祁 穎

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

長沙地鐵2號線信號系統(tǒng)DCS有線網(wǎng)組網(wǎng)方式介紹

祁 穎

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

地鐵信號系統(tǒng)主要由列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、列車自動防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動駕駛子系統(tǒng)（ATO）以及數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）等組成。其中DCS子系統(tǒng)是一個寬帶通信系統(tǒng)，提供整個信號系統(tǒng)所需的雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。可以說，DCS子系統(tǒng)性能的高低，直接影響著整個信號系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。將基于長沙地鐵2號線信號系統(tǒng)中的DCS子系統(tǒng)，介紹一種新型的、比傳統(tǒng)DCS子系統(tǒng)更具優(yōu)勢的DCS有線網(wǎng)組網(wǎng)方案。

信號系統(tǒng)；DCS；組網(wǎng)

1　DCS子系統(tǒng)介紹

DCS子系統(tǒng)是一個寬帶通信系統(tǒng)，提供信號系統(tǒng)所需雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。DCS子系統(tǒng)與信號系統(tǒng)內(nèi)的其他子系統(tǒng)間關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，信號系統(tǒng)內(nèi)的所有子系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部和外部的通信，都需要通過DCS子系統(tǒng)。按照DCS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方式不同，可將DCS子系統(tǒng)分為有線網(wǎng)部分和車地?zé)o線網(wǎng)部分。

有線網(wǎng)部分主要由交換機(jī)通過光纖、網(wǎng)線來組網(wǎng)，無線網(wǎng)部分主要由軌旁無線模塊和車載無線模塊通過無線電波來組網(wǎng)。DCS子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

本文只對有線網(wǎng)進(jìn)行討論和描述。

2　傳統(tǒng)DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)組網(wǎng)方案

DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)部分主要分為ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)兩部分。ATS網(wǎng)主要用于ATS子系統(tǒng)信息的傳輸，信號網(wǎng)主要用于信號相關(guān)設(shè)備的信息傳輸，軌旁ATP、軌旁ATO、聯(lián)鎖等子系統(tǒng)都屬于信號網(wǎng)。

如圖3所示，傳統(tǒng)的DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)在組網(wǎng)時，通常采用將ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)在物理上進(jìn)行隔離的組網(wǎng)方式，ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)在物理上是相互獨(dú)立的。

ATS網(wǎng)連接控制中心、各車站、以及車輛段內(nèi)ATS子系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，一對獨(dú)立的交換機(jī)通過光纖的連接構(gòu)成獨(dú)立且冗余的骨干環(huán)網(wǎng)；各車站、車輛段和控制中心內(nèi)的相關(guān)設(shè)備獨(dú)立構(gòu)成局域網(wǎng)并通過直接或間接的方式接入骨干網(wǎng)中。

信號網(wǎng)連接各設(shè)備集中站、各車站內(nèi)的信號相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制與監(jiān)測。

ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)之間的通信通過車站ATS服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)信息交互。

這種傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式能夠比較直觀的看出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是需要更多的交換機(jī)設(shè)備、且網(wǎng)絡(luò)維護(hù)也較麻煩，很不實(shí)用。

3　新型DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，通信技術(shù)更加迅猛的發(fā)展，新通信技術(shù)的出現(xiàn)使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來越簡單。

3.1虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)（VLAN）是把一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯工作組。它是一種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法。VLAN不是一個物理網(wǎng)絡(luò)，但存在于一個物理網(wǎng)絡(luò)上。使用VLAN技術(shù)可將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個邏輯上的子網(wǎng)，除非進(jìn)行設(shè)置，否則，這些子網(wǎng)是分離的，就像在同一網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)造出若干個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，故稱為虛擬網(wǎng)。

VLAN技術(shù)能把一個局域網(wǎng)劃分成多個虛擬局域網(wǎng)，每個VLAN都有一個標(biāo)識號（如VLAN TAG），在整個局域網(wǎng)中唯一標(biāo)識該VLAN。根據(jù)不同的VLAN TAG就可以識別不同的VLAN。交換機(jī)可以將不同VLAN進(jìn)行隔離。

3.2交換機(jī)的二層交換技術(shù)

二層交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文是根據(jù)報(bào)文的MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的，交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)一個地址轉(zhuǎn)發(fā)表，該表內(nèi)記錄MAC地址與其所對應(yīng)的端口、VLAN號，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時根據(jù)這張表進(jìn)行。MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表示意如圖4所示。

