廣州市軌道交通三號(hào)線主控系統(tǒng)骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)和選用
趙馳 張劭
（廣州地鐵總公司建設(shè)總部，廣州 510380）
摘 要 本文從三號(hào)線主控骨干網(wǎng)的選型原則、組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹，并根據(jù)工程檢驗(yàn)闡述主控骨干網(wǎng)在應(yīng)用過程中需關(guān)注的幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞 千兆以太網(wǎng) 主控系統(tǒng) 應(yīng)用
Design and Selection of The MCS Backbone Network in Guangzhou Metro Line 3
ZhaoChi ZhangShao
(Guangzhou Metro Corporation Construction Business Division， 510380)
Abstract: This text intreduces the Seletion ,the compose, the Specialty, the application of the MCS Backbone Network in Guangzhou Metro line 3. It expounds that we should mainly emphasize the sereral key of technique issue in the application of the MCS Backbone Network .
Keywords: 1Gb/s Ethernet MCS Application
1 概述
廣州地鐵積極學(xué)習(xí)世界先進(jìn)技術(shù)，大膽創(chuàng)新，繼在地鐵二號(hào)線率先在國(guó)內(nèi)采用集中冷站對(duì)地鐵車站進(jìn)行供冷、屏蔽門系統(tǒng)及全非接觸式IC卡自動(dòng)售檢票系統(tǒng)，又在地鐵三號(hào)線率先在國(guó)內(nèi)構(gòu)建地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)——主控系統(tǒng)。
廣州地鐵三號(hào)線主控系統(tǒng)集成了變電所自動(dòng)化系統(tǒng)（PSCADA）、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）、屏蔽門系統(tǒng)（PSD）、防淹門（FG）。同時(shí)互聯(lián)了：廣播系統(tǒng)（PA）、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）、車載信息系統(tǒng)（TIS）、車站信息系統(tǒng)（SIS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、信號(hào)系統(tǒng)（SIG）、時(shí)鐘系統(tǒng)（CLK）等。與行車指揮、防災(zāi)和安全及乘客服務(wù)管理等有關(guān)的信息應(yīng)進(jìn)入主控系統(tǒng)。通過將各集成和互聯(lián)系統(tǒng)的信息進(jìn)行整合，提供一個(gè)友好、完整、統(tǒng)一的人機(jī)界面，方便上述崗位人員的操作。當(dāng)出現(xiàn)異常情況由正常運(yùn)行模式轉(zhuǎn)為災(zāi)害運(yùn)行模式時(shí)，主控系統(tǒng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)急模式，為防災(zāi)、救援和事故處理的指揮提供方便。
2地鐵環(huán)境特點(diǎn)
（1） 各種機(jī)電、通訊、（有線、無線）、信號(hào)等設(shè)備發(fā)射、輻射出大量無規(guī)則電磁信號(hào)。
（2） 采用1500VDC牽引形成畸變電場(chǎng)。
（3） 其它不可預(yù)見干擾。
（4） 風(fēng)機(jī)等設(shè)備為回、排風(fēng)、排煙公用。
（5） 控制信號(hào)要求極高。
3 選型
主控骨干網(wǎng)(MBN)承擔(dān)著主控系統(tǒng)信息交換、傳送的任務(wù)，因此骨干網(wǎng)的選型必須遵循：
（1）網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的高可靠性。
網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)合理可靠，需要考慮物理鏈路的冗余保護(hù)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須具有高可靠性，需要考慮主要設(shè)備（如交換機(jī)）的冗余配置；網(wǎng)絡(luò)一旦發(fā)生故障后必須有很強(qiáng)的自愈能力。
（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。
主控系統(tǒng)集中控制的特點(diǎn)，決定了主干網(wǎng)絡(luò)主要承載車站節(jié)點(diǎn)和OCC節(jié)點(diǎn)之間的流量，OCC和所有車站、車輛段的數(shù)據(jù)通信均需MBN完成，故需要足夠的帶寬保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并且能夠通過QoS機(jī)制保證重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
（3）網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。
考慮到今后站點(diǎn)增加的需要，MBN的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展必須方便，并且不能影響網(wǎng)絡(luò)的性能。
（4）網(wǎng)絡(luò)管理的方便性。
