成都地鐵1號線信號系統車地無線改造工程方案

張世銘，張建明，許 瑜

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610000;2.成都地鐵運營有限公司，成都 610000；3.浙江眾合科技股份有限公司，杭州 310000）

1 概述

成都地鐵1 號線是2010 年建成運營的地鐵線路，線路全長41 km，均為地下線。全線共設35 座車站，1 座車輛段（含試車線）、1 座停車場和1 個控制中心，配置73 列6B 編組電客車。信號系統原車地無線系統采用2.4 GHz 開放頻段無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN），A 網和B 網分別采用頻點1 和6，采用思科設備組網。在線運營超過10 年，存在設備老化嚴重、備品/備件停產、在線監測不完善、公眾通信技術快速從3G 到5G 的演進，地下有限空間內同時存在3G、4G、5G 等3 家運營商的10 余個頻段。1 號線工作日客流超百萬，乘客車上4G 通信需求大，手機熱點多，導致2.4 GHz 頻段帶內、帶外受干擾嚴重。WLAN 產品本身抗帶內干擾、抑制帶外干擾能力有限，導致信號車-地數據傳輸經常中斷，進而導致列車緊急制動（最高峰超過20 次/天），帶來嚴重的行車安全隱患和乘車體驗，亟需通過改造來保證運營安全和服務質效。

2 網絡架構

基于1.8 GHz 專用頻段的城市軌道交通車-地綜合通信系統(Long Term Evolution for Metro，LTE-M) 采用A/B 雙網架構，每張網絡均由有線環網、核心網、基站、車載終端及天饋系統組成，均承載信號系統基于通信的列車控制系統（Communications Based Train Control，CBTC）業務。核心網（Evolved Packet Core network，EPC）集中部署在控制中心，基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）分散設置在設備集中站、車輛段及停車場，射頻拉遠單元（Radio Remote Unit，RRU）設置在軌旁所有需要CBTC 業務覆蓋的區域。A/B 雙網的RRU 同站址部署，通過不同的光電纜連接至A/B 雙網的BBU。A/B 雙網無線射頻信號通過合路器合路后饋入漏纜或定向天線。車載接入單元（Train Access Unit，TAU）分別設置在列車前后司機室，兩端TAU 分屬于A/B 網。試車線與正線共用核心網。網絡架構如圖1 所示。

圖1 LTE-M車地無線網絡架構Fig.1 LTE-M vehicle-ground wireless network architecture

3 改造工程方案

3.1 設計原則與思路

在已開通運營線路上將車-地無線系統從WLAN 制式改造為LTE-M 制式，務必保證行車安全，降低改造風險，主要設計原則如下。

1）改造方案的安全性、性能指標、可靠性和可用性，應不低于既有系統；

2）改造方案應在保證線路不停運、不降低運輸能力和安全等級的條件下進行。在實施過程中，新舊軌旁設備、車載設備應能相對獨立運行，以確保改造全過程中的統一行車指揮；

3）改造方案應緊密結合現場條件，減少土建、車輛、動照、裝修等專業的連帶改造；

4）改造方案應具有工程實施的可操作性，能有效縮短工期。

改造方案思路如下。

1）異地技術驗證；

2）正線、場段軌旁（室內）網絡建設；

3）同步軟件、接口實驗室開發調試；

4）單車載TAU 的更換與夜間試跑；

5）小批量雙網雙車載數傳設備的線路混跑；

6）批量更換車載TAU；

7）拆除既有網絡設備。

3.2 改造設計方案

3.2.1 頻率規劃

LTE-M 網絡使用軌道交通專用1.8 G 頻段(1 790 ～1 800 MHz)，每個網絡各使用不同的5 MHz 頻寬。

3.2.2 時鐘同步

LTE-M 網絡使用室外衛星同步天線作為主用時鐘，當出現故障時，基站的晶振可保持24 h。同時，在中心設置1 588 V2 時鐘服務器作為備用時鐘。

3.2.3 無線覆蓋

以不侵入設備限界、滿足系統可用性及作業點內施工可實施性為原則，對全線進行軌旁設備及漏纜的安裝條件踏勘。正線全程使用漏纜覆蓋，按照常規區間、島式站臺、側式站臺、聯絡線、渡線、單洞多軌岔區、出/入段線及其他安裝空間受限現場的分類，采用原廠與定制安裝件結合使用的安裝方案。場段使用定向天線覆蓋。

3.2.4 室內設備改造

室內設備改造對象為EPC、BBU、以太網交換機、電源屏等。LTE-M 網絡設備均為新增，電源屏改造首選利舊原則，條件不具備時新設電源設備。

3.2.5 車載設備改造

車載設備改造分為3 個階段：第一階段完成車載天線及饋線的安裝并敷設配線至車載CC 機柜；第二階段過渡期，在每個夜間作業點內進行拆除車載移動無線單元（Mobile Radio，MR），安裝車載TAU并驗證，而后復原車載MR；第三階段是永久性拆除車載MR 并安裝車載TAU。

3.3 實施步驟

車地無線改造方案以不影響既有線運營為前提，在整個改造過程中，LTE-M 網絡與WLAN 網絡長期并存，給運營管理和工程實施帶來相應風險，按照以下關鍵節點開展工作，如圖2 所示。

圖2 車地無線改造工程關鍵節點Fig.2 Key nodes of vehicle-ground wireless system renovation project

3.3.1 試車線驗證

在試車線新建LTE-M 網絡（A/B 雙網），調配兩列電客車（其中一列臨時改造為LTE-M 通信車），同時開啟LTE-M 及WLAN 網絡，測試兩種網絡并行下信號系統的兼容性。

