨干网系统也具有相应的缺点：所能提供的业务接口类型较少，通常以以太网接口为主，其它非以太网业务需先经过转换器转换成以太网数据才能实现接入。然而，对于以IP数据为主体的地铁自动化信息系统而言，该问题并不是很严重。

1.3 目前骨干网应用模式

光传输设备骨干网和工业以太网设备骨干网两种组网方式具有各自的优缺点，因此在实际的项目及工程中，就出现了两种方式相结合的骨干网组网方式：光传输骨干网仍然存在，但只负责如音频视频、自动售检票系统等应用的数据通信；其它应用如综合监控、信号系统等，采用工业以太网交换机独立组网的方式，脱离光传输骨干网。该组网方式既保证了各系统之间的相互隔离，又可以为部分应用提供更好的配置、管理及维护时的网络环境，充分保证了系统的可靠性及安全性。

2 综合监控系统网络应用

2.1 综合监控系统两种组网方式

综合监控系统网络可以分为两类：基于传输系统组网和以太网独立组网。

基于传输系统组网方式下，车站内的综合监控交换机直接接入本站内的骨干网光传输设备，通过光传输骨干网实现各车站综合监控业务内设备的通信，如图3所示。

图3 基于传输系统的综合监控网络

由工业以太网交换机独立组网的方式下，车站内的综合监控交换机完全摆脱光传输设备，交换机与交换机间直接连接，通常构成双环型的网络结构，完全由综合监控交换机负责实现各车站综合监控业务内设备的通信，如图4所示。

图4 以太网独立组网的综合监控网络

目前国内已经投入运营并具有综合监控系统的地铁线路中，有超过三分之二的线路采用基于传输系统的组网方式；而正在规划设计的新建地铁线路却恰恰相反，大部分线路都采用以太网独立组网的方式，只有少数线路的综合监控系统仍然基于传输设备进行组网。之所以出现如此巨大的变化，正是基于对综合监控系统网络可靠性及安全性的考虑，同时更方便于网络配置及故障诊断。

2.2 综合监控系统网络的广播域控制

综合监控系统网络属于中大型的工业自动化网络应用，会遇到一个很直接的问题——广播域控制。广播风暴是以太网自诞生起所需要面对的一种典型故障。常见的广播风暴有两种：

第一种较为严重，是由于交换机逻辑链路形成环路，其广播报文如同“滚雪球”一般形成规模越来越大的死循环，很快占满所有带宽，导致大面积设备的通信中断。由于目前工业以太网交换机在网络二层收敛方面已经非常稳定，且通过网络管理软件以及网络管理人员的经验可较为容易地判断出此类风暴的故障点，因此，此类广播风暴比较容易抑制。

第二种影响略轻，是由于终端设备网卡故障（或配置错误）而不停向外发送广播报文所导致。视广播报文的流量大小，受此故障影响的终端设备或多或少，通常不会影响到所有的终端设备。但此类故障发生非常偶然，比较难判断故障点，故障的分析和排除对于网络维护人员的要求较高。

不同于商用环境中服务器及PC所具有的强大网卡，工业环境中很多的自动化设备（如PLC、RTU等控制终端），其网卡的数据通信能力并不是很强，一般只需要少量的广播包（少则100kbit／s，多则200～300kbit／s的广播报文）就可以造成其网卡的通信阻塞。在这种情况下，轻则出现少量终端设备通信丢包、数据读取及指令下发响应变慢，严重的可能出现区域性甚至大面积的终端设备通信中断。为了避免此类故障的大范围爆发，出现了综合监控网络对于广播域控制的需求。

以一个综合监控系统的IP规划为例：IP地址A.B.C.D，子网掩码8位、16位或24位。其中，A代表线路名称；B代表业务类型及区分双网；C代表车站编号；D代表终端编号。例如，16号线5号车站A网的某个PSCADA终端，其IP将会是16.131.5.xxx；16号线3号车站B网的某个BAS终端设备，其IP将会是16.142.3.xxx。由此，显而易见如下三种情况。

情况一：如果此时终端使用的是8位子网掩码（255.0.0.0），意味着所有的综合监控设备均在同一网段内，此时的广播域最大。如果任何地点发生广播风暴，所有的综合监控终端设备都将会受到影响。此情况最不利于广播域控制和故障诊断，称之为“完全二层网络规划”。

情况二：如果此时终端使用的是16位子网掩码（255.255.0.0），意味着所有的综合监控设备按照业务类型划分在不同的网段内，此时的广播域较大。如果PSCADA设备网段内发生广播风暴，只会影响到全网的PSCADA终端，综合监控系统的其它终端设备（如BAS）将不会受到影响。此情况仍不利于广播域控制和故障诊断，称之为“二层加三层网络规划”。

情况三：如果此时终端使用的是24位子网掩码（255.255.255.0），意味着所有的综合监控设备按照业务类型以及车站编号划分在不同的网段内，此时的广播域最小。如果某个车站的PSCADA设备网段内发生广播风暴，只会影响到该车站内的PSCADA终端，其它车站的PSCADA设备及综合监控系统其它终端设备（如BAS）将不会受到影响。此情况有利于广播域控制和故障诊断，称之为“完全三层网络规划”。

