上海城市軌道交通通信系統(tǒng)技術發(fā)展規(guī)劃研究

何 潔

(上海申通地鐵建設集團有限公司， 200070， 上?！胃呒壒こ處?

目前，城市軌道交通作為上海市立體交通的重要組成部分，承擔著緩解通行壓力、提高城市運轉(zhuǎn)效率等重要使命。同時，超大的網(wǎng)絡規(guī)模和客流量也使得運營成本、運行效率、服務能力三者間的矛盾日益突出，而傳統(tǒng)的人員、工時、物資等資源性疊加投入的方式對緩解上述矛盾的邊際作用已遞減。因此，上海城市軌道交通下一輪建設改造的重要命題之一就是研究如何通過技術革新，實現(xiàn)各系統(tǒng)集約、增效和賦能的目標。

作為城市軌道交通基礎設施之一，通信系統(tǒng)實現(xiàn)了各類業(yè)務數(shù)據(jù)的連接匯聚、人員的指揮聯(lián)動、信息的發(fā)布服務、公眾的安全監(jiān)控和業(yè)務場景的聯(lián)系等基礎功能，并進一步支撐著城市軌道交通其他系統(tǒng)數(shù)字孿生、智能運維和智慧平臺等上層應用的構建，承擔著城市軌道交通技術演進基礎支撐和排頭兵的作用。同時數(shù)字寬帶、視覺感知和融合通信等技術的迅猛發(fā)展也使得通信系統(tǒng)的技術發(fā)展面臨著諸多不確定的方向。

為此，本文全面分析了上海城市軌道交通通信系統(tǒng)發(fā)展中面臨的現(xiàn)狀與形勢，并結合各類通信技術的演進趨勢，明確上海城市軌道交通通信系統(tǒng)的發(fā)展目標，提出各類通信子系統(tǒng)后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃。

1 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 存在的問題

到2025年，上海城市軌道交通線路網(wǎng)絡總里程將增至約978 km(不含市域(郊)鐵路)，線網(wǎng)規(guī)模和服務客流將進一步提升。然而，超大的線網(wǎng)規(guī)模也存在諸多問題。

1) 系統(tǒng)制式、設備種類繁多，以及新、舊線路存在技術代差。通信系統(tǒng)的技術發(fā)展較快，導致各子系統(tǒng)具有系統(tǒng)制式、設備種類繁多和新、舊線路技術代差較大的特征。傳統(tǒng)以滿足單線路功能需求為核心的通信系統(tǒng)架構已無法支撐效能、質(zhì)量、成本三者之間的平衡。因此，通過橫向合理整合通信資源、簡化系統(tǒng)架構、優(yōu)化系統(tǒng)功能，打造高綜合承載性、高線網(wǎng)共享性和高服務拓展性的通信系統(tǒng)是上海城市軌道交通通信系統(tǒng)下一輪建設改造亟待解決的問題。

2) 面對多樣化發(fā)展的業(yè)務，通信系統(tǒng)的縱向基礎服務性能和橫向擴展服務能力有待升級。上海城市軌道交通功能定位從單一的交通運輸功能向綜合服務的城市地鐵網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型，運維模式從單條線封閉式運維向多條線路的網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智慧化、無人化的綜合運維發(fā)展。但其通信系統(tǒng)的縱向基礎服務性能和橫向擴展服務能力尚不能完全支撐上層業(yè)務的定位調(diào)整和重大轉(zhuǎn)型，因此需要進一步升級縱向基礎服務性能(如帶寬、容量等)和橫向拓展通信服務能力(如無線靈活接入、物聯(lián)網(wǎng)通信等)。

1.2 形勢要求

通信系統(tǒng)是軌道交通打造數(shù)字底座，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)字化、智慧化演進的基礎支撐。此外，城市軌道交通的運行、運營和維護等各類作業(yè)模式的升級換代也須依托底層通信技術的發(fā)展。通信系統(tǒng)將繼續(xù)定位于上海城市軌道交通基礎設施，但需不斷演進與賦能業(yè)務，以支撐更加豐富的應用場景。而通信系統(tǒng)演進取決于政策新指導、通信技術新特性及業(yè)務發(fā)展新需求等3方面因素。