3.3.2 施工安裝及檢查

通過逐站逐區間的現場踏勘形成報告，明確安裝要求，完成風險評估（含與相關專業的連帶調整）后進行施工安裝。在施工安裝完成后，基于LTE-M標準對室內設備、軌旁設備及線纜進行檢查，內容包括對漏纜及天線安裝、光電纜敷設、設備安裝、防雷保護、接地保護的測試及驗證。

3.3.3 有線網調試

安裝檢查階段完成后進入有線網調試，調試內容包括加電測試、交換機連通性測試、環網冗余切換測試、CBTC 子系統之間通訊測試和路由測試等。

3.3.4 無線網調試（靜態調試）

無線網調試采用循環測試法，利用路測工具測試無線場強覆蓋標準、網絡服務質量標準、網絡切換質量標準等指標。路測人員輸出問題調整方案，交與施工方整改，保證軌旁覆蓋完整無盲區，直至網絡指標達到LTE-M 規范要求。

3.3.5 無線網調試（動態調試）

靜態調試合格后，按聯鎖區在夜間作業點內利用少量臨時改造的LTE-M 通信車，動車模擬真實運營環境，測試列車在正常動車環境下的無線覆蓋質量測試，采集網絡性能參數，對存在問題的區域再次優化。在動態調試期間LTE-M 網絡獨立存在，并不與既有信號系統連接，因此不會影響到線路列車的正常運營。

3.3.6 動車調試

在動態調試合格的聯鎖區內，在夜間作業點內利用少量臨時改造的LTE-M 通信車，進行車載控制模式（Carborne Controller，CC）轉換測試、列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）站間運行、完整性報警確認測試、列車自動監督（Automatic Train Supervision，ATS）臨時限速、扣除、緊停、跳停、站臺緊停、扣車、屏蔽門報警測試以及雙網冗余測試。

3.3.7 首段驗證

動車調試合格后，在正線選取連續的聯鎖區進行首段驗證。在夜間作業點內開展批量車測試，利用既有WLAN 通信車和少量臨時改造的LTE-M 通信車進行混跑及追蹤測試，用以驗證兩種制式網絡共存時對信號系統業務無影響。

3.3.8 聯調測試

通過聯調測試驗證LTE-M 網絡與信號各子系統匹配關系，驗證LTE-M 通信車按規定速度運行條件下的場強覆蓋、網絡服務質量、應用業務。依據測試結果，對系統進行調試和優化。在信號各子系統試驗完成后，還要對包括聯鎖、CC、ATS、數據通信系統（Data Communication System，DCS）各子系統在內的信號系統進行聯調，以驗證新系統達到設計要求，且未改變既有的技術要求。

3.3.9 業務割接

1）在聯調測試通過后，LTE-M 網絡正式接入既有信號系統，制定CBTC 業務應用驗證方案，從網絡層面和應用層面對割接結果進行測試驗證。驗證不通過時，采用預設回退方案。

2）逐列將WLAN 通信車永久改造為LTE-M通信車投入運營。

3.3.10 舊設備拆除

在所有列車均永久改造為LTE-M 通信車并穩定運行后，按先軌旁后室內的順序，逐步拆除室內及軌旁的WLAN 設備，舊設備部件經驗證后可調配至其他線路使用。

4 主要風險點及應對措施

4.1 施工方案

改造工程施工存在作業時間短、高空作業多、現場實際條件復雜、對既有及新設設備與線纜保護要求高等風險，需要運營、施工、設計、監理、廠商共同踏勘，充分論證施工方案可行性，預判可能出現的問題，對施工實施的過程、進度、質量進行監督。

4.2 軟硬件兼容性

新建LTE-M 網絡接入既有信號系統，存在軟硬件不兼容的風險。應對措施為信號系統的聯鎖、ATS、CC、區域控制器（Zone Controller，ZC）、前置維護機（Froant and Maintenance，FTM）子系統軟硬件不作升級和更改，在試車線調試階段充分驗證其兼容性。在整個改造期間，LTE-M 網絡使用新規劃的IP 表規避網絡沖突風險。

4.3 業務割接

業務割接的關鍵點是替換MR 的TAU 需保證車載CC 與ZC 之間的正常通信。由于本工程改造對象不包含車載CC 機柜，且原機柜已無剩余空間，導致無法加裝新舊車載設備的倒接裝置。解決方案為定制與MR 外形尺寸及安裝孔位完全相同的TAU（通過硬件優化，將車載合路器整合到TAU內），并在每次調試前進行MR 與TAU 的兩次替換工作，作業過程為拆除MR 原位安裝TAU →重啟CC →驗證通過后開展測試→拆除TAU →原位安裝MR →重啟CC →驗證回退。若在此期間，車載CC或MR 出現問題均會影響次日運營，相應風險通過登車調試小組加強卡控措施予以降低。

4.4 獨立第三方安全評估

獨立第三方安全評估機構全過程參與改造項目，歷經系統設計、產品制造、施工安裝、現場調試等階段，開展安全文檔評估、安全審計、現場測試見證、抽樣檢查測試工作。每項工作結束，安全評估機構均提供相應文檔，在各項條件均滿足要求后，提供結論性、負責任的安全評估報告和安全授權書。

5 結論

成都地鐵1 號線信號系統車地無線改造工程采用WLAN 與LTE-M 網絡兼容并行方案，摸索出基于優化結構的局部改造和管理模式，最大限度地消除了既有線改造工程中的技術風險和管理風險，達到無感改造的效果。1 號線改造列車自2021 年11 月26 日首列車上線以來，車地通信狀態穩定，列車運行狀態良好，未出現車地通信故障，實現不中斷運營的既定目標，可供同類項目的更新改造方案參考。