Moxa公司致力于发展及制造信息联网产品，提供客户具成本效益且稳定性高的串口通信解决方案、串口设备联网解决方案、及工业以太网解决方案。本文我们邀请摩莎国际贸易(上海)有限公司董琪先生详细介绍该公司面向轨道交通—包括高速铁路—的监控网络解决方案。文章分为三大部分：
第一部分：AFC车站监控系统网络的构建
第二部分：工业级WLAN技术助力城市轨道交通PIS系统建设
第三部分：打造CBTC系统工业级(DCS)数据承载网解决方案
这三部分内容既相互独立，又是相互关联的。中国安防工程商和集成商可以根据自己的项目需求做出比较和选择。
轨道交通自动售检票系统
(AFC)以轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分、管理等全过程的自动处理为目标，对地铁运营公司而言，提高了地铁系统的运行效率和效益；对乘客而言，则避免了排队购票，“找零”、人工检票的繁琐，出人地铁更加快捷方便。
AFC系统是轨道交通最基本、最重要的系统之一，也是国家重点要解决的三个国产化系统之一。
在任何一个复杂的自动化系统中，最重要的就是通讯，保证了通讯才能保障系统的有效运行。AFC车站网络经历了从串口总线到商用以太网，最后走到工业以太网。Moxa作为国内及世界知名的工业通讯产品制造商伴随着AFC网络的升级走到了今天。所有的设计，均以实际应用为导向，实现了与客户的双赢。
AFC系统的组成及通常设备接口
AFC系统按照不同的层次、功能、应用可做如下划分：
(1) AFC系统按照层次可分为：综合中央计算机系统、线路中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备SLE、车票卡等。
(2) 按照功能可分为：面向乘客系统、面向地铁管理系统。
(3) 面向乘客系统中的设备可分为：票卡、自动充值机、自动售票机、自动验票机、顶棚导向标志、闸机等。
(4) 面向地铁管理系统中的设备可分为：服务器、编码分拣机、UPS、打印机、计算机工作站、工业以太网交换机等。
面向乘客系统中，需要把纸币模块、硬币模块、单程票发售、读卡器、LCD显示屏、顶棚导向标志等设备综合有机的结合在一起。
所有的这些模块提供的接口一般是：RS-232/RS-485串口、USB 、VGA、 10/100Mbps网口、DI/DO。
AFC现场控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，最终实现最人性化的自动控制。而所有这一切的核心就是嵌入式电脑。各个在闸机、TVM、BOM中的嵌入式电脑负责采集现场检测设备的信息，处理后存储本地票卡金额并传给车站控制室，继而传递给清分中心，而线路中央计算机系统的控制命令则发给嵌入式电脑，再由嵌入式电脑直接控制相应设备。平均20个左右车站需要购买含有嵌入式电脑的TVM、闸机等接近900台的设备。
在本地控制中心与嵌入式电脑通讯中断的情况下，嵌入式电脑仍然具备独立控制现场设备的能力。由此可见，嵌入式电脑是整个系统运转的核心所在，因此它应是高效且高度可靠。但目前大多数的TVM、BOM制造商为了降低成本，多使用裸露的单板电脑作为系统的核心控制部分，这些由飞线、风扇、PC104模块构成的产品，在4年左右的周期就会频繁的发生故障。
图1：由飞线、风扇、PC104模块构成的嵌入式系统。
针对这种情况，Moxa 做出AFC设计专有嵌入式电脑——V2400系列产品，来解决当前的问题。
图2：AFC专用嵌入式电脑。
AFC专有的嵌入式电脑，应该符合以下的特点：
■产品应为一体化金属密闭外壳设计，以抗灰尘和防止电磁干扰。
■产品应为无风扇设计，并采用铝合金等外壳来进行导热。
■产品应为低功耗设计，以防止过热宕机。