考慮到網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的方便性，必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況和故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
4 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
（1）主控系統(tǒng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
廣州地鐵三號(hào)線系統(tǒng)的主控骨干網(wǎng)(MBN)采用雙環(huán)千兆工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建，車站、車輛段和OCC等每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用主備兩套工業(yè)級(jí)的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。所有車站、車輛段和OCC的MCS設(shè)備都連接到交換機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。過對(duì)辦公級(jí)以太網(wǎng)、彈性分組網(wǎng)（RPR）、工業(yè)以太網(wǎng)的主控系統(tǒng)方案提供商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商的考察，特別是針對(duì)軌道交通及本項(xiàng)目的要求，交換機(jī)采用德國(guó)Hirschmann公司的MACH3000系列產(chǎn)品，構(gòu)建地鐵三號(hào)線的主控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)。
其中OCC采用兩臺(tái)MACH3005交換機(jī),背板處理能力為40G，每臺(tái)配置8個(gè)模塊： 4塊100M的RJ45模塊,可接32個(gè)RJ45口；3塊千兆光纖模塊,每塊模塊含有2個(gè)光纖接口，共計(jì)6個(gè),可接多模或單模光纖；其中兩個(gè)連接MBN雙環(huán)千兆以太網(wǎng)；兩個(gè)連接中央實(shí)時(shí)主、備服務(wù)器；兩個(gè)連接中央歷史主、備服務(wù)器；1塊路由模塊。車站、車輛段均采用兩臺(tái)MACH3002交換機(jī)，背板處理能力為16G，每臺(tái)配置4塊模塊，其中3塊100M的RJ45模塊，共有24個(gè)100M 接口；1塊千兆光纖模塊，用于連接雙環(huán)千兆工業(yè)以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)方案詳見下圖：
車站設(shè)備采用星型接入方法，網(wǎng)絡(luò)即可滿足車站的本地?cái)?shù)據(jù)交換要求，又可以滿足數(shù)據(jù)流在骨干網(wǎng)上的傳輸需求。同時(shí)星形結(jié)構(gòu)又具有良好的可擴(kuò)展性和伸縮性，并易于隔離故障點(diǎn)。
（2）赫茲曼全雙工雙環(huán)千兆以太網(wǎng)路的技術(shù)特點(diǎn)
赫茲曼千兆工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)交換機(jī)組成的全雙工冗余主控骨干網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)如下：
HIRSCHMANN的雙環(huán)以太網(wǎng)具有優(yōu)良的性能，有力地支持MCS安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
① 具有多重冗余和高可靠性。采用“超級(jí)環(huán)”（HIPER-RING）、雙鏈路冗余（Link Redundancy）、雙節(jié)點(diǎn)冗余（Dual-homing）和生成樹（Spanning Tree）等多種冗余方式，采用雙電源冗余、無源背板大大提高了系統(tǒng)的可靠性。其工作環(huán)境溫度范圍可以達(dá)到0～50℃，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP30。
② 采用模塊化設(shè)計(jì)，便于未來擴(kuò)展。
③ 采用雙環(huán)網(wǎng)冗余和環(huán)間冗余。環(huán)間冗余（下聯(lián)冗余），即可以在兩個(gè)環(huán)網(wǎng)在中央建立兩條互為熱備的連接通道，當(dāng)其中一條發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)切換到另外一條通道，為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了很大的方便。
④ 主干鏈路物理徑路冗余保護(hù)，冗余網(wǎng)絡(luò)的切換時(shí)間不大于500ms。在以太環(huán)網(wǎng)鏈路切換時(shí)，采用HIPER-Ring技術(shù)在鏈路層已經(jīng)開始糾錯(cuò)。
⑤ 較高的實(shí)時(shí)性。高優(yōu)先級(jí)（64Byte的幀格式）實(shí)時(shí)傳輸時(shí)間為97.36us，低優(yōu)先級(jí)（1518Byte的幀格式）實(shí)時(shí)傳輸時(shí)間為457.76 us，它的實(shí)時(shí)性完全可以滿足工業(yè)控制實(shí)時(shí)性需要。
⑥ 具有QoS性能，可以進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制。
