成都地铁1号线信号系统车地无线改造工程方案.pdf

92U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT成都地铁1号线信号系统车地无线改造工程方案张世铭1，张建明2，许 瑜3（1中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610000;2成都地铁运营有限公司，成都 610000；3浙江众合科技股份有限公司，杭州 310000）摘要：基于 1.8 GHz 专用频段的 LTE-M 车地无线系统，在安全性、时延、通信质量、覆盖范围、对更高速度的适应性和互联互通方面均优于 WLAN 制式，已成为承载信号系统 CBTC 业务的标准配置。以不影响既有线运营为切入点，分析 LTE-M 制式替换 WLAN 制式不同阶段的关键要素，提出城市轨道交通信号系统车地无线改造方案，为同类工程提供参考。关键词：城市轨道交通;LTE-M;改造中图分类号：U231+.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)11-0092-05Vehicle-ground Wireless Renovation Project of Signaling System for Chengdu Metro Line 1Zhang Shiming1,Zhang Jianming2,Xu Yu3(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)(2.Chengdu Metro Operation Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)(3.UniTTEC Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China)Abstract:LTE-M vehicle-ground wireless system based on 1.8 GHz dedicated frequency band is superior to WLAN in terms of security,delay,communication quality,coverage,adaptability to higher speed and interconnection.It has become the standard confi guration for carrying CBTC service of signaling system.This paper analyzes the key elements in diff erent stages of LTE-M replacing WLAN without aff ecting the operation of existing lines,and puts forward the vehicle-ground wireless system renovation scheme of urban rail transit signaling system,which provides reference for similar projects.Keywords:urban rail transit;LTE-M;renovationDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.11.016收稿日期：2022-07-02；修回日期：2023-09-08第一作者：张世铭（1982），男，高级工程师，硕士，主要研究方向：无线通信，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月，第20卷第11期93城轨交通URBAN RAIL TRANSIT1概述成都地铁 号线是 年建成运营的地铁线路，线路全长 km，均为地下线。全线共设 座车站，座车辆段（含试车线）、座停车场和 个控制中心，配置 列 B 编组电客车。信号系统原车地无线系统采用.GHz开放频段无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），A 网和 B 网分别采用频点 和，采用思科设备组网。在线运营超过 年，存在设备老化严重、备品/备件停产、在线监测不完善、公众通信技术快速从 G 到 G 的演进，地下有限空间内同时存在 G、G、G 等 3 家运营商的 余个频段。号线工作日客流超百万，乘客车上 G 通信需求大，手机热点多，导致.GHz 频段带内、带外受干扰严重。WLAN 产品本身抗带内干扰、抑制带外干扰能力有限，导致信号车-地数据传输经常中断，进而导致列车紧急制动（最高峰超过 次/天），带来严重的行车安全隐患和乘车体验，亟需通过改造来保证运营安全和服务质效。2网络架构基于.GHz 专用频段的城市轨道交通车-地综合通信系统(Long Term Evolution for Metro，LTE-M)采用 A/B 双网架构，每张网络均由有线环网、核心网、基站、车载终端及天馈系统组成，均承载信号系统基于通信的列车控制系统（Communications Based Train Control，CBTC）业务。核心网（Evolved Packet Core network，EPC）集中部署在控制中心，基带处理单元（Base Band Unit，BBU）分散设置在设备集中站、车辆段及停车场，射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）设置在轨旁所有需要 CBTC 业务覆盖的区域。