城市轨道交通的论文

城市轨道交通的论文

　城市轨道交通是城市公共交通的骨干，具有节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等特点，属绿色环保交通体系，特别适应于大中城市。下面我们来讨论一下城市轨道交通的论文吧。

　 一、TD-LTE主要技术优势

　目前,国内已建成的轨道交通信号系统车地通信和PIS车地通信采用80211标准的无线局域网传输技术。专用无线调度广泛应用窄带无线数字集群技术,TETRA就是典型的代表。TD-LTE技术相比WLAN+TETRA网络具有众多的优势,更适合轨道交通多业务宽带无线通信承载。

　11抗干扰能力强

　从工作频段的情况来看,国内主流的WLAN采用的是24GMHz、共计80MHz的带宽,每个信道的带宽为22MHz,完全不重叠的信号仅有3个。这意味着在隧道区间内AP有效的覆盖距离仅有200m左右,故地铁采用WLAN+TETRA技术实现CBTC、专用无线调度及PIS系统显然会对安全运营带来不确定的因素。相比WLAN网络,LTE有着完善的抗干扰技术,采用正交频分复用技术即OFDM具有完善的'编码、重传和IRC(干扰抑制合并)机制,拥有毫秒级的调度机制,可根据干扰情况动态调度资源。

　12传输速率较高

　较高的传输速率,可满足高速移动及大容量网络传输的要求。80211b采用24GHz频段,可支持11Mbit/s的共享接入速率;80211a工作在58GHz频段,其速率高达54Mbit/s。但是,在快速移动下,系统需要很大的控制信息开销来克服由于移动带来的频移、衰落等,不能很好地满足移动的要求。TETRA满足语音通信和288Kbit/s的无线数据传输需求,但是面对着越来越多的视频信息等传输需求,窄带无线集群技术已经不能胜任。LTE在20MHz频谱带宽上能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率,能够为350km/h高速移动用户提供接入服务,并同步支持语音、视频、数据传输,完全可与PIS、信号车地无线共享网络。

　13网络结构简单

　LTE以分组域业务为主要目标,取消了电路交换域,趋近于典型的IP宽带网结构,意味着网络架构与目前WLAN类似。LTE结构简单,维护方便,系统时延较小。同时,无线融合技术方案取代了各系统分设的大量的区间设备,能够净化安装空间。

　14QoS保证

　WLAN二元安全架构对应3个物理实体,AP无独立身份,易受攻ji,无法保证安全。LTE拥有9级QoS算法,带宽基于业务需求按需分配,在与PIS、无线列调等系统共用网络时,可以最大程度地保证CBTC带宽需求。

　15技术日渐成熟,商业化程度也较高

　LTE网络已经在全球应用,中国移动率先在中国部署LTE网络提供公众服务,国内主要LTE供货商均可提供成熟可靠的产品。采用LTE技术,尤其是采用具有完全知识产权的TD-LTE无线宽带集群技术,将是我国城市轨道交通车地无线系统融合的最重要选择。

　 二、轨道交通各系统的功能需求

　21专用无线调度系统

　采用专用无线调度,实现了轨道交通固定用户与移动用户之间的语音、数据信息、视频信息及附属网管信息的传输和交换。专用无线调度分为了行车调度、维修调度、环控调度及车辆段/停车场无线调度4个部分。按照一个TD-LTE小区并发10路无线通话考虑,包括选呼、组呼、全叫和紧急呼叫的任何一种呼叫形式,每路呼叫带宽需要32Kbit/s,10路并发需要320Kbit/s,同时在一个小区内要有1~2路的视频通话,传输的带宽按照384Kbit/s考虑。

　22乘客信息系统

　PIS车地无线通信主要指控制中心向运营车辆下发一些视频和各类文本信息等,为下行业务。在列车正常运营情况下,每列车可接收1路高清晰数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或H264格式,每路占用带宽一般为4~6Mbit/s。

　23列车视频监视

　列车视频监视业务主要指运营车辆将列车内实时视频监控图像传输至控制中心,为上行业务。在列车正常运营情况下,轨道交通内的运营人员以及地铁公安分局人员,利用视频监视等设备接收、观看列车内实时视频监控图像,图像的压缩格式宜采用MPEG-4或H264等。一般情况下,每节车厢内设置2台摄像机,首尾司机室各设置1台摄像机。6辆编组列车共14路视监视频信息,控制中心根据需要可实时随意调看其中2~4路图像,每列车通过无线系统将图像信息上传至车站,再经主干网络传到控制中心。按每路视频图像占带宽15Mbit/s考虑,视频业务需要6Mbit/s以上带宽。

　24信号系统车地通信

　信号系统的车地通信可以保证列车和乘客安全,是实现列车运行高效、指挥管理有序的手段。信号系统具有安全性高、通过能力强、较好的抗干扰能力、可靠性高、自动化程度高、限界条件苛刻等特点,其车地通信主要为CBTC业务,系统需要占用100Kbit/s的上下行带宽。

