李冰濤,李曙俏
(江蘇省徐州技師學(xué)院,江蘇徐州,221151)
隨著我國經(jīng)濟從高速發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型,城市軌道交通以其運量大、耗能少、快捷、準時、污染輕、占地少等特點,在我國各大城市得到迅速發(fā)展。計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展,使得我國的軌道交通已迅速步入了網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時代。通過對城市軌道交通企業(yè)的調(diào)研顯示,當前的軌道交通管理系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了綜合自動化監(jiān)控(即綜合監(jiān)控系統(tǒng))。
綜合監(jiān)控系統(tǒng)是將原來城市軌道交通系統(tǒng)里多個獨立的機電系統(tǒng)整合為一個協(xié)調(diào)運行的大系統(tǒng),形成統(tǒng)一的接口層硬件平臺和軟件平臺,從而實現(xiàn)對地鐵主要電氣設(shè)備的集中監(jiān)控和管理功能,實現(xiàn)對列車運行情況和客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)監(jiān)視功能,最終實現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)互動功能。
綜合監(jiān)控系統(tǒng)面向全公司管理人員,可以實現(xiàn)智能化管理;面向維修中心的維護人員,可以實現(xiàn)智能化維護;面向OCC 調(diào)度員和車站站長,可以輔助行車指揮??傊辛司C合自動化監(jiān)控系統(tǒng),可以極大地提高軌道交通的運營效率和運營可靠性。
由此可見,無論哪個專業(yè)的員工,除了要掌握自己本專業(yè)的知識技能之外,還要熟悉綜合監(jiān)控系統(tǒng),并且要善加利用這個系統(tǒng),才能更好地做好本專業(yè)的工作。
城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),當前的綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)滲透到軌道交通的各個專業(yè)領(lǐng)域,如供電專業(yè)的SCADA 系統(tǒng),信號專業(yè)的維護監(jiān)測系統(tǒng)等等。甚至可以說軌道交通系統(tǒng)的每個專業(yè)都應(yīng)用了計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),而軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)則是計算機通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)最集中的應(yīng)用。
在《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程中,常常用一個章節(jié)講解通信的基礎(chǔ)知識,且這部分內(nèi)容與計算機網(wǎng)絡(luò)知識的聯(lián)系不是特別的密切。在對地鐵公司的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),軌道交通系統(tǒng)使用的電氣設(shè)備大多是智能化的,本身就具有通信功能,可以直接進行網(wǎng)絡(luò)通信。因為地鐵公司采購的設(shè)備來自不同的供貨商,設(shè)備的通信方式也不統(tǒng)一。從另一個角度看,通信方式是很豐富的,每個專業(yè)都會遇到各種各樣的通信問題。如圖1 所示是無錫地鐵SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,從圖中可以看到,除了有以太網(wǎng)通信,還有RS232,RS422 和RS485 通信。
圖1 無錫地鐵SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
其實,不光是SCADA 系統(tǒng),其他專業(yè)現(xiàn)場層電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集大都是采用RS485 之類的串行通信方式。
冗余,指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件,當某個部件發(fā)生故障時,冗余配置的部件自動介入并承擔故障部件的工作,避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至崩潰。
許多行業(yè)和企業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)都有實時性的要求,不允許網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。但網(wǎng)絡(luò)涉及的環(huán)節(jié)非常多,如線路、網(wǎng)絡(luò)適配器、網(wǎng)間連接設(shè)備等,每個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問題。因此為提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大量使用了網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)。
