基于工业以太网交换机的轨旁骨干网组网方案的研究

周振凯 刘晓磊

基于通信的列车运行控制 （CBTC），不依赖轨旁列车占用检测设备，采用列车主动定位技术和连续车－地双向数据通信技术，能够执行安全功能的车载和地面处理器，从而构建的连续式列车自动控制系统。DCS为CBTC系统构建连续双向的数据通信网络，其中包括有线通信网络和无线通信网络。有线通信网络为控制中心、车站、轨旁、车辆段／停车场、试车线、培训中心和维修中心CBTC设备之间提供有线数据传输通道；无线通信网络为列车与地面CBTC设备之间提供连续双向的无线数据传输通道。

CBTC系统是对安全要求苛刻的控制系统，其应用场合以及工作环境，要求系统内的设备或子系统必须具备很高的安全性和可靠性。结合通信技术的发展和轨道交通实际应用环境的特点，DCS轨旁骨干网有2种组网技术：一是工业以太网交换机技术；二是基于同步数字体系 （SDH）的多业务传送平台 （MSTP）技术。国内已开通的地铁线路多采用基于SDH的骨干网方案，而国外许多地铁项目已采用工业以太网交换机组网方案，如瑞士洛桑地铁，加拿大多伦多地铁，法国里尔地铁等。本文从有线网络的结构、原理和能力角度出发，介绍基于工业以太网交换机的轨旁骨干网组网方案。

1 网络结构

DCS有线网络由以太网交换机和光电转换器组成。利用骨干网交换机的MRP协议来实现光纤环网保护，确保信号应用间的通信有更高的可靠性。通常在每个集中站、车辆段／停车场、OCC各设置2台骨干网交换机，全线各站的骨干网交换机通过骨干网光纤组成2个相互独立的环状网络。骨干环网一：传输SIG网、ATS网和MSS信息；骨干环网二：传输SIG网、ATS网和NMS信息。试车线、控制中心培训设备一般配置物理独立的传输网络，不与正线设备进行数据通信，因此与其他系统设备互不影响。

安全信息和非安全信息传输均采用冗余网络且物理独立。即SIG网传输安全信息，如联锁和ATC信息；ATS网传输非安全信息。承载在骨干网上的SIG、ATS应用可接入到沿线每个设备集中站，并通过以太网交换机组成的网络与其他子系统设备相连接。DCS典型网络结构如图1所示。

在每个集中站都设置2台光接口交换机和2台电接口交换机。光接口交换机用于连接远程的设备（如DCS无线接入点）；电接口交换机即骨干网交换机，不仅用于组成骨干网网络，还用于连接本地与非集中站的设备。每个骨干网交换机都有2个光纤接口分别与两端的骨干网交换机相连。SIG子网、ATS子网和MSS子网共用电接口交换机，数据流通过VLAN相互隔离。SIG网和ATS网信息传输相互独立，通过各自的VLAN实现信息传输。在未安装骨干网交换机的非设备集中站，通过光电转换器将ATS设备连接至两侧的骨干网交换机。在OCC配置有3层交换机，信号系统网络与其他系统设备网络间的网络通信，通过设置网关进行有效防护。

2 工作原理

2．1 传输原理

基于各种应用的不同带宽需求，骨干网络为各种应用划分不同的VLAN，并分配足够的通信带宽，为各个以太网通信端口设置限流，保证不同应用的通信通道相互隔离、互不干扰。可选用的骨干网通信带宽级别为2Gb／s，网络配置时可留有一定备用带宽以方便将来应用。在环网上配置了以下应用。

SIG网 （冗余）：2个网 （SIG1、SIG2），带宽各300Mb／s，用于传输 ATP／ATO、联锁安全信息。

ATS网 （冗余）：2个网 （ATS1、ATS2），带宽各400Mb／s，传输ATS信息。

MSS网 （非冗余）：带宽100Mb／s，传输MSS信息。

NMS网 （非冗余）：带宽100Mb／s，传输NMS信息。

这样全部使用带宽1600Mb／s，剩余带宽400Mb／s。

2．2 自愈原理

2．2．1 设备冗余

DCS采用的工业级交换机主要有2种：①三层电交换机；②二层交换机配备不同的插槽，构成二层电交换机和二层光交换机。

图1 DCS典型网络结构图

三层电交换机：配置有4个100／1000Base－FX SFP端口，16 个10／100／1000Base－T以太网端口。主要作为控制中心机房的主交换机使用，一般安装在控制中心信号设备室内的骨干网机柜里。

二层电交换机：配置有4个100／1000Base－FX SFP端口，24个10／100／1000Base－T以太网端口。一般安装在集中站信号设备室内的骨干网机柜里，用于组成环形骨干网，并与各个信号设备连接。该交换机又称为骨干网交换机。

二层光交换机：配置有2个100／1000Base－FX SFP，2个10／100／1000Base－T以太网端口，24个100Mb／s SFP端口。一般安装于集中站信号设备室内的骨干网机柜里，利用光纤跳线和光缆连接到轨旁TRE。