■产品应具有足够的DI/DO、模块化的串口、USB口、网口、显示口。
■产品内部PCB板应为高集成化设计，不应具有飞线及非必要扩展槽。
AFC监控传输通路——工业以太网
图3：AFC系统的整体架构。
除了在闸机TVM这些设备内部的嵌入式电脑本身必须具备高性能以外，贯穿于整个系统的通讯网络则是保证嵌入式电脑成为控制核心的关键。
随着地铁建设技术的不断完善，2-3条线路的换乘车站已经越来越多，换乘站内的TVM、BOM、闸机等设备随着人流量的增加也越来越多，设备内部的嵌入式电脑就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通讯网络不仅要具有较高的通讯速率以保证大量数据的有效传输，还必须具有容错的能力以提高通讯的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯网络的设备必须满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。
工业以太网设备，主要应用在车站现场网络，车站控制室网络及线路中心网络中。一般车站现场网络需要的是2层工业以太网交换机设备，而车站控制室网络及线路中心网络因为需要隔离一些网段的通讯，需要的是3层以太网设备。
传统的2层工业以太网交换机，在AFC系统的使用中遇到的问题有两种。(1) 传统工业以太网交换机一般是24V直流电对其进行供电。但AFC现场UPS接来的电源是220V交流电，普通交换机必须配备电源适配器才能进行工作，而电源适配器增加了故障的节点。而非原厂电源适配器的不稳定工作，也容易造成数据的丢失。(2) 普通现场工业以太网交换机主要考虑的是抗电磁，而灰尘及振动是一个通常被人忽略的问题点，利用RJ45水晶头来连接交换机设备，往往会因为3年后灰尘的问题造成接触不良，从而造成数据的丢失。
Moxa贴合AFC运营，设计制造了TN-5508/5516等系列产品来解决上述问题。
Moxa建议在预算良好的情况下，应使用AFC专用工业以太网交换机，这样可以获得更好的免维护性。
图4：Moxa的专用工业以太网交换机.
AFC专业的现场2层工业以太网交换机，应至少符合以下特点：
■产品为220V交流电直接输入，不使用外接电源适配器
■产品为IP54高防护等级防止灰尘侵入
■产品为M12接头接线，不使用RJ45接口
■产品具备自动备份配置器，让网管成为流程，而并非是技能。
而在车站控制室网络及线路中心网络使用的3层以太网交换机，未使用工业以太网，而使用商用以太网产品，通常面临3种情况。(1) 在使用商用以太网产品后，集成商面临的最大的问题是，如何在一个线路中心的网管工作站有效的管理2套厂家的产品。(2) 业主面临的最大问题是，在备品备件上的复杂性及重复投资。(3) 当业主面临商用3层以太网交换机风扇坏掉的情况下，根本无法采购备品备件，只有面临夏天来临时频繁的宕机和领导的责骂。(4) 商用3层以太网交换机根本无法对抗那些地铁电力机车产生的看不见的电磁干扰。
Moxa贴合AFC运营，设计制造了PT-7828等系列三层工业以太网产品来解决上述问题。Moxa建议，在车站控制室网络及线路中心网络应与车站现场网络采用统一品牌的交换机产品，这些3层工业以太网交换机，应至少符合以下特点：
■产品应符合EN50121-3标准，具有铁道电磁兼容耐受性。
■产品应为220V交流电直接输入，不使用外接电源适配器
■产品应为无风扇设计。
■产品具备自动备份配置器，让网管成为流程，而并非是技能。
AFC顶棚导向标志布线优化——主动式以太网I/O
地铁车站内导向标识系统主要功能是引导乘客安全、顺利及迅速地完成整个车站的旅程，避免乘客滞留在车站内引起拥塞。在紧急疏散时，导向标识必须能清晰地引导乘客顺利地离开危险区域及车站。
