地铁智能运维平台的环网架构及其性能探析

马廷博 王伟

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

0.引言

国内各地的系统运维工作，大部分还是依靠定期与预防式检修，此过程需消耗诸多资源投入，而且检修结果也仅能依托于技术员与行为管理规范。一旦技术员与某个操作步骤出现失误，反而会使地铁设施发生故障。

1.地铁智能运维平台

1.1 运维工作意图

地铁实施运维的根本意图是保障列车安全、平稳、高效地运营。安全方面是让系统处于可控的运转工况下，保证乘客、工作者的安全，设施完备无损。而高效方面则要求系统在基本运营效率的情况下，投入的成本及资源趋近于合理，满足地铁交通的服务需要。其属于设施资产密集类的产业，涉及大量的设施与专业。

1.2 智能运维情况

国内地铁轨道交通正在全面发展中，交通网络不断完善，而在乘客分布不均、设施结构多元化、客流量不断增加等客观现象中，对于设施的可用性有更高标准。而大规模地运营与复杂设施体系、改造升级项目，加重相关运维工作的压力。如今，国内现已开通的地铁运维工作，还是会采取常规的运维方式，其特征表现在：预防及事后修理较多，缺乏预测修理；应用技术员作业，运维效率不佳；工作数据精细化及频率均有缺陷；大数据系统及智能化的落实深度不足等。比如，某地铁在2016年，专业列车日检达到18万余次；均衡修超过6千次；架大修有150多次。这种状态持续到2020年，其每年日检会达到40万次；均衡修超1万次；架大修有700次左右。对于地铁列车的内部维修方法也大多运用人工检测，相应的检修工具、自动化水平等都会引起检查结果的波动。而新建与改造的工程，会应用最新科技，和已有设施可能并不匹配。而在网络化建设的趋势下，轨道交通也进行相应的尝试，提升运维工作效果。如综合监测系统、故障预警系统等[1]。

2.智能平台环网架构类型

2.1 全冗余架构

（1）环网接入部分。系统服务器直接连接交换机，其配备双网卡的绑定功能，分成主网卡与备网卡，各自连接到主交换机与备用交换机上。系统平常工作运行中，主网卡发挥作用，保持较为活跃的工作状态，而备用网卡则为静默状态。一旦主网卡发生异常情况，备用网卡会随即被启动，暂时取代主网卡的位置，维持正常的环网保护运行。（2）系统交换机部分。在各个节点机柜处，都会配备2台交换机，同样分成主用与备用，其启动关系与网卡类似，在主交换机发生异常，无法继续工作时，备用交换机立即负责相应的数据传输转发工作，维持系统的稳定运行，支持环网保护。2台交换机是借助堆叠线实现连接，能传送心跳报文以及业务信息等。（3）系统连接线路。为确保系统能稳定运行，保持平台信息通畅，在各节点处，2台主交换机可以进行连接，并且备用交换机也会相互连接。此外，还设有支持跨设备对接的链路聚合，把2条链路设置在某个跨设备的接口，支持链路之间的信息备份，保障信息流量能稳定输送。（4）系统平台拓扑部分。网络拓扑是环境，依托于ERPS协议，防止形成环路，继而引发广播风暴。另外，在平台发生异常状况后能立即启动冗余配置的备份链路，以保持平台正常的网络连接，能满足电信级的切换标准。此种环网架构运行下，如果发生二度异常，运维业务不会终止。

2.2 双环网结构

（1）接入部分。系统服务器2个网卡处于不绑定的状态，而且各网卡都是运行工作的状态，二者各自会连接2个独立运行的环网，通过服务器上层程序，进行双发选收信息，以实现对运维业务的保护。（2）交换机部分。同样会设置两台交换机，但不涉及主交换机及备用之分，而且二者无需相互连接以及堆叠。各自从属于不同的环网，如果某台设备发生运行异常情况，仅能波及到相连的环网，不会干扰到另外的环网，以此达到冗余保护的效果。（3）系统线路。按照双环网的结构特点，各节点也会配置2条链路，但各自连接不同的环网，一个突发异常情况，不能对另外的环网有任何干扰，达到线路保护的目的。（4）系统拓扑。相互处于独立状态的环网，各自按照ERPS协议运转，可防止在环网中出现广播风暴，而且在故障切换中支持运维业务倒换，达到环网内部运维保护的效果。同时，2个环网信息互为备份，有效提升智能运维系统的稳定性。此种环网架构运行下，也能确保在发生二度异常时运维业务保持原状[2]。

