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1 地鐵冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概況

工業(yè)以太網(wǎng)由于具有與商用以太網(wǎng)截然不同的實時性和安全性方面的特質(zhì)，在軌道交通領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中冗余和自愈是網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的一個重要特點，它是在自動化對系統(tǒng)的可靠安全性、實時穩(wěn)定要求背景下誕生的。實時性和安全性方面的要求已經(jīng)把工業(yè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用到軌道交通多個系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，在ISCS、BAS、PSCADA、AFC、PIS等多個系統(tǒng)中被大量應(yīng)用。北京機場線BAS系統(tǒng)的冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計見圖1。

工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為關(guān)聯(lián)多個應(yīng)用系統(tǒng)的主流設(shè)計網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。解析這一拓撲結(jié)構(gòu)的前因后果，能一分為二地了解這一技術(shù)的先進性和瑕疵，更好地提高城市軌道交通各個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計的安全性和可靠性。

2 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)冗余設(shè)計分析

地鐵工業(yè)以太網(wǎng)的冗余設(shè)計主要包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計。

2.1 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分析

計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是引用拓撲學中研究與大小、形狀無關(guān)的點、線關(guān)系的方法。把網(wǎng)絡(luò)中的計算機和通信設(shè)備抽象為一個點，把傳輸介質(zhì)抽象為一條線，由點和線組成的幾何圖形就是計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，它對網(wǎng)絡(luò)的性能、系統(tǒng)的可靠性與通信費用都有重大影響。

地鐵工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)源于一般商業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用，基本可以分成總線型、星型、環(huán)型及樹型等幾種形式。

大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場的用戶都比較熟悉總線型連接，即多個工作站共享一個通用連接，如EIA-485或控制器局域網(wǎng)（CAN）。但是，總線拓撲結(jié)構(gòu)在工業(yè)以太網(wǎng)中已不再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實是總線型基于同軸線纜的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但由于它們局限于10 Mb/s的半雙工工作狀態(tài)，以及不被包含在新興商業(yè)樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A中，其用途在逐漸減少。

圖1 北京機場線BAS系統(tǒng)的冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

基于以上原因，目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線多使用星型、樹型或環(huán)型的拓撲結(jié)構(gòu)。如果不考慮無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前城市軌道交通工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要還是星型和環(huán)型?；诎踩煽糠矫娴目紤]，冗余雙星型和冗余雙環(huán)型是主流網(wǎng)絡(luò)拓撲，而環(huán)型似乎更受到城市軌道交通應(yīng)用的青睞。

2.2 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)拓撲冗余

通常構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的方式主要有兩種：一種是繼承了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的冗余自愈方式，如STP、RSTP，TRUNKING等技術(shù)；另一種是專門針對工業(yè)自動化實時可靠性，并從傳統(tǒng)以太網(wǎng)變異出的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠家的私有環(huán)路冗余協(xié)議。

2.2.1 STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol）作為一個鏈路層協(xié)議（IEEE 802.1D）存在，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生，強令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間為30～60 s。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間縮短到1～2 s。STP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但存在恢復(fù)速度慢的缺點，在很多工業(yè)環(huán)境中并不適用。

2.2.2 Trunking技術(shù)

這種方式是將不同交換機的多個端口設(shè)置為Trunking主干端口，并建立連接（見圖2）。這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接，不但成倍地提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且還提供了冗余功能。當網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)通信正常。Trunking主干網(wǎng)絡(luò)可以采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論通信距離可以無限延長。由于Trunking技術(shù)采用了硬件偵測及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間達到了新的高度，一般恢復(fù)時間可以達到10 ms以下。

但實際應(yīng)用中，鏈路A和鏈路B幾乎都在各自同一個管道內(nèi)，鏈路A、鏈路B內(nèi)的鏈路即使是雙冗余，管道一旦遭到破壞，則鏈路與備份鏈路均被損壞，達不到保護作用。交換機2和交換機3不能連通，否則即形成閉環(huán)，如果不打開STP會產(chǎn)生廣播風暴導致運行癱瘓，打開STP就如上所述，又滿足不了工業(yè)環(huán)境的實時性的要求。因此，Trunking技術(shù)由于并不是為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境研發(fā)的，這種技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下實際意義不大，是一種“假冗余”技術(shù) 。正是由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)本身提供的冗余自愈技術(shù)不能滿足工業(yè)環(huán)境需求，才自然迫使工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生變異進化出了自身的冗余自愈技術(shù)。

