基于城市轨道交通专业的计算机网络与通信课程的教学改革

李冰涛，李曙俏

（江苏省徐州技师学院，江苏徐州，221151）

1 城市轨道交通综合自动化监控系统的实现

随着我国经济从高速发展到高质量发展的转型，城市轨道交通以其运量大、耗能少、快捷、准时、污染轻、占地少等特点，在我国各大城市得到迅速发展。计算机技术、网络技术高速发展，使得我国的轨道交通已迅速步入了网络化发展时代。通过对城市轨道交通企业的调研显示，当前的轨道交通管理系统已经实现了综合自动化监控（即综合监控系统）。

综合监控系统是将原来城市轨道交通系统里多个独立的机电系统整合为一个协调运行的大系统，形成统一的接口层硬件平台和软件平台，从而实现对地铁主要电气设备的集中监控和管理功能，实现对列车运行情况和客流统计数据的关联监视功能，最终实现相关各系统之间的信息共享和协调互动功能。

综合监控系统面向全公司管理人员，可以实现智能化管理；面向维修中心的维护人员，可以实现智能化维护；面向OCC 调度员和车站站长，可以辅助行车指挥。总之，有了综合自动化监控系统，可以极大地提高轨道交通的运营效率和运营可靠性。

由此可见，无论哪个专业的员工，除了要掌握自己本专业的知识技能之外，还要熟悉综合监控系统，并且要善加利用这个系统，才能更好地做好本专业的工作。

2 基于计算机通信与网络技术的综合监控系统

城市轨道交通综合监控系统的技术基础是计算机网络与通信技术，当前的综合监控系统技术已经渗透到轨道交通的各个专业领域，如供电专业的SCADA 系统，信号专业的维护监测系统等等。甚至可以说轨道交通系统的每个专业都应用了计算机通信与网络的技术，而轨道交通综合监控系统则是计算机通信与网络技术在城市轨道交通系统最集中的应用。

■2.1 城市轨道交通系统里通信知识的应用

在《计算机通信与网络》课程中，常常用一个章节讲解通信的基础知识，且这部分内容与计算机网络知识的联系不是特别的密切。在对地铁公司的调研中发现，轨道交通系统使用的电气设备大多是智能化的，本身就具有通信功能，可以直接进行网络通信。因为地铁公司采购的设备来自不同的供货商，设备的通信方式也不统一。从另一个角度看，通信方式是很丰富的，每个专业都会遇到各种各样的通信问题。如图1 所示是无锡地铁SCADA 系统结构图，从图中可以看到，除了有以太网通信，还有RS232，RS422 和RS485 通信。

图1 无锡地铁SCADA 系统结构

其实，不光是SCADA 系统，其他专业现场层电气设备的数据采集大都是采用RS485 之类的串行通信方式。

■2.2 城市轨道交通系统冗余技术的应用

冗余，指重复配置系统的一些部件，当某个部件发生故障时，冗余配置的部件自动介入并承担故障部件的工作，避免系统出现故障甚至崩溃。

许多行业和企业用户对网络都有实时性的要求，不允许网络出现故障。但网络涉及的环节非常多，如线路、网络适配器、网间连接设备等，每个环节都可能出现问题。因此为提高网络的可靠性，城市轨道交通的网络系统大量使用了网络冗余技术。

城市轨道交通综合监控系统的网络系统是数据传输通道，现场层网络将各个监控对象连接起来汇集到车站级局域网，各个车站局域网将车站设备连接起来通过主干网汇集到控制中心。从应用类型的角度，网络系统可分为主干层、局域层和现场层。综合监控系统网络结构如图2 所示。

图2 综合监控系统网络结构图

（1）主干层：主干层用于控制中心、车辆段与各车站、停车场局域网的互联。系统主干网采用的A、B 网络构成，两网热备工作方式。其中A 网交换机状态能通过B 网进行状态监视和远程配置管理，反之B 网的交换机状态也能通过A 网进行状态监视和远程配置管理。

主干网由ISCS 采用工业级千兆以太网交换机根据通信专业提供的8 芯单模光纤（上下行各4 芯光纤）自行组建，在控制中心、停车场、车辆段以及全线各车站组成冗余1000Mbps 光纤环网。

（2）局域层：局域层由控制中心局域网、各车站局域网、车辆段（停车场）局域网等组成。控制中心局域网为中央级局域网，采用冗余的1000Mbps 交换式工业以太网，符合IEEE802.3 标准，采用TCP/IP 协议。各车站级局域网采用冗余的100/1000Mbps 交换式工业以太网，符合IEEE802.3标准，采用TCP/IP 协议。

