메트로 산업에서 산업용 이더넷 스위치의 적용 방법

1. 메트로 시스템에서 산업 네트워크 통신의 주요 요구 사항

메트로 통신 네트워크는 다음과 같은 요구 사항이 특징입니다:

• 다중 서비스 통합: ISCS는 열차 제어, CCTV, 공공 주소(PA), 승객 정보 시스템(PIS), 보안 및 건물 자동화(BAS)를 포함한 다양한 하위 시스템을 통합합니다.
• 높은 신뢰성: 통신 네트워크의 중단은 승객 안전과 일정 효율성에 영향을 미칠 수 있으며, 시스템 가용성 비율이 99.999% 이상이어야 합니다.
• 가혹한 운영 환경: 장치는 고온, 먼지, 전자기 간섭(EMI) 및 지속적인 진동을 견뎌야 합니다.
• 강력한 실시간 성능: 경보 신호와 제어 명령은 사건에 대한 신속한 대응을 보장하기 위해 밀리초 단위로 전송되어야 합니다.

이러한 요구 사항은 네트워크 장치에 신뢰성, 중복 설계, 빠른 장애 복구 기능 및 중앙 집중식 관리 측면에서 엄격한 기준을 부과합니다.

2. 메트로 ISCS 시스템의 일반적인 네트워크 아키텍처

메트로 ISCS 통신 네트워크는 일반적으로 3계층 아키텍처를 채택합니다:

• 코어 계층: 이 계층은 중앙 제어 센터를 역, 차량기지 및 유지보수 시설과 연결합니다. OSPF와 같은 동적 라우팅 프로토콜과 VRRP와 같은 중복 프로토콜을 지원하는 고신뢰성 계층 3 이더넷 스위치를 배포하여 원활한 경로 전환과 안정적인 네트워크 성능을 보장합니다.
• 집계(로컬) 계층: 이 계층은 역 수준에 위치하며 전력, 환기, 출입 통제 및 방송과 같은 다양한 하위 시스템을 연결합니다. 계층 2 또는 계층 3 관리형 산업용 스위치를 사용하여 하위 시스템 간의 데이터를 격리하면서 효율적인 통신을 유지합니다.
• 액세스(필드) 계층: 이 계층은 플랫폼 스크린 도어, 감시 카메라, 팬 및 신호 장비와 같은 프론트 엔드 장치를 연결합니다. 종종 현장 수준에서 유연하고 실시간 액세스를 보장하기 위해 비관리형 또는 경량 관리형 산업용 스위치를 사용합니다.

3. 메트로 시스템을 위한 견고한 네트워크 솔루션

메트로 운영은 까다로운 조건에서도 최고의 성능을 유지하는 산업용 이더넷 스위치에 의존합니다. 신뢰성을 보장하기 위해 ISCS의 요구에 맞게 특별히 설계된 스위치를 선택하는 것이 필수적입니다. 이는 일반적으로 다음을 보장하는 시스템 토폴로지를 포함합니다:

3.1 제품 구성

최적의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 메트로 산업은 다음을 포함한 산업용 이더넷 스위치의 전략적 조합을 구현합니다:

• 계층 3 관리형 산업용 이더넷 스위치: 이들은 복잡한 메트로 네트워크에서 높은 신뢰성과 성능을 보장하는 고급 라우팅 및 네트워크 관리 기능을 제공합니다.
• 계층 2 관리형 산업용 이더넷 스위치: 이들은 메트로 산업을 포함한 산업 환경에서 일반적으로 발견되는 견고한 환경을 위해 설계된 VLAN 및 링 네트워크 프로토콜과 같은 필수 기능을 제공합니다.
• 비관리형 산업용 이더넷 스위치: 이들은 더 큰 메트로 네트워크 인프라 내에서 엣지 장치를 연결하는 것과 같은 더 간단한 네트워크 요구에 대한 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.

이 접근 방식은 메트로 시스템 내에서 원활한 통신과 실시간 데이터 전송을 유지하는 데 중요한 우수한 중복성, 높은 대역폭 및 낮은 대기 시간을 보장합니다.

