轨道交通综合监控系统骨干网方案探讨

轨道交通综合监控系统骨干网方案探讨

赵磊

赵磊

(杭州市地铁集团有限责任公司310007)

摘要：本文通过对轨道交通综合监控系统骨干网的传输通道、交换设备及环网类型的分析，探讨了各种网络方案的特点，提出在综合监控骨干网设计时必须结合实际工程特点，选用合适的网络设备及网络方案，才能发挥综合监控系统网络的能力，提升综合监控系统的运行效率。

关键词：轨道交通，综合监控，骨干网，传输，交换机，环网

引言：地铁的综合监控系统是一个超大型的、地理上分散的数据采集监控系统，以技术成熟、功能实用为原则选择集成的深度与范围。目前国内综合监控系统在总体结构上，多采用分层分布式控制结构，中央级通过通信骨干网与各车站、车辆段等处的车站级综合监控系统局域网相连，成为一有机整体。通信骨干网的选型直接决定综合监控系统的关键指标，下面介绍综合监控通信骨干网的选型及主要技术特点。

一、传输通道类型

综合监控系统的通信骨干网的传输通道可采用地铁通信骨干网的传输信道，也可单独组建综合监控系统骨干网。

采用地铁通信骨干网的传输信道的方式中综合监控系统利用地铁通信骨干网的传输设备及光纤，综合监控系统内的交换机一般作为接入层设备，虽然针对不同类型的业务（如视频、音频等）应对能力更强，但传输过分依赖于通信骨干网。通信骨干网带宽品种少，提供业务速度慢，带宽利用率低的缺点也成为综合监控骨干网的瓶颈。

随着综合监控系统集成互联系统的增多，综合监控系统功能更趋于丰富，综合监控系统不仅要处理机电设备状态、火灾报警、等实时监控信息，同时还存在着大量的事件、日志记录信息，另外还有车站及列车的视频数据业务。为应对庞大的数据以及各种数据业务，独立组网已成为当前轨道交通综合监控系统的主流方案。单独组建综合监控系统骨干网仅利用地铁通信骨干网的光纤通路，传输设备使用综合监控系统的设备，此种方式组网方式更加灵活，系统设备及结构利于管理与维护。此种方式已成为现阶段综合监控组网的主流方式，为满足地铁综合监控系统的数据传输、交换的要求，一般采用数据传输速率为1000Mbps的工业级以太网构建。

二、交换机设备

地铁综合监控系统的交换机设备，需要常年7×24小时不间断运行，而且运行的环境也较恶劣，因此主流的组网方式均使用工业级以太网交换机。

地铁综合监控系统工业级以太网交换机具备以下主要特点：

1）工业级以太网交换机针对地铁环境的机械环境适应性（列车经过造成的震动）、气候环境适应性（因无法安装精密空调造成的机房湿度与温度不达标）和电磁环境适应性（地铁机电设备众多造成的电磁干扰）均较商用以太网交换机要好很多。

2）工业以太网交换机在配置及扩展方面表现的更为灵活，可选配多种电口与光口。

3）工业以太网交换机支持环形冗余拓扑结构与技术，满足地铁综合监控系统冗余性和自愈性的要求。

4）工业以太网交换机可采用多种环形冗余协议，其中STP/RSTP等标准协议可支持不同品牌交换机的互联，但冗余故障收敛时间仅能达到秒级。为提高地铁综合监控系统的可靠性，各生产厂家均开发出专用的以太网环网冗余协议（例如赫斯曼的HiPER-Ring，RuggedCom交换机的eRSTP），可将故障恢复时间降到毫秒级。但私有协议的应用，牺牲了工业以太网设备的兼容性，在线路的维护、扩容、改造时主干网设备基本只能沿用之前品牌设备。

三、环网类型

随着网络技术的发展，综合监控系统的通信骨干网已在单环冗余网络的基础上发展演化出了多种方案，网络的冗余度、带宽、可靠性等参数上都比单环网有较大提升，以下笔者介绍目前常用的两种组网方式：

