1 引言

　　一般來說, 高速公路的隧道無人值守, 并且與監(jiān)控分中心的距離比較遠。必須建設一個適應隧道環(huán)境的高可靠性的網絡平臺, 保證隧道內各種監(jiān)控數(shù)據(jù)實時上傳, 保證中心對隧道設備的實時控制, 進而實現(xiàn)隧道的正常運營。具有ms 級自愈能力的冗余工業(yè)以太網平臺是目前的最佳方案選擇。

　　2 冗余工業(yè)以太網的構成方式

　　所謂工業(yè)以太網, 是指在技術上與商用以太網(IEEE802.3 標準)兼容,但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要的以太網。

　　由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網絡可靠性能的超高要求,工業(yè)以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM),都有各自不同的優(yōu)勢和特點。

　　構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種, S T P 、RSTP;環(huán)網冗余RapidRingTM 以及Trunking。

　　2.1 STP 及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol,生成樹算法,IEEE802.1D),是一個鏈路層協(xié)議,提供路徑冗余和阻止網絡循環(huán)發(fā)生。它強令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。

　　如果一條路徑有故障, 該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s 之間。RSTP(快速生成樹算法,IEEE 802.1w)作為STP 的升級,將網絡中斷恢復時間,縮短到1-2s。生成樹算法網絡結構靈活, 但也存在恢復速度慢的缺點。

　　2.2 環(huán)網冗余

　　為了能滿足工控網絡實時性強的特點,RapidRing孕育而生。這是在以太網網絡中使用環(huán)網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后3 0 0 m s之內自行恢復(如圖1)。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和S N M P 設置等方法來提醒用戶出現(xiàn)的斷網現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網什么地方出現(xiàn)斷開。

圖1 環(huán)網冗余拓撲圖

　　RapidRing 也支持兩個連接在一起的環(huán)網,使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)通過雙通道連接, 這些連接可以是冗余的, 避免單個線纜出錯帶來的問題。

　　2.3 主干冗余

　　將不同交換機的多個端口設置為Trunking 主干端口,并建立連接,則這些交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接(如圖2)。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬, 增強了網絡吞吐量, 而且還還提供了另外一個功能, 即冗余功能。如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題,那么網絡中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞,保證網絡的通訊正常。Trunking 主干網絡采用總線型和星型網絡結構, 理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數(shù)據(jù)平衡的方法, 所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度, 一般恢復時間在10ms 以下。

圖2 主干冗余拓撲圖

　　3 冗余工業(yè)以太網在高速公路隧道機電系統(tǒng)中的應用

　　高速公路隧道機電系統(tǒng)包含車輛檢測器、氣象檢測器、環(huán)境監(jiān)測設備、報警與誘導設施、可變標志、通風設施、照明設施、本地控制器(PLC)、隧道中心設備及軟件、隧道監(jiān)控中心計算機網絡等子系統(tǒng)。

　　隧道中的車輛檢測器、氣象檢測器、可變標志等設備的串口接入本地控制器(PLC)對應的串口模塊,車道指示器、交通信號燈、風機、照明電源箱回路的開關量接入本地控制器(PLC)對應的數(shù)字模塊,環(huán)境監(jiān)測設備的模擬量接入本地控制器(PLC)對應的模擬模塊。本地控制器(PLC)通過非屏蔽五類雙絞線接入工業(yè)以太網交換機。

　　通過冗余的工業(yè)以太網平臺(如圖3),隧道內的各種數(shù)據(jù)可以實時上傳監(jiān)控分中心; 監(jiān)控分中心可以對隧道內的設備可以遠程控制, 如照明燈具的開關、風機的遠程啟動與停止、在情報上發(fā)布信息、對交通信號燈和車道指示標志的狀態(tài)進行改變等。

　　隧道內環(huán)境比較惡劣, 濕度大、灰塵大、電磁干擾強等, 所以采用工業(yè)以太網交換機構建冗余工業(yè)以太網平臺的方案, 以保證隧道的正常運營。

　　4 高速公路隧道機電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網平臺的優(yōu)點

　　4.1 多重冗余

　　由圖3 可以看出, 隧道內的工業(yè)以太網交換機和隧道變電所內的工業(yè)以太網交換機構成環(huán)網一, 工業(yè)以太網交換機之間通過光纖互聯(lián); 監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網交換機構成環(huán)網二, 工業(yè)以太網交換機之間通過光纖互聯(lián)。環(huán)網一和環(huán)網二通過一主一備光纖鏈路互聯(lián), 均采用RapidRing 協(xié)議實現(xiàn)高速冗余。

　圖3 高速公路隧道機電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網平臺拓撲圖

　　4.2 高可靠性

　　當環(huán)網一內的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監(jiān)控分中心的網絡仍然保持暢通; 當環(huán)網二內的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監(jiān)控分中心的網絡仍然保持暢通; 當環(huán)網一和環(huán)網二之間的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監(jiān)控分中心的網絡仍然保持暢通。當環(huán)網一和環(huán)網二內任意一臺交換機的單個光口出現(xiàn)故障, 隧道內、隧道變電所內、監(jiān)控分中心的網絡仍然保持暢通。高速公路隧道機電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網平臺具有ms 級自愈能力。

　　與隧道網絡采用冗余工業(yè)以太網, 隧道變電所和監(jiān)控分中心網絡采用OA 交換機冗余以太網的普通平臺架構相比(自愈時間大于1 秒),隧道機電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網平臺架構可靠性更高。

　　工業(yè)以太網交換機產品可靠性很高, 具有雙電源冗余和牢靠的重負荷設計。其電磁兼容性、工作溫度、防震性能等指標遠遠超過普通OA 網絡產品, 更適合隧道環(huán)境。

　　工業(yè)以太網交換機支持VLAN、組播控制和端口優(yōu)先級設置, 從而可以最大程度地限制網絡上的廣播和組播信息, 提高網絡的性能和可靠性。

　　4.3 可擴展性

　　環(huán)網二可以支持多個隧道環(huán)網的接入( 把各個隧道環(huán)網劃分在不同vlan 中)。

　　4.4 管理方便

　　工業(yè)以太網交換機帶有S N M P 管理單元, 而且還集成有基于W E B 的管理系統(tǒng), 這為快速地進行網絡組態(tài)、診斷、故障定位和管理提供了方便。

　　4.5 嚴格的安全保證

　　工業(yè)以太網交換機的管理采用二級密碼訪問機制,可以關閉不用的交換機端口,防止外部設備的非法接入。

　　5 結束語

　　隧道機電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網平臺可以更可靠地保證隧道正常運營。