基于工业以太网交换机的轨旁骨干网组网方案的研究
2015-01-01周振凯刘晓磊
周振凯 刘晓磊
基于通信的列车运行控制 (CBTC),不依赖轨旁列车占用检测设备,采用列车主动定位技术和连续车-地双向数据通信技术,能够执行安全功能的车载和地面处理器,从而构建的连续式列车自动控制系统。DCS为CBTC系统构建连续双向的数据通信网络,其中包括有线通信网络和无线通信网络。有线通信网络为控制中心、车站、轨旁、车辆段/停车场、试车线、培训中心和维修中心CBTC设备之间提供有线数据传输通道;无线通信网络为列车与地面CBTC设备之间提供连续双向的无线数据传输通道。
CBTC系统是对安全要求苛刻的控制系统,其应用场合以及工作环境,要求系统内的设备或子系统必须具备很高的安全性和可靠性。结合通信技术的发展和轨道交通实际应用环境的特点,DCS轨旁骨干网有2种组网技术:一是工业以太网交换机技术;二是基于同步数字体系 (SDH)的多业务传送平台 (MSTP)技术。国内已开通的地铁线路多采用基于SDH的骨干网方案,而国外许多地铁项目已采用工业以太网交换机组网方案,如瑞士洛桑地铁,加拿大多伦多地铁,法国里尔地铁等。本文从有线网络的结构、原理和能力角度出发,介绍基于工业以太网交换机的轨旁骨干网组网方案。
1 网络结构
DCS有线网络由以太网交换机和光电转换器组成。利用骨干网交换机的MRP协议来实现光纤环网保护,确保信号应用间的通信有更高的可靠性。通常在每个集中站、车辆段/停车场、OCC各设置2台骨干网交换机,全线各站的骨干网交换机通过骨干网光纤组成2个相互独立的环状网络。骨干环网一:传输SIG网、ATS网和MSS信息;骨干环网二:传输SIG网、ATS网和NMS信息。试车线、控制中心培训设备一般配置物理独立的传输网络,不与正线设备进行数据通信,因此与其他系统设备互不影响。
安全信息和非安全信息传输均采用冗余网络且物理独立。即SIG网传输安全信息,如联锁和ATC信息;ATS网传输非安全信息。承载在骨干网上的SIG、ATS应用可接入到沿线每个设备集中站,并通过以太网交换机组成的网络与其他子系统设备相连接。DCS典型网络结构如图1所示。
在每个集中站都设置2台光接口交换机和2台电接口交换机。光接口交换机用于连接远程的设备(如DCS无线接入点);电接口交换机即骨干网交换机,不仅用于组成骨干网网络,还用于连接本地与非集中站的设备。每个骨干网交换机都有2个光纤接口分别与两端的骨干网交换机相连。SIG子网、ATS子网和MSS子网共用电接口交换机,数据流通过VLAN相互隔离。SIG网和ATS网信息传输相互独立,通过各自的VLAN实现信息传输。在未安装骨干网交换机的非设备集中站,通过光电转换器将ATS设备连接至两侧的骨干网交换机。在OCC配置有3层交换机,信号系统网络与其他系统设备网络间的网络通信,通过设置网关进行有效防护。
2 工作原理
2.1 传输原理
基于各种应用的不同带宽需求,骨干网络为各种应用划分不同的VLAN,并分配足够的通信带宽,为各个以太网通信端口设置限流,保证不同应用的通信通道相互隔离、互不干扰。可选用的骨干网通信带宽级别为2Gb/s,网络配置时可留有一定备用带宽以方便将来应用。在环网上配置了以下应用。
SIG网 (冗余):2个网 (SIG1、SIG2),带宽各300Mb/s,用于传输 ATP/ATO、联锁安全信息。
ATS网 (冗余):2个网 (ATS1、ATS2),带宽各400Mb/s,传输ATS信息。
MSS网 (非冗余):带宽100Mb/s,传输MSS信息。
NMS网 (非冗余):带宽100Mb/s,传输NMS信息。
这样全部使用带宽1600Mb/s,剩余带宽400Mb/s。
2.2 自愈原理
2.2.1 设备冗余
DCS采用的工业级交换机主要有2种:①三层电交换机;②二层交换机配备不同的插槽,构成二层电交换机和二层光交换机。
图1 DCS典型网络结构图
三层电交换机:配置有4个100/1000Base-FX SFP端口,16 个10/100/1000Base-T以太网端口。主要作为控制中心机房的主交换机使用,一般安装在控制中心信号设备室内的骨干网机柜里。
二层电交换机:配置有4个100/1000Base-FX SFP端口,24个10/100/1000Base-T以太网端口。一般安装在集中站信号设备室内的骨干网机柜里,用于组成环形骨干网,并与各个信号设备连接。该交换机又称为骨干网交换机。
