關于城市軌道交通車地無線通信系統分段開通可行性研究

摘要：隨著城市化進程的加快，城市軌道交通作為解決城市交通擁堵問題的重要手段，得到了廣泛的關注和快速發展。城市軌道交通建設周期長、影響面廣，根據其規劃、設計、建設等情況，勢必產生分段建設、分段營運等問題。為了提高城市軌道交通的運行效率和安全性，車地無線通信技術在軌道交通中的應用越來越廣泛。為了保證既有線路運營安全、同時提高后續線路按期貫通運營，通過對車地無線通信系統的分段開通方案進行研究，為后續線路分段開通提供經驗及技術支持。

關鍵詞：城市軌道交通；車地無線通信；分段開通

一、前言

車地無線通信系統是指列車與地面控制中心之間通過無線通信技術實現信息傳輸的一種系統。其主要功能包括列車實時位置信息的傳輸、列車運行狀態的監控、緊急情況下的應急通信等。車地無線通信系統的建設和運營對于提高軌道交通的運行效率、確保行車安全具有重要意義。目前車地無線通信技術已經較為成熟，能夠滿足城市軌道交通的需求。通過分階段或分區域開通，可以有效降低技術風險，保證系統的穩定運行。此外，車地無線通信系統的建設和運營需要投入一定的資金。通過分階段或分區域開通，可以有效降低一次性投入，減輕企業的財務壓力。同時，分段開通還可以根據實際運營情況進行調整，提高投資效益。因此，通過分階段或分區域開通，可以有效降低技術風險、減輕企業財務壓力、提高運營效率和服務質量。

二、城市軌道交通分段背景及方案

（一）城市軌道交通分段開通背景分析

線路是否分段開通主要由兩個原因決定：一是規劃和設計原因，二是工程建設原因。其中城市軌道交通的規劃和設計，會根據城市的發展規劃、人口數量及人口分布等因素，將一條線路規劃分為近期開通、中期開通和遠期開通，隨著城市新城區的規劃、重點發展區域的遷移、人口數量的增長、人口布局的變化，城市軌道交通線路的規劃很難直接滿足城市發展的需求，或者說很難預測整個城市未來10年甚至20年的發展方向，因此選擇分段建設、分段運營來適應整個城市的發展。另外一個原因是受城市軌道交通工程建設節奏的影響，由于城市軌道交通工程涉及面廣、建設周期長，以及受線路周邊條件限制，導致工程進度很容易受到預期之外的影響，甚至出現無法按計劃完成的情況，最終造成同期工程分段開通[1]。

分段開通除了對土建、施工提出新的要求，對通信、信號等機電系統分段開通后的貫通方式也提出了新的挑戰。以下重點分析車地無線通信系統在分段開通及后續貫通的方案，保障整體線路按時按質順利運營。

（二）城市軌道交通分段開通難點

將城市軌道交通的運行機制與人體機制進行對比，可以更好地理解信號系統和LTE車地無線通信系統在城市軌道交通中的重要性。信號系統就像人的大腦，負責指揮整個線路的正常運行，確保列車按照預定的軌道行駛，避免發生事故。而LTE車地無線通信系統則像神經元一樣，為大腦的指揮信號傳遞到人體肢體（車輛）提供通道，使列車能夠實時接收指令并做出相應的調整。在城市軌道交通建設過程中，車地無線和信號系統的分段開通是一個關鍵環節。這意味著在建設過程中，需要對各個部分進行單獨測試和調試，確保每個部分都能正常工作[2]。然而，車地無線和信號系統的分段實施面臨著諸多問題。首先，由于各個部分是分開建設的，因此在連接時可能會出現兼容性問題。其次，車地無線和信號系統的分段實施還可能面臨網絡覆蓋的問題。由于城市軌道交通線路通常位于地下或地面，因此信號覆蓋可能會受到一定程度的限制。為了確保信號能夠覆蓋到整個線路，需要在建設過程中合理規劃基站的位置和數量，提高信號覆蓋范圍[3]。此外，車地無線和信號系統的分段實施還需要解決網絡安全問題。由于信號系統和LTE車地無線通信系統都涉及大量的數據傳輸，因此容易成為黑客攻擊的目標。

1.協調上的難點

分段開通信號系統和車地無線通信通道（LTE）的調試往往涉及建設方、運營方、通信系統承包商和信號承包商等多家單位，因此需要協調多方配合。而且，整個車地無線通信系統貫通調試除受本系統安裝調試的因素影響外，還受傳輸、供電等專業的制約。車地無線通信系統開展貫通調試工作前，現場應具備送電條件，傳輸系統貫通調試工作已完成。

車地無線通信系統調試工作包括地面設備調試、車載設備調試、車地聯調及與其他系統的接口調試。與其他系統的聯調是整個調試過程中最復雜、最耗時的工序，其調試的優劣直接決定了開通的質量和水平。

