关于冗余光纤环网在成都地铁AFC系统中的应用

宋林

摘要：文章结合成都地铁AFC系统网络实际，阐述了冗余光纤环网技术在成都地铁自动售检票系统中的应用及自动售检票系统中以太网的分类，分析了冗余光纤环网的优点及工作原理，列举了部分常见网络故障的分析处理，探讨了光纤冗余环网在自动售检票系统中的网络管理和维护工作。

关键词：光纤冗余环网；主干网络；自动售检票系统；计算机网络通信；星、环型复合网络拓扑结构

成都地铁自动售检票系统（简称AFC系统）是一套包括自动控制、计算机网络通信、现金自动识别、微电子计算、机电一体化、嵌入式系统和大型数据库管理等高新技术运用，实现轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清风、管理等过程的自动化系统。AFC系统根据各层设备和子系统的功能、管理职能和所处位置，自上而下可分为五层架构，分别为清分系统（ACC）、线路中央计算机系统（LC）、车站计算机系统（SC）、终端设备（SLE）、车票。其中，车站计算机系统和终端设备可称为站级系统，主要由自动售票机（TVM）、自动检票机（AGM）、自动验票机（TCM）、半自动售票机（BOM）和车站计算机（SC）组成，直接面向乘客。从数量上讲，AFC系统中的设备主要分部于各线路各个车站站厅内，本文讲述的光纤冗余环网技术在自动售检票系统的应用，就是主要讲述在AFC车站级系统中的应用。光纤冗余环网技术作为构成自动售检票系统的一个重要组成部分为自动售检票系统提供了一个稳定和快速的工业以太网网络环境。因此，如何管理和维护冗余光纤环网对发挥自动售检票系统的稳定性有着十分重要的现实意义。

1. AFC系统中的以太网简介

目前，成都地铁自动售检票系统中的以太网按照网络拓扑结构分类主要有两种：星型结构和环型拓扑结构的以太网，环型拓扑结构网络为冗余光纤环网。位于车站层的AFC设备包括SC服務器、紧急控制器、票务工作站、监控工作站等监控及数据管理设备；TVM自动售票机、BOM半自动售票机、AGM自动检票机、TCM自动验票机等终端设备；以及支持环网功能的三层交换机、二层交换机、尾纤盒等网络设备。

1.1 环网构成

三层交换机及二层交换机通过光纤传输介质，串接组成一个封闭的环形网络（也可称为主干网络）。由于光纤跳线柔软易折断，相邻两台交换机的连接若需要经过线槽，还需将光纤跳线转接成光缆后进线槽。

三层交换机也称为环网的主交换机，布置在车站的AFC设备房内，一个车站有且仅有一台三层交换机。三层交换机通过通信专业的传输系统与LC网络连接，同时本站的SC服务器、票务工作站、监控工作站等设备接入三层交换机，此为星形连接。该交换机负责将车站级票务数据向上层（LC）传输。

二层交换机分布于站厅的终端设备内部，负责就近接入位于站厅内的终端设备，此为星形连接。每个车站的二层交换机数量根据终端设备数量多少而定（目前，成都地铁使用的二层交换机一般可接入6台终端设备）。

如图1，橙色实线为光纤，将三层交换机和若干二层交换机串接组成光纤环形网络，即主干网络；蓝色虚线网线，是连接SC服务器、工作站、终端设备、综合监控设备以及接入通信网络使用的传输介质。

2. 光纤冗余环网技术的应用

2.1 冗余环网协议

目前，计算机网络领域常用的环网协议有Ring、Turbo Ring、supreme-ring、HIPER Ring等。成都地铁2号线所用交换机品牌为赫斯曼光纤交换机（三层：PowerMICE MS4128-L3EHC，二层：RSB20-0800M2M2），采用HIPER Ring环网协议；地铁4号线二期所用交换机品牌为卓越光纤交换机，采用supreme-ring环网协议，其它线路也使用相关的环网协议。不管各线路使用何种环网协议，其协议均有虚拟冗余链路（VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol）及快速环网收敛功能（RRPP，Rapid Ring Protection Protocol）。

2.2 冗余链路的实现

如图2和3，AFC系统设备通过光纤连接成一个封闭的环形，并且所有设备都可以与其他设备进行通信。2号线赫斯曼系列交换机，通过HIPER Ring环网协议及设定指定环网中的三层交换机作为主交换机。正常通信时，主交换机仅启用一个环网端口（状态为“转发”），而另一个环网端口为“阻塞”状态，与其连接的链路称为“虚断路”，此时，所有终端设备产生的数据传输到二层交换机后，二层交换机统一朝环网的一个方向传输，最终传输到主交换机，并由主交换机进行转发。

