前言

地鐵環(huán)境設備監(jiān)控系統(tǒng)，英文縮寫B(tài)AS（又名EMCS），負責控制全線車站及區(qū)間的環(huán)境和其它機電設備安全、高效、協(xié)調運行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適和最佳節(jié)能效果；在突發(fā)事件（如火災）時指揮環(huán)控設備轉向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證。目前，國內新建地鐵項目雖具體情況各異，但BAS控制網(wǎng)絡系統(tǒng)總體方案都基本相同，均采用了基于工業(yè)控制網(wǎng)絡（工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線）的解決方案。本文結合近年新建成運行的地鐵項目，對其BAS控制網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了綜合研究分析。

1 基本要求

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》、《智能建筑設計標準》等國家標準及地鐵BAS實際情況，BAS的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)在遵循“分散控制、集中管理、資源共享”基本原則的基礎上，應滿足以下要求。

（1）可靠性：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，所用設備先進成熟，能適應7天24小時不間斷工作要求，系統(tǒng)平均無故障時間大于10000小時；采用冗余技術，系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)，具備故障自愈能力，能在網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡連接器、控制設備和通信線路同時發(fā)生單點故障情況下正常工作，故障恢復時間控制在300ms內；環(huán)境適應性強，能在高溫、粉塵、強電磁和潮濕等惡劣條件下穩(wěn)定工作。

（2）安全性：系統(tǒng)應具備較強防災能力，應考慮火災、水淹、地震、雷擊和停車事故等災害可能，并以防火災為主；系統(tǒng)能夠防止系統(tǒng)外部人員入侵以及內部人員的非法操作和誤操作。

（3）實時性：作為商業(yè)運營系統(tǒng)，應具備很強的靈敏反應能力，在任何情況下，均必須保證信號的實時、準確傳輸和處理。

（4）開放性：具備開放平臺特性，網(wǎng)絡體系結構與應用系統(tǒng)相獨立；采用通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準，支持多廠商，支持多種終端設備和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應用；具備與其它網(wǎng)絡、應用系統(tǒng)無縫集成能力。

（5）可管理性：網(wǎng)絡系統(tǒng)應便于管理、配置和調整，配有人性化管理接口；在網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能提供有效手段，準確、及時定位故障，并提醒管理人員，系統(tǒng)平均修復時間不大于0.5小時。

（6）可擴展性：充分考慮目前業(yè)務需求和今后較長時間內業(yè)務發(fā)展需要，系統(tǒng)應能方便地升級；在采用更新技術同時，保證原有設備大部能繼續(xù)使用，保護投資。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)構成

地鐵BAS系統(tǒng)采用分布式計算機系統(tǒng)管理，由中央管理級、車站監(jiān)控級、現(xiàn)場控制級和相關通信網(wǎng)絡組成。與之對應，BAS網(wǎng)絡系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡結構，由主干網(wǎng)（通信傳輸網(wǎng)）、中央級和車站級局域網(wǎng)及現(xiàn)場總線組成。中央級局域網(wǎng)通過主干網(wǎng)與車站級局域網(wǎng)相連，車站級局域網(wǎng)中的車站主控制器與遠程控制器、遠程I/O模塊通過現(xiàn)場總線連接。

2.2 網(wǎng)絡拓撲

主干網(wǎng)和局域網(wǎng)均采用工業(yè)以太網(wǎng)，但組網(wǎng)方式有所區(qū)別：主干網(wǎng)以單模光纖為傳輸介質，采用雙環(huán)網(wǎng)冗余方式，構成千兆工業(yè)以太網(wǎng)；對應雙環(huán)主干網(wǎng)，中央級和車站級局域網(wǎng)均布有兩套星型工業(yè)以太網(wǎng)，各終端均以鏈路冗余方式接入主干網(wǎng)?，F(xiàn)場控制級，車站級局域網(wǎng)的主控制器（PLC或工控計算機）與現(xiàn)場設備通過現(xiàn)場總線相連，現(xiàn)場總線的選型根據(jù)各地鐵線路具體情況而定。有些較長的線路，在管理上，中央級和車站級之間還設有車輛段作為中間控制級，車輛段局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式和接入方法與中央級一致。