二层光交换机:配置有2个100/1000Base-FX SFP,2个10/100/1000Base-T以太网端口,24个100Mb/s SFP端口。一般安装于集中站信号设备室内的骨干网机柜里,利用光纤跳线和光缆连接到轨旁TRE。
各设备集中站分别配置2个电交换机,全线电交换机分别组建1个2芯光纤环网。其中:SIG1、ATS1、MSS网共用一个电交换机;SIG2、ATS2、NMS网共用另一个电交换机。
在应用层面,信号设备传输的信息是重复的,冗余的。对冗余网络,没有热备/冷备之说,2个网络同时工作。环网上一处光缆中断,光缆环保护将确保各节点之间通信不受影响。环网上任一交换机故障,不影响环网上连接到其他交换机上的设备之间的通信。2个交换机完全独立,其中一个交换机环网上任何故障不会影响到另一交换机环网。
2.2.2 MRP协议
为了保证服务的高可用性,充分利用环网拓扑提供的冗余结构,网络使用MRP重新配置协议。该协议保证无环回的拓扑,经实际测试能够在50ms以内完成自身重新配置,并将数据流自动引导到另一个方向传输到达目的节点。
该协议是 “Hello”数据包的扩展应用。这些数据包由环网服务器设备的一个环接口 (环接口1)发送,在环网服务器设备的另一个环接口 (环接口2)接收(环上每台交换机有2个环接口)。一旦收到 “Hello”数据包,环接口2将保持在监听模式;也就是说环接口2接收但不能转发任何数据包。MRP原理如图2所示。
当环网上断了1根光纤后,环接口2收不到“Hello”数据包,且连续3次收不到 “Hello”数据包,环服务器就认为环上有1个链路断开:环接口2将改变发送模式,开始发送数据包。环网被重新配置,所有连接至环网上的设备都可以正常通信,降级情况如图3所示。
图2 MRP原理-正常情况
图3 MRP原理-降级情况
如果环接口2再次收到 “Hello”数据包,那么环网服务器将强制环接口2恢复监听模式。
3 能力分析
根据CBTC应用环境要求,轨旁骨干网应重点具备2种能力:不同应用业务独立传输能力;传输介质 (光纤)故障保护能力。
3.1 独立传输能力
工业以太网是从民间以太网技术发展而来,依旧执行CSMA/CD,即载波侦听多路访问/冲突检测的方法。在此条件下,各种应用业务数据包都在一种无序状态下传送,安全、非安全不同等级数据包都采用同样处理方法,只靠接收端去识别数据包是否应该接受,这对于CBTC系统存在不小的安全隐患。为此地铁信号系统的设备厂商采用不同的通信协议和加密方式,对安全数据和非安全数据进行有效隔离,并采用双独立环网结构,大大提高了系统的可靠性。而SDH的MSTP技术是通过EPLAN技术,把不同的数据业务装进不同虚容器(VC)中,实现物理层隔离,各种业务数据独立传输,相互无影响。
3.2 故障保护能力
工业以太网和MSTP技术都可以实现环形组网,且在传输介质 (光纤)故障时,网络恢复时间小于50ms。工业以太网的组网方案采用双环组网结构,每个环网相互独立,互为冗余,故能抵御传输介质的单处故障,甚至多处故障;而MSTP技术可以提供多种组网方式,例如环形、相交环、相切环、线性、Mesh等网络结构,同时提供2纤/4纤复用段保护技术,其中4纤复用段保护技术能够在传输介质多处故障情况下,保证网络有效运行。
MSTP技术遵循国际标准,MSTP设备广泛应用在电信网络中,产品成熟度和可靠性极高;工业以太网技术采用的均是工业级设备,满足工业级EMC测试标准,其抗震、防冲击、抗电磁干扰能力较强,设备的可靠性较高,更能适应地铁运行中的各种恶劣的运行环境。同时,受项目工期和市政规划等因素影响,国内地铁线路具有分段式开通,后期规划延伸线等特点,采用工业以太网技术交换机进行有线传输通信,网络更易于扩展和管理,工程实施更易操作,只需将延伸线交换机接入既有线路的工业以太环网即可。
4 总结
综上,基于工业以太网交换机组网具备传输延迟小、传输宽带大、便于管理等特性,具有抗毁/自恢复能力,能适应工业控制环境。目前国内地铁线路也要求数据通信系统采用工业级网络设备,如在建的成都4号线,深圳11号线等项目均采用工业以太网交换机组网方案。随着工程实际应用的不断增加,基于工业以太网交换机组网方案在技术上一定会更加成熟和可靠,运营维护和投资经济的优越性将逐步体现,必然会得到更加广泛的应用。
[1] 付嵩,孟凡江,王忠峰.城市轨道交通CBTC系统中数据通信子系统研究[J].现代城市轨道交通,2012(3).
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