3.2 솔루션의 기술적 배경

스위치의 고급 기술에는 다음이 포함됩니다:

• OSPF 기반 동적 라우팅: 동적 라우팅 프로토콜은 네트워크 성능을 최적화하기 위해 경로를 자동으로 조정합니다.
• 중복성: 네트워크 설계에는 링크 장애 시 자동 장애 복구를 제공하는 중복 경로가 포함됩니다.
• 쉬운 유지보수: 스위치는 사용자 친화적인 인터페이스로 설계되어 간단한 구성 및 지속적인 유지보수를 제공합니다.

4. 산업 도전 과제 극복

메트로 네트워크는 특히 고트래픽 환경에서 다양한 도전에 직면합니다. 메트로 산업이 직면한 주요 도전 과제는 다음 시트에 포함되어 있습니다:

그리고 여기에는 페인트 포인트, 기술 솔루션에 대한 추가 설명이 있습니다:

• 전자기 간섭으로 인한 패킷 손실

1) 문제점:

산업 환경, 특히 메트로 시스템에서는 전원 공급 장치, 신호 장비 및 전기 시스템에서 발생하는 높은 수준의 전자기 간섭(EMI)이 패킷 손실을 초래하여 네트워크 통신 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

2) 기술 솔루션:

• 3계층 산업용 스위치전자기 간섭(EMI) 효과를 최소화하기 위해 강력한 전자기 차폐 및 접지 보호 기능을 갖추고 있습니다.
• 고급 오류 감지 및 수정 메커니즘고간섭 환경에서 데이터 무결성을 보장하기 위해
• 사용 광섬유 통신전자기 소스로 인한 간섭 위험을 제거하기 위해 필요한 경우

• 여러 시스템 간의 대역폭 경쟁

1) 문제점:

신호, 감시, 승객 정보 시스템(PIS), SCADA를 포함한 여러 하위 시스템이 동일한 네트워크 인프라를 공유합니다. 대역폭 경쟁은 중요한 제어 및 모니터링 데이터 전송에 지연을 초래할 수 있습니다.

2) 기술 솔루션:

• 3계층 라우팅을 통한 다중 VLAN대역폭 혼잡을 방지하기 위해 우선 순위에 따라 네트워크 트래픽을 세분화합니다.
• 서비스 품질(QoS) 구현미션 크리티컬 애플리케이션이 더 높은 대역폭 할당을 받을 수 있도록 보장합니다.
• 트래픽 셰이핑 및 속도 제한단일 하위 시스템이 네트워크 리소스를 독점하지 않도록 방지하기 위해

•  장치 진동으로 인한 연결 끊김

1) 문제점:

메트로 환경은 이동 중인 열차, 역 인프라 및 유지보수 활동으로 인한 지속적인 기계적 진동을 포함합니다. 이러한 진동은 네트워크 연결을 느슨하게 하고 간헐적인 오류를 일으킬 수 있습니다.

2) 기술 솔루션:

• 안티 진동 하드웨어 설계네트워킹 장비를 고정하기 위한 강화 커넥터 및 산업용 장착 브래킷을 포함하여
• 빠른 네트워크 링 스위칭(ERPS - Ethernet Ring Protection Switching)링크 오류로부터의 빠른 복구를 위해, 지속적인 네트워크 운영을 보장합니다.
• 중복 전원 공급 및 장애 조치 메커니즘 

이러한 고급 네트워킹 솔루션을 구현함으로써 메트로 시스템은 비교할 수 없는 신뢰성, 향상된 운영 효율성, 향상된 승객 안전.

5. 기술 원리: 중복성 및 스마트 설계 통합

• 물리적 복원력을 위한 레이어 2 링 네트워크

1) 레이어 2 네트워크는 예기치 않은 연결 끊김으로 인한 다운타임을 최소화하기 위한 ERPS (Ethernet Ring Protection Switching) 이중 링 아키텍처, 달성 50ms 수준의 링크 오류 복구, 이는 1,000배 더 효율적 전통적인 것보다 STP (Spanning Tree Protocol) 수렴 시간 6-50초.

2) 이중 링 핫 백업 아키텍처: 기본 링은 실시간 모니터링 데이터를 전송하고, 보조 링은 장치 관리 신호를 전송합니다.