　25车辆检测信息及列车FAS信息

　能为传送列车车辆内部温度、烟度、有害气体浓度和列车轴温、实时车速等环境信息提供通道,以便中心对列车进行监控;信息传输需要带宽不超过200Kbit/s。提供列车FAS火灾告警信息的传输通道,满足中心对列车火灾信息的监控。信息传输需要带宽不超过100Kbit/s。各业务实时性及带宽需求。在列车高速运行的情况下,车地无线系统要保证无线网络的带宽(下行大于8Mbit/s、上行带宽大于7Mbit/s),以满足运营指挥的需要。基于目前主流LTE设备技术情况,需申请10MHz以上专用频段(含保护频段),才能满足上述车地无线业务的需要。此外,通过LTE系统提供的宽带无线环境,在带宽允许的情况下,还可支持未来各类无线业务的扩展。例如,实现各类专用移动终端的无线通信业务,包括维修系统的无线维修终端、综合监控系统的无线监控终端等,保证各类业务的终端灵活化,满足现场维修、监控、指挥等业务需求。

　 三、TD-LTE解决方案

　基于TD-LTE技术的城市轨道交通无线通信系统融合解决方案应用网络架构。整个应用系统依场所设置分为3个子系统,分别为控制中心子系统、车站/车辆段及停车场子系统、车载子系统。下面分别简要论述3个子系统组成及功能。

　31控制中心子系统

　控制中心子系统是该融合解决方案专用系统的核心,主要包括LTE核心网设备、无线调度业务服务器DSS,信号系统ATS服务器、CCTV和PIS等业务应用服务器、网络管理系统(含网管终端及打印机等)及TD-LTE基站设备等。TD-LTE基站设备用以实现控制中心的室内覆盖,TD-LTE核心网EPC向上和各类业务控制平台CCTV中心、PIS系统、信号系统等连接,无线调度业务服务器DSS可提供专业的无线集群调度业务。同时,在控制中心调度大厅,设置行车调度、防灾调度、维修调度台及录音设备等。

　32车站/车辆段及停车场子系统

　车站内主要安装TD-LTE基站设备,包括BBU、RRU。基站设备可以实现本车站的站内覆盖,也可以通过漏泄同轴电缆对线路区间进行覆盖,并可以通过RRU实现拉远覆盖。在沿线各车站值班员处设置车站固定电台,给移动作业人员配备便携台。在车辆段及停车场通信机房内设BBU,RRU设备和天线均安装于机房楼顶的天线杆塔上,对于封闭空间等弱场区需增加RRU进行覆盖。在车辆段/停车场信号楼内设置行车调度台,在检修库内的运转排班室内设置运转调度台。另外,给车辆段/停车场的移动作业人员配备便携台。

　33车载子系统

　车载子系统布置在每列车前后的司机车室内,为司机提供专业的无线集群调度通信。集群车载台采用与TAU共用车载天线的方式。TD-LTE车载终端(TAU)部署在列车编组的前后司机车厢内,其车载天线安装在司机车厢外侧,并尽量保证与泄漏保持视距,TAU通过以太网接口与车内交换机连接,实现TAU与车内数据业务的信息交互;车内采用以太网环形组网,各车厢通过车载交换机互联。车厢内的闭路电视监控信号通过TAU、经LTE上行回传到控制中心,PIS的流媒体信息则通过TAU、经LTE下行传送到车内的PIS车载服务器上。单列编组前后司机车厢各部署一套TAU,两套TAU以主备方式工作。

　 四、结语

　城市轨道交通无线通信系统承载着语音、视频、数据等多种业务,随着线网和用户需求的增多,专网通信从窄带、独立设置的无线通信向着各业务融合一体的宽带无线通信网发展成为技术发展的趋势;TD-LTE技术方案作为城市轨道交通车地无线综合平台是可行的,将成为发展的主流方案。同时,为了保证轨道交通无线通信的安全性和可靠性,拟采用TD-LTE无线通信承载网的轨道交通建设城市需尽早进行专用无线频段的申请,以便为今后业务的实施及拓展创造有利条件。

首先，这些都是交流配电系统用的，都是交流输入交流输出的。

UPS，交流不间断电源，服务器精密供电用的，主要是在线式的，可靠性极高，输出电压、频率、波形、逆变旁路切换时间、整机MTBF都要求很高。

ATS，自动切换开关，机械切换的，秒级间断时间，一般用于UPS输入前端，用于2路市电切换或市电油机切换。

STS，静态切换开关，用SCR电子开关切换的，毫秒级间断时间（一般小于等于5毫秒），用于UPS输出端，配合LBS（负载母线同步系统）用，可以做到0间断切换。

EPS，应急电源，主要是消防用的，后备式的，切换时间大于UPS，不适宜用于计算机等精密供电场合。

通过学习《亿级流量网站架构核心技术》及《linux就该这么学》学习笔记及自己的感悟：架构设计之高可用高并发系统设计原则，架构设计包括墨菲定律、康威定律和二八定律三大定律，而系统设计包括高并发原则、高可用和业务设计原则等。