以下为一个综合监控系统网络故障实例：国内某条地铁线综合监控系统使用独立组网的方式构成双环型骨干网，双网之间在每个车站均有互联（见图5）。某天夜间，位于控制中心的自动化软件突然告警：其中一个车站的所有PSCADA设备失去连接，但该车站其它业务正常，其它车站的PSCADA业务通信也正常。重启交换机，不能使该车站的PSCADA设备恢复通信，最终通过重启该站的PSCADA终端设备，通信得以恢复。依据当时的故障现象分析，此故障是由于该车站内某个PSCADA终端网卡故障所引起的。故障时，该网卡向外发送大量的ARP（Address Resolution Protocol）广播报文（从此网络的VLAN划分及交换机当时的反应中确定是ARP报文），导致了该车站PSCADA终端设备网卡阻塞，与控制中心失去连接。重启交换机无法处理此故障，必须消除广播源。

图5 综合监控系统网络故障实例

从该实例中可以看出地铁综合监控网络控制广播域规模的重要性。如果这个网络使用的是二层网络规划或者是二层加三层的网络规划，那么，这个故障就不是只影响某个车站的PSCADA终端设备，而是至少影响到全网的PSCADA终端，甚至是综合监控系统内的所有终端。更为糟糕的是，此类突然发生的由网卡故障所引起的广播风暴，网络管理软件中通常不会有非常明显的故障提示，仅会报告带宽占用过高甚至根本没有报告，这给故障的定位和处理带来很大的难度。

3 信号系统网络应用

信号系统是地铁自动化信息系统中对网络可靠性、实时性要求最高的子系统，其对于网络设备有着明显的工业化要求：

·信号系统网络设备安装环境恶劣，施工前期会面对大量的灰尘，且地下站内湿度非常大，部分线路可能达到95%甚至更高的湿度环境，普通商用网络设备无法胜任此类严苛环境。

·信号系统要求网络设备具有非常高的可靠性，网络设备的严重故障可能会影响到列车的正常运行。

·信号系统要求其网络具有非常高的实时性，通常要求单点故障所引起的网络收敛时间需小于50ms。商用设备在使用快速生成树（RSTP）协议实现网络冗余时无法满足此类要求。

基于以上特殊要求，国内外大多数信号系统都采用工业以太网设备构成信号系统骨干网络。几乎所有的信号系统集成商均会选取一家或多家工业以太网品牌作为其长期合作伙伴，同时，不同的信号系统集成商对于网络的设计也有着各自不同的特点。

（1）信号系统组网方式一：图6为北京地铁15号线信号系统骨干网网络结构图（不包括轨旁无线网络），整个信号系统骨干网由5个环网构成，依据业务划分分别为ATS系统N网、R网，CI系统N网、R网，以及微机监测系统（MSS）单网。

图6 信号系统网络实例一

（2）信号系统组网方式二：图7为天津地铁2、3号线信号系统网络结构图（包括轨旁无线网络），整个信号系统骨干网由两个环网构成，骨干网交换机位于信号集中站内。各子系统中，ATS子系统在各车站内构成双环型网络，并在设备集中站内接入信号系统骨干网；位于设备集中站内的CI及MSS等子系统直接接入骨干网交换机。

图7 信号系统网络实例二

从上述应用实例可以看出，信号系统网络一般完全独立于地铁自动化信息系统其它网络（北京地铁6号线除外），只在控制中心处与其它系统有相应的接口。目前国内的信号系统网络应用以多环网为主，同时多环网之间物理相互隔离，充分保证了网络系统的冗余性、可靠性和安全性。

4 AFC系统网络应用

AFC系统是基于计算机、网络、自动控制等技术实现购票、检票、计费、收费、统计等全过程的自动化系统。AFC系统网络通常基于光传输系统骨干网而存在，利用光传输骨干网实现各车站AFC交换机之间的互联。早期的AFC系统网络使用单网、单核心交换机的应用方式；近几年随着对于网络冗余性、可靠性认识的提高，AFC系统网络设计出现了多种不同的变化，如双核心交换机、双上联线以及三层的网络规划。

图8所示为成都地铁2号线及北京地铁大兴线AFC系统网络结构图。在该网络中，使用了双核心交换机、车站AFC交换机双线上联以及完全三层的网络规划。

5 结语

目前，我国的城市轨道交通正处于一个高速发展的阶段，地铁线路运营及管理的自动化程度越来越高，对于网络系统的依赖程度也随之提高，越来越多的用户和设计者开始关注地铁自动化信息系统网络的可靠性、安全性和管理性问题，因此工业以太网面临着更多的责任和挑战。只有设计合理、实施正确并且管理健全的地铁自动化信息系统网络，才能为用户提供长期可靠的网络服务，从而保证地铁自动化系统的正常、稳定运行。