地鐵CBTC系統(tǒng)跨線運營和線路拆分網(wǎng)絡(luò)方案研究

歸甜甜 張笑非

對于同一城市多條地鐵線路同步分期建設(shè)的情況，地鐵公司從乘客乘車的便捷性考慮，同時也為了提高地鐵運營效率，對CBTC信號系統(tǒng)集成商提出了初期跨線運營和遠(yuǎn)期線路拆分的需求［1］。以某城市3條地鐵線路（1號線、2號線、3號線）特定的跨線運營和線路拆分需求為例，結(jié)合地鐵信號系統(tǒng)典型的DCS（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）架構(gòu)，進(jìn)行了總體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計和拆分實施方案探討，并著重從有線和無線兩方面分析具體實施方案。

1 線路跨線運營和拆分需求

某城市3條地鐵線路同步分期建設(shè)，且分段開通。3條線路前期有跨線運營需求，后期各線路完成建設(shè)后有拆分運營的需求。具體運營需求按工期先后分為以下3種運營場景。

運營場景1：運營初期。1號線一期和2號線一期同時開通并跨線運營，兩條線均由2號線控制中心管轄；3號線單獨運營。

運營場景2：過渡期。整個過渡期內(nèi)1號線一期和2號線一期仍保留跨線運營需求；但隨著1號線延伸段的開通，1號線全線還將和3號線貫通運營，1、2號線均由3號線的控制中心管轄。

運營場景3：穩(wěn)定期。1號線和3號線仍貫通運營；隨著2號線延伸線的開通，1號線一期和2號線一期不再有跨線運營需求，2號線控制中心再次啟用，2號線將獨立運營。

1號線和2號線在車站X交匯，當(dāng)運營場景1轉(zhuǎn)變?yōu)閳鼍?時，需要在車站X進(jìn)行線路拆分，將1號線信號系統(tǒng)倒接入3號線，由3號線控制中心進(jìn)行管轄；1號線和2號線一期的軌道聯(lián)絡(luò)線，需在過渡期結(jié)束后拆除，拆除后2號線單獨運營。

某城市3條地鐵線路整體規(guī)劃見圖1。

2 DCS子系統(tǒng)

DCS數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的作用是承載高可靠性的CBTC數(shù)據(jù)，為整個信號系統(tǒng)的安全和非安全信息提供獨立透明的傳輸通道。DCS子系統(tǒng)的有線部分遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，無線部分遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，保證信號系統(tǒng)各設(shè)備間安全的、可靠的信息傳輸［2］。按照通信方式劃分，DCS子系統(tǒng)可分為以下3部分。

圖1 某城市3條地鐵線路整體規(guī)劃

有線網(wǎng)絡(luò)部分：即骨干網(wǎng)，主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成冗余骨干環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)全線所有設(shè)備集中站、設(shè)備非集中站、控制中心、車輛段和停車場之間的雙網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)連接。

無線網(wǎng)絡(luò)部分：包括軌旁LTE網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)絡(luò)，主要由核心網(wǎng)、BBU、RRU、漏泄電纜、車載終端、天線等設(shè)備組成。無線網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計，分別為A網(wǎng)和B網(wǎng)，漏纜結(jié)合定向天線作為無線傳輸媒介。此外還配置了GPS時鐘服務(wù)器，用于保證軌旁基站間高精度的時鐘同步。

網(wǎng)管系統(tǒng)部分：包括有線網(wǎng)管系統(tǒng)和LTE網(wǎng)管系統(tǒng)，分別對有線和無線設(shè)備進(jìn)行管理。

3 DCS網(wǎng)絡(luò)方案規(guī)劃

為了設(shè)計更有針對性的DCS網(wǎng)絡(luò)方案，需要對3條線路的運營需求進(jìn)行詳細(xì)分析。1號線CBTC信號系統(tǒng)在運營場景1中歸屬2號線控制中心管轄，隨著X站的拆分及自身線路的延伸，1號線在后續(xù)2個場景中歸屬3號線控制中心管理。由于拆分后2號線線路僅剩下三站二區(qū)間，線路太短不適合獨立運營，因此在運營場景2中1號線和2號線仍保留共線運營的需求。隨著2號線延伸線的建成，1號線和2號線將徹底拆分。