A/B 双网的 RRU 同站址部署，通过不同的光电缆连接至 A/B 双网的 BBU。A/B 双网无线射频信号通过合路器合路后馈入漏缆或定向天线。车载接入单元（Train Access Unit，TAU）分别设置在列车前后司机室，两端 TAU 分属于 A/B 网。试车线与正线共用核心网。网络架构如图 所示。3改造工程方案3.1设计原则与思路在已开通运营线路上将车-地无线系统从WLAN 制式改造为 LTE-M 制式，务必保证行车安全，降低改造风险，主要设计原则如下。图LTE-M车地无线网络架构Fig.1 LTE-M vehicle-ground wireless network architecture合路器BBU控制中心车辆段/停车场LTE-M核心网_ALTE-M核心网_B 车顶天线TAU-B车载交换机(既有)车顶天线车载交换机(既有)车顶天线车顶天线合路器ATP/ATO既有TAU-AATP/ATO既有车载交换机(既有)车载交换机(既有)BBU-ABBU-ABBU-B有线环网BRRU-BRRU-A信号系统-A信号系统-B有线环网ABBU-BRRU-BRRU-ANo.11张世铭，张建明，许瑜：成都地铁1号线信号系统车地无线改造工程方案94U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT）改造方案的安全性、性能指标、可靠性和可用性，应不低于既有系统；）改造方案应在保证线路不停运、不降低运输能力和安全等级的条件下进行。在实施过程中，新旧轨旁设备、车载设备应能相对独立运行，以确保改造全过程中的统一行车指挥；）改造方案应紧密结合现场条件，减少土建、车辆、动照、装修等专业的连带改造；）改造方案应具有工程实施的可操作性，能有效缩短工期。改造方案思路如下。）异地技术验证；）正线、场段轨旁（室内）网络建设；）同步软件、接口实验室开发调试；）单车载 TAU 的更换与夜间试跑；）小批量双网双车载数传设备的线路混跑；）批量更换车载 TAU；）拆除既有网络设备。3.2改造设计方案3.2.1频率规划LTE-M 网络使用轨道交通专用.G 频段(MHz)，每个网络各使用不同的 MHz 频宽。3.2.2时钟同步LTE-M 网络使用室外卫星同步天线作为主用时钟，当出现故障时，基站的晶振可保持 h。同时，在中心设置 V 时钟服务器作为备用时钟。3.2.3无线覆盖以不侵入设备限界、满足系统可用性及作业点内施工可实施性为原则，对全线进行轨旁设备及漏缆的安装条件踏勘。正线全程使用漏缆覆盖，按照常规区间、岛式站台、侧式站台、联络线、渡线、单洞多轨岔区、出/入段线及其他安装空间受限现场的分类，采用原厂与定制安装件结合使用的安装方案。场段使用定向天线覆盖。3.2.4室内设备改造室内设备改造对象为 EPC、BBU、以太网交换机、电源屏等。LTE-M 网络设备均为新增，电源屏改造首选利旧原则，条件不具备时新设电源设备。3.2.5车载设备改造车载设备改造分为 个阶段：第一阶段完成车载天线及馈线的安装并敷设配线至车载 CC 机柜；第二阶段过渡期，在每个夜间作业点内进行拆除车载移动无线单元（Mobile Radio，MR），安装车载 TAU并验证，而后复原车载 MR；第三阶段是永久性拆除车载 MR 并安装车载 TAU。3.3实施步骤车地无线改造方案以不影响既有线运营为前提，在整个改造过程中，LTE-M 网络与 WLAN 网络长期并存，给运营管理和工程实施带来相应风险，按照以下关键节点开展工作，如图 所示。图车地无线改造工程关键节点Fig.2 Key nodes of vehicle-ground wireless system renovation project试车线验证施工安装及检查有线网调试无线网调试(静态调试)无线网调试(动态调试)动车调试联调测试业务割接旧设备拆除首段验证3.3.1试车线验证在试车线新建 LTE-M 网络（A/B 双网），调配两列电客车（其中一列临时改造为 LTE-M 通信车），同时开启 LTE-M 及 WLAN 网络，测试两种网络并行下信号系统的兼容性。3.3.2施工安装及检查通过逐站逐区间的现场踏勘形成报告，明确安装要求，完成风险评估（含与相关专业的连带调整）后进行施工安装。在施工安装完成后，基于 LTE-M标准对室内设备、轨旁设备及线缆进行检查，内容包括对漏缆及天线安装、光电缆敷设、设备安装、防雷保护、接地保护的测试及验证。3.3.3有线网调试安装检查阶段完成后进入有线网调试，调试内容包括加电测试、交换机连通性测试、环网冗余切换测试、CBTC 子系统之间通讯测试和路由测试等。3.3.4无线网调试（静态调试）铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月95城轨交通URBAN RAIL TRANSIT无线网调试采用循环测试法，利用路测工具测试无线场强覆盖标准、网络服务质量标准、网络切换质量标准等指标。路测人员输出问题调整方案，交与施工方整改，保证轨旁覆盖完整无盲区，直至网络指标达到 LTE-M 规范要求。3.3.5无线网调试（动态调试）静态调试合格后，按联锁区在夜间作业点内利用少量临时改造的 LTE-M 通信车，动车模拟真实运营环境，测试列车在正常动车环境下的无线覆盖质量测试，采集网络性能参数，对存在问题的区域再次优化。在动态调试期间 LTE-M 网络独立存在，并不与既有信号系统连接，因此不会影响到线路列车的正常运营。