2.2.3 私有環(huán)路冗余協(xié)議

在STP之后，為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實時性強的特點，開始采用環(huán)路連接網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)冗余快速恢復(fù)。采用這種技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后300 ms之內(nèi)自行恢復(fù)。可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設(shè)置等方法來提醒出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。但不同的工業(yè)以太網(wǎng)廠家研發(fā)了不同且不兼容的環(huán)路冗余協(xié)議。

環(huán)路冗余大體可以采用3種方法。

（1）單機單環(huán)冗余（見圖3）。采用單機單環(huán)冗余的北京地鐵亦莊線門禁系統(tǒng)由中央級門禁系統(tǒng)和車站級門禁系統(tǒng)構(gòu)成。中央級門禁系統(tǒng)主要完成對控制中心（OCC）大樓各層辦公室門、通道門和全線各車站的屏蔽門、辦公管理用房及設(shè)備房門等的開閉控制管理，進行安全防護。中央級門禁系統(tǒng)由2臺冗余服務(wù)器、1臺操作工作站及打印機等設(shè)備組成。車站級門禁系統(tǒng)由車站級分管理中心、工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)交換機、門禁控制器等設(shè)備組成。車站A端、B端設(shè)置的門禁控制器之間通過工業(yè)級交換機構(gòu)成光纖單環(huán)以太網(wǎng)，構(gòu)成車站ACS現(xiàn)場級環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用有效地避免了單點故障對網(wǎng)絡(luò)的影響。

圖2 Trunking技術(shù)在車載PIS系統(tǒng)中應(yīng)用

（2）雙機單環(huán)冗余（見圖1）。采用雙機單環(huán)冗余的地鐵典型車站BAS系統(tǒng)，主要對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水系統(tǒng)設(shè)備、電梯系統(tǒng)設(shè)備、低壓配電與動力照明系統(tǒng)設(shè)備等車站機電設(shè)備進行全面、有效地自動化監(jiān)控及管理，進行程序自動、實時、定時、現(xiàn)場就地監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)，控制開啟和關(guān)停，檢測環(huán)境參數(shù)，調(diào)控環(huán)境舒適度及節(jié)能管理。此方式充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的高可靠性和冗余性，工作站、服務(wù)器、PLC等現(xiàn)場設(shè)備均實現(xiàn)雙節(jié)點接入，避免單點故障對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行打下堅實的基礎(chǔ)。

（3）雙機雙環(huán)冗余（見圖4）。采用雙機雙環(huán)冗余的主要優(yōu)勢在于可以通過雙通道連接，避免單個線纜出錯或單個設(shè)備出錯帶來的問題。

3 軌道交通環(huán)形拓撲工業(yè)以太網(wǎng)的瑕疵

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)中環(huán)形拓撲的瑕疵

以太環(huán)網(wǎng)并不意味著完全的冗余，它只是拓撲結(jié)構(gòu)中的一種。目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線系統(tǒng)實際處于布線的初級階段。應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的布線系統(tǒng)及設(shè)備還大量采用“纜+頭”連接模式，因此存在連接故障。同時，工業(yè)控制設(shè)備及工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備本身也會存在故障問題，因此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)會有很多故障點。環(huán)型拓撲提供了某種程度的冗余，但還有很多單一故障點讓一個或多個器件不能通信。實際往往有幾個小型交換機通過單線連接交換機的幾個端口，此種入網(wǎng)設(shè)備形成了一個標準樹形拓撲。如果交換機與設(shè)備間的線纜發(fā)生故障，設(shè)備通信就因一個點的錯誤而中斷。如果一個交換機中斷了其上所有設(shè)備的連接，這個交換機也就失效了。這在過程控制中是不可接受的。