如图4，当环网中任一链路出现断点时，主交换机立即进行网络收敛，“学习”并存储出现断点后的网络结构。即：主交换机通过定时发送监测数据包来检测环网链路是否出现故障，一旦接收不到应答，主交换机就会确定为环网结构中存在断点。此时，主交换机立即启用“阻塞”环网端口，将其状态转变为“转发”状态。断点两侧的二层交换机收到终端设备的数据后，向断点两侧的方向传输到主交换机，从而实现冗余链路的功能。这在计算机网络领域被称为“冗余环网”。

图 4 出现断点，启用虚断链路

2.3 冗余环网的优点

近几年，各个城市轨道交通行业发展迅速，其舒适、准点、快捷的体验使得人们越来月青睐，日益增多的乘客使得对车站AFC终端设备的需求也随之增加。目前，成都地铁为应对不断增加的客流，积极采取有效措施，时常会对车站AFC设备进行改造，常常会增加终端设备。而一台二层交换机最多能接入6台终端设备，这使得改造时需要增加环网的接入能力。

理论上，我们只需要增加二层交换机就可增加终端设备的接入量，事实也是这样的。我们在进行设备改造时，将二层交换机加到加装终端设备就近的位置，只需将对应位置的环网链路去除，重新接入增加的二层交换机即可，而无需影响其它二层交换机及三层交换机。

综上，冗余链路功能让AFC系统主干网络链路的畅通得到了保障。除了冗余功能，因为采用了光纤作为传输介质，光纤冗余环网还具有传输速率高、抗电磁干扰性强的优点。光纤环网技术的应用提高了AFC系统网络通信的可靠性和稳定性。

3 AFC系统中环形网络的管理

3.1 网络管理

AFC系统作为实时面向乘客的计程、计费的一套自动售检票设备，加之移动互联的现场运营需求，要求车站AFC终端设备能够实时保持网络通信畅通。光纤冗余环网作为AFC系统网络中的重要组成部分，现场维保人员对其管理和维护技能的掌握显得越发重要。在车站AFC环形网络中，网络的管理和维护重点工作可分为以下几个方面：

1）网络设备的管理。AFC系统中的光纤环网设备包括各类AFC设备、尾纤盒（光纤转接器）和网络交换机等。网络交换机的管理主要通过支持Java的Web浏览器实现，通过Web界面可以实时查看交换机的各种参数和运行状态，并可根据需要对三层交换机的配置参数进行备份，便于更换三层交换机后导入配置，快速恢复现场网络。AFC设备的管理主要通过制定定期的维护工作和实时的网络状态监控进行。

2）网络链路的管理。采用有冗余通信功能的AFC系统网络，由于具备了冗余和自愈功能，在管理上需要定期对设备的链路状态进行检查，让冗余功能发挥应有的作用。通用实现方式为：通过Web实时监控网路链路的检查，判断网路链路状态和设备端口信息，保障网路的畅通。成都地铁2号线使用的赫斯曼交换机，主交换机具有环网管理故障指示功能，可通过查看RM指示灯实时监测环网链路状态，较为方便。

3.2 常见网络故障分析和诊断

在AFC系统光纤环网中，可以通过Web网页记录故障发生的历史。网络的故障可以分为链路故障、协议故障、配置故障和交换机故障。故障处理过程中需要注意网络数据的备份和恢复。现场网络故障多为链路故障：

1）SC服务器、工作站离线或单台终端设备掉线的故障。由于此类故障表现为单台网络故障，故车站环网一般无故障，应检查故障设备或服务器的网线链路是否断开、松脱。

2）一组或多组终端设备出现网络故障（如：无法实现移动支付）。此类故障具有一组或多组设备的特点，且故障设备在物理位置上连续，也即连在同一台二层交换机的终端设备出现网络故障。此类故障现象可从两方面展开分析：一是相连的二层交换机故障，更换交换机可恢复；二是环网中出现两个断点，导致两个断点之间的设备被孤立，从而导致网络故障，在两个断点处仔细检查光纤跳线是否被损坏或连接不良，进行相应处理。

3）单个车站全部终端设备、服务器均出现网络故障。此类故障范围表现为车站所有AFC设备出现网络故障，极有可能该环网连向上层（即连向通信网络）的链路被中段，导致车站所有设备无法与LC和ACC通信，进而表现为车站全部AFC设备无法进行移动支付。检查三层交换机与通信专业的连接链路，进行相应的处理。

另外此类故障还可能是三层交换机故障导致，此情况可能性较小。

4结语

光纤冗余环网技术在城市轨道交通自动售检票系统中的应用，因为光纤的接入，可使AFC系统车站主干网络保持连通性更加可靠；采用环形网络的架构使得AFC系统网络管理模式更加多样化，提高了自动售检票系统网络的稳定性和安全性，同时，环网架构还利于后期设备改造增减主干网络终端设备接入能力，其在自动售检票系统中的应用也会越来越广泛。

参考文献：

[1] 王军，苏含贵.自动售检票系统（AFC）检修工[M].四川：西南交通大学出版社，2017.

[2] 李成忠，靳桅.計算机网络[M].北京：清华大学出版社，2010.

（作者单位：成都地铁运营有限公司）