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摘要:文章针对城市轨道交通综合监控系统对通讯网络的要求,研究了提高综合监控平台网络可靠性的方法,给出了具有高可靠性的轨道交通综合监控系统通讯网络的解决方案;讨论了使用双星形光纤冗余网络及VRRP虚拟路由技术等提高网络性能及可靠性的方法,并使用实际运行的轨道交通综合监控系统为实例进行了说明,为城市轨道交通综合监控系统网络的设计提供参考｡
关键词:城市轨道交通 综合监控 通讯网络 可靠性设计
Abstract: the article in view of the urban rail transit comprehensive monitoring system for communication network, the method to improve the reliability of the network monitoring platform, and gives the rail transit comprehensive monitoring system with high reliability of communication network solutions; Discussed the use of redundant double star optical fiber network and virtual routing VRRP technology such as improve the network performance and the reliability of the method, and use the actual operation of the rail transit comprehensive monitoring system for example illustrates, the design of the comprehensive monitoring system for urban rail transit network to provide the reference.
Key words: urban rail transit comprehensive monitoring communication network reliability design
中图分类号：P114.52 文献标识码：A文章编号：
1 前言
大力发展地铁和轻轨交通为主的城市轨道交通是解决我国目前城市交通堵塞的重要手段｡截至2010年,有33个城市正规划建设地铁,已有28个城市获得批复｡按照现有规划,2010年我国将建成地铁480公里,2020年总里程将达6100公里｡2010~2015年地铁建设投资规划额将达11568亿｡
文献[2]通过国内多个轨道交通综合监控系统的建设和成功运营经验的总结,分析了地铁综合监控系统建设中如何提高系统可靠性等一系列关键问题｡文献[3]分析了地铁以太网中为了保证QoS而需采取的一些措施:拥塞控制､调度､缓冲区管理､性能监控等｡文献[4]讨论了通过采用虚拟局域网､IP组播技术以及服务质量控制等技术来提高船舶综合监控系统网络可靠性的设计方法｡、轨道综合监控系统按两级管理(中央､车站)､三级控制(中央､车站及就地)进行设计｡中央级可以对整个线路各个站点系统管辖范围内设备运行状态､故障情况进行监视,并向各个站点发布指令,统一指挥､协调各个站点的运行,一般采用双冗余的工业以太网;车站级设备的监控功能主要是完成本站点设备监控､管理,一般也采用双冗余的工业以太网;现场级作为车站级､中央级的被监控对象,是车站地铁机电设备的主体,由环境与设备监控系统(BAS)､火灾自动报警系统(FAS)､电力监控系统(PSCADA)､屏蔽门(PSD)､防淹门(FG)､电视监视系统(CCTV)､乘客信息系统(PIS)､信号系统(SIG)､自动售检票系统(AFC)､门禁系统(ACS)､广播系统(PA)等系统组成,一般采用现场总线或厂家的专利总线｡
中央监控网与地理分散的车站监控网组成轨道交通综合监控的骨干网(MBN)｡在地铁综合监控系统建设中,MBN设计一般采用百兆或千兆冗余以太网｡实现轨道交通综合监控系统的关键是建立一个稳定､高速､可靠的网络系统,本文主要就提高轨道交通综合监控系统骨干网可靠性的几种关键技术进行研究和探讨,为轨道交通综合监控系统网络的设计提供参考｡
2 轨道交通综合监控网络的可靠性设计
2.1 综合监控网络方案的选择
综合监控系统平台骨干网的构成方案有异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)､同步光纤网络/同步数字系列(Synchronous Optical Networking/Synchronous Digital Hierarchy,SONET/SDH)､以太网(Ethernet)等｡ATM､SDH主要用于移动通信等大型城域网,具有结构复杂､成本高､维护困难等问题,不适合用作轨道交通综合监控的骨干网｡近年来,以太网光纤技术的迅速发展,1GHz以太网已经普及,10GHz以太网的应用也越来越多｡由于其性能不断提高,技术不断成熟,以太网正逐步取代其它几种网络,广泛应用于从大型建筑自动化到城域网的各个领域,也成为轨道交通综合监控系统骨干网的首选方案[5,6]｡
2.2 光纤工业以太网在轨道交通ISCS中的应用
工业以太网是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在材质的选用､产品的强度､适用性以及实时性､可互操作性､可靠性､抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要｡
2.3 双星形冗余以太网
为提高系统可靠性,除数据中加冗余码(检错或纠错)､主站备份､信道备份外,采用双网冗余是另一重要设计方法｡前者称信息冗余,后者称硬件冗余,且后者更具实用意义｡为了尽可能提高产品的稳定性和可靠性,轨道交通综合监控普遍采用“热备冗余”系统｡
由上式可以看出,冗余系统的可靠性比每一个构成并联系统的单个系统的可靠性还要高｡以1:1冗余系统为例,假如两个系统的可靠度均为0.99,则由它们构成的并联冗余系统的可靠度为0.9999.