3.3.6动车调试在动态调试合格的联锁区内，在夜间作业点内利用少量临时改造的 LTE-M 通信车，进行车载控制模式（Carborne Controller，CC）转换测试、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）站间运行、完整性报警确认测试、列车自动监督（Automatic Train Supervision，ATS）临时限速、扣除、紧停、跳停、站台紧停、扣车、屏蔽门报警测试以及双网冗余测试。3.3.7首段验证动车调试合格后，在正线选取连续的联锁区进行首段验证。在夜间作业点内开展批量车测试，利用既有 WLAN 通信车和少量临时改造的 LTE-M 通信车进行混跑及追踪测试，用以验证两种制式网络共存时对信号系统业务无影响。3.3.8联调测试通过联调测试验证 LTE-M 网络与信号各子系统匹配关系，验证 LTE-M 通信车按规定速度运行条件下的场强覆盖、网络服务质量、应用业务。依据测试结果，对系统进行调试和优化。在信号各子系统试验完成后，还要对包括联锁、CC、ATS、数据通信系统（Data Communication System，DCS）各子系统在内的信号系统进行联调，以验证新系统达到设计要求，且未改变既有的技术要求。3.3.9业务割接）在联调测试通过后，LTE-M 网络正式接入既有信号系统，制定 CBTC 业务应用验证方案，从网络层面和应用层面对割接结果进行测试验证。验证不通过时，采用预设回退方案。）逐列将 WLAN 通信车永久改造为 LTE-M通信车投入运营。3.3.10旧设备拆除在所有列车均永久改造为 LTE-M 通信车并稳定运行后，按先轨旁后室内的顺序，逐步拆除室内及轨旁的 WLAN 设备，旧设备部件经验证后可调配至其他线路使用。4主要风险点及应对措施4.1施工方案改造工程施工存在作业时间短、高空作业多、现场实际条件复杂、对既有及新设设备与线缆保护要求高等风险，需要运营、施工、设计、监理、厂商共同踏勘，充分论证施工方案可行性，预判可能出现的问题，对施工实施的过程、进度、质量进行监督。4.2软硬件兼容性新建 LTE-M 网络接入既有信号系统，存在软硬件不兼容的风险。应对措施为信号系统的联锁、ATS、CC、区域控制器（Zone Controller，ZC）、前置维护机（Froant and Maintenance，FTM）子系统软硬件不作升级和更改，在试车线调试阶段充分验证其兼容性。在整个改造期间，LTE-M 网络使用新规划的 IP 表规避网络冲突风险。4.3业务割接业务割接的关键点是替换 MR 的 TAU 需保证车载 CC 与 ZC 之间的正常通信。由于本工程改造对象不包含车载 CC 机柜，且原机柜已无剩余空间，导致无法加装新旧车载设备的倒接装置。解决方案为定制与 MR 外形尺寸及安装孔位完全相同的TAU（通过硬件优化，将车载合路器整合到 TAU内），并在每次调试前进行 MR 与 TAU 的两次替换工作，作业过程为拆除 MR 原位安装 TAU 重启CC 验证通过后开展测试拆除 TAU 原位安装MR 重启 CC 验证回退。若在此期间，车载 CCNo.11张世铭，张建明，许瑜：成都地铁1号线信号系统车地无线改造工程方案96U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT或 MR 出现问题均会影响次日运营，相应风险通过登车调试小组加强卡控措施予以降低。4.4独立第三方安全评估独立第三方安全评估机构全过程参与改造项目，历经系统设计、产品制造、施工安装、现场调试等阶段，开展安全文档评估、安全审计、现场测试见证、抽样检查测试工作。每项工作结束，安全评估机构均提供相应文档，在各项条件均满足要求后，提供结论性、负责任的安全评估报告和安全授权书。5结论成都地铁 号线信号系统车地无线改造工程采用WLAN 与 LTE-M 网络兼容并行方案，摸索出基于优化结构的局部改造和管理模式，最大限度地消除了既有线改造工程中的技术风险和管理风险，达到无感改造的效果。号线改造列车自 年 月 日首列车上线以来，车地通信状态稳定，列车运行状态良好，未出现车地通信故障，实现不中断运营的既定目标，可供同类项目的更新改造方案参考。参考文献1 徐义彤.城市轨道交通延伸线信号系统贯通方案 J.铁路通信信号工程技术，2022，19（4）：64-66.Xu Yitong.Signal Systems Connection Plan for Extension Lines of Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2022,19(4):64-66.2 葛兰新.深圳地铁 3 号线信号系统改造方案选择 J.铁路通信信号工程技术，2022，19（10）：73-78.Ge Lanxin.Selection of Schemes for Transformation of Signal System for Shenzhen Metro Line 3J.Railway Signalling&Communication Engineering,2022,19(10):73-78.3 张文洲.广州地铁 1 号线信号系统更新改造倒接方案研究 J.城市轨道交通研究，2021，24（7）：216-219.Zhang Wenzhou.Research on Signaling System Updating and Reverse 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