（3）现场层：现场层包括BAS、PSCADA、PSD 等子系统的控制层网络，一般采用工业控制以太网或现场总线方式。

工业环境对系统可靠性的要求很高，使得冗余技术在工业自动控制领域提高到了相当高的地位，从I/O 采集板、通信链路、现场控制器到数据服务器和操作员工作站，冗余的理念基本贯穿了整个工业控制系统。

通信网关泛指系统与外部系统通信时，担任数据收/发，协议转换的设备，各类系统担负这一任务的设备不尽相同，有的称为I/O 服务器或I/O 站，有的称为FEP。

图3 给出了常见的接口冗余配置形式。

图3 典型的接口冗余配置

■2.3 城市轨道交通视频监控系统

专用视频监视系统是城市轨道交通维护和保证运输安全的重要手段。它能够为控制中心的调度员、各车站值班员、列车司机等提供有关列车运行、防灾救灾、旅客疏导以及社会治安等方面的视觉信息。

视频监视系统由中心控制设备、车站/车辆段/停车场控制设备、图像摄取设备、图像显示设备、视频服务器、图像存储设备及视频信号传输设备等组成。并在车辆段/停车场设置本地视频安防系统。

视频监控系统采用控制中心远程监控和车站/车辆段/停车场本地监控方式，组成一个完整的两级监视网络，用户可在任何一个站点根据授权访问各站实时图像和历史图像。

视频监视系统网络采用IP 数据网络，并按核心层、汇聚层分层结构组网。在控制中心1 套核心交换机，通过专用传输系统提供的以太网通道连接到车站、车辆段/停产场汇聚交换机。核心交换机和汇聚交换机都具备完备的三层功能，支持RIP、OSPF、BGP、IS-IS 路由协议，支持PIMSM/DM 等组播路由协议，满足视频监视网络对组播的需求。

徐州地铁轨道交通视频监控系统网络结构如图4 所示。

图4 徐州地铁轨道交通视频监控系统网络结构

3 计算机网络与通信课程的教学改革

鉴于以上原因，我们认为城市轨道交通专业的计算机网络与通信课程除了要教授学生通用的计算机网络与通信的基础知识之外，还要结合城市轨道交通系统的特点，有针对性地增加或是增强其专业领域重点应用的知识与技能。通过对城市轨道交通各地铁公司的深入调研，我们在城市轨道交通专业的《计算机通信与网络》课程中增加或是增强了以下三部分的内容，经过一年的教学实践，确实对学生专业课程的学习起到良好的促进作用。现总结如下，希望对《计算机通信与网络》课程改革有所启发。

■3.1 计算机通信与网络课程中通信知识的补充

为此，在教学中增加了串口通信、IIC 通信和RS485 通信三次课的内容。通过实例，让学生亲自感受通信是如何实现的。不仅如此，我们想通过这些通信知识的学习，让学生体会通信是如何从底层最简单的数据传输，一步步增加数据格式内容，一步步增加通信功能，从而发展到现在的网络通信功能的。这样学生不至于对后面的OSI 参考模型以及TPC/IP 协议的学习感到复杂难懂，他们会理解复杂的网络协议是在简单通信基础之上逐步发展完善起来的。

这可以通过串口通信、IIC 通信与RS485 通信的数据格式与通信特点的简单比较中看得更加明显。

如图5 所示为RS232 串口通信的数据格式。从图中可以看出，数据格式由起始位、停止位、数据位和奇偶校验位4 部分组成，非常简单，所以只能实现点对点通信，且因为数据信号为电平信号，所以传输距离有限，但它是全双工的工作方式。

图5 RS232 串口通信的数据格式

IIC 通信主要用于器件之间传输数据，如现在智能设备上的数据显示器件常常使用IIC 通信方式。

其二为串通招投标。在药品、设备的采购过程中，参与招标的药企或设备供应商在利益的驱动下，暗行串通抬价之事侵占国有资产，加剧医疗保险基金流失。

IIC 通信的数据格式如图6 所示。IIC 通信采用双线制，一根是数据线SDA，一根是时钟线SCL。IIC 通信采用的是主从通信方式。因为数据格式包含设备地址信息，可实现多点通讯。它以半双工方式工作。IIC 通信有单独的时钟线来确保通信设备两端采用一致的步调传输数据，也称作同步数据传输。

图6 IIC 协义简图（数据格式）

比较两种通信格式可以看到，点对点通信的数据格式最简单，多点通信的数据格式就需要加入地址信息。

与前两种通信相比，RS485的通信格式要更加复杂。RS485 通信采用 Modbus-RTU 通讯规约，格式如图7 所示。RS485 采用的也是主从通信方式，RS485 通信格式也包含设备地址信息，可实现多点通讯。它也是以半双工方式工作。RS485 通信的功能码是一个字节，所以通信功能更多。RS485 通信的最大特点是采用差分信号负逻辑，信号抗干扰能力强，适合长距离数据传输，最常用于电噪声工业环境。