在政策方面，國家正推廣5G (第5代移動通信技術)、數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)等技術，再加上其在垂直行業(yè)的應用，促進城市軌道交通等傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。因此，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)應積極響應國家戰(zhàn)略要求，降低行業(yè)技術壁壘，促進行業(yè)內(nèi)、外技術產(chǎn)業(yè)大循環(huán)。

在技術方面，寬帶傳輸、人工智能和5G等先進技術不但極大地提升了通信系統(tǒng)性能，還提供了智能安檢、智能分析、海量物聯(lián)和室內(nèi)定位等新特性，可更好地服務于上海城市軌道交通各專業(yè)系統(tǒng)。結合先進技術發(fā)展成果，持續(xù)提升通信系統(tǒng)對其他專業(yè)系統(tǒng)和各個應用場景的支撐能力是上海城市軌道交通通信系統(tǒng)演進升級的外在要求。

在業(yè)務方面，隨著上海城市軌道交通全自動駕駛、智慧城市軌道交通等新技術和理念的推廣應用，既有通信系統(tǒng)在覆蓋完整性、網(wǎng)絡資源共享、泛在物聯(lián)支持、接口標準化、監(jiān)控智能化水平等方面將明顯存在不足，難以滿足新型應用的需求。為此，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)應以數(shù)字化、智慧化為核心，持續(xù)推動通信基礎設施架構優(yōu)化和功能升級，以更好地適應業(yè)務系統(tǒng)技術演進和新型應用網(wǎng)絡化推廣的內(nèi)在要求。

2 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)發(fā)展的藍圖與目標

2.1 總體藍圖

為應對未來上海城市軌道交通日益增長的通信需求，支持不斷涌現(xiàn)的各類業(yè)務創(chuàng)新和應用場景，通信系統(tǒng)將以業(yè)務為中心，按照可持續(xù)發(fā)展的通信信息技術創(chuàng)新路線，構建安全、可靠、可用和靈活易拓展的通信系統(tǒng)體系。該體系需具備以下能力：

1) 拓展性：在網(wǎng)絡架構不改變的情況下，通信系統(tǒng)各層級可以在不間斷運行的條件下，通過調(diào)整設備、功能模塊或局部升級，以滿足各類新增業(yè)務需求。

2) 兼容性：不同時間、品牌、版本或線路的軟件和硬件可以完全互聯(lián)互通，相互協(xié)調(diào)工作。

3) 安全性：在通信全過程和系統(tǒng)運行全過程，保障相關程序和數(shù)據(jù)的完整、保密、穩(wěn)定、合法、可信等，不被非法修改、破壞。

4) 通用性：重要的通信接口和設備規(guī)格需標準化，不同品牌設備在不同線路間實現(xiàn)互替互換、穩(wěn)定可靠運行。

5) 可靠性：在設計的生命周期和各使用(尤其是無人化場景)條件下，可靠運行，完善系統(tǒng)應對各種意外情況、發(fā)揮設計功能的能力。

6) 通信性能：進一步提升帶寬、時延、丟包率、誤碼率、切換成功率、容量、并發(fā)數(shù)量等通信服務指標。

7) 智能化水平：提高通信系統(tǒng)運行、維護，以及所提供服務的智能化程度，實現(xiàn)少人或無人化的運維，輔助或替代服務對象決策。

8) 綠色效能：響應國家碳中和、碳達峰發(fā)展戰(zhàn)略，降低能源消耗；在無線干擾和電磁兼容方面提升效能。

2.2 發(fā)展目標

目前，從功能上歸類，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)可分為通信連接、信息服務、安全監(jiān)控、輔助支撐4大類，共計14個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of Shanghai rail transit communication system