中央級局域網(wǎng)終端設置在地鐵運營控制中心（OCC），配備工業(yè)控制計算機作為操作站，操作站宜采取冗余配置，另外還可根據(jù)實際情況增配維護工作站和數(shù)據(jù)服務器。車站級局域網(wǎng)終端設置在車站控制室，配備工業(yè)控制計算機作為操作站，現(xiàn)場設備的主控制器也配置在該局域網(wǎng)，主控制器一般選用PLC，根據(jù)具體情況采用冗余配備。車輛段局域網(wǎng)終端設置在車輛段控制室，配置情況與中央級相似。

2.3 網(wǎng)絡設備特點

系統(tǒng)的網(wǎng)絡交換設備采用工業(yè)以太網(wǎng)骨干交換機。作為在高性能、高可靠性系統(tǒng)中使用的骨干網(wǎng)絡設備，為滿足要求，其除具備普通交換機功能外，還須有如下加強特征：采用高性能交換引擎和寬帶寬背板，保證網(wǎng)絡實時通信能力；支持冗余環(huán)網(wǎng)拓撲結構和相應協(xié)議；采用合金褶皺結構外殼，屏蔽電磁干擾，抗振動沖擊，散熱快，耐灰塵、潮濕；寬溫設計，對寒冷或酷熱的工作環(huán)境有良好適應能力；提供導軌、壁掛及任意平面等安裝模式，便于在特定現(xiàn)場環(huán)境安裝；冗余雙DC電源輸入，并提供故障報警輸出，有效保障與減少故障還原時間。

3 技術要點

歸納起來，系統(tǒng)重、難點技術主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡選型、網(wǎng)絡冗余、網(wǎng)絡管理三個方面。

3.1 網(wǎng)絡選型

作為最具開放性、透明性的工業(yè)控制網(wǎng)絡體系結構，工業(yè)以太網(wǎng)成為系統(tǒng)主干網(wǎng)和局域網(wǎng)的必然選型：完全兼容普通以太網(wǎng)（IEEE802.3）標準，繼承了普通以太網(wǎng)具有的傳輸速度高、兼容性好、開放性高、管理方便、成本低廉、能耗低和便于安裝等優(yōu)點；能實現(xiàn)工控網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡，符合全開放、一體化的工控網(wǎng)絡必然發(fā)展趨勢；綜合采用快速交換（Fast Switch）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、服務質量（QOS）和增大寬帶等技術及手段，保證數(shù)據(jù)傳輸實時、可靠；對于不同工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，采取了專門抗干擾措施，能適應惡劣工作條件；眾多主流設備生產(chǎn)商提供了各類密封性好、堅固、抗震動的設備與連接件，基本解決了本質安全問題?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡是全數(shù)字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡，專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)。與工業(yè)以太網(wǎng)相比，其實時性、可靠性、安全性仍有優(yōu)勢，系統(tǒng)在現(xiàn)場控制級選用了現(xiàn)場總線。

3.2 網(wǎng)絡冗余

為充分保證高可用性，系統(tǒng)在主干網(wǎng)采用了雙環(huán)冗余技術，并在雙環(huán)配對網(wǎng)絡交換機間建立了環(huán)間冗余鏈接（在一路環(huán)網(wǎng)通道發(fā)生故障時，可自動切換到另外一條環(huán)網(wǎng)通道）。與單環(huán)冗余相比，雙環(huán)冗余既提供傳輸介質的冗余，也提供網(wǎng)絡設備的冗余，可在傳輸介質、網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡連接器（網(wǎng)卡）同時出現(xiàn)單點故障時實時自愈故障，是完全冗余系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用Supreme-Ring協(xié)議作為網(wǎng)絡冗余協(xié)議。Supreme-Ring協(xié)議是工業(yè)以太網(wǎng)使用的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，它定義HELLO數(shù)據(jù)交換包（也稱WD包，Watch Dog Packets）在交換機間交換鏈路信息。在初始狀態(tài)，各交換機不啟動轉發(fā)功能，而先由人工指定主交換機（Local），一個冗余環(huán)網(wǎng)里只能有一個主交換機。主交換機指定后，所有端口都以阻塞方式啟動（處于阻塞狀態(tài)的端口不轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，但可接受HELLO包），主交換機選擇最低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉發(fā)數(shù)據(jù)，只接收和處理HELLO包，處于熱備狀態(tài)（不轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，但學習MAC地址表，在主鏈路故障時，在300ms之內，立刻進入轉發(fā)狀態(tài)），從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區(qū)別。主交換機定期發(fā)送配置信息，這種配置信息被所有從交換機轉發(fā)，主交換機動態(tài)選擇主鏈路和備份鏈路，以消除回路，一旦網(wǎng)絡結構發(fā)生變化，網(wǎng)絡狀態(tài)將重新配置。Supreme-Ring協(xié)議是簡潔高效的冗余協(xié)議，能夠保證環(huán)網(wǎng)在鏈路故障時，在300ms內恢復網(wǎng)絡通信。

