關于冗余光纖環網在成都地鐵AFC系統中的應用

宋林

摘要：文章結合成都地鐵AFC系統網絡實際，闡述了冗余光纖環網技術在成都地鐵自動售檢票系統中的應用及自動售檢票系統中以太網的分類，分析了冗余光纖環網的優點及工作原理，列舉了部分常見網絡故障的分析處理，探討了光纖冗余環網在自動售檢票系統中的網絡管理和維護工作。

關鍵詞：光纖冗余環網；主干網絡；自動售檢票系統；計算機網絡通信；星、環型復合網絡拓撲結構

成都地鐵自動售檢票系統（簡稱AFC系統）是一套包括自動控制、計算機網絡通信、現金自動識別、微電子計算、機電一體化、嵌入式系統和大型數據庫管理等高新技術運用，實現軌道交通售票、檢票、計費、收費、統計、清風、管理等過程的自動化系統。AFC系統根據各層設備和子系統的功能、管理職能和所處位置，自上而下可分為五層架構，分別為清分系統（ACC）、線路中央計算機系統（LC）、車站計算機系統（SC）、終端設備（SLE）、車票。其中，車站計算機系統和終端設備可稱為站級系統，主要由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）、自動驗票機（TCM）、半自動售票機（BOM）和車站計算機（SC）組成，直接面向乘客。從數量上講，AFC系統中的設備主要分部于各線路各個車站站廳內，本文講述的光纖冗余環網技術在自動售檢票系統的應用，就是主要講述在AFC車站級系統中的應用。光纖冗余環網技術作為構成自動售檢票系統的一個重要組成部分為自動售檢票系統提供了一個穩定和快速的工業以太網網絡環境。因此，如何管理和維護冗余光纖環網對發揮自動售檢票系統的穩定性有著十分重要的現實意義。

1. AFC系統中的以太網簡介

目前，成都地鐵自動售檢票系統中的以太網按照網絡拓撲結構分類主要有兩種：星型結構和環型拓撲結構的以太網，環型拓撲結構網絡為冗余光纖環網。位于車站層的AFC設備包括SC服務器、緊急控制器、票務工作站、監控工作站等監控及數據管理設備；TVM自動售票機、BOM半自動售票機、AGM自動檢票機、TCM自動驗票機等終端設備；以及支持環網功能的三層交換機、二層交換機、尾纖盒等網絡設備。

1.1 環網構成

三層交換機及二層交換機通過光纖傳輸介質，串接組成一個封閉的環形網絡（也可稱為主干網絡）。由于光纖跳線柔軟易折斷，相鄰兩臺交換機的連接若需要經過線槽，還需將光纖跳線轉接成光纜后進線槽。

三層交換機也稱為環網的主交換機，布置在車站的AFC設備房內，一個車站有且僅有一臺三層交換機。三層交換機通過通信專業的傳輸系統與LC網絡連接，同時本站的SC服務器、票務工作站、監控工作站等設備接入三層交換機，此為星形連接。該交換機負責將車站級票務數據向上層（LC）傳輸。

二層交換機分布于站廳的終端設備內部，負責就近接入位于站廳內的終端設備，此為星形連接。每個車站的二層交換機數量根據終端設備數量多少而定（目前，成都地鐵使用的二層交換機一般可接入6臺終端設備）。

如圖1，橙色實線為光纖，將三層交換機和若干二層交換機串接組成光纖環形網絡，即主干網絡；藍色虛線網線，是連接SC服務器、工作站、終端設備、綜合監控設備以及接入通信網絡使用的傳輸介質。

2. 光纖冗余環網技術的應用

2.1 冗余環網協議

目前，計算機網絡領域常用的環網協議有Ring、Turbo Ring、supreme-ring、HIPER Ring等。成都地鐵2號線所用交換機品牌為赫斯曼光纖交換機（三層：PowerMICE MS4128-L3EHC，二層：RSB20-0800M2M2），采用HIPER Ring環網協議；地鐵4號線二期所用交換機品牌為卓越光纖交換機，采用supreme-ring環網協議，其它線路也使用相關的環網協議。不管各線路使用何種環網協議，其協議均有虛擬冗余鏈路（VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol）及快速環網收斂功能（RRPP，Rapid Ring Protection Protocol）。

2.2 冗余鏈路的實現

如圖2和3，AFC系統設備通過光纖連接成一個封閉的環形，并且所有設備都可以與其他設備進行通信。2號線赫斯曼系列交換機，通過HIPER Ring環網協議及設定指定環網中的三層交換機作為主交換機。正常通信時，主交換機僅啟用一個環網端口（狀態為“轉發”），而另一個環網端口為“阻塞”狀態，與其連接的鏈路稱為“虛斷路”，此時，所有終端設備產生的數據傳輸到二層交換機后，二層交換機統一朝環網的一個方向傳輸，最終傳輸到主交換機，并由主交換機進行轉發。

如圖4，當環網中任一鏈路出現斷點時，主交換機立即進行網絡收斂，“學習”并存儲出現斷點后的網絡結構。即：主交換機通過定時發送監測數據包來檢測環網鏈路是否出現故障，一旦接收不到應答，主交換機就會確定為環網結構中存在斷點。此時，主交換機立即啟用“阻塞”環網端口，將其狀態轉變為“轉發”狀態。斷點兩側的二層交換機收到終端設備的數據后，向斷點兩側的方向傳輸到主交換機，從而實現冗余鏈路的功能。這在計算機網絡領域被稱為“冗余環網”。