国内有的地铁比如北京地铁，就把闸机上方的顶棚导向标志，划分为AFC专业的范围内。
图5：AFC顶棚导向标志。
这些顶棚导向标志，对外的接口一般是DI/DO来控制，通常是用硬接线直接连接至闸机控制器上面。
这样的方式有它的优点：就是嵌入式电脑程序编制可以比较简单。但也有其弊端：在客流量有变化后，或者是新换乘站开通后，当业主希望根据更改闸机的位置的时候，就得重新来布线，多而繁杂的线是大部分的工程上不愿意看到的。
在以前，现场网络是串口通讯的情况下，改变旧有的架构非常困难。当以太网技术广泛应用在AFC系统中后，我们在仅仅添加一枚主动以太网的I/O，就解决了布线的困难。让以往的多根硬接线从天到地，变成了一条网线联通天地。
图6：一枚主动以太网的I/O解决布线困难。
Moxa贴合AFC运营，设计制造了E2212远程主动式以太网I/O产品来解决上述问题。
图7：远程主动式以太网I/O设备。
Moxa建议，顶棚导向标志控制I/O，应至少符合以下特点：
■产品为软件选择I/O通道类型
■产品为支持PNP或NPN类型的传感器
■产品为通过TCP/UDP/E-mail/SNMP trap立即报告事件
■产品可以实现本地控制并发送消息
小结
AFC车站监控系统现场网络选用单环网M12接头高防护等级的工业以太网方案，即使单个节点之间出现故障,也不会导致整个系统网络的瘫痪，从而大大提高了系统的稳定性。此外，使用高性能的嵌入式电脑是提升整个AFC系统网络的关键。顶棚导向标志采用主动式以太网远程I/O后安装调试更加的方便，尤其是为现场布线提供了更加便捷的方式。工业以太网进入AFC系统后，使整个网络具有了较高的性价比。
第二部分：工业级WLAN技术助力城市轨道交通PIS系统建设
近年来一个用于向旅客提供各种资讯从而使旅客可以更安全、便捷的乘坐轨道交通的系统—PIS系统(乘客信息系统)也越来越多的受到轨道交通公司的关注，并被列为必要的系统之一进行建设。
本文第二部分简要介绍PIS系统的功能、系统组成以及车地无线网络的设计要点；详细介绍了Moxa针对PIS系统车地无线通讯解决方案的系统架构、组网方案、Moxa针对无线通讯的关键技术及系统特点。
PIS系统在正常情况下提供以下功能：
■列车运营信息，如：乘车须知、轨道交通首末车服务时间、列车到站时间、列车时刻表、管理者公告等
■公共媒体信息如：政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播、广告等
■紧急情况下，本着运营信息优先使用的原则可提供动态辅助性提示，车载设备负责介绍系统无线传输的信息，经处理后转发给车辆专业，以便在列车客室内音视频播放等。
PIS系统中网络子系统
PIS系统从结构上一般分为四个子系统：控制中心子系统、备用控制中心子系统、车站子系统和网络子系统(包括有线网络和车地无线网络)，而网络子系统用来向PIS系统提供网络通道，该通道用来传输中心与各车站、车辆之间的各种数据信息、视频信息和控制信息。
网络子系统包括有线网络和车地无线网络两个部分，其中有线网络由于采用已经非常成熟和普及的IEEE802.3标准，在本文中不做重点描述。
而车地无线网络由于采用无线射频进行通讯，因此成为用户关心的重点！
车地无线网络需求
车地无线网络通信的要求包括下列方面：
■带宽： 网络承载的数据不仅是数据信息，还包括视频和音频信息，因此对通讯带宽有着较高的要求，一般要求16Mbps以上的带宽
■漫游 速移动情况下车载无线设备会不断的与建制在轨旁的无线基站进行通讯，考虑到PIS主要为视频数据，因此即便是短暂的通讯中断便会导致视频的效果，因此就要求车载无线设备的漫游切换时间非常短。