1）独立双环网络；

主干网的每个节点采用两台交换机分别组成2个独立的光纤自愈环网（可称作为A网、B网）。

双冗余环形拓扑结构继承了单环网快速自愈的特点，在A、B环上任意位置发生单点故障时，环网可快速自愈。例如，正常情况下车站1的数据传输走的路径为橙色链路，当橙色链路中任一节点发生故障时，环网将重新收敛，并将车站1的数据路径由橙色链路改为蓝色链路（如下图2）。

图2.独立双环网络故障数据流向

除了继承单环网的优点，双环网络的突出优势在于数据传输可在A、B两环间切换，避免了单环上出现多处故障。例如上图中若橙色链路、蓝色链路中同时出现了故障，若为单环网络则两故障节点间的车站交换机将与中心丢失通信；但若采用双环结构，数据可在这种情况下整体切至B网进行传输。

独立双环网络结构具有很高的冗余度，理论上说，环网可以承受的故障点数量为1个网的节点数量N，再加上另一个环网的1个故障节点，即“N+1”。但由于存在两个数据传输环路，独立双环网会存在两个环路间切换震荡的情况。为避免频繁的环网切换，并进一步增加冗余度，还可选择级联中心或车站的两台交换机，然而这种方式会增加环网的链路，使网络的复杂程度进一步增加。

3）单环双节点链路聚合网络

单环双节点链路聚合网络主要依赖于链路聚合技术。链路聚合技术亦称主干技术（Trunking）或捆绑技术（Bonding），其实质是将两台设备间的数条物理链路"组合"成逻辑上的一条数据通路，称为一条聚合链路。该链路在逻辑上是一个整体，内部的组成和传输数据的细节对上层服务是透明的。聚合内部的物理链路共同完成数据收发任务并相互备份，只要还存在能正常工作的成员，整个传输链路就不会失效。

单环双节点链路聚合网络也继承了单环网络的自愈功能，而且采用链路聚合技术增强了对线路及端口故障的冗余性，网络上任意一处（或非同一节点多处）端口或线路的故障都不引起网络的重新收敛，例如下图4中闪电标记的光纤同时存在断电故障，但由于各交换机间的链路聚合通路仍有一组处于正常状态，从车站1至控制中心的链路将不受影响（不会改变链路的路径）。

图4.单环双节点链路聚合网络故障后数据流向

所以单环双节点链路聚合网络从线路及端口故障的冗余性来分析也是“N+1”，但从交换机故障的角度分析只允许环网上的1台交换机故障，所以冗余度上看不如独立双环网络，但双节点链路聚合网络在实现端口冗余性能的同时，实现了链路带宽的翻倍增长，这也是链路聚合网络最突出的优势。总结起来单环双节点链路聚合网络的优势在于：

（1）提高链路可用性

链路聚合中，成员互相动态备份。当某一链路中断时，其它成员能够迅速接替其工作。链路聚合启用备份的过程对聚合之外是不可见的，而且启用备份过程只在聚合链路内，与其它链路无关，切换可在数毫秒内完成。

（2）增加链路容量

聚合技术的另一个明显的优点是为用户提供一种经济的提高链路传输率的方法。通过捆绑多条物理链路，用户不必升级现有设备就能获得更大带宽的数据链路，其容量等于各物理链路容量之和。聚合模块按照一定算法将业务流量分配给不同的成员，实现链路级的负载分担功能。

（3）提供负载均衡能力以及系统容错

实时平衡各个交换机端口接口的流量，一旦某个端口出现故障，它会自动把故障端口撤消，进而重新分配各个端口的流量，从而实现系统容错。

四、结束语

随着综合监控系统的不断发展，系统对于网络的带宽、冗余、稳定性以及网络安全的要求进一步提高。在综合监控网络设计时必须结合实际工程特点，充分考虑的子系统接口方式及子系统功能及数据类型，选用合适的网络设备及网络方案，才能发挥综合监控系统网络的能力，提升综合监控系统的运行效率。

参考文献：

[1]李国宁，刘伯鸿.城市轨道交通综合监控系统及集成.西南交通大学出版社.

[2]田立强.浅谈城市轨道交通综合监控系统.城市建设理论研究（电子版）2014年第2期.

[3]李钢李钢城市轨道交通综合监控系统的现状和发展李钢现代城市轨道交通.2012年2期.

[4]李金龙.城市轨道交通综合监控组网方案.都市快轨交通.2012年第5期.