2.3 单环网结构

该结构可以说是上一种的简化版，直接消除其中一个环网，仅留下一个环网运行。此结构不涉及接入、线路与交换机方面的冗余布置，其中仅有拓扑冗余。相较而言，其优劣势比较明显，优点在于：整体框架比较简单，能省去部分设施资源的使用，使得运维平台建造成本下降。但缺点是性能较差，运维稳定性不足。

3.地铁交通智能运维平台环网架构性能探讨

3.1 运行可靠性

运维平台运行可靠性的分析方式较多，如定界法、因子分解法、图变换、状态枚举法等。虽然可以较为精准地确定环网架构的可靠性，但操作过程比较繁琐，如果在现实地铁改造项目中运用，无疑会增加工作量。因而，建议选择古典概型的方法，评估上述环网框架即可，相关分析过程如下：

（1）全冗余结构。根据该环网结构，可将其当成若干基础割集相互串联的框架。设环网中其中一条链路实际可靠性是λ；而其中某台交换机运行可靠性是P；服务器的数据发送端下挂于节点1；相应数据接收端则下挂于节点k；在此环路的节点共有n个；平台总体的运行可靠性是P1。由此：u=2λ-λ2，υ= [λP(2 -λP)]，x=(1-P)·(λ+P-λP)·(λP)2，整理出以下表达式：

其中，P(La)表示在系统环路处于正常运转状态下，平台信息数据流能直接按照顺时针方向的链路La进行所需传送任务的可靠性；P(Lb)表示在正常顺时针方向的链路La出现异常，无法使用的情况下，信息数据流会转而变成逆时针方向输送，通过链路Lb进行数据传送的可靠性。在可靠性评估中，为简化计算分析的过程，可通过工程化假设处理。

一方面，把网络拓扑分成各自独立的子集，而主设备和主链路；备用设备和备用链路，分别看成基础割集。在地铁运维系统中，仅要确保其中某个割集保持通畅，便可认定相应节点和相邻节点之间，有可用的数据传输渠道。另一方面，主用和备用交换机，而且具有相距不远的堆叠线，同时铺设于人工值守的机柜中，在发生运行异常时，能迅速替换，此过程中的检修时长趋近于0。所以，便能不考虑此部分对于运维平台总体可靠性的干扰问题，也就是可靠性可等同于“1”。在上述两项假设下进行可靠性评估计算，可减少实际的运算量[3]。

（2）双环网结构。基本思路与全冗余大致相同。设设环网中其中一条链路实际可靠性是λ；而其中某台交换机运行可靠性是P；服务器的数据发送端下挂于节点1；相应数据接收端则下挂于节点k；在此环路的节点共有n个；平台总体的运行可靠性是P2；w=P(A网)。由此可得出以下表达式：

其中，Ring1表示环网1。通过上述表达式代入整理，可得到如下表达式：

P2=2·P(A网)-P2(A网)=w(2-w)

（3）单环网结构。在单环网的系统中，仅包含一个环网，可以看成在双环网框架下，A网的运行可靠性。把单环网平台的总体运行可靠性设成P3。由此能得到以下表达式：

P3=P(A网)=λk+1Pk+λn-k+3Pn-k+2-λn+2Pn

（4）可靠性比较。以某市地铁列车运行状况为例，其网络运行异常一般出现在光纤链路的部分，没有犹豫交换机问题，出现网络中断的情况。按照交换机的运转性能参数，其的平均无故障时长（MTBF）是57年；平均修复时长（MTTR）是2h，由此按照平台可靠性的运算表达式，能得出：

由此能得出该运维系统交换机的运行可靠性（P）为0.99999，为便于后续分析便利，可靠性取值为0.99。

针对运维系统平台光缆问题，因为故障存在明显的偶然性与随机性，所以需把其可靠性（λ）当成变量，取值范围在0.9～1，基于此，评估对于传输网络可靠性的干扰程度。通过分析环网架构中的节点总数；环网内服务器的接收端下挂节点，也就是从接收端至发送端之间的距离，借此评估各种环网结构的运行可靠性。经过对比探讨，3种环网架构中，全冗余架构的可靠性最好，而后是双环网、单环网。这种现象表现是因为在全冗余结构中，采取心跳线连接，构成大量的连接路径。通过相关分析：在运维平台设备与链路的工作可靠性，都能达到0.999及其以上的情况下，全冗余结构和双环网结构相较，前者故障率能比后者减少3个数量级左右[4]。