地铁综合监控系统中的以太网冗余技术包括:电源冗余､介质冗余､网络节点冗余､网络冗余及系统冗余等内容｡系统采用了电源冗余,传输介质冗余,网络节点冗余等｡
3.工程实例说明
深圳地铁五号线(环中线)工程自前海湾站至黄贝岭站,线路全长40.001km,其中高架线路3.42km,地下线路35.801km,过渡段0.776km,共设车站27座,其中高架站2座,地下站25座,平均站间距约1.454km.深圳达实智能股份有限公司提供的ISCS系统包括:车站机电设备监控和节能､车辆段机电设备监控与节能､门禁系统､控制指挥中心大屏幕投影墙､自动化总集成等｡自动化控制中心集成了信号系统､闭路电视监控系统､电力监控系統､火灾自动报警系统､门禁系统､屏蔽门系统､自动售检票系统､公共广播系统､乘客信息系统､人防门系统､广告屏系统､无线通信系统､时钟系统､自动扶梯/电梯系统､导向标识系统28个子系统｡
深圳地铁五号线(环中线)综合监控系统采用中央级和车站级两级管理,中央级､车站级和底层设备控制层(现场级)三级控制的分层分布式结构｡该综合监控系统设备供电为Ⅰ类负荷,在车站､车辆段､停车场采用与其它弱电系统合设UPS的集中供电方式来实现电源冗余｡系统设两层网络结构,车站级､中央级本地监控网络均采用以太网构建,其中,车站级(含车辆段/停车场)采用10M/100M双星形冗余以太网,中央级采用100M/1000M双星形冗余以太网,连接车站级､中央级本地监控网络的系统骨干传输网络的传输通道由通信传输网络提供,通信专业在控制中心､各车站､车辆段､停车场为综合监控系统提供双路冗余的主干网络传输通道,每路有效带宽为155Mbps,接口形式为千兆以太网口(光口)｡网络节点的冗余是由双机热备冗余功能的IBM公司的X3850M2服务器､冗余配置的模块化三层以太网交换机MACH4002-48+4G-L3PHC等组成｡
该系统网络冗余恢复时间小于等于50ms(光纤),支持环形结构超级冗余环技术､RSTP IEEE 802.1w(快速生成树协议)､环网耦合(主/备)､主/备链路切换技术､VRRP(虚拟冗余路由)等多种冗余协议;动态/静态链路聚合(最大支持7个trunk,每个trunk最多支持8个端口,支持LACP)｡
4 结束语
高可靠性永远是网络必不可少的重要需求,一个可靠的网络系统,能够保证长期的正常运转,在极低的概率情况下才会出现故障｡高可靠性的设备和可靠性技术(如冗余备份和IRF)是保证系统可靠运行的基础｡本文对轨道交通综合监控系统建设中如何提高可靠性的分析来自于国内多条地铁线路综合监控系统的实践经验,在轨道交通综合监控系统网络设计中采用这些技术,可提高所设计网络的可靠性,满足轨道交通综合监控系统可靠性高､技术先进､组网简单灵活､易扩容､便于安装､维护及使用的要求｡
参考文献：
[1] 张慎明.王军.新一代综合监控系统若干问题的研究和探讨[J].现代城市轨道交通,2010,(1):18-21
[2] 魏晓东.地铁综合监控系统建设的关键问题分析[J].自动化博览,2009,(05):14-37
[3] Raahemi B.; Chiruvolu G.; Ge, A. Metro Ethernet Quality of Services[C]. Alcatel Telecommunications Review , Technology White Paper: 1-10.
