广州市轨道交通三号线主控系统骨干网的设计和选用

1 概述      广州地铁积极学习世界先进技术，大胆创新，继在地铁二号线率先在国内采用集中冷站对地铁车站进行供冷、屏蔽门系统及全非接触式IC卡自动售检票系统，又在地铁三号线率先在国内构建地铁综合自动化系统——主控系统。      广州地铁三号线主控系统集成了变电所自动化系统（PSCADA）、火灾报警系统（FAS）、机电设备监控系统（EMCS）、屏蔽门系统（PSD）、防淹门（FG）。同时互联了：广播系统（PA）、闭路电视系统（CCTV）、车载信息系统（TIS）、车站信息系统（SIS）、自动售检票系统（AFC）、信号系统（SIG）、时钟系统（CLK）等。与行车指挥、防灾和安全及乘客服务管理等有关的信息应进入主控系统。通过将各集成和互联系统的信息进行整合，提供一个友好、完整、统一的人机界面，方便上述岗位人员的操作。当出现异常情况由正常运行模式转为灾害运行模式时，主控系统能迅速转变为应急模式，为防灾、救援和事故处理的指挥提供方便。 2地铁环境特点 （1） 各种机电、通讯、（有线、无线）、信号等设备发射、辐射出大量无规则电磁信号。 （2） 采用1500VDC牵引形成畸变电场。 （3） 其它不可预见干扰。 （4） 风机等设备为回、排风、排烟公用。 （5） 控制信号要求极高。 3 选型      主控骨干网(MBN)承担着主控系统信息交换、传送的任务，因此骨干网的选型必须遵循： （1）网络和设备的高可靠性。      网络的拓扑结构必须设计合理可靠，需要考虑物理链路的冗余保护；网络设备必须具有高可靠性，需要考虑主要设备（如交换机）的冗余配置；网络一旦发生故障后必须有很强的自愈能力。 （2）数据传输的实时性。      主控系统集中控制的特点，决定了主干网络主要承载车站节点和OCC节点之间的流量，OCC和所有车站、车辆段的数据通信均需MBN完成，故需要足够的带宽保证数据传输的实时性，并且能够通过QoS机制保证重要数据的实时传输。 （3）网络的可扩展性。      考虑到今后站点增加的需要，MBN的节点扩展必须方便，并且不能影响网络的性能。 （4）网络管理的方便性。      考虑到网络维护的方便性，必须有统一的网络管理系统，对整个网络的状况和故障进行监测。 4 网络构成 （1）主控系统骨干网网络构成      广州地铁三号线系统的主控骨干网(MBN)采用双环千兆工业以太网构建，车站、车辆段和OCC等每个网络节点采用主备两套工业级的千兆以太网交换机。所有车站、车辆段和OCC的MCS设备都连接到交换机上进行数据通信。过对办公级以太网、弹性分组网（RPR）、工业以太网的主控系统方案提供商和网络设备提供商的考察，特别是针对轨道交通及本项目的要求，交换机采用德国Hirschmann公司的MACH3000系列产品，构建地铁三号线的主控系统的骨干网。      其中OCC采用两台MACH3005交换机,背板处理能力为40G，每台配置8个模块： 4块100M的RJ45模块,可接32个RJ45口；3块千兆光纤模块,每块模块含有2个光纤接口，共计6个,可接多模或单模光纤；其中两个连接MBN双环千兆以太网；两个连接中央实时主、备服务器；两个连接中央历史主、备服务器；1块路由模块。车站、车辆段均采用两台MACH3002交换机，背板处理能力为16G，每台配置4块模块，其中3块100M的RJ45模块，共有24个100M 接口；1块千兆光纤模块，用于连接双环千兆工业以太网。网络方案详见下图：      车站设备采用星型接入方法，网络即可满足车站的本地数据交换要求，又可以满足数据流在骨干网上的传输需求。同时星形结构又具有良好的可扩展性和伸缩性，并易于隔离故障点。         （2）赫兹曼全双工双环千兆以太网路的技术特点      赫兹曼千兆工业以太网网交换机组成的全双工冗余主控骨干网的技术特点如下：      HIRSCHMANN的双环以太网具有优良的性能，有力地支持MCS安全、稳定运行。      ① 具有多重冗余和高可靠性。采用“超级环”（HIPER-RING）、双链路冗余（Link Redundancy）、双节点冗余（Dual-homing）和生成树（Spanning Tree）等多种冗余方式，采用双电源冗余、无源背板大大提高了系统的可靠性。