城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)傳輸通道,現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控對象連接起來匯集到車站級局域網(wǎng),各個車站局域網(wǎng)將車站設(shè)備連接起來通過主干網(wǎng)匯集到控制中心。從應(yīng)用類型的角度,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為主干層、局域?qū)雍同F(xiàn)場層。綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
(1)主干層:主干層用于控制中心、車輛段與各車站、停車場局域網(wǎng)的互聯(lián)。系統(tǒng)主干網(wǎng)采用的A、B 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,兩網(wǎng)熱備工作方式。其中A 網(wǎng)交換機狀態(tài)能通過B 網(wǎng)進行狀態(tài)監(jiān)視和遠程配置管理,反之B 網(wǎng)的交換機狀態(tài)也能通過A 網(wǎng)進行狀態(tài)監(jiān)視和遠程配置管理。
主干網(wǎng)由ISCS 采用工業(yè)級千兆以太網(wǎng)交換機根據(jù)通信專業(yè)提供的8 芯單模光纖(上下行各4 芯光纖)自行組建,在控制中心、停車場、車輛段以及全線各車站組成冗余1000Mbps 光纖環(huán)網(wǎng)。
(2)局域?qū)樱壕钟驅(qū)佑煽刂浦行木钟蚓W(wǎng)、各車站局域網(wǎng)、車輛段(停車場)局域網(wǎng)等組成??刂浦行木钟蚓W(wǎng)為中央級局域網(wǎng),采用冗余的1000Mbps 交換式工業(yè)以太網(wǎng),符合IEEE802.3 標準,采用TCP/IP 協(xié)議。各車站級局域網(wǎng)采用冗余的100/1000Mbps 交換式工業(yè)以太網(wǎng),符合IEEE802.3標準,采用TCP/IP 協(xié)議。
(3)現(xiàn)場層:現(xiàn)場層包括BAS、PSCADA、PSD 等子系統(tǒng)的控制層網(wǎng)絡(luò),一般采用工業(yè)控制以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線方式。
工業(yè)環(huán)境對系統(tǒng)可靠性的要求很高,使得冗余技術(shù)在工業(yè)自動控制領(lǐng)域提高到了相當高的地位,從I/O 采集板、通信鏈路、現(xiàn)場控制器到數(shù)據(jù)服務(wù)器和操作員工作站,冗余的理念基本貫穿了整個工業(yè)控制系統(tǒng)。
通信網(wǎng)關(guān)泛指系統(tǒng)與外部系統(tǒng)通信時,擔任數(shù)據(jù)收/發(fā),協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備,各類系統(tǒng)擔負這一任務(wù)的設(shè)備不盡相同,有的稱為I/O 服務(wù)器或I/O 站,有的稱為FEP。
圖3 給出了常見的接口冗余配置形式。
圖3 典型的接口冗余配置
專用視頻監(jiān)視系統(tǒng)是城市軌道交通維護和保證運輸安全的重要手段。它能夠為控制中心的調(diào)度員、各車站值班員、列車司機等提供有關(guān)列車運行、防災(zāi)救災(zāi)、旅客疏導(dǎo)以及社會治安等方面的視覺信息。
視頻監(jiān)視系統(tǒng)由中心控制設(shè)備、車站/車輛段/停車場控制設(shè)備、圖像攝取設(shè)備、圖像顯示設(shè)備、視頻服務(wù)器、圖像存儲設(shè)備及視頻信號傳輸設(shè)備等組成。并在車輛段/停車場設(shè)置本地視頻安防系統(tǒng)。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用控制中心遠程監(jiān)控和車站/車輛段/停車場本地監(jiān)控方式,組成一個完整的兩級監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),用戶可在任何一個站點根據(jù)授權(quán)訪問各站實時圖像和歷史圖像。
視頻監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),并按核心層、匯聚層分層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。在控制中心1 套核心交換機,通過專用傳輸系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)通道連接到車站、車輛段/停產(chǎn)場匯聚交換機。核心交換機和匯聚交換機都具備完備的三層功能,支持RIP、OSPF、BGP、IS-IS 路由協(xié)議,支持PIMSM/DM 等組播路由協(xié)議,滿足視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)對組播的需求。
徐州地鐵軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 徐州地鐵軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