3.3 網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理，主要體現(xiàn)在網(wǎng)管系統(tǒng)、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和服務質量（QOS）三個方面。

在運營控制中心（OCC）配有網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS），用于配置、監(jiān)視和管理整個地鐵各系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)，BAS控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理是其一項重要功能。NMS基于SNMP協(xié)議，由網(wǎng)管軟件和監(jiān)控軟件組成；網(wǎng)管軟件主要完成交換機的監(jiān)視和配置功能，監(jiān)控軟件負責除交換機之外的其他設備（如操作站、服務器、控制器和UPS等）的監(jiān)視功能；網(wǎng)管軟件和監(jiān)控軟件配合工作，在OCC網(wǎng)管工作站即可完成整個BAS控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時監(jiān)控。NMS可記錄網(wǎng)絡系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，為網(wǎng)絡的優(yōu)化調整提供參考。

系統(tǒng)管理員將不同地理位置（運營控制中心和各車站）的終端根據(jù)級別、用途和管理需要劃入不同的虛擬局域網(wǎng)（VLAN），VLAN技術遵循IEEE802.1Q標準，同一虛擬網(wǎng)的用戶能正常通信，不同虛擬網(wǎng)之間只能在核心交換機的路由模塊控制下交換信息。通過劃分VLAN，帶來的好處是：有效控制了網(wǎng)絡廣播信息的傳播，減輕了網(wǎng)絡負擔，同一虛擬網(wǎng)的用戶可更高效通信；不同VLAN之間可以在路由模塊配置訪問控制策略，避免非法訪問，提高網(wǎng)絡安全性；與網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）結合使用，網(wǎng)絡管理員可更有效管理網(wǎng)絡，包括監(jiān)視網(wǎng)絡流量、控制流量分流和設置安全級別等。

服務質量（QOS）主要解決系統(tǒng)實時性問題。QOS的基本思想在于，為實時業(yè)務保留一定專用帶寬，從而把數(shù)據(jù)的丟包率、延時、吞吐量和擁塞控制在可接受范圍內。QOS技術要點有二：對數(shù)據(jù)實施進入控制（Connect Admission Control）和流量調整（Traffic Shaping）；在數(shù)據(jù)進入網(wǎng)絡前，估算數(shù)據(jù)對整個網(wǎng)絡影響。

4 應用實踐

在近年新建成開通的地鐵項目中，如廣州地鐵三號線、廣州地鐵四號線、深圳地鐵一號線和南京地鐵一號線等，其BAS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)總體上與本文所介紹的基本相同。由于各線路的實際情況，在現(xiàn)場控制級略有差異，主要體現(xiàn)在現(xiàn)場總線協(xié)議選擇和應用范圍上，如廣州三號線，在現(xiàn)場控制級仍保留了部分模擬量和開關量控制項目。在實際運營中，各線路BAS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)均運行正常，滿足使用要求。

由以上分析可以得出，基于工控網(wǎng)絡的地鐵BAS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)本質上是高可靠性、高安全性、高性能大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的一種標準解決模式，該模式作為成熟解決方案已得到了眾多國內外廠商的廣泛支持（如：西門子、施耐德等），并在樓宇自動化、交通控制、過程控制和工廠自動化中得到較廣泛運用。