其工作环境温度范围可以达到0～50℃，防护等级达IP30。      ② 采用模块化设计，便于未来扩展。      ③ 采用双环网冗余和环间冗余。环间冗余（下联冗余），即可以在两个环网在中央建立两条互为热备的连接通道，当其中一条发生故障时可以自动切换到另外一条通道，为系统的扩展提供了很大的方便。      ④ 主干链路物理径路冗余保护，冗余网络的切换时间不大于500ms。在以太环网链路切换时，采用HIPER-Ring技术在链路层已经开始纠错。      ⑤ 较高的实时性。高优先级（64Byte的帧格式）实时传输时间为97.36us，低优先级（1518Byte的帧格式）实时传输时间为457.76 us，它的实时性完全可以满足工业控制实时性需要。      ⑥ 具有QoS性能，可以进行优先级控制。      因此组成双环网允许的故障点为： 当1处出现故障，数据可以通过另一环网传输数据；当2处出现故障，数据可以通过另一环网传输数据；当3处出现故障，赫斯曼交换机B的管理口侦测到3出现故障，自动闭合Redundant线路，使环网自愈；当4处出现故障，数据可以通过车辆段交换机之间的连接传输数据，反之亦然。因此这种方案可以做到1，2，3，4同时出现故障。 （3）网络管理系统      网络管理系统（NMS）用于配置、监视和管理整个MCS网络。NMS系统功能由赫兹曼的网管软件Hivision和英国Invensys公司Citect监控软件完成，整个NMS系统基于SNMP协议。其中Hivision主要完成交换机的监视和配置功能，Citect完成除交换机之外的其他网络设备（如UPS、OPS控制器、服务器、工作站、打印机等）的监视功能。 5 千兆以太网组网过程中应考虑的问题 （1）网络效率考虑。      网络效率来自于多方面的措施：选用高带宽背板、高效率的交换机保证网络系统的高效率；利用交换机的VLAN技术或三层路由交换功能，将每个接入网均划分为不同的网端或VLAN，进行有效的广播隔离，提高网络系统的效率；利用交换机的优先级机制，对MBN的带宽进行划分给予重要节点较高的优先级，以保证重要信息的及时传输。 （2）网络可靠性考虑。      采用双网设计，中央采用双网平衡、动态寻径的策略，一个节点上某一个网卡或网线的损坏不会影响此节点的网络功能，一台交换机的损坏也不会影响系统的网络功能，保证网络方案的可靠性，双环网冗余的网络拓扑可以允许交换机、三处光纤(共四处)或者交换机、两处光纤、网线（网卡）四种故障。 （3）网络安全性考虑。      在连接OCC的路由交换机上，配置防火墙功能，阻挡对中央级控制系统的非法访问；同时采用VLAN技术，在交换机中的虚网划分也能提高网络的安全性，比如使中央历史主、备服务器就不在车站级节点的网络可达范围内；在各网络节点上的操作系统级采取必要的安全措施。 6  结束语      从共享式网络到交换式网络，从第二层交换到到多层交换，从以太网、快速以太网到千兆以太网，网络技术飞速发展，千兆以太网的应用已非常成熟，千兆以太网组网技术与多媒体技术（如MPEG-4）的有机结合，将使我们在未来的相当一段时间里，充分享受到千兆以太网技术给我们带来的巨大实惠。      赫兹曼全双工冗余千兆以太网在广州地铁三号线使用，对实现主控系统的实时性、可靠性、可扩展能力提供了有力的保证。 参考文献： 1、 《广州市轨道交通三号线主控系统采购合同文件》 2、郭向勇  吴光斌  赵怡滨  千兆以太网组网技术  北京  电子工业出版社  2002年 3、郭诠水 王宝智  全新计算机网络工程教程  北京  北京希望电子出版社   2001年           作者简介： 赵驰，男，1980年生，本科毕业，现任广州地铁总公司建设总部项目经理 联系地址：广州市芳村区花地大道南8号地铁建设总部机电系统工程部 联系人：赵驰 邮政编码：510380 电话：（020）83106484    013924082328 传真：（020）83106300 电子邮箱：zhaochi@gzmtr.com