因此組成雙環(huán)網(wǎng)允許的故障點(diǎn)為： 當(dāng)1處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過另一環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)2處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過另一環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)3處出現(xiàn)故障，赫斯曼交換機(jī)B的管理口偵測(cè)到3出現(xiàn)故障，自動(dòng)閉合Redundant線路，使環(huán)網(wǎng)自愈；當(dāng)4處出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)可以通過車輛段交換機(jī)之間的連接傳輸數(shù)據(jù)，反之亦然。因此這種方案可以做到1，2，3，4同時(shí)出現(xiàn)故障。
（3）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）用于配置、監(jiān)視和管理整個(gè)MCS網(wǎng)絡(luò)。NMS系統(tǒng)功能由赫茲曼的網(wǎng)管軟件Hivision和英國(guó)Invensys公司Citect監(jiān)控軟件完成，整個(gè)NMS系統(tǒng)基于SNMP協(xié)議。其中Hivision主要完成交換機(jī)的監(jiān)視和配置功能，Citect完成除交換機(jī)之外的其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如UPS、OPS控制器、服務(wù)器、工作站、打印機(jī)等）的監(jiān)視功能。
5 千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)過程中應(yīng)考慮的問題
（1）網(wǎng)絡(luò)效率考慮。
網(wǎng)絡(luò)效率來自于多方面的措施：選用高帶寬背板、高效率的交換機(jī)保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效率；利用交換機(jī)的VLAN技術(shù)或三層路由交換功能，將每個(gè)接入網(wǎng)均劃分為不同的網(wǎng)端或VLAN，進(jìn)行有效的廣播隔離，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效率；利用交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制，對(duì)MBN的帶寬進(jìn)行劃分給予重要節(jié)點(diǎn)較高的優(yōu)先級(jí)，以保證重要信息的及時(shí)傳輸。
（2）網(wǎng)絡(luò)可靠性考慮。
采用雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，中央采用雙網(wǎng)平衡、動(dòng)態(tài)尋徑的策略，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上某一個(gè)網(wǎng)卡或網(wǎng)線的損壞不會(huì)影響此節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)功能，一臺(tái)交換機(jī)的損壞也不會(huì)影響系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，保證網(wǎng)絡(luò)方案的可靠性，雙環(huán)網(wǎng)冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢栽试S交換機(jī)、三處光纖(共四處)或者交換機(jī)、兩處光纖、網(wǎng)線（網(wǎng)卡）四種故障。
（3）網(wǎng)絡(luò)安全性考慮。
在連接OCC的路由交換機(jī)上，配置防火墻功能，阻擋對(duì)中央級(jí)控制系統(tǒng)的非法訪問；同時(shí)采用VLAN技術(shù)，在交換機(jī)中的虛網(wǎng)劃分也能提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，比如使中央歷史主、備服務(wù)器就不在車站級(jí)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)范圍內(nèi)；在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)級(jí)采取必要的安全措施。
6結(jié)束語(yǔ)
從共享式網(wǎng)絡(luò)到交換式網(wǎng)絡(luò)，從第二層交換到到多層交換，從以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)到千兆以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用已非常成熟，千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)與多媒體技術(shù)（如MPEG-4）的有機(jī)結(jié)合，將使我們?cè)谖磥淼南喈?dāng)一段時(shí)間里，充分享受到千兆以太網(wǎng)技術(shù)給我們帶來的巨大實(shí)惠。
赫茲曼全雙工冗余千兆以太網(wǎng)在廣州地鐵三號(hào)線使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展能力提供了有力的保證。
參考文獻(xiàn)：
1、 《廣州市軌道交通三號(hào)線主控系統(tǒng)采購(gòu)合同文件》
2、郭向勇 吳光斌 趙怡濱 千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù) 北京 電子工業(yè)出版社 2002年
3、郭詮水 王寶智 全新計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程教程 北京 北京希望電子出版社 2001年
作者簡(jiǎn)介：
趙馳，男，1980年生，本科畢業(yè)，現(xiàn)任廣州地鐵總公司建設(shè)總部項(xiàng)目經(jīng)理
聯(lián)系地址：廣州市芳村區(qū)花地大道南8號(hào)地鐵建設(shè)總部機(jī)電系統(tǒng)工程部
聯(lián)系人：趙馳
郵政編碼：510380
電話：（020）83106484 013924082328
傳真：（020）83106300
電子郵箱：zhaochi@gzmtr.com