[4] 江立軍.船舶综合监控系统通讯网络的可靠性设计[J].机电工程技术,2010,39(04):62-64
关键词:城市轨道交通 综合监控 通讯网络 可靠性设计
Abstract: the article in view of the urban rail transit comprehensive monitoring system for communication network, the method to improve the reliability of the network monitoring platform, and gives the rail transit comprehensive monitoring system with high reliability of communication network solutions; Discussed the use of redundant double star optical fiber network and virtual routing VRRP technology such as improve the network performance and the reliability of the method, and use the actual operation of the rail transit comprehensive monitoring system for example illustrates, the design of the comprehensive monitoring system for urban rail transit network to provide the reference.
Key words: urban rail transit comprehensive monitoring communication network reliability design
中图分类号：P114.52 文献标识码：A文章编号：
1 前言
大力发展地铁和轻轨交通为主的城市轨道交通是解决我国目前城市交通堵塞的重要手段｡截至2010年,有33个城市正规划建设地铁,已有28个城市获得批复｡按照现有规划,2010年我国将建成地铁480公里,2020年总里程将达6100公里｡2010~2015年地铁建设投资规划额将达11568亿｡
文献[2]通过国内多个轨道交通综合监控系统的建设和成功运营经验的总结,分析了地铁综合监控系统建设中如何提高系统可靠性等一系列关键问题｡文献[3]分析了地铁以太网中为了保证QoS而需采取的一些措施:拥塞控制､调度､缓冲区管理､性能监控等｡文献[4]讨论了通过采用虚拟局域网､IP组播技术以及服务质量控制等技术来提高船舶综合监控系统网络可靠性的设计方法｡、轨道综合监控系统按两级管理(中央､车站)､三级控制(中央､车站及就地)进行设计｡中央级可以对整个线路各个站点系统管辖范围内设备运行状态､故障情况进行监视,并向各个站点发布指令,统一指挥､协调各个站点的运行,一般采用双冗余的工业以太网;车站级设备的监控功能主要是完成本站点设备监控､管理,一般也采用双冗余的工业以太网;现场级作为车站级､中央级的被监控对象,是车站地铁机电设备的主体,由环境与设备监控系统(BAS)､火灾自动报警系统(FAS)､电力监控系统(PSCADA)､屏蔽门(PSD)､防淹门(FG)､电视监视系统(CCTV)､乘客信息系统(PIS)､信号系统(SIG)､自动售检票系统(AFC)､门禁系统(ACS)､广播系统(PA)等系统组成,一般采用现场总线或厂家的专利总线｡
中央监控网与地理分散的车站监控网组成轨道交通综合监控的骨干网(MBN)｡在地铁综合监控系统建设中,MBN设计一般采用百兆或千兆冗余以太网｡实现轨道交通综合监控系统的关键是建立一个稳定､高速､可靠的网络系统,本文主要就提高轨道交通综合监控系统骨干网可靠性的几种关键技术进行研究和探讨,为轨道交通综合监控系统网络的设计提供参考｡
2 轨道交通综合监控网络的可靠性设计
2.1 综合监控网络方案的选择
综合监控系统平台骨干网的构成方案有异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)､同步光纤网络/同步数字系列(Synchronous Optical Networking/Synchronous Digital Hierarchy,SONET/SDH)､以太网(Ethernet)等｡ATM､SDH主要用于移动通信等大型城域网,具有结构复杂､成本高､维护困难等问题,不适合用作轨道交通综合监控的骨干网｡近年来,以太网光纤技术的迅速发展,1GHz以太网已经普及,10GHz以太网的应用也越来越多｡由于其性能不断提高,技术不断成熟,以太网正逐步取代其它几种网络,广泛应用于从大型建筑自动化到城域网的各个领域,也成为轨道交通综合监控系统骨干网的首选方案[5,6]｡
2.2 光纤工业以太网在轨道交通ISCS中的应用
工业以太网是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在材质的选用､产品的强度､适用性以及实时性､可互操作性､可靠性､抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要｡
2.3 双星形冗余以太网
为提高系统可靠性,除数据中加冗余码(检错或纠错)､主站备份､信道备份外,采用双网冗余是另一重要设计方法｡前者称信息冗余,后者称硬件冗余,且后者更具实用意义｡为了尽可能提高产品的稳定性和可靠性,轨道交通综合监控普遍采用“热备冗余”系统｡
由上式可以看出,冗余系统的可靠性比每一个构成并联系统的单个系统的可靠性还要高｡以1:1冗余系统为例,假如两个系统的可靠度均为0.99,则由它们构成的并联冗余系统的可靠度为0.9999.