3.2 网络收敛性能

在运维平台发生拓扑调整及异常情况，会随即启动链路切换。而运行状态收敛期间，环网结构、运行协议都会对切换过程的时长有影响。地铁智能系统运行中的故障，目前分成两个等级。

（1）一级故障。1）在节点主链路发生断线时，全冗余结构的切换时长，是由链路聚合组内的切换情况决定，把报文设成100ms的工况下，发生此故障时，交换机会与极少数报文无法获取，启动链路切换操作。双环网结构下，不涉及主备分别，所以切换时长是根据服务器本身的判决时长与A网运行协议的倒换时长确定。假设判决时长超过倒换时长，则接收端不能倒换至B网，直接把输送路径切换成倒换时长，同时该时间小于50ms。如果判决时长更短，系统服务器可随即完成切换。在单环网结构下，切换动作完全由倒换时长确定。2）服务器的主链路发生断线时，全冗余结构下，切换动作是根据网卡与备用交换机确定。在交换机处于堆叠状态时，2个交换机地址解析协议没有同步，在数据传输切换至备用设备中，应重新运行，会消耗一段时间。在双环网结构下，切换动作是根据服务器本身与系统上层程序的处理情况确定，而后者是和服务器程序有联系，时间通常在200ms以内。在单环网结构下，服务器直接和网络连接，没有任何额外的运行链路，所以在发生此故障时，会直接导致数据通信中断。3）节点的主交换机宕机，全冗余结构中，会受到交换机堆叠中2台设备切换时长影响。在备交换机从备用工况调整成主要工况后，同样要经历学习的过程，切换动作实现时间较长。而双环网与单环网在遇到此种平台故障时，表现和节点主链路的断线异常相同。

（2）二级故障。1）节点互联链路加上断线故障。全冗余结构下，切换周期是由链路聚合组内的切换时长，还有协议倒换时长共同决定。假设遇到两条链路一起断线，会先在聚合口中进行业务切换，而后通过协议保护切换，此过程需等待较长的时间。双环网结构下，切换动作是根据A网的保护时间确定，而B网不会对整个平台运行产生任何干扰。单环网结构中，发生2条链路的异常情况时，由于其没有配备任何保护路径，所以会直接阻断运维业务的正常运行。2）节点内的交换机都出现故障。全冗余结构中，面对此故障的切换处理比较复杂，包含堆叠情况、地址解析协议以及ERPF，此切换过程大约会等待5s。双环网结构中，服务器间的判决时长会超过协议倒换动作的时间，在系统服务器察觉到此类异常前，平台的切换动作就已经结束。在单环网结构中，没有配置任何对于节点中的额外保护。3）节点的主交换机以及相应备用链路同时出现故障，全冗余架构对此故障的切换处理反应和上一种相同。双环网结构下，2个子网都具备启动切换的条件，而且切换时长依旧会短于服务器处理时间，导致服务器获取到异常故障前切换动作就已完成。此外，对于此种故障现象，单环网完全不具备处理性能[5]。

总的来讲，全冗余结构的收敛效率最低，其他2种架构在该项性能上的表现没有过大差距，但后者的长期可用性更差，无法完成二级故障的系统保护。联系上文对3种环网架构的分析，三者各有应用优劣势。具体来说，在可靠性上，全冗余架构最佳，其次是双环网；在拓扑构成的复杂性上，全冗余架构最为复杂，单环网是相对最简单的一种；系统运行收敛性能上，单环网架构的反应速度最快，全冗余架构是最慢的；环网建造成本上，全冗余环网造价最高，超过单环网的2倍，而双环网与其相差不大。

4.结语

智能化的运维平台投入到地铁交通中，有助于优化系统运维的效果，控制资源消耗，并维系轨道交通的运行安全。通过比较不同环网架构，总结出各自的适用范围。全冗余结构可用于系统可靠性标准极为严格的项目，如信号系统，双环网则用在可靠性与延时方面无过高标准的项目中，如综合监控系统，单环网能用在可靠性标准偏低、延时方面标准高、对于造价有要求的项目。