地铁环控系统网络架构的分析与应用

杨昕红

（沈阳职业技术学院 科研处，辽宁 沈阳 110045）

轨道交通环境与设备监控系统（BAS）[1-3]采用计算机网络、自动控制、通讯及分布智能等技术，实现地铁环境与设备系统的三级控制管理模式，由中央控制系统（OCC）、全线网络系统、车站系统网络、现场控制机及监控测试等设备组成。通过中央控制级与车站级两级管理体系，实现对控制中心、车站、就地三级控制功能[4]。

地铁BAS 系统主要是对车站及区间隧道内的空调通风、给排水、照明等机电设备进行全面的运行管理与控制。确保机电设备处于安全、高效、节能和最佳运行状态，并可对火灾事故预警，保证乘客的安全和设备的正常运行，提供舒适的乘车环境。

网络通信是构成BAS 系统的主要环节，是支撑BAS 系统三层结构、传递BAS 系统各种数据的基础平台。良好的网络结构是实现BAS 系统性能指标的关键。同时，为了方便管理和监控，对各车站终端设备网络地址进行合理分配是十分必要的。一个好的网络分配方案，能大大降低设备维护的工作量，提升工作效率[5]。

1 环控系统网络架构组成分析

地铁BAS 网络系统采用分布式网络结构，即由分布在不同地点的计算机系统连成网状结构。沈阳地铁的BAS 系统由主干网（通信传输网）、中央级和车站级局域网及网络设备组成。

1.1 网络设备

控制中心设置2 套具有网管功能的三层工业以太网交换机，冗余热备方式连接，实现中心冗余以太网与骨干网的连接。为了有效地防止局域网中的广播风暴，利用VLAN技术对控制中心和车站进行子网划分，然而子网的划分阻止了中心与车站之间的互通，所以必须在控制中心采用三层设备。三层交换机和路由器都能够实现子网间的通信，三层交换机将传统路由器的数据包处理功能和交换机的速度优势结合在一起，能够实现数据包的高速转发，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

各车站在车站控制室、A端环控室、B端环控室分别设置2 台具有网管功能的二层工业以太网交换机，如图1 所示。交换机的上下联接充分考虑地铁运营的实际情况，由于车站通信设备相对比较分散，若采用双绞线连接各个交换机，最远的传输距离为100 m，远远不能满足通信距离与通信速率的要求。因此，交换机利用下联RJ45 接口连接车站网络设备，上联冗余光纤接口组成光纤冗余环网，有效地解决传输距离和速度问题。同时，采用双环网，利用交换机的快速生成树技术加快了以太网环路故障收敛的速度。当网络节点出现故障时，网络愈合时间小于100 ms，大大提高了网络的可靠性，保障了地铁运营的安全。

图1 车站网络结构

1.2 局域网

局域网是由通信线路连接，分布在相对有限区域内的一组计算机及其他设备，设备间可以通过网络实现数据传递。运用局域网网络能够有效地保护整个系统的完整性和安全性，同时有利于对系统的整体维护及升级保护。常见的局域网有以太网、令牌环和令牌总线。以太网是目前应用最为广泛的局域网络技术，绝大多数编程语言都支持以太网的应用开发。地铁中采用工业以太网，使工业控制网络与信息网络技术紧密结合，保证技术上的可持续发展。

中央级和车站级采用双冗余星型或环形以太网，各终端均以链路冗余方式通过交换机接入主干网。以太网的构架十分成熟，从协议的完善，到传输介质、收发设备的研究，以及网络的可靠性和稳定性都能够满足BAS 系统的要求。现在几乎所有的监控设备都支持以太网，不同速率的节点可以无缝连接，无需转换设备，所以组网十分方便。BAS系统要求中央监控系统和车站监控系统之间的通信响应时间小于2 s，实时性要求相对不高，采用100 m的高速以太网，很容易能满足要求。

1.3 骨干网

骨干网是多业务网络，不仅有数据，还有语音和视频图像，覆盖范围达到几十千米。骨干网有由通信系统为BAS 系统提供所需的全线通道，各站点的监控信息加载到通信系统的传输层设备（如OTN、SDH 和RPR 等）上，实现控制中心与车站的数据传递。

通信系统可以为BAS 系统提供冗余星型或环形两种网络拓扑结构。星型结构由控制中心的交换机作为中央节点，其他各车站的交换机作为子结点与其点对点连接。环型结构是由中心的交换机和各个车站的交换机通过点到点的链路首尾相连形成的一个闭合的环，这种结构使共享介质组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传输到另一个节点[6（]如图2所示）。

图2 星型与环型拓扑结构

在两种拓扑结构都能实现传输的前提下，通过对它们在实时性和安全性方面的性能进行对比分析：

1）实时性方面

由于是公共交通系统，因此要求中心BAS 控制响应时间不大于2.8 s（即中心BAS 控制响应时间为中心BAS 工作站发出命令到车站控制器输出动作的时间)。根据通信系统给BAS系统提供的带宽，在控制中心监控工作站上对一个数据标签的响应时间进行测试，数据响应一次，对标签值进行累加一次，最后得到1 000 次的累积时间。经过测试得到在总带宽均为230 m 的条件下，星型拓扑结构的总响应时间为590 s，每次的响应时间为0.59 s；环型拓扑结构的总响应时间为880 s，每次的响应时间为0.88 s，显然星型拓扑结构的响应时间较短。究其原因，由于环型结构信息源在环路中是串行的穿过各个结点，当环中节点过多时，在同等网络带宽的条件下，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长[7]。