圖3 單機單環(huán)冗余

圖4 雙機雙環(huán)冗余

環(huán)型拓撲設(shè)計雖然做到了骨干網(wǎng)物理層的冗余、自愈、交換機網(wǎng)絡(luò)層冗余，但往往由于城市軌道交通各子系統(tǒng)最終前端設(shè)備不支持冗余設(shè)計，大多數(shù)設(shè)備甚至沒有預(yù)留冗余接口，從而導致整個子系統(tǒng)的冗余自愈設(shè)計“虎頭蛇尾”，達沒有真正達到冗余自愈的設(shè)計要求。

3.2 解決瑕疵的辦法

3.2.1 關(guān)鍵鏈路冗余保護器

針對地鐵控制前端設(shè)備沒有預(yù)留冗余接口的情況，研發(fā)“關(guān)鍵鏈路冗余自愈保護器”（見圖5）。該設(shè)備實際上是這些設(shè)備外延的冗余自愈保護模塊，其功能是將原控制設(shè)備上網(wǎng)絡(luò)接口由一變成二，從而可接入主輔兩個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達到冗余保護的目的。

3.2.2 關(guān)鍵鏈路冗余保護器

網(wǎng)絡(luò)冗余器可用于連接服務(wù)器、路由器等需要網(wǎng)絡(luò)安全保護的以太網(wǎng)設(shè)備。它具有3個RJ45接口，分別是輸入端口（Protected）、主輸出端口（Primary）、備份輸出端口（Backup）。網(wǎng)絡(luò)冗余器在正常情況下“Protected”端口與“Primary”端口連接，通過“Primary”端口進行以太網(wǎng)的通信；當“Primary”端口通信線路出現(xiàn)故障時，這時不需要路由器或服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)冗余器發(fā)送數(shù)據(jù)通信錯誤的命令，冗余器將自動切換到“Backup”端口，“Protected”端口與“Backup”端口連接，通過“Backup”端口進行以太網(wǎng)通信。當“Primary”端口通信線路故障消除后，冗余器將自動切換到“Primary”端口進行以太網(wǎng)通信（見圖6）。

3.2.3 設(shè)備端口、關(guān)鍵鏈路、網(wǎng)絡(luò)全部冗余的方案

圖5 關(guān)鍵鏈路冗余保護器

圖6 關(guān)鍵鏈路冗余保護器原理

圖7 實行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、端口全部冗余的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

設(shè)備端口、關(guān)鍵鏈路、網(wǎng)絡(luò)全部冗余的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖7。A類PLC設(shè)備配置為單網(wǎng)卡，B類PLC設(shè)備配置為雙網(wǎng)卡。雙網(wǎng)卡的B類PLC設(shè)備按照工業(yè)冗余方案可以采用2個網(wǎng)卡分別接到2個環(huán)網(wǎng)上，從而實現(xiàn)鏈路冗余。單網(wǎng)卡的A類PLC設(shè)備通過1臺冗余保護器接到2個環(huán)網(wǎng)上。冗余保護器是專門為工業(yè)冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一款工業(yè)級以太網(wǎng)產(chǎn)品，它可以比喻為1個岔路口，分出的2條路（主路和輔路）都可以到達目的地?？梢愿鶕?jù)情況選擇主路和輔路，平常狀況下走主路，但當主路出狀況時改走輔路，從而保證了網(wǎng)絡(luò)連通性。

4 結(jié)束語

以太網(wǎng)技術(shù)由于其開放的特點逐步進入自動化及先進制造領(lǐng)域，而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)更是因其獨有的實時性和可靠性大范圍地滲透到城市軌道交通的各個應(yīng)用系統(tǒng)。冗余自愈性能將是工業(yè)以太網(wǎng)這一技術(shù)演進的重要方向。目前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)比傳統(tǒng)的民用以太網(wǎng)技術(shù)及目前的現(xiàn)場總線技術(shù)已有長足的進步，但是要在實時性和冗余自愈做到盡善盡美，還需要進一步研究。