信号系统骨干网连接方式的探讨

徐义彤

(苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司，江苏苏州 215000)

1 概述

信号系统是整个城市轨道交通自动控制系统中的重要部分，完成保证列车和乘客的安全，实现快速、高密度、有序运行的功能。信号系统的网络连接方式直接影响信号系统工作的稳定性和可靠性。信号系统的骨干网通过有线网络为控制中心、车站、轨旁、车辆段、停车场的信号设备提供传输通道。结合通信技术的发展和轨道交通实际应用环境的特点，信号系统骨干网组网方式主要有两种方式：一是线型组网方式，另一种就是环网组网方式。目前这两种组网方式在不同的信号系统供应商都有应用。本文以苏州轨道交通2 号线信号系统为依托，从线型组网方式的网络结构，工作原理，优缺点等角度，介绍基于线型组网方式的CBTC 系统，从而提出环型组网方式，总结不同组网方式的优缺点，为新建线路的信号系统建设提供建议。

2 网络结构

苏州轨道交通2 号线采用西门子基于无线通信的列车控制系统，系统骨干网所需的光缆铺设在线路两侧，实现冗余功能，信号系统线型骨干网主要由以太网交换机、光电转换器、光纤熔接盒组成。通过交换机将各站光纤串联起来实现数据交互。信号系统包括信号ATS 子系统、联锁系统、轨旁ATP系统、计轴系统、无线系统。每个子系统采用单独的数据总线进行数据传输。通常在车辆段、停车场，正线各站、OCC 各设备房布置两台交换机通过光纤网络组成两套互为冗余的线型网络。不同子系统在联锁站通过交换机实现关联。按照子系统可以将传输总线划分为：联锁总线、ECC 总线、ATS 总线、FEP 总线、SIC 总线、AC 总线，现场预留一组总线作为备用。其中联锁总线用来传输相邻联锁计算机之间的数据传输，ECC 总线用来传输设备集中站ECC-CU 板之间的通讯，ATS 总线实现联锁系统与ATS 系统之间的数据交互，FEP 总线用来中央ATS系统各终端之间的数据传输，SIC 总线用来转发列车停稳后发车倒计时的信息。AC 总线用来控制计轴系统的数据传输。光纤熔接盘的总线端口划分如图1 所示。

图1 光纤盘端口分配图Fig.1 Distribution of ports on the optical fiber panel

其中FEP 总线和联锁总线光纤在非联锁站采取光纤跳线方式，在联锁站通过尾纤接入交换机实现串联。ECC 总线通过每个联锁区的ECC 交换机实现串联并接入联锁站的联锁交换机。在全线各站配置两台ATS 交换机和一台SIC 交换机，通过ATS交换机实现ATS 总线的串联，ATS 总线作为系统的骨干网总线实现ATS 系统、联锁系统、ATP 系统、无线系统的数据交互。SIC 总线通过SIC 交换机实现串联并最终连接至联锁站的接口计算机。如图2所示，图2 中蓝色为联锁总线，黑色为ATS 总线，绿色为ECC 总线，黄色为AC 总线，紫色为无线总线，灰色为FEP 总线，红色为SIC 总线。图2 中接点表示相应总线上的交换机。

图2 现场设备连接图Fig.2 Connections of onsite equipment

3 工作原理

信号系统根据各子系统的功能将光纤传输通道进行分组，每4 束光纤组成一个拓扑总线，其中主用通道两束，备用通道两束，同时信号系统网络总线采用冗余设计，现场布置两套一致的光纤传输通道，在正线、场段、控制中心通过交换机及光纤熔接盒将全线设备串联成线型网络。划分后各子系统在数据传输上采用独立的光纤，避免相关干扰，专网专用。各设备集中站的元件控制计算机采集现场设备（如转辙机、信号机、轨道区段）状态，经过交换机传输到联锁计算机进行逻辑运算，联锁计算机运算后通过ECC 总线控制设备集中站的ECC-CU 板卡。联锁计算机及ATP 计算机通过ATS 交换机接入ATS 总线实现与ATS 系统数据交互，联锁数据经过ATS 总线传输到各站的终端进行显示，反之ATS 终端的操作指令经ATS 总线传输到联锁计算机经过运算后作用到现场设备。本地ATS 系统与中央ATS 系统在联锁站通过接口计算机（LFEP）实现数据交互，联锁数据经LFEP 转发后通过FEP 总线将传输到控制中心进行显示，控制中心的指令亦可通过FEP 总线下达到现场设备。

4 能力分析

信号系统采用总线型拓扑结构是指采用单根数据传输线作为通信介质（光纤），所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接收。根据信号系统子系统不同，可划分为不同的虚拟网络（VLAN）。线型组网的信号系统总体上工作稳定，数据传输延时低，各子系统即相互独立又相互关联，网络结构连接简单,并且容易拓展，当线路需要延伸时，可将延伸线设备通过耦合的方式接入主线网络。这种连接方式只需在区间上下行各布置一根电缆，通过交换机串联成线型冗余的网络，需要的设备少，工程成本低，施工起来比较方便。但当总线型网络结构中传输节点，如交换机故障，或传输介质故障如光纤断开，此时整个总线型网络结构就被切断，导致数据无法通过总线进行传输，如图3 所示，当3 号站交换机故障时，3 站的数据无法传输至1 号站，导致1 号站和2 号站设备无法正常使用。对于联锁总线和FEP 总线，由于只需要在联锁站接入交换机，其他站均采取跳线形式，两个联锁站之间线路长，使用的光纤也会出现损耗大的情况，从而影响数据传输。总线型网络结构采用的分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，这也导致终端设备存在数据丢包现象。

图3 总线型拓扑结构Fig.3 Topological structure of bus mode

5 新型组网方式

线型组网方式在每个车站布置冗余的网络提高可靠性，但是未考虑到外部环境因素造成的整个设备房断电造成网络中断的异常情况，此时系统传输链路被切断，联锁数据及无线数据无法通过总线进行传输，对行车影响较大。为提高系统的抗干扰性，可以将线型组网方式改为环网方式。在新建线路中，环网组网方式已经成为一种趋势。信号系统环型结构是指在总线型基础上通过首尾相连的闭合环型通信线路，并采用环网保护机制使通信链路抑制成环。对于既有线采用线型网络连接的系统可以进行升级改造，如图4 所示，将1 号站与4 号站首尾相连组成环形网络结构，经过优化设计后的数据通信网络采用环型以太网结构，在工作路径发生故障后，故障点相邻的两个节点会马上知晓故障，并做出相应的保护切换措施，把流量由工作路径倒换到方向相反的保护路径上去，由反向的保护路径“绕道”抵达故障点的下一节点设备，这样就绕过了故障节点。当ST02-ST03 链路故障时，环型网络变为总线型结构，数据业务会自动从相反的路径到达目的地。环形网络相比总线型网络提高网络可靠性，同时环形网络采用光缆少，也减少光纤损耗，提高数据传输效率。

图4 环型拓扑结构Fig.4 Topological structure of ring mode

6 总结

信号系统作为地铁机电系统中最重要的子系统，其安全可靠性直接影响行车安全，影响乘客体验。国内早期线路中采用西门子信号系统的组网方式大多采用线型组网，如苏州1 号线，苏州2 号线，南京3 号线。系统在设计之初未考虑外界因素影响，如电源故障导致网络中断从而影响到整个信号系统，在新建线路中，如苏州5 号线，南京7 号线均将系统组网方式采取环网方式，相比于线型组网，环网连接方式系统可靠性更高，通信链路故障造成的影响小，逐渐成为信号系统组网的优先选择。