2）安全性方面

采用星型拓扑结构，利用VLAN 技术[8]通过中心三层交换机对整个网络进行子网划分，以中心交换机为中心，各子网分别与中心相联接，子网间彼此隔离，保证相对独立安全。对于环型结构，控制中心的三层交换机作为环网的一般节点，在保证各个车站与控制中心进行通信的前提下，形成一个闭环系统，各子网间以接力方式传输通信，无法通过VALN 技术使各个车站彼此隔离，没有相对独立性，当一个车站受到网络风暴袭击，所有车站均受到影响，所以这种拓扑结构存在潜在的网络风险。显然，从安全性的角度分析，星型拓扑结构更适合在地铁BAS系统中应用。

综合以上性能分析，环型结构和星型结构在实时性方面可以满足BAS 的性能要求。在同等配置下，环型结构虽然能够节约组网的成本，但是网络安全性能要远远低于星型结构。如果要提高其安全性，必须要在每个车站配置三层交换机，势必增加更高的成本，所以星型结构的性价比要优于环型结构。

2 环控系统的IP地址分配

以星型网络拓扑结构的地铁线路为模型，中心为三层交换机，各车站采用二层交换机。对整个线路进行IP 地址规划[9]，并且采用三层VLAN 技术，对车站进行逻辑隔离。

2.1 网址规划原则

为更好地发挥网络系统的效能，使其能在增设或改设站点情况发生条件下，顺利实现网络应用的扩展、网络性能的保障、网络管理的正常运行，在BAS 系统中，合理规划网络IP 地址尤为重要，一般遵循以下原则：

1）唯一性：该编号在BAS系统中唯一存在。

2）简单性：地址分配简单易管理，避免在主干上采用复杂的掩码方式。

3）可扩展性：地址分配的每一层次都有剩余号段，为后续的线路增设、调整需求提供充足的空间。

4）统一性：不同车站相同设备的终端IP地址号相同，有利于实现IP地址的分配与管理。

2.2 网址规划方式

由于地铁各车站网络设备比较固定，每个车站与控制中心通过交换机端口点对点连接，采用基于端口的VLAN 划分方式是个合理的选择。每个车站网络采用冗余配置，一主一备，当遇到通信故障时，能够实现双网冗余切换。综合以上考虑，将地铁的每个车站划分为不同VLAN，为了避免广播风暴的发生，使车站之间相互隔离，同时每个车站的主备网络相互隔离，利用控制中心三层交换机VLAN 的功能，将每个车站分别划分成2 个 VLAN。

根据地铁BAS 系统的实际应用和需求，可以采用以线路与车站为主导，主/备网为辅的地址规划方式，采用24 位IP 地址掩码（即最多可以扩展为254 台主机）。设置时采用的IP 地址格式为P1.P2.P3.P4/24，P1代表不同地铁线路，P2为不同的车站，P3 用于主/备网的区分，P4 代表终端地址号。例如沈阳地铁一号线部分终端设备的IP 地址规划采取如下形式：车站1 的主控PLC（主网）的IP 地址设为10.1.10.10/24，网关设为10.1.10.254，子网掩码为255.255.255.0；车站2 的主控PLC（备网）的IP 地址设为10.2.20.10/24，网关设为10.2.20.254，子网掩码为255.255.255.0；其他站点以此类推。IP 地址规划是BAS系统网络设计[10]的一个重要部分，良好的IP地址规划能够有效地控制网络冲突和病毒的扩散速度，减少不必要的管理和维护工作，提高工作效率。使用三层交换机的VLAN 功能实现网络地址的规划，可以有效地限制广播，VLAN 划分得越细，广播的范围就越小，出现问题后定位查找就越容易。

3 环控系统的车站通风空调系统应用

沈阳地铁BAS 系统车站通风空调系统包括：车站公共区通风空调系统（也称大系统）、设备用房空调通风系统（也称小系统）、空调水系统。采用优化控制方式实现地铁车站中空调系统的节能控制。

环控的控制功能包括点动控制、模式控制、时间表控制。点动控制主要是在工作站进行单点控制；模式控制包括正常营运模式和发生灾害模式；时间表控制是根据地铁运行环境及车站其他系统的监控要求，预先做好的正常运行的执行设置命令。

环控的监视功能实现监视全线车站和区间的通风空调系统、给排水系统、配电照明系统、电扶梯等设备，同时还实现监视现场设备的状态及温度、湿度等环境参数。

环控的通信功能是具有智能通信接口的，各个现场设备通过工业以太网PLC NOE 和控制器相连接，实现数据的通讯。

4 结 语

本文通过对地铁BAS 系统网络结构的研究，根据现场测试分析，确定了一种经济有效的网络结构，中心与车站选择光纤以太局域网，能够较好地满足BAS 系统的性能指标，主干网采用星型结构，其性价比优于环型结构。根据IP 网络规划原则和BAS 系统实际需求，实现了BAS 系统网络地址的合理规划，并将设计的BAS 系统运用在地铁通风空调系统中，实现对影响地铁环境的空气温度、湿度、空气流速和空气品质等主要因素的智能控制，保障了地铁设备正常运转的工作环境和为乘客、工作人员提供安全可靠的舒适环境。