2.技術上的難點

在分段開通調試過程中，由于涉及后開通段接入到已運營段，并且只能利用夜間等非運營時間段進行貫通調試，時間窗短，信號系統和LTE的聯合貫通調試難度系數較大，其調試的結果將影響后續貫通運營的節奏，調試過程會對已運營線路造成不可預知的安全風險[4]。如何保證后開通段的調試不影響已開通段的正常運營，并且順利完成已開通段與后開通段的貫通運營是整條線路分段運營開通的難點。而南京7號線由于工程原因分三次開通北段、南段、中段，因此對順利高效地完成整個7號線工程的貫通運營提出了艱巨的挑戰。

（三）分段開通目前的可行方案分析

1.設置獨立控制中心方案

為了不影響已開通段的正常運營，分段開通往往考慮在設備集中站設置臨時控制中心，為新增接入段提供行車指揮、系統調試的條件，避免或減少對運營使用中的已開通段控制中心設備干擾，保證后開通段的前期調試不影響運營設備的正常使用[5]。臨時控制中心設備應具備和其他設備系統接口調試的條件，有利于在貫通前完成必要的測試驗證工作，減少貫通調試工作壓力和對運營線路的安全影響。

為此，信號系統需要在后開通段的臨時控制中心設置獨立的信號服務器設備，車地無線通信系統也需要在臨時控制中心設置獨立的核心網（EPC）設備，以達到后開通段與已開通段從系統到無線通道完全獨立的目的。

該方案的優勢是后開通段實現了從系統到傳輸網絡的完全隔離，調試的時間更加充足且在調試的過程中對既有線路不會產生任何影響。但該方案的缺點也同樣明顯，一是新增臨時控制中心，需要增加額外的設備，對各個系統的設備協調提出挑戰。二是在后期與已開通段貫通調試過程中，信號系統需要多次割接操作進行貫通后的功能和系統完整性驗證。LTE車地無線通信網絡作為車地信號系統的傳輸通道，需要與信號系統同步完成與已開通段的割接調試。在多次割接操作過程中需要運營線路的配合，無疑增加了既有線路的風險。

2.共享運營線路LTE核心網（EPC）方案

臨時控制中心方案需要設置獨立的信號設備和車地無線通信系統核心網，以達到與運營線路完全獨立的目的。由于信號系統的特殊性，后開通段調試過程中不可避免地需要設置新的信號設備。為了降低后期信號系統與車地無線通道（LTE）同步割接而產生的風險，我們探討共用運營段核心網的思路，以下介紹該方案的可行性。

三、共用運營段核心網設備的可行性分析

（一）理論基礎

隨著城市化進程的加速，城市軌道交通作為解決城市交通問題的重要方式，其線路建設與運營日益受到重視。然而，在實際操作中，由于試車線的建設往往需要占用一定的頻率資源，這就可能導致試車線與正線的頻率干擾問題[6]。為了解決這個問題，許多城市軌道交通運營商選擇采用與正線共用核心網的方式。這種方式的核心是通過GRE隧道技術實現正線與試車線業務邏輯通道的完全隔離。具體來說，GRE隧道是一種基于IP的網絡技術，可以在物理層面上實現兩個網絡之間的隔離，從而確保數據信息不會相互干擾。在實際應用中，通過GRE隧道技術，可以將試車線的信號設備與正線的信號設備進行分離，使得兩者的數據信息無法直接交流。這樣，即使在試車線的信號設備調試過程中或者整個試車過程中，也不會對正線的正常運行產生影響。此外，GRE隧道技術還可以實現數據的高效傳輸，從而提高了網絡的運行效率。這對于提高城市軌道交通的運行效率和服務質量具有重要的意義。

試車線與正線在共用核心網的場景下，車輛在試車線、行車線之間要求能夠邏輯隔離。其實現原理描述見圖1。

核心網EPC通過SGi1口與行車線ZC連接，通過SGi2口與試車線ZC連接。路由上，TAU與行車線、試車線側的路由器之間配置GRE隧道實現隔離。此方案可在中心路由器至TAU建立行車線GRE1隧道，試車線至TAU建立試車線GRE2隧道，路由器至ZC之間配置靜態路由。

車載VOBC設備能夠判斷列車的精確位置。當車輛在正線的時候：車載VOBC設備的目的地址為行車線ZC，TAU將數據添加包頭后通過GRE1隧道通往核心網，完成與行車線ZC的通信，此時行車線隧道的路徑為TAU—基站—傳輸環網—EPC—中心路由器。當車輛在試車線的時候：車載VOBC設備的目的地址為試車線ZC，TAU將數據添加包頭后通過GRE2隧道通往核心網，完成與試車線ZC的通信，此時試車線隧道的路徑為TAU—基站—傳輸環網—EPC—中心路由器。