各设备集中站分别配置2个电交换机，全线电交换机分别组建1个2芯光纤环网。其中：SIG1、ATS1、MSS网共用一个电交换机；SIG2、ATS2、NMS网共用另一个电交换机。

在应用层面，信号设备传输的信息是重复的，冗余的。对冗余网络，没有热备／冷备之说，2个网络同时工作。环网上一处光缆中断，光缆环保护将确保各节点之间通信不受影响。环网上任一交换机故障，不影响环网上连接到其他交换机上的设备之间的通信。2个交换机完全独立，其中一个交换机环网上任何故障不会影响到另一交换机环网。

2．2．2 MRP协议

为了保证服务的高可用性，充分利用环网拓扑提供的冗余结构，网络使用MRP重新配置协议。该协议保证无环回的拓扑，经实际测试能够在50ms以内完成自身重新配置，并将数据流自动引导到另一个方向传输到达目的节点。

该协议是 “Hello”数据包的扩展应用。这些数据包由环网服务器设备的一个环接口 （环接口1）发送，在环网服务器设备的另一个环接口 （环接口2）接收（环上每台交换机有2个环接口）。一旦收到 “Hello”数据包，环接口2将保持在监听模式；也就是说环接口2接收但不能转发任何数据包。MRP原理如图2所示。

当环网上断了1根光纤后，环接口2收不到“Hello”数据包，且连续3次收不到 “Hello”数据包，环服务器就认为环上有1个链路断开：环接口2将改变发送模式，开始发送数据包。环网被重新配置，所有连接至环网上的设备都可以正常通信，降级情况如图3所示。

图2 MRP原理－正常情况

图3 MRP原理－降级情况

如果环接口2再次收到 “Hello”数据包，那么环网服务器将强制环接口2恢复监听模式。

3 能力分析

根据CBTC应用环境要求，轨旁骨干网应重点具备2种能力：不同应用业务独立传输能力；传输介质 （光纤）故障保护能力。

3．1 独立传输能力

工业以太网是从民间以太网技术发展而来，依旧执行CSMA／CD，即载波侦听多路访问／冲突检测的方法。在此条件下，各种应用业务数据包都在一种无序状态下传送，安全、非安全不同等级数据包都采用同样处理方法，只靠接收端去识别数据包是否应该接受，这对于CBTC系统存在不小的安全隐患。为此地铁信号系统的设备厂商采用不同的通信协议和加密方式，对安全数据和非安全数据进行有效隔离，并采用双独立环网结构，大大提高了系统的可靠性。而SDH的MSTP技术是通过EPLAN技术，把不同的数据业务装进不同虚容器（VC）中，实现物理层隔离，各种业务数据独立传输，相互无影响。

3．2 故障保护能力

工业以太网和MSTP技术都可以实现环形组网，且在传输介质 （光纤）故障时，网络恢复时间小于50ms。工业以太网的组网方案采用双环组网结构，每个环网相互独立，互为冗余，故能抵御传输介质的单处故障，甚至多处故障；而MSTP技术可以提供多种组网方式，例如环形、相交环、相切环、线性、Mesh等网络结构，同时提供2纤／4纤复用段保护技术，其中4纤复用段保护技术能够在传输介质多处故障情况下，保证网络有效运行。

MSTP技术遵循国际标准，MSTP设备广泛应用在电信网络中，产品成熟度和可靠性极高；工业以太网技术采用的均是工业级设备，满足工业级EMC测试标准，其抗震、防冲击、抗电磁干扰能力较强，设备的可靠性较高，更能适应地铁运行中的各种恶劣的运行环境。同时，受项目工期和市政规划等因素影响，国内地铁线路具有分段式开通，后期规划延伸线等特点，采用工业以太网技术交换机进行有线传输通信，网络更易于扩展和管理，工程实施更易操作，只需将延伸线交换机接入既有线路的工业以太环网即可。

4 总结

综上，基于工业以太网交换机组网具备传输延迟小、传输宽带大、便于管理等特性，具有抗毁／自恢复能力，能适应工业控制环境。目前国内地铁线路也要求数据通信系统采用工业级网络设备，如在建的成都4号线，深圳11号线等项目均采用工业以太网交换机组网方案。随着工程实际应用的不断增加，基于工业以太网交换机组网方案在技术上一定会更加成熟和可靠，运营维护和投资经济的优越性将逐步体现，必然会得到更加广泛的应用。

［1］ 付嵩，孟凡江，王忠峰．城市轨道交通CBTC系统中数据通信子系统研究［J］．现代城市轨道交通，2012（3）．

［2］ 林海香，董昱．无线CBTC系统车地通信方案研究［J］．兰州交通大学学报，2010（12）．

［3］ 孙路．无锡地铁2号线CBTC数据通讯子系统简析［J］．现代城市轨道交通，2013（3）．