基于上述總體藍圖和系統(tǒng)框架，通信系統(tǒng)需達到架構優(yōu)化和技術發(fā)展2類目標。

2.2.1 架構優(yōu)化目標

上海城市軌道軌道交通通信系統(tǒng)按照發(fā)揮的作用，可分為核心處理層、傳輸接入層和終端應用層。而通信系統(tǒng)各層級按照集約共享、靈活可擴展的原則，分別向著網(wǎng)絡化共享、有線/無線綜合承載、多樣化場景應用支持的方向演進，具體要求如下：① 核心處理層從單條線路建設向網(wǎng)絡化共享演進;② 按業(yè)務安全可靠特性歸類的通信綜合承載;③ 覆蓋范圍靈活拓展，支持多樣化應用接入。

2.2.2 技術發(fā)展目標

1) 通信連接類系統(tǒng)。上海城市軌道交通通信連接功能相關系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是接口標準化、物聯(lián)泛在化及通信能力提升，旨在實現(xiàn)人與人之間、人與物之間以及物與物之間在相同時間基準下的無障礙交互。

2) 信息發(fā)布類系統(tǒng)。信息發(fā)布類系統(tǒng)的發(fā)展目標是在既有系統(tǒng)的基礎上整合與簡化系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)源的質(zhì)量和內(nèi)容。

3) 安全監(jiān)控類系統(tǒng)。安全監(jiān)控類系統(tǒng)主要是技防系統(tǒng)。受人工智能、無線寬帶技術的影響，技防系統(tǒng)的技術演進方向為精細化、云集化、智能化、移動化。

4) 輔助支撐類系統(tǒng)。在輔助支撐類系統(tǒng)中，民用通信系統(tǒng)用于為乘客、車站附屬設施等提供公網(wǎng)通信服務，并隨公網(wǎng)技術路線持續(xù)演進。電源及接地應考慮5G等新系統(tǒng)引入帶來的擴容、安全等要求。而集中告警系統(tǒng)向智能化綜合運維的目標發(fā)展，在各子系統(tǒng)網(wǎng)管數(shù)據(jù)的基礎上構建通信智能平臺，提供集成化、智能化的運維主動服務功能，以取代原集中告警系統(tǒng)單一、被動的告警功能。

3 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)中重要子系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃研究

按照上述通信系統(tǒng)分類、藍圖和目標，本文對上海城市軌道交通通信系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)做出發(fā)展規(guī)劃建議，提出其系統(tǒng)架構、技術制式、性能拓展、接口標準等方面的演進方向。

3.1 通信連接類

3.1.1 有線通信承載網(wǎng)

按照一張網(wǎng)綜合承載的原則演進，有線通信承載網(wǎng)包含通信光纜、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)等3部分，且提供了一張網(wǎng)絡所需具備的物理連接、獨立通道通信、數(shù)據(jù)包交換與路由3大功能，以及綜合承載了除列車控制以外的其他生產(chǎn)、管理業(yè)務。網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。

注：3C為全線網(wǎng)調(diào)度指揮中心；SDH為同步數(shù)字體系傳輸制式。圖2 上海城市軌道交通有線通信承載網(wǎng)總拓撲Fig.2 General topology of Shanghai urban rail transit wired communication bearer network

通信光纜和傳輸系統(tǒng)均保持線網(wǎng)級、線路級兩層傳輸網(wǎng)的架構同步建設，通信光纜為傳輸系統(tǒng)提供基礎物理資源。其中，線網(wǎng)級傳輸統(tǒng)一建設管理，根據(jù)各項業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸需要，對應拓展并調(diào)整業(yè)務端口和節(jié)點布局；線路級傳輸系統(tǒng)根據(jù)技術發(fā)展選擇主流、標準、先進的系統(tǒng)制式，綜合承載生產(chǎn)類業(yè)務。而數(shù)據(jù)通信網(wǎng)則基于傳輸系統(tǒng)的透明通道實現(xiàn)接入層的信息布點、OCC(運營控制中心)側的線路側匯聚及線網(wǎng)側的核心交換，為各管理類業(yè)務提供通信服務。