图7 RS485 通信格式

通过以上的通信方式的比较可以看到，数据的通信功能越强，数据格式就越复杂。大家可以想象一下，如果让许许多多的计算机之间相互通信，相应的数据格式一定会相当复杂。人们把能够让所有计算机都互相通信而制定的各种各样的数据格式称之为网络通信协议。如局域网数据帧的数据格式如图8 所示，数据帧中出现了两个地址，源地址和目的地址，当然数据格式会更加复杂。

图8 局域网数据帧的基本格式

其实，计算机网络就是计算机技术和通信技术相结合的产物。在下面的计算机网络相关知识的学习中，有了以上的通信数据格式知识的基础，再进行OSI 参考模型、TCP/IP协议等网络知识的学习，学生接受起来就容易多了。

■3.2 计算机通信与网络课程中冗余技术的学习

为了让学生对冗余技术有更直观的认识，我们在计算机通信与网络的课程中增加了浮动路由与热主机备份的内容。

（1）浮动路由的拓扑结构如图9 所示。两个路由器，车站一个，主变电所一个，实现车站，主变电所两个局域网能够互通，为了保证数据的可靠传输，车站与主变电所之间配置浮动路由。

图9 浮动路由实例

为了保证线路的高可靠性，车站路由器与主变电所路由器有两条线路。①正常情况，数据包从优先级高的线路走，②线路出现故障，备用线路立即启用，保证数据正常传输。

这是一个典型的通道冗余的例子，通过这个模拟实例的配置，学生们能够知道平时的双网线是如何工作的。

（2）热主机备份的作用是实现网络线路的冗余。如图10 所示是热主机备份拓扑结构图，下面区域是车站局域网，车站服务器可以上传数据给上面控制中心的服务器网站。对车站局域网来说，出口有两个网关R0 和R1，这两个网关称为热主机备份，作用是实现上网线路的冗余。当一个网关设备R0 发生故障，会自动切换到另一个备用网关R1 设备，数据包会从备用网关设备R1 通过，继续传送给控制中心的服务器网站，不会影响数据的传输，有效地保证了车站局域网出口的稳定性。

图10 热主机备份拓扑结构

这是一个典型的设备冗余的例子，通过这个例子的学习，学生能够体会到网络设备的热主机备份状态是如何配置的，体会设备冗余的工作机制是怎样的。

■3.3 计算机通信与网络课程中视频监控系统实训

鉴于视频监控系统在城市轨道交通领域的广泛应用，我们在计算机通信与网络课程中增加了视频监控系统实训的内容。内容主要包括视频监控系统硬件组成，视频监控系统架构以及网络硬盘录像机参数——监控录像占用硬盘容量的计算方法等。

最后通过一个实训实例：录像机加交换机接入的视频监控系统，让学生对视频监控系统的组网过程有一个全面的了解。因为在工业现场，为方便布线，常在录像机与摄像机之间加入交换机，这样可以使得监控系统的操作更加灵活方便。本实例的硬件设备连接如图11 所示。

图11 录像机加交换机接入的视频监控系统

这种连接的好处有两点，一是视频监控系统可以方便连接互联网，二是如果录像机与摄像机之间距离很远，只需在路由器与交换机之间使用光纤连接即可，非常方便。

本实训实例的视频监控系统是一个综合性的项目，它使用到的网络设备有交换机和路由器，在对摄像机进行连接时，需要在录像机端进行IP 地址、掩码、网关和DNS 等网络参数配置，而且需要使用网线将录像机、摄像机、交换机以及路由器等设备进行正确的连接，如果要想实现上网，还要进行互联网的连接与设置。通过这个实例的学习，也想让学生对所学的网络知识有一个综合练习的机会。

在本实训实例中还有一个技术问题：在这种拓扑结构中，录像机与摄像机实际上是在同一个局域网里，即路由器LAN 端口的网段，如IP 地址为192.168.1.0/24 网段。如果摄像机的影像要在录像机的通道里进行显示，其条件是摄像机的IP 地址与录像机通道的IP 地址必须相同，且与路由器LAN 端口在同一个网段。故必须要对摄像机IP 地址和录像机通道的IP 地址进行修改，即它们的IP 地址都要修改为192.168.1.0/24的网段，这样摄像机才能自动添加到录像机的相应通道。

当前，我国的城市轨道交通事业正在飞速发展，为了使轨道交通更加安全、高效、环保，各种高新技术也在广泛使用。在这样的大背景下，轨道交通的教育事业也要跟上时代的步伐，能够培养出更多掌握新知识、新技能的人才，为我国的轨道交通事业做出应有的贡献。