（二）功能驗證

基于南京7號線分段開通的背景，于實驗室進行了車地無線通信系統分段開通相關模擬測試，整個模擬測試分為兩個階段：

第一階段，南京7號線北段網絡模擬搭建，完成北段鏡像環境搭建。利用核心網設備、基站設備、路由器設備、TAU設備完成北段車地無線通信環境的搭建，通過CBTC模擬軟件完成北段業務功能的驗證。

第二階段，南京7號線南段設備接入，模擬南段開通的場景驗證。在北段環境基礎上，新增GRE隧道配置，完成南段新增TAU的入網測試和南段新增基站設備的入網測試，同時通過CBTC模擬軟件完成南段業務功能的驗證。

詳細測試內容如下：

1.測試組網圖，見圖2。

2.測試結論

經過實驗室鏡像環境的詳細測試和驗證，可以得出以下結論：南段可以通過業務隔離的方式來接入北段核心網設備。這意味著在南段接入調試過程中，不會影響到既有線路的正常業務運行。這一技術方案的實施將有助于提高網絡的穩定性和可靠性，同時降低因設備接入變更帶來的風險。在南段基站故障的情況下，這種業務隔離方式同樣不會對北段業務的正常運行產生影響。這意味著即使在面臨基站故障等突發情況時，北段核心網設備仍然可以正常運行，保障用戶業務的連續性和穩定性。此外，通過業務隔離的方式接入北段核心網設備，還可以實現資源的合理分配和利用。在南段接入調試過程中，可以將部分資源用于調試工作，而不影響北段設備的正常使用。這樣既提高了工作效率，又降低了資源浪費。由此可得出結論利用已開通段核心網設備進行后開通段信號設備調試的方式可行。

四、城市軌道交通車地無線通信系統分段開通的總結

在后開通段的調試過程中，設計方案不僅能夠減少對運營線路的影響，同時也便于施工和調試。可以在保證運營線路正常運行的同時，順利完成施工和調試工作。對于共用核心網設備的方案，可以通過一次性配置來完成與既有線路的業務隔離。在后開通段信號系統的調試過程中，也需要采取相應的措施，以確保不對既有線路造成影響。這樣，可以在保證既有線路正常運行的同時，順利完成信號系統的調試工作。此外，采用這種設計方案還可以減少后續割接的工作量。因為如果采用傳統的割接方式，那么在每次割接時，都需要對既有線路進行暫停操作，這無疑會增加工作量。而如果采用一次性配置的方式，那么只需要進行一次配置，就可以完成所有的業務隔離工作，從而大大減少了工作量。同時，采用這種設計方案還可以降低整體割接的難度。

為滿足整體線路高效、高質貫通運營，車地無線通信系統的分段開通實施方案需要整體考慮，提前規劃，在首開通段的實施階段應當為后開通段的順利貫通預留必要的條件，有規劃和目的預留或提前完成部分施工、調試工作，其中包括基站的IP規劃、TAU的IP規劃、核心網的IP規劃等，這些均需要為后續線路的接入做預留。

五、結語

相對于城市軌道交通線路一次性開通，分段開通的難度明顯增大，包括貫通方案的選擇、各個單位之間的協調。分段開通的關鍵在于需要考慮后開通段在調試的過程中不影響已運營線路，同時也要考慮后續線路的貫通運營。因此分段開通在方案的選擇上對后續整體線路的貫通運營有著關鍵性意義。以減少對既有運營段的干擾為前提，在分段開通初期確定合理的方案、進行預規劃、提前準備，預留必要的軟件和硬件資源，采取措施控制調試過程的安全風險，不僅可以保證系統的調試質量，也能加快工程建設進度。通過對車地無線通信系統分段開通方案及可行性進行分析和研究，有助于后續工程建設實施，提高線路接入貫通調試的效率和安全保障，為分段開通積累有價值的工程經驗和技術支持。

參考文獻

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[2]張偉.城市軌道交通線路分段開通信號系統貫通調試的技術研究[J].鐵路計算機應用，2017，26（10）：45-48.

[3]曹啟濱.城市軌道交通延長線路信號系統貫通方案分析[J].鐵路通信信號工程技術，2017，14（01）：69-70.

[4]廖志斌，王海，龍廣錢，等.城市軌道交通車地無線通信系統性能評估平臺的研究與實現[J].計算機測量與控制，2020，28（10）：247-250.

[5]張曉峰.淺談城市軌道交通車地無線通信系統中LTE技術的應用[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2019（11）：192-193.

[6]魯秋子.城市軌道交通延伸工程信號系統車地無線通信技術方案研究[J].現代城市軌道交通，2018（12）：80-83.

作者單位：顧曉峻，南京熊貓信息產業有限公司；印峰、耿雷，南京地鐵建設有限責任公司

責任編輯：張津平