鑒于以上原因,我們認為城市軌道交通專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信課程除了要教授學(xué)生通用的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信的基礎(chǔ)知識之外,還要結(jié)合城市軌道交通系統(tǒng)的特點,有針對性地增加或是增強其專業(yè)領(lǐng)域重點應(yīng)用的知識與技能。通過對城市軌道交通各地鐵公司的深入調(diào)研,我們在城市軌道交通專業(yè)的《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程中增加或是增強了以下三部分的內(nèi)容,經(jīng)過一年的教學(xué)實踐,確實對學(xué)生專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到良好的促進作用?,F(xiàn)總結(jié)如下,希望對《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》課程改革有所啟發(fā)。
為此,在教學(xué)中增加了串口通信、IIC 通信和RS485 通信三次課的內(nèi)容。通過實例,讓學(xué)生親自感受通信是如何實現(xiàn)的。不僅如此,我們想通過這些通信知識的學(xué)習(xí),讓學(xué)生體會通信是如何從底層最簡單的數(shù)據(jù)傳輸,一步步增加數(shù)據(jù)格式內(nèi)容,一步步增加通信功能,從而發(fā)展到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信功能的。這樣學(xué)生不至于對后面的OSI 參考模型以及TPC/IP 協(xié)議的學(xué)習(xí)感到復(fù)雜難懂,他們會理解復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是在簡單通信基礎(chǔ)之上逐步發(fā)展完善起來的。
這可以通過串口通信、IIC 通信與RS485 通信的數(shù)據(jù)格式與通信特點的簡單比較中看得更加明顯。
如圖5 所示為RS232 串口通信的數(shù)據(jù)格式。從圖中可以看出,數(shù)據(jù)格式由起始位、停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位4 部分組成,非常簡單,所以只能實現(xiàn)點對點通信,且因為數(shù)據(jù)信號為電平信號,所以傳輸距離有限,但它是全雙工的工作方式。
圖5 RS232 串口通信的數(shù)據(jù)格式
IIC 通信主要用于器件之間傳輸數(shù)據(jù),如現(xiàn)在智能設(shè)備上的數(shù)據(jù)顯示器件常常使用IIC 通信方式。
其二為串通招投標。在藥品、設(shè)備的采購過程中,參與招標的藥企或設(shè)備供應(yīng)商在利益的驅(qū)動下,暗行串通抬價之事侵占國有資產(chǎn),加劇醫(yī)療保險基金流失。
IIC 通信的數(shù)據(jù)格式如圖6 所示。IIC 通信采用雙線制,一根是數(shù)據(jù)線SDA,一根是時鐘線SCL。IIC 通信采用的是主從通信方式。因為數(shù)據(jù)格式包含設(shè)備地址信息,可實現(xiàn)多點通訊。它以半雙工方式工作。IIC 通信有單獨的時鐘線來確保通信設(shè)備兩端采用一致的步調(diào)傳輸數(shù)據(jù),也稱作同步數(shù)據(jù)傳輸。
圖6 IIC 協(xié)義簡圖(數(shù)據(jù)格式)
比較兩種通信格式可以看到,點對點通信的數(shù)據(jù)格式最簡單,多點通信的數(shù)據(jù)格式就需要加入地址信息。
與前兩種通信相比,RS485的通信格式要更加復(fù)雜。RS485 通信采用 Modbus-RTU 通訊規(guī)約,格式如圖7 所示。RS485 采用的也是主從通信方式,RS485 通信格式也包含設(shè)備地址信息,可實現(xiàn)多點通訊。它也是以半雙工方式工作。RS485 通信的功能碼是一個字節(jié),所以通信功能更多。RS485 通信的最大特點是采用差分信號負邏輯,信號抗干擾能力強,適合長距離數(shù)據(jù)傳輸,最常用于電噪聲工業(yè)環(huán)境。
圖7 RS485 通信格式
通過以上的通信方式的比較可以看到,數(shù)據(jù)的通信功能越強,數(shù)據(jù)格式就越復(fù)雜。大家可以想象一下,如果讓許許多多的計算機之間相互通信,相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式一定會相當復(fù)雜。人們把能夠讓所有計算機都互相通信而制定的各種各樣的數(shù)據(jù)格式稱之為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。如局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)格式如圖8 所示,數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)了兩個地址,源地址和目的地址,當然數(shù)據(jù)格式會更加復(fù)雜。
圖8 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的基本格式
其實,計算機網(wǎng)絡(luò)就是計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在下面的計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)中,有了以上的通信數(shù)據(jù)格式知識的基礎(chǔ),再進行OSI 參考模型、TCP/IP協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)知識的學(xué)習(xí),學(xué)生接受起來就容易多了。
為了讓學(xué)生對冗余技術(shù)有更直觀的認識,我們在計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的課程中增加了浮動路由與熱主機備份的內(nèi)容。