基于以上需求，DCS網(wǎng)絡(luò)方案應(yīng)從以下幾方面考慮：信號系統(tǒng)IP地址統(tǒng)一規(guī)劃、2號線和3號線控制中心的CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的IP地址設(shè)計、過渡期2號線控制中心網(wǎng)絡(luò)停用倒接、3條線列車車載DCS設(shè)備網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等；并需提前考慮DCS設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)，在運營穩(wěn)定時刪除過渡時期的配置數(shù)據(jù)。

1）IP地址規(guī)劃。1號線DCS網(wǎng)絡(luò)前期與2號線網(wǎng)絡(luò)通信，后期需改為與3號線網(wǎng)絡(luò)通信。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上總體考慮，可以將這3條線在網(wǎng)絡(luò)層面當(dāng)作1條線路，整體規(guī)劃IP地址。由于車地通信需經(jīng)由車站和控制中心傳輸，所以2號線和3號線的控制中心網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備、應(yīng)用層主設(shè)備必須設(shè)置相同的IP地址。當(dāng)運營場景切換進(jìn)行線路倒接時，則不需要修改信號業(yè)務(wù)層設(shè)備的IP地址。在運營場景2時，2號線控制中心通過骨干網(wǎng)光纜跳接的方式從有線網(wǎng)絡(luò)中隔離出來，3條線統(tǒng)一由3號線控制中心管轄。

2）列車統(tǒng)一規(guī)劃。隨著3種運營場景的推進(jìn)，3條線路會存在管轄控制中心切換的問題，所以列車也需要進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，即在2、3號線控制中心均需考慮全部列車的通信需求，且車地通信路由及LTE的核心網(wǎng)管轄范圍均需包含3條線路的所有列車。

3）數(shù)據(jù)配置。1號線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原歸屬2號線管理，后歸屬3號線管理。2、3號線控制中心網(wǎng)管及業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)均需提前考慮1號線的通信需求，倒接時僅需進(jìn)行骨干網(wǎng)光纜跳接，減少倒接時的數(shù)據(jù)變更工作量。待轉(zhuǎn)為運營場景3時，刪除多余的配置數(shù)據(jù)后，2號線和1、3號線將完全獨立。

4）為了滿足3條線路跨線運營和線路拆分的需求，本文主要從有線和無線網(wǎng)絡(luò)兩方面進(jìn)行考慮。網(wǎng)管系統(tǒng)的實施相對簡單，只需提前考慮網(wǎng)管相關(guān)的IP地址規(guī)劃，并對1號線無線設(shè)備預(yù)配置，保證拆分過程中網(wǎng)管到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，即可實現(xiàn)網(wǎng)管功能。

4 有線網(wǎng)絡(luò)拆分方案

各條線DCS骨干網(wǎng)光纜（集中站至集中站）均采用2根12芯單模光纜組環(huán)。信號紅網(wǎng)和ATS深灰網(wǎng)共用1根光纜，信號藍(lán)網(wǎng)和ATS淺灰網(wǎng)共用1根光纜。非集中站通過6芯單模光纜分別與相鄰的2個設(shè)備集中站點對點連接。DCS骨干環(huán)網(wǎng)具有易擴展特性，拆分時對既有運營線路不會造成影響［3］。

工業(yè)以太網(wǎng)骨干交換機安裝在沿線的集中站、控制中心、停車場和車輛段［4］。骨干網(wǎng)設(shè)計為1號線一期和2號線一期預(yù)留拆分條件，在車站X的1號線和2號線機房分別放置DCS骨干網(wǎng)設(shè)備。

拆分時，在車站X斷開1號線和2號線的光纜連接，將1號線一期和二期骨干網(wǎng)倒接入3號線骨干網(wǎng)。拆分前，1號線一期工程信號系統(tǒng)納入2號線一期工程信號系統(tǒng)控制中心管理；拆分后，1號線信號系統(tǒng)納入3號線信號系統(tǒng)控制中心管理［5］。

1）運營場景1下DCS子系統(tǒng)拆分前實施方案。如圖2所示，拆分前1號線一期和2號線一期組成環(huán)網(wǎng)，3號線獨立成環(huán)。

圖2 運營場景1下的DCS骨干環(huán)網(wǎng)

2）運營場景2下的DCS子系統(tǒng)拆分過渡期的實施方案。如圖3所示，在過渡期需對3條線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，斷開1號線X站與2號線X站的骨干網(wǎng)連接，1號線二期在3H站接入3號線；2號線控制中心停用，納入3號線控制中心管理。