• 네트워크 신뢰성을 향상시키기 위한 레이어 3 전달

1. 레이어 3 핫 백업 아키텍처: 사용 OSPF (Open Shortest Path First) + VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) 이중 레이어 보호를 보장하여 실시간 모니터링 데이터 전송 그리고 장치 관리 신호 지원. 메트로 프로젝트 테스트에서 기록된 연중 무휴 서비스 중단 없음.
2. 네트워크 신뢰성: 구현 BFD(양방향 전달 감지)가 OSPF와 연결됨, 레이어 3 장애 복구 시간을 줄입니다 초에서 밀리초로.

6. 운영 및 유지보수 고려사항

배포 후 네트워크 장치의 정기적인 유지보수가 필수적입니다. 다음 기능은 메트로 시스템에 유익합니다:

• 원격 구성 및 모니터링: SNMP, 웹 GUI 및 CLI 인터페이스 지원은 원격 구성 및 모니터링을 가능하게 합니다.
• 실시간 모니터링: 포트 상태, 대역폭 사용량 및 장애 경고의 실시간 모니터링은 조기 감지 및 문제 해결을 지원합니다.
• 효율적인 유지보수: 배치 펌웨어 업그레이드 및 구성 백업은 유지보수 시간을 줄입니다.

산업용 이더넷 스위치는 일반적으로 10년 이상의 수명을 가집니다. 먼지, 습기, 정전기 및 번개에 대한 보호 기능은 교체 빈도를 크게 줄이고 투자 수익을 향상시킵니다.

7. 신흥 트렌드 및 미래 전망

도시 철도 교통의 급속한 발전과 스마트 진화로 인해 메트로 시스템은 점점 더 신뢰할 수 있고, 실시간이며, 유연한 네트워크 인프라를 요구하고 있습니다. 산업용 이더넷 스위치는 뛰어난 방해 방지 능력, 높은 신뢰성 및 지능형 관리 기능으로 ISCS 시스템의 효율적인 운영을 유지하는 데 중요한 구성 요소가 되었습니다.

AI 및 엣지 컴퓨팅의 통합

산업용 이더넷 스위치에 인공지능(AI) 및 엣지 컴퓨팅의 통합이 점점 더 보편화되고 있습니다. AI 알고리즘은 네트워크 트래픽 패턴을 분석하여 잠재적인 장애를 예측하고 방지할 수 있으며, 엣지 컴퓨팅은 데이터 처리를 소스에 더 가깝게 하여 지연 시간과 대역폭 사용을 줄입니다.

7.2 향상된 사이버 보안 조치

메트로 시스템이 더욱 연결됨에 따라 사이버 위협의 위험이 증가합니다. 산업용 이더넷 스위치는 이제 침입 탐지 시스템(IDS), 방화벽 및 안전한 부팅 메커니즘과 같은 고급 사이버 보안 기능을 통합하여 중요한 인프라를 악의적인 공격으로부터 보호합니다.

시간 민감 네트워킹(TSN)의 채택

시간 민감 네트워킹(TSN)은 결정론적 이더넷 통신을 제공하여 적시적이고 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장하는 신기술입니다. 메트로 네트워크에서 TSN의 채택은 열차 제어 및 신호 시스템과 같은 시간에 민감한 애플리케이션의 성능을 향상시킬 수 있습니다

7.4 고대역폭 애플리케이션 지원

고해상도 비디오 감시 및 실시간 데이터 분석의 사용 증가로 인해 산업용 이더넷 스위치는 더 높은 대역폭을 지원해야 합니다. 10G 또는 심지어 40G 기능을 갖춘 스위치의 배치는 메트로 네트워크가 증가하는 데이터 수요를 효율적으로 처리할 수 있도록 보장합니다.

8. 결론

산업용 이더넷 스위치는 메트로 시스템의 신뢰성과 효율적인 운영에 중요한 역할을 합니다. 가혹한 환경을 견디고, 실시간 통신을 제공하며, AI, 사이버 보안 및 TSN과 같은 고급 기능을 지원하는 능력은 현대 도시 철도 교통에서 필수적입니다. 메트로 네트워크가 계속 발전함에 따라 고급 산업용 이더넷 스위치의 채택은 디지털 전환을 달성하고 승객의 안전과 만족을 보장하는 데 중요할 것입니다.