(1)浮動路由的拓撲結(jié)構(gòu)如圖9 所示。兩個路由器,車站一個,主變電所一個,實現(xiàn)車站,主變電所兩個局域網(wǎng)能夠互通,為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,車站與主變電所之間配置浮動路由。
圖9 浮動路由實例
為了保證線路的高可靠性,車站路由器與主變電所路由器有兩條線路。①正常情況,數(shù)據(jù)包從優(yōu)先級高的線路走,②線路出現(xiàn)故障,備用線路立即啟用,保證數(shù)據(jù)正常傳輸。
這是一個典型的通道冗余的例子,通過這個模擬實例的配置,學(xué)生們能夠知道平時的雙網(wǎng)線是如何工作的。
(2)熱主機備份的作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)線路的冗余。如圖10 所示是熱主機備份拓撲結(jié)構(gòu)圖,下面區(qū)域是車站局域網(wǎng),車站服務(wù)器可以上傳數(shù)據(jù)給上面控制中心的服務(wù)器網(wǎng)站。對車站局域網(wǎng)來說,出口有兩個網(wǎng)關(guān)R0 和R1,這兩個網(wǎng)關(guān)稱為熱主機備份,作用是實現(xiàn)上網(wǎng)線路的冗余。當一個網(wǎng)關(guān)設(shè)備R0 發(fā)生故障,會自動切換到另一個備用網(wǎng)關(guān)R1 設(shè)備,數(shù)據(jù)包會從備用網(wǎng)關(guān)設(shè)備R1 通過,繼續(xù)傳送給控制中心的服務(wù)器網(wǎng)站,不會影響數(shù)據(jù)的傳輸,有效地保證了車站局域網(wǎng)出口的穩(wěn)定性。
圖10 熱主機備份拓撲結(jié)構(gòu)
這是一個典型的設(shè)備冗余的例子,通過這個例子的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠體會到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熱主機備份狀態(tài)是如何配置的,體會設(shè)備冗余的工作機制是怎樣的。
鑒于視頻監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,我們在計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程中增加了視頻監(jiān)控系統(tǒng)實訓(xùn)的內(nèi)容。內(nèi)容主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成,視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機參數(shù)——監(jiān)控錄像占用硬盤容量的計算方法等。
最后通過一個實訓(xùn)實例:錄像機加交換機接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng),讓學(xué)生對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)過程有一個全面的了解。因為在工業(yè)現(xiàn)場,為方便布線,常在錄像機與攝像機之間加入交換機,這樣可以使得監(jiān)控系統(tǒng)的操作更加靈活方便。本實例的硬件設(shè)備連接如圖11 所示。
圖11 錄像機加交換機接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)
這種連接的好處有兩點,一是視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以方便連接互聯(lián)網(wǎng),二是如果錄像機與攝像機之間距離很遠,只需在路由器與交換機之間使用光纖連接即可,非常方便。
本實訓(xùn)實例的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個綜合性的項目,它使用到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有交換機和路由器,在對攝像機進行連接時,需要在錄像機端進行IP 地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS 等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置,而且需要使用網(wǎng)線將錄像機、攝像機、交換機以及路由器等設(shè)備進行正確的連接,如果要想實現(xiàn)上網(wǎng),還要進行互聯(lián)網(wǎng)的連接與設(shè)置。通過這個實例的學(xué)習(xí),也想讓學(xué)生對所學(xué)的網(wǎng)絡(luò)知識有一個綜合練習(xí)的機會。
在本實訓(xùn)實例中還有一個技術(shù)問題:在這種拓撲結(jié)構(gòu)中,錄像機與攝像機實際上是在同一個局域網(wǎng)里,即路由器LAN 端口的網(wǎng)段,如IP 地址為192.168.1.0/24 網(wǎng)段。如果攝像機的影像要在錄像機的通道里進行顯示,其條件是攝像機的IP 地址與錄像機通道的IP 地址必須相同,且與路由器LAN 端口在同一個網(wǎng)段。故必須要對攝像機IP 地址和錄像機通道的IP 地址進行修改,即它們的IP 地址都要修改為192.168.1.0/24的網(wǎng)段,這樣攝像機才能自動添加到錄像機的相應(yīng)通道。
當前,我國的城市軌道交通事業(yè)正在飛速發(fā)展,為了使軌道交通更加安全、高效、環(huán)保,各種高新技術(shù)也在廣泛使用。在這樣的大背景下,軌道交通的教育事業(yè)也要跟上時代的步伐,能夠培養(yǎng)出更多掌握新知識、新技能的人才,為我國的軌道交通事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。