交換機(jī)通過將接收數(shù)據(jù)報(bào)文的源MAC地址、接收端口及VLAN號記錄在地址表中，來學(xué)習(xí)MAC地址。

由此可見，多個VLAN可以共享物理局域網(wǎng)、交換設(shè)備和鏈路，然而他們之間是相互隔離的，就好像各自組成一個獨(dú)立的局域網(wǎng)一樣。VLAN的所有幀流量都被限制在該VLAN中，這樣就能提高網(wǎng)絡(luò)性能，防止廣播風(fēng)暴。

一個VLAN是一個邏輯的子網(wǎng)，一個VLAN與一個物理子網(wǎng)的區(qū)別：一個物理子網(wǎng)由一個物理纜線段上的設(shè)備所構(gòu)成；一個邏輯的子網(wǎng)VLAN則由被配置為該VLAN成員的設(shè)備組成，這些設(shè)備可以位于交換區(qū)塊中的任何位置。無論是物理子網(wǎng)還是VLAN子網(wǎng)，他們的網(wǎng)絡(luò)特性是一樣的。

3.3生成樹技術(shù)

地鐵信號系統(tǒng)是與安全密切相關(guān)的系統(tǒng)，其在設(shè)計(jì)通信網(wǎng)時考慮了鏈路冗余和環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想，旨在一條通信鏈路故障時，不會影響本環(huán)網(wǎng)的正常運(yùn)行，即使整個環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障，也能確保整個通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。

但是這種設(shè)計(jì)也帶來一些弊端，例如當(dāng)環(huán)網(wǎng)中兩條路徑都正常工作時，有可能造成網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴。如何避免環(huán)網(wǎng)中廣播風(fēng)暴，這就引入生成樹技術(shù)。

目前，較常用的是多生成樹協(xié)議(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)，其工作原理是：可將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成為一個無環(huán)的樹型網(wǎng)絡(luò)，避免報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)，同時還提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的多個冗余路徑，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)VLAN 數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡。本種協(xié)議具有如下特性。

1）成型一個無環(huán)的樹型網(wǎng)絡(luò)（通過禁用充當(dāng)備份的鏈路實(shí)現(xiàn)），從而解決網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴的問題。

2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一條路徑故障后，能夠迅速啟動備用鏈路，從而縮短網(wǎng)絡(luò)的收斂時間。

3）可以為不同VLAN生成不同的生成樹，實(shí)現(xiàn)不同VLAN的流量可以按照不同路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

3.4交換機(jī)的三層路由技術(shù)

前面已經(jīng)講述不同VLAN之間是隔離的，無法實(shí)現(xiàn)通信，但是對于具體的應(yīng)用來說，需要不同VLAN之間進(jìn)行通信，這就需要用到路由技術(shù)。

三層交換機(jī)具有路由功能，在其內(nèi)部管理著一張路由表，這張路由表指示出：在本交換機(jī)中，要去往目的地的下一跳的相關(guān)信息。

收到一個數(shù)據(jù)包后，交換機(jī)先查找本路由表中目的IP地址所對應(yīng)的下一跳地址，然后通過重新封裝MAC幀后，從所對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。當(dāng)然，整個處理過程相當(dāng)復(fù)雜，還涉及到ARP協(xié)議的應(yīng)用，這里就不再贅述了。

那么，交換機(jī)中這個路由表是如何生成和實(shí)現(xiàn)的呢？這就涉及到路由技術(shù)。

目前，最常使用的路由技術(shù)是開放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）協(xié)議，其工作原理是：路由器收集其所在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上各路由器的連接狀態(tài)信息，即鏈路狀態(tài)信息（Link-State），生成鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（Link-State Database）。路由器掌握該區(qū)域上所有路由器的鏈路狀態(tài)信息，也就等于了解整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)相關(guān)的算法獨(dú)立地計(jì)算出到達(dá)任意目的地的路由信息。

3.5虛擬路由器冗余協(xié)議技術(shù)

通常，一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機(jī)都設(shè)置了缺省網(wǎng)關(guān)，這樣主機(jī)發(fā)出的目的地址不在本網(wǎng)段的報(bào)文將被通過缺省網(wǎng)關(guān)發(fā)往發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)缺省網(wǎng)關(guān)故障時，本網(wǎng)段內(nèi)所有主機(jī)將斷掉與外部的通信。虛擬路由冗余協(xié)議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）就是為解決上述問題而提出的，它為具有多播或廣播能力的局域網(wǎng)（如以太網(wǎng)）設(shè)計(jì)。

虛擬路由冗余協(xié)議是一種容錯協(xié)議。VRRP將局域網(wǎng)的一組路由器（包括一個Master即活動路由器和若干個Backup即備份路由器）組織成一個虛擬路由器，稱為一個備份組?？刂铺摂M路由器IP地址的VRRP路由器稱為主路由器，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到這些虛擬IP地址。虛擬IP地址在路由器間共享，其中一個指定為主路由器，而其他的則為備份路由器，如果主路由器不可用，這個虛擬IP地址就會映射到一個備份路由器的IP地址（這個備份路由器就成為主路由器）。