在網(wǎng)絡安全方面，通信光纜和傳輸系統(tǒng)均提供透明通信通道，其安全防護更側重管理和物理防護。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)最接近業(yè)務側，涉及數(shù)據(jù)路由，存在一定的安全風險；相關網(wǎng)絡劃分為生產(chǎn)網(wǎng)域、管理網(wǎng)域和互聯(lián)網(wǎng)域，并對其進行分級保護。其中，生產(chǎn)網(wǎng)域的核心子網(wǎng)域與輔助子網(wǎng)域通過成對的單向網(wǎng)閘實現(xiàn)互聯(lián)與安全收斂；生產(chǎn)輔助子網(wǎng)域與管理網(wǎng)域通過雙向網(wǎng)閘互聯(lián)；管理網(wǎng)域設置隔離緩沖區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)交互。此外，為了實現(xiàn)責任界面清晰和網(wǎng)絡資源集約的均衡，生產(chǎn)網(wǎng)由各專業(yè)系統(tǒng)的自組局域網(wǎng)組成，管理網(wǎng)由通信專業(yè)統(tǒng)一建設和運維；在統(tǒng)一的網(wǎng)域劃分和網(wǎng)域間接口約束的準則下，同網(wǎng)域系統(tǒng)間互聯(lián)的安全防護由各對應專業(yè)負責。

在技術演進方面，上海城市軌道交通將跟蹤SDN (軟件定義網(wǎng)絡)技術的標準進程和產(chǎn)業(yè)情況，適時開展相關SDN應用研究，以改善數(shù)據(jù)通信網(wǎng)控制功能分散于全網(wǎng)絡的網(wǎng)元不利于網(wǎng)絡策略集中部署的現(xiàn)狀，從而簡化運維管理，降低整體全生命周期成本。

3.1.2 專用無線通信系統(tǒng)

專用無線通信系統(tǒng)采用按業(yè)務特性分類建設和承載的原則。運營指揮類無線系統(tǒng)采用自建專用LTE(長期演進)系統(tǒng)綜合承載CBTC(基于通信的列車控制)、集群調(diào)度業(yè)務，以及部分重要的車載狀態(tài)數(shù)據(jù)(可選)，逐步替換既有線路的TETRA(陸上集群無線電)窄帶系統(tǒng)。既有線路列車運行狀態(tài)、人員辦公等運營輔助類無線系統(tǒng)暫通過Wi-Fi制式的MMIS(城市軌道交通移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng))承載，如圖3所示。

注：AP為無線訪問接入點；BBU為基帶處理單元； RRU為射頻拉遠單元；CCTV為閉路電視；GPS為全球定位系統(tǒng)；PSTN為公共交換電話網(wǎng)絡;TAU為車載接入單元。

隨著5G技術和產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，上海城市軌道交通持續(xù)探索研究利用運營商5G公網(wǎng)承載運營輔助類無線的可行性。在技術方案成熟可靠、商務競爭力強勁的前提下，適時考慮運營輔助業(yè)務由MMIS承載過渡到5G承載，并利用5G海量物聯(lián)的特性，支撐泛在物聯(lián)相關應用。

3.1.3 電話系統(tǒng)

上海城市軌道交通電話系統(tǒng)繼續(xù)按專用電話與公務電話同技術制式、獨立分離的原則設計，分別共享網(wǎng)絡級軟交換核心。后續(xù)電話系統(tǒng)考慮采用多軟交核心均衡分擔線路接入負荷，以提高其可靠性。公務電話探索研究借用運營商公網(wǎng)服務實現(xiàn)線路側電話接入的可行性。

3.2 安全監(jiān)控類系統(tǒng)

基于有線通信承載網(wǎng)的通道，技防系統(tǒng)逐步改造為由網(wǎng)絡級安防平臺、線路級安防子平臺和車站級安防子平臺組成的3層系統(tǒng)架構，為車站、OCC和上層網(wǎng)等3個層面的用戶提供前端共享的能力，以降低建設和運維成本，如圖4所示。

注：COCC為中央運行控制中心。圖4 技防系統(tǒng)架構規(guī)劃Fig.4 Architecture planning of technical protection system