■丢包率：为保证视频流的通畅；要求无线通讯的丢包率在一个范围内，一般为＜1%
■管理维护：由于PIS系统主要提供为旅客提供一个信息化的平台，因此对车地无线通讯的维护和管理也提出了较高的要求
■工业环境适应性：由于设备安装环境为多振动、潮湿等复杂的环境下，因此对设备的抗冲击、振动、电磁兼容也有较高的要求。
车地无线网络解决方案
Moxa车地无线网络解决方案提供完整的三网合一(车载有线网、车地无线网、地面有线网)，采用Moxa独有的冗余备份、透平(Turbo)环、透平漫游以及统一网络管理等技术，其系统架构示意图如下：
图8：车地无线网络解决方案。
系统设计包括如下方面：
(1) 车地无线网络的组网设计
■每200-400m设置轨旁AP安置点
■每个安置点放置1台AP，通过光纤连接到相邻的车站交换机上
■各车站中心通过车站管理软件实现AP的区域控制
(2) 车载网络的组网设计
■车头车尾各放置一台AP
■两台车载AP分别连接到车载流媒体计算机及其他终端设备
■车载AP支持Moxa Turbo Roaming技术，可在50ms时间内实现漫游切换
(3) Moxa针对车地无线网络的关键技术
■Moxa 车地无线解决方案采用产品全部为工业级，操作温度为-40-75℃、IP30(IP68)防护等级、同时抗震对以及电磁干扰的设计完全符合国际及国家铁道相关标准。AWK5222系列产品通过EN50155以及EN50121-3-2等权威认证，如在冲击及振动部分可承受的加速度如下表：
表1：车地无线通信产品的抗振要求。
振动测试的部分测试结果如下：
表2：车地无线通信产品的振动测试结果。
■小于50ms漫游切换时间，AWK5222搭配Wireless Controller将密钥交换过程简化，同时特殊的漫游切换机制(High—>Low以及Low—>High切换门槛可设定)以及在获取门槛(场强值或信噪比值)时间上的优化可从容确保小于50ms的切换时间。
■专利设计的Dual-RF技术，确保无线链路的可靠。AWK5222具有2个射频模块，每个射频模块与另一台AWK5222之间可同时建立两条无线通道；而这两条无线通道是完全同时在工作，当终端设备发出数据时这两条无线通道同时进行传送，而在接收端Moxa通过底层硬件做特殊的处理从而完成数据的接受，同时，此两条通道可以选择2.4GHz下的Channel也可选择一个2.4GHz和一个5.8GHz，因此可以有效的降低开发频段的干扰，另，两条链路同时受到干扰的几率也相对较小，因此可以在极大程度将干扰降到最低。如下图：
图9：Moxa专利设计的Dual-RF技术。
■Moxa在硬件射频上的优化设计将丢包率在更大程度上降到最低。Moxa在权威实验室测得实际丢包率(北京交通大学智能交通实验室)为：(a) 包大小为200Bytes时，丢包率为0.0016%；(b) 包大小为1000Bytes时，丢包率为0.2382%，从而实现极低的丢包率，可以确保视频数据在传递过程中的连续性，保证PIS系统视频的流畅度。
■AWK5222对数据通讯的优化确保车地双向16Mbps的带宽，从而保证列车在120km/h移动速度下视频画面的清晰和流畅。
• AWK5222静态环境下平均带宽大于25Mbps
• 120km/h速度下平均带宽不小于16Mbps
• 同时通过Routing、IGMP Snooping、Qos功能对网络流量进行优化
Moxa无线AP在权威实验室实测数据如下：
表3：Moxa无线通信流量测试结果。
■支持QoS进行优先级设定。AWK5222支持标准IEEE802.11e，可针对不同数据类型设定优先级从而确保重要紧急数据有限占用无线通道。AWK5222通过Tags来标注设定4级优先级，如下图所示。