圖 4 出現斷點，啟用虛斷鏈路

2.3 冗余環網的優點

近幾年，各個城市軌道交通行業發展迅速，其舒適、準點、快捷的體驗使得人們越來月青睞，日益增多的乘客使得對車站AFC終端設備的需求也隨之增加。目前，成都地鐵為應對不斷增加的客流，積極采取有效措施，時常會對車站AFC設備進行改造，常常會增加終端設備。而一臺二層交換機最多能接入6臺終端設備，這使得改造時需要增加環網的接入能力。

理論上，我們只需要增加二層交換機就可增加終端設備的接入量，事實也是這樣的。我們在進行設備改造時，將二層交換機加到加裝終端設備就近的位置，只需將對應位置的環網鏈路去除，重新接入增加的二層交換機即可，而無需影響其它二層交換機及三層交換機。

綜上，冗余鏈路功能讓AFC系統主干網絡鏈路的暢通得到了保障。除了冗余功能，因為采用了光纖作為傳輸介質，光纖冗余環網還具有傳輸速率高、抗電磁干擾性強的優點。光纖環網技術的應用提高了AFC系統網絡通信的可靠性和穩定性。

3 AFC系統中環形網絡的管理

3.1 網絡管理

AFC系統作為實時面向乘客的計程、計費的一套自動售檢票設備，加之移動互聯的現場運營需求，要求車站AFC終端設備能夠實時保持網絡通信暢通。光纖冗余環網作為AFC系統網絡中的重要組成部分，現場維保人員對其管理和維護技能的掌握顯得越發重要。在車站AFC環形網絡中，網絡的管理和維護重點工作可分為以下幾個方面：

1）網絡設備的管理。AFC系統中的光纖環網設備包括各類AFC設備、尾纖盒（光纖轉接器）和網絡交換機等。網絡交換機的管理主要通過支持Java的Web瀏覽器實現，通過Web界面可以實時查看交換機的各種參數和運行狀態，并可根據需要對三層交換機的配置參數進行備份，便于更換三層交換機后導入配置，快速恢復現場網絡。AFC設備的管理主要通過制定定期的維護工作和實時的網絡狀態監控進行。

2）網絡鏈路的管理。采用有冗余通信功能的AFC系統網絡，由于具備了冗余和自愈功能，在管理上需要定期對設備的鏈路狀態進行檢查，讓冗余功能發揮應有的作用。通用實現方式為：通過Web實時監控網路鏈路的檢查，判斷網路鏈路狀態和設備端口信息，保障網路的暢通。成都地鐵2號線使用的赫斯曼交換機，主交換機具有環網管理故障指示功能，可通過查看RM指示燈實時監測環網鏈路狀態，較為方便。

3.2 常見網絡故障分析和診斷

在AFC系統光纖環網中，可以通過Web網頁記錄故障發生的歷史。網絡的故障可以分為鏈路故障、協議故障、配置故障和交換機故障。故障處理過程中需要注意網絡數據的備份和恢復。現場網絡故障多為鏈路故障：

1）SC服務器、工作站離線或單臺終端設備掉線的故障。由于此類故障表現為單臺網絡故障，故車站環網一般無故障，應檢查故障設備或服務器的網線鏈路是否斷開、松脫。

2）一組或多組終端設備出現網絡故障（如：無法實現移動支付）。此類故障具有一組或多組設備的特點，且故障設備在物理位置上連續，也即連在同一臺二層交換機的終端設備出現網絡故障。此類故障現象可從兩方面展開分析：一是相連的二層交換機故障，更換交換機可恢復；二是環網中出現兩個斷點，導致兩個斷點之間的設備被孤立，從而導致網絡故障，在兩個斷點處仔細檢查光纖跳線是否被損壞或連接不良，進行相應處理。

3）單個車站全部終端設備、服務器均出現網絡故障。此類故障范圍表現為車站所有AFC設備出現網絡故障，極有可能該環網連向上層（即連向通信網絡）的鏈路被中段，導致車站所有設備無法與LC和ACC通信，進而表現為車站全部AFC設備無法進行移動支付。檢查三層交換機與通信專業的連接鏈路，進行相應的處理。

另外此類故障還可能是三層交換機故障導致，此情況可能性較小。

4結語

光纖冗余環網技術在城市軌道交通自動售檢票系統中的應用，因為光纖的接入，可使AFC系統車站主干網絡保持連通性更加可靠；采用環形網絡的架構使得AFC系統網絡管理模式更加多樣化，提高了自動售檢票系統網絡的穩定性和安全性，同時，環網架構還利于后期設備改造增減主干網絡終端設備接入能力，其在自動售檢票系統中的應用也會越來越廣泛。

參考文獻：

[1] 王軍，蘇含貴.自動售檢票系統（AFC）檢修工[M].四川：西南交通大學出版社，2017.

[2] 李成忠，靳桅.計算機網絡[M].北京：清華大學出版社，2010.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）