地铁综合监控系统中的以太网冗余技术包括:电源冗余､介质冗余､网络节点冗余､网络冗余及系统冗余等内容｡系统采用了电源冗余,传输介质冗余,网络节点冗余等｡
3.工程实例说明
深圳地铁五号线(环中线)工程自前海湾站至黄贝岭站,线路全长40.001km,其中高架线路3.42km,地下线路35.801km,过渡段0.776km,共设车站27座,其中高架站2座,地下站25座,平均站间距约1.454km.深圳达实智能股份有限公司提供的ISCS系统包括:车站机电设备监控和节能､车辆段机电设备监控与节能､门禁系统､控制指挥中心大屏幕投影墙､自动化总集成等｡自动化控制中心集成了信号系统､闭路电视监控系统､电力监控系統､火灾自动报警系统､门禁系统､屏蔽门系统､自动售检票系统､公共广播系统､乘客信息系统､人防门系统､广告屏系统､无线通信系统､时钟系统､自动扶梯/电梯系统､导向标识系统28个子系统｡
深圳地铁五号线(环中线)综合监控系统采用中央级和车站级两级管理,中央级､车站级和底层设备控制层(现场级)三级控制的分层分布式结构｡该综合监控系统设备供电为Ⅰ类负荷,在车站､车辆段､停车场采用与其它弱电系统合设UPS的集中供电方式来实现电源冗余｡系统设两层网络结构,车站级､中央级本地监控网络均采用以太网构建,其中,车站级(含车辆段/停车场)采用10M/100M双星形冗余以太网,中央级采用100M/1000M双星形冗余以太网,连接车站级､中央级本地监控网络的系统骨干传输网络的传输通道由通信传输网络提供,通信专业在控制中心､各车站､车辆段､停车场为综合监控系统提供双路冗余的主干网络传输通道,每路有效带宽为155Mbps,接口形式为千兆以太网口(光口)｡网络节点的冗余是由双机热备冗余功能的IBM公司的X3850M2服务器､冗余配置的模块化三层以太网交换机MACH4002-48+4G-L3PHC等组成｡
该系统网络冗余恢复时间小于等于50ms(光纤),支持环形结构超级冗余环技术､RSTP IEEE 802.1w(快速生成树协议)､环网耦合(主/备)､主/备链路切换技术､VRRP(虚拟冗余路由)等多种冗余协议;动态/静态链路聚合(最大支持7个trunk,每个trunk最多支持8个端口,支持LACP)｡
4 结束语
高可靠性永远是网络必不可少的重要需求,一个可靠的网络系统,能够保证长期的正常运转,在极低的概率情况下才会出现故障｡高可靠性的设备和可靠性技术(如冗余备份和IRF)是保证系统可靠运行的基础｡本文对轨道交通综合监控系统建设中如何提高可靠性的分析来自于国内多条地铁线路综合监控系统的实践经验,在轨道交通综合监控系统网络设计中采用这些技术,可提高所设计网络的可靠性,满足轨道交通综合监控系统可靠性高､技术先进､组网简单灵活､易扩容､便于安装､维护及使用的要求｡
参考文献：
[1] 张慎明.王军.新一代综合监控系统若干问题的研究和探讨[J].现代城市轨道交通,2010,(1):18-21
[2] 魏晓东.地铁综合监控系统建设的关键问题分析[J].自动化博览,2009,(05):14-37
[3] Raahemi B.; Chiruvolu G.; Ge, A. Metro Ethernet Quality of Services[C]. Alcatel Telecommunications Review , Technology White Paper: 1-10.
[4] 江立軍.船舶综合监控系统通讯网络的可靠性设计[J].机电工程技术,2010,39(04):62-64