表4：可针对不同数据类型设定优先级。
统一集中的网络管理
Moxa提供专门的无线管控软件，负责集中式的管理、参数设定、设定备份和还原、固件升级、安全性设定、密码金钥更新、客户端漫游支持和冗余双网切换。此部分可看做是胖AP架构下的瘦AP模式的集中管理。通过网络管理软件Management Utility 在控制室即可实现对轨旁所有的AP包括IP地址、SSID、加密等其他参数的配置和管理，减去了胖AP架构下需要针对轨旁每台AP都要进行各自配置和管理的工作量。Moxa提供AWK Management Utility管理软件可以支持多达1000台设备的配置和管理。
Moxa提供专业的交换机管理软件MX View，MX View网管软件主要提供的功能包括：网络拓扑现实、报警管理功能、报表功能、交换机配置、备份和恢复、固件升级等等。
小结
利用上述方案构建的系统的特点如下：
(1) 高安全性
由于WLAN通常采用IEEE802.11g的技术，因此就不可避免受到其开放性所带来的问题，如易被干扰、易被攻击等，Moxa无线AP可以支持多种方式防范非法用户接入系统如:
●MAC地址过滤
●SSID广播禁止
●WEP、WPA、WPA2加密
●AES加密
●QoS、VLAN功能
(2) 高可靠性
由于有线网以太网技术的高带宽和成熟性，数据通讯的丢包问题和延时瓶颈主要集中在车/地无线通信系统。
●无线冗余技术，两条无线链路同时工作，确保零丢包
●在国内权威测试机构(北京交通大学轨道交通实验室)的测试中，车地无线网络丢包率Moxa数据为2.97‰
●采用Moxa透平漫游技术，搭配AP协作，实现快速AP背景搜寻和换手，让车地无线通讯无缝地断线重连，并解决AP换手不稳定的问题，确保小于50ms的漫游切换时间
(3) 高带宽保证
Moxa不仅支持标准IEEE802.11a/b/g，同时提供IEEE802.11n解决方案，可以提供高达100Mbps的实际带宽。完全满足系统的需要。
第三部分：打造CBTC系统 工业级(DCS)数据承载网解决方案
进入21世纪以来，国内进入轨道交通发展的黄金时期，目前包括上海、北京、天津、成都、武汉、杭州等十几个城市都在纷纷进行地铁、轻轨的规划与建设。而关乎地铁运行安全的信号系统也经历了从最初的固定闭塞到准移动闭塞，再发展到现在最先进的基于通信的列车控制CBTC移动闭塞系统的应用。
目前国内新建的地铁线路均采用CBTC这种最先进的信号系统。它以确保列车运行安全、缩短行车间隔、提高运行效率为主要目的。通过布设在列车以及轨道旁的无线设备，实现车地间不间断的双向通信，调度中心可以根据列车实时的速度和位置信息，动态的计算和调整列车的最大制动距离，相邻两个列车可以以保障运行安全的最小时间间隔同时前进，从而提高运营效率。
本文简要介绍了CBTC系统中DCS的组成、作用以及DCS系统设计的要点，详细介绍了Moxa针对DCS系统解决方案的系统架构、Moxa针对DCS的关键技术、以及DCS三个子网：地面有线网络、车地无线网络、车载有线网络的组网设计；还有整个系统高安全、高可靠行的特点。
DCS数据通信子系统的概念
CBTC是一个相当庞大的整体系统，由包括ATS(列车自动监控)、ATO(列车自动运行)、ATP(列车自动保护)、微机联锁系统(CBI)、以及DCS(数据通信系统)等子系统组成；其中DCS是涉及CBTC系统中数据通信的关键系统，是保证CBTC系统高安全、高可靠的根本所在。
数据传输子系统(DCS)是专门设计的传输系统，能为列车三大控制子系统(即列车自动监督子系统(ATS)，列车自动控制子系统(ATC)和微机联锁系统(CBI))的每台设备实现高可靠性、高度安全的数据交换。DCS系统由地面有线网、车/地无线网、车载有线网三部分组成。数据传输子系统(DCS)完全符合IEEE802.3有线通信(以太网)标准，并采用IEEE 802.1a/b/g实现无线通信。