3）運營場景3下的DCS子系統(tǒng)拆分后的實施方案。如圖4所示，2號線延伸線工程實施完成后，2號線控制中心啟用。2號線將獨立運營，1號線和3號線貫通運營。

5 無線網(wǎng)絡(luò)拆分方案

根據(jù)線路跨線運營和拆分需求，1號線一期的BBU前期納入2號線EPC進(jìn)行管理，后期需倒接至3號線EPC進(jìn)行管理。1號線車載無線設(shè)備先注冊入網(wǎng)到2號線EPC，后期需倒接至3號線EPC進(jìn)行管理。

為了支持DCS有線側(cè)的反復(fù)倒接，做最小范圍的DCS配置數(shù)據(jù)變更，只需在最后一次穩(wěn)定倒接后，刪除冗余數(shù)據(jù)即可。無線網(wǎng)絡(luò)拆分方案示意圖見圖5，按以下方式設(shè)計。

圖3 運營場景2下的DCS骨干環(huán)網(wǎng)

1）1號線軌旁RRU光纜連接至1號線BBU管理，2號線的軌旁RRU光纜連接至2號線BBU管理。

2）1號線BBU設(shè)備的IP子網(wǎng)地址保持與3號線的IP子網(wǎng)地址相同，與EPC和LTE網(wǎng)管之間進(jìn)行三層組網(wǎng)。

圖4 運營場景3下DCS骨干環(huán)網(wǎng)

圖5 無線網(wǎng)絡(luò)拆分方案示意圖

3）1號線、2號線和3號線骨干網(wǎng)用相同VLAN承載BBU，2號線和3號線的LTE核心交換機均配置為1號線BBU S1和OM的網(wǎng)關(guān)地址。

4）在2號 線 和3號 線 的EPC側(cè) 分 別 配 置 到1號線BBU的路由，3條線的列車注冊信息同時寫入2號線和3號線的EPC，便于拆分后車輛重新劃分歸屬EPC。

5）在1號 線BBU上 添加2條SCTPLINK鏈路，分別指向2號線核心網(wǎng)和3號線核心網(wǎng)；添加2條IP PATH數(shù)據(jù)，分別指向2號線核心網(wǎng)和3號線核心網(wǎng)；同時配置2條業(yè)務(wù)S1的IP路由，下一跳分別指向2號線和3號線的核心交換機；添加2條管理OM的IP路由，分別指向2號線和3號線的LTE網(wǎng)管。

6）待3條線拆分完成且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，將EPC、核心網(wǎng)交換機、BBU過渡期相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行一次性刪除。

3條線的LTE無線網(wǎng)絡(luò)通過以上設(shè)計規(guī)劃，可以支持DCS有線側(cè)的反復(fù)倒換［6］。每次倒接測試時LTE側(cè)無需做任何數(shù)據(jù)變動，也無需做任何的硬件連線變動，能夠滿足夜間調(diào)試對倒接時間的需求。

3條線的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方式會產(chǎn)生多余的告警信息：拆分前和過渡期1號線BBU上會存在業(yè)務(wù)S1和管理OM冗余鏈路的告警；在BBU割接完成后，某條線上的LTE網(wǎng)管會顯示BBU斷鏈的信息。但這些告警信息均不影響列車正常運營，且當(dāng)線路拆分完成并刪除冗余數(shù)據(jù)后，告警將會自動消失。

6 結(jié)語

采用上述跨線運營和線路拆分網(wǎng)絡(luò)方案，在倒接時無需對信號業(yè)務(wù)的配置進(jìn)行任何更改。當(dāng)然還可以參考信號系統(tǒng)互聯(lián)互通的典型DCS設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計：在1號線無線網(wǎng)絡(luò)中配置1個控制中心，這樣3條線的控制中心均配置三層交換機，三層交換機之間構(gòu)建三層環(huán)路，通過運營動態(tài)路由協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的互聯(lián)互通。但這種典型互聯(lián)互通方案需信號業(yè)務(wù)層做更復(fù)雜的配置，且這3條線路在實際拆分后并無互聯(lián)互通需求。為了降低信號業(yè)務(wù)側(cè)的倒接難度，采用本文所述的網(wǎng)絡(luò)方案實施起來更簡單，也從很大程度上降低了倒接失敗對運營造成影響的風(fēng)險。該方案對于有類似需求的地鐵線路有一定的參考意義。