4　新型DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)組網(wǎng)方案

應(yīng)用上述網(wǎng)絡(luò)和通信的技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出一種新型DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)已應(yīng)用到長沙2號線地鐵信號系統(tǒng)中，如圖5所示。

結(jié)合實(shí)際工程，本種方案的設(shè)計(jì)思想是：在原有環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)的思想上，減少設(shè)備使用數(shù)量的同時、盡量增加更多的冗余環(huán)路和冗余直連通路。

1） 由8個設(shè)備集中站通過三層交換機(jī)首尾互聯(lián)，構(gòu)成2個大環(huán)。

2） 由望城坡站、灣鎮(zhèn)站、五一廣場站、迎賓路口站通過三層交換機(jī)A首尾互聯(lián)，由溁灣鎮(zhèn)站、五一廣場站、迎賓路口站、萬家麗廣場站通過三層交換機(jī)B首尾互聯(lián)，由迎賓路口站、萬家麗廣場站、長沙大道站、長沙火車南站通過三層交換機(jī)A首尾互聯(lián)，由萬家麗廣場站、長沙大道站、長沙火車南站、光達(dá)站通過三層交換機(jī)B首尾互聯(lián)，構(gòu)成4個小環(huán)。

3） 由望城坡站通過三層交換機(jī)對與控制中心三層交換機(jī)對分別直接互聯(lián)，由迎賓路口站通過三層交換機(jī)對與控制中心三層交換機(jī)對分別直接互聯(lián)，由光達(dá)站通過三層交換機(jī)對與控制中心三層交換機(jī)對分別直接互聯(lián)，構(gòu)成6條直連路徑。

4） 由車輛段通過三層交換機(jī)對與光達(dá)站三層交換機(jī)對分別互聯(lián)，構(gòu)成2條直連路徑。

5） 由控制中心、車輛段、各設(shè)備集中站內(nèi)部通過三層交換機(jī)對之間直接互聯(lián)，構(gòu)成直連路徑。

上述物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過在交換機(jī)上配置VLAN技術(shù)、路由技術(shù)、生成樹等技術(shù)，并結(jié)合交換機(jī)自身的交換特性，即可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所具有的相同功能和特性。

綜上所述，在交換機(jī)上應(yīng)用上述網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，既可保證ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)相互獨(dú)立， 又可實(shí)現(xiàn)ATS網(wǎng)和信號網(wǎng)的相互通信。與傳統(tǒng)的DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)組網(wǎng)方案對比，這種組網(wǎng)方案具有如下優(yōu)勢。

1）需要的硬件更少，從而減少網(wǎng)絡(luò)中硬件的故障點(diǎn)數(shù)量（即減小了MTBF）。

2）能夠提供更多的冗余連接，這樣通過使用MSTP協(xié)議就可以保證鏈路出現(xiàn)故障后，更快恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信的同時，不增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。

3）確保每個節(jié)點(diǎn)到目的地有最少的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，從而保證網(wǎng)絡(luò)中最小的傳輸延時。

4）保證網(wǎng)絡(luò)功能的同時，降低了成本。

5　結(jié)論及展望

本文介紹的新型DCS子系統(tǒng)有線網(wǎng)組網(wǎng)方案雖然在國內(nèi)的實(shí)踐機(jī)會還比較少，但是在國外的地鐵信號系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)已得到實(shí)踐和驗(yàn)證，如新加坡市區(qū)線DTL1-DTL2-DTL3、圣保羅8號線和11號線、拉加斯加1號線、以及馬德里7號線和8號線等。

另外，本文提出的組網(wǎng)設(shè)計(jì)思路也可應(yīng)用除地鐵信號領(lǐng)域以外的其他領(lǐng)域。

[1]嚴(yán)偉，潘愛民.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

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The subway signal system includes mainly the automatic train supervision subsystem (ATS), automatic train protection subsystem (ATP), automatic train operation subsystem (ATO) and data communication subsystem (DCS), of which the DCS subsystem is a broadband communication system, and it provides two-way, reliable and safe data exchange services for the entire signal system. That is to say, The performance of DCS subsystem will directly affect the functions of the entire signal system. The paper introduces a new DCS wired networking solution based on the DCS subsystem of the signal system for Changsha metro line 2, the solution has more advantages than traditional DCS subsystem.

signal system; data communication subsystem (DCS); networking

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.020

2015-09-22）