DCS数据通信子系统需求分析
●作为CBTC系统的重要部分，DCS系统应具有极高的安全性和可靠性，要具有极高的故障自愈能力。
●鉴于DCS主要传输数据为列车控制命令和列车监控信息，因此要求列车在高速运行下的丢包率低于3‰，同时端到端延时小于500ms。
●DCS系统中的车/地无线网采用WLAN进行组网，要求车载无线设备的跨AP漫游切换时间＜100ms。
●CBTC系统通常采用公开使用的2.4GHZ频段的技术，因此对DCS系统的安全性及抗干扰性也有着很高的要求。
Moxa DCS数据承载网解决方案
Moxa数据承载网解决方案提供完整的三网合一(车载有线网、车地无线网、地面有线网)，采用Moxa独有的冗余备份、透平环、透平漫游以及统一网络管理等技术，其系统架构示意图如下：
图10：完整的三网合一(车载有线网、车地无线网、地面有线网)方案。
Moxa针对DCS系的关键技术：
●所有节点设备包括：电源、车载AP/Client、轨旁AP、地面环网交换机等设备均采用冗余备份，实现全网冗余。
●两套网络一主一备，同时进行通讯，并通过软件机制来进行切换
地面有线网络的组网设计：
●骨干环网采用Moxa 地铁行业专用PT系列交换机组建千兆光纤冗余环网，一旦链路出现故障，通过Turbo Ring技术可确保在20ms时间内自愈！
车地无线网络的组网设计：
●每200-400m设置轨旁AP安置点
●每个安置点放置2台AP，分别连接到2个相邻的车站交换机上
●两台AP分别连接到不同有线网络上，通过软件进行切换
●各车站中心通过车站管理软件实现AP的区域控制
车载有线网络的组网设计：
●车头车尾各放置一台AP
●两台车载AP分别连到不同的两个轨旁AP，行成两套数据网
●通过路由功能确保车头、尾连到A、B两个网络
●通过监控室管理软件对两套数据网进行管理
●车载AP支持Moxa Turbo Roaming技术，可在100ms时间内实现漫游切换
通过采用上述技术构建的系统具有如下特点：
(1) 高安全性
由于WLAN通常采用IEEE802.11g的技术，因此就不可避免受到其开放性所带来的问题如：易被干扰、易被攻击等，Moxa无线AP可以支持多种方式防范非法用户接入系统如:
●MAC地址过滤
●SSID广播禁止
●WEP、WPA、WPA2加密
●AES加密
●QoS、VLAN功能
(2) 高可靠性
由于有线网以太网技术的高带宽和成熟性，DCS系统数据丢包问题和延时瓶颈主要集中在车/地无线通信系统。当然有线网络的可靠性也需要用冗余备份的措施来实现。
●双环网的备份冗余，一条链路断开可在20ms时间内恢复通信。(远低于500ms的延时要求)
●在国内权威测试机构(北京交通大学轨道交通实验室)的测试中，车地无线网络丢包率Moxa数据为2.97‰
●采用Moxa 透平漫游技术，搭配AP协作，实现快速AP背景搜寻和换手，让车地无线通讯无缝地断线重连，并解决AP换手不稳定的问题，确保小于100ms的漫游切换时间和端到端数据延时小于500ms
●除了轨旁和至控制中心的网络采高可靠度的双AP和冗余环网设计外，在车头车尾的无线AP/Client亦提供支持通讯备援和负载平衡的能力，确保车地通联的稳定可靠。
●通过控制中心管理软件的配合，让连接车地端对端的两套备份冗余的DCS系统网络，能依状况实时地做主备切换。
本文总结
Moxa在地铁行业有非常成功的实际运行经验，产品及解决方案所涉及到得地铁系统有：综合监控系统(ICSC)、自动售检票系统(AFC)、PSCADA、CBTC、PIS、屏蔽门系统等等，广泛应用在北京、上海、广州、深圳等城市的地铁线路上。