架构设计三大定律

墨菲定律 – 任何事没有表面看起来那么简单 – 所有的事都会比预计的时间长 – 可能出错的事情总会出错 – 担心某种事情发生，那么它就更有可能发生

康威定律 – 系统架构师公司组织架构的反映 – 按照业务闭环进行系统拆分/组织架构划分，实现闭环、高内聚、低耦合，减少沟通成本 – 如果沟通出现问题，应该考虑进行系统和组织架构的调整 – 适合时机进行系统拆分，不要一开始就吧系统、服务拆分拆的非常细，虽然闭环，但是每个人维护的系统多，维护成本高 – 微服务架构的理论基础 – 康威定律https://yqaliyuncom/articles/8611– 每个架构师都应该研究下康威定律http://36krcom/p/5042735html

二八定律 – 80%的结果取决于20%的原因

系统设计遵循的原则

1高并发原则

无状态

无状态应用，便于水平扩展

有状态配置可通过配置中心实现无状态

实践: Disconf、Yaconf、Zookpeer、Consul、Confd、Diamond、Xdiamond等

拆分

系统维度：按照系统功能、业务拆分，如购物车，结算，订单等

功能维度：对系统功能在做细粒度拆分

读写维度：根据读写比例特征拆分；读多，可考虑多级缓存；写多，可考虑分库分表

AOP维度： 根据访问特征，按照AOP进行拆分，比如商品详情页可分为CDN、页面渲染系统，CDN就是一个AOP系统

模块维度：对整体代码结构划分Web、Service、DAO

服务化

服务化演进: 进程内服务-单机远程服务-集群手动注册服务-自动注册和发现服务-服务的分组、隔离、路由-服务治理

考虑服务分组、隔离、限流、黑白名单、超时、重试机制、路由、故障补偿等

实践：利用Nginx、HaProxy、LVS等实现负载均衡，ZooKeeper、Consul等实现自动注册和发现服

消息队列

目的: 服务解耦(一对多消费)、异步处理、流量削峰缓冲等

大流量缓冲： 牺牲强一致性，保证最终一致性(案例：库存扣减，现在Redis中做扣减，记录扣减日志，通过后台进程将扣减日志应用到DB)

数据校对: 解决异步消息机制下消息丢失问题

数据异构

数据异构: 通过消息队列机制接收数据变更，原子化存储

数据闭环: 屏蔽多从数据来源，将数据异构存储，形成闭环

缓存银弹

用户层:

DNS缓存

浏览器DNS缓存

操作系统DNS缓存

本地DNS服务商缓存

DNS服务器缓存

客户端缓存

浏览器缓存(Expires、Cache-Control、Last-Modified、Etag)

App客户缓存(js/css/image…)

代理层：

CDN缓存(一般基于ATS、Varnish、Nginx、Squid等构建,边缘节点-二级节点-中心节点-源站)

接入层：

Opcache： 缓存PHP的Opcodes

Proxy_cache： 代理缓存,可以存储到/dev/shm或者SSD

FastCGI Cache

Nginx+Lua+Redis: 业务数据缓存

Nginx为例：

PHP为例：

应用层：

页面静态化

业务数据缓存(Redis/Memcached/本地文件等)

消息队列

数据层：

NoSQL： Redis、Memcache、SSDB等

MySQL： Innodb/MyISAM等Query Cache、Key Cache、Innodb Buffer Size等

系统层：

CPU : L1/L2/L3 Cache/NUMA

内存

磁盘：磁盘本身缓存、dirtyratio/dirtybackground_ratio、阵列卡本身缓存

并发化

2高可用原则

降级

降级开关集中化管理：将开关配置信息推送到各个应用

可降级的多级读服务：如服务调用降级为只读本地缓存

开关前置化：如Nginx+lua(OpenResty)配置降级策略，引流流量；可基于此做灰度策略

业务降级：高并发下，保证核心功能，次要功能可由同步改为异步策略或屏蔽功能

限流

目的: 防止恶意请求攻击或超出系统峰值

实践：

恶意请求流量只访问到Cache

穿透后端应用的流量使用Nginx的limit处理

恶意IP使用Nginx Deny策略或者iptables拒绝

切流量

目的：屏蔽故障机器

实践:

DNS: 更改域名解析入口，如DNSPOD可以添加备用IP，正常IP故障时，会自主切换到备用地址;生效实践较慢

HttpDNS: 为了绕过运营商LocalDNS实现的精准流量调度

LVS/HaProxy/Nginx: 摘除故障节点

可回滚

发布版本失败时可随时快速回退到上一个稳定版本

3业务设计原则

防重设计

幂等设计

流程定义

状态与状态机

后台系统操作可反馈

后台系统审批化

文档注释

备份

4总结

先行规划和设计时有必要的，要对现有问题有方案，对未来有预案;欠下的技术债，迟早都是要还的。

本文作者为网易高级运维工程师