后續(xù)上海城市軌道交通將根據(jù)技防系統(tǒng)架構，完善線網(wǎng)級安防集成平臺搭建，并標準化相關接口，建立相應的檢驗能力。在功能方面，技防系統(tǒng)將結合視頻智能分析技術、云計算和無線寬帶技術，建設網(wǎng)絡視頻智能分析平臺，提供算法訓練統(tǒng)一環(huán)境，結合5G等新技術拓展系統(tǒng)移動監(jiān)控、客流分析、人臉和行為識別等智能感知和智慧挖掘的能力。

此外，技術防范各子系統(tǒng)還將向集約化、協(xié)同化方向發(fā)展，基于平臺、數(shù)據(jù)、算法的共享，實現(xiàn)技術防范的危險事件分析預警、事件中的多系統(tǒng)迅速聯(lián)動響應、事后的軌跡和事件追蹤，以提升城市軌道交通車站、區(qū)間等重點部位的安全防范水平。

3.3 信息服務類系統(tǒng)

上海城市軌道交通將按照PA/PIS(廣播/乘客信息系統(tǒng))音頻、視頻統(tǒng)一信息服務的原則，逐步整合PIS與PA后臺控制和信息輸入管理，實現(xiàn)視頻、音頻信息的統(tǒng)一發(fā)布與控制，增加車廂滿載率等展示內(nèi)容和換乘電子屏導向等展現(xiàn)形式，擴展信息服務廣度，豐富信息服務形式，并逐步有序取消車站二級母鐘，優(yōu)化冗余信息服務，以經(jīng)濟集約地滿足日趨復雜、高標準的運營模式對信息發(fā)布的需求。

此外，上海城市軌道交通還將建立PA/PIS與ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)與業(yè)務系統(tǒng)的接口規(guī)范體系，以優(yōu)化數(shù)據(jù)源實時性、準確性和完整性等方面的質(zhì)量；并研發(fā)相應的接口監(jiān)測和檢測平臺軟件，以準入檢測、在線監(jiān)測的方式，保障接口規(guī)范和數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時把控信息服務的關鍵影響因素。

3.4 輔助支持類系統(tǒng)

民用通信系統(tǒng)跟隨公網(wǎng)技術路線持續(xù)演進。上海城市軌道交通將配合運營商積極推進5G在車站站廳、站臺和區(qū)間等乘客可達公共區(qū)域的信號覆蓋，并研究在車輛基地、車站專用機房等管理區(qū)域補充信號覆蓋、公專合用的可行方案。

電源系統(tǒng)在下一輪建設改造中繼續(xù)采用共享綜合UPS(不間斷電源)的方案。同時該系統(tǒng)將基于歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)設計和容量計算上更精細，使得資源利用率更高。

集中告警系統(tǒng)應按照上海城市軌道交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型的整體要求，提升智能化運維水平。將該系統(tǒng)整合到智能化運維平臺中，使其與相關信息化系統(tǒng)打通，并整合、關聯(lián)各通信系統(tǒng)的網(wǎng)管數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)設備狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)測管理；同時針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘、分析系統(tǒng)的健康度，降低計劃修的比例，逐步增加狀態(tài)修和預防修的占比，從而有效減少重復無效的人工勞動，降低對運營造成實際影響的故障，提升系統(tǒng)運行的可靠性，為維護工作提供更全面、高效、方便的信息化支持。

4 結語

上海城市軌道交通在“十三五”期間取得了顯著的成績，形成了超大規(guī)模線路網(wǎng)絡，服務了日均千萬級客流，但也為各系統(tǒng)帶來了運營成本、運行效率、服務能力三者間的突出矛盾。為此，本文首先研究分析了作為其他系統(tǒng)技術演進基礎支撐的通信系統(tǒng)的既有問題和形勢要求，明確提出了相應的總體藍圖，并針對性地制定了下階段各分類子系統(tǒng)的發(fā)展目標和規(guī)劃要求，力爭在下一輪上海城市軌道交通新線建設和既有線改造中，通過有序地應用新一代信息通信技術，達到系統(tǒng)集約、增效和賦能的效果。