城市軌道交通通信系統更新改造策略研究

周晨、顧正宜、張瑾

（1.上海申通地鐵集團有限公司技術中心，上海 201103；2.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200436）

0 引言

城市軌道交通通信系統承擔了城市日?？瓦\管理和旅客服務所需的語音、視頻、音頻、數據的交互和處理。以上海軌道交通為例，其交通通信系統主要包括：傳輸系統、電源系統、公務電話系統、專用電話系統、信息接入網系統、技術防范系統、廣播系統、乘客信息系統、時間系統、專用無線系統、公安無線系統、消防無線引入系統等多個子系統。

當前，上海城市軌道交通已呈現超大規模運營現狀，各通信子系統隨著軌道交通各個項目的建設歷經了不同制式、架構的演進，隨著系統的設計壽命逐漸到期，設備故障率呈顯著上升態勢，如何滿足運營維護和成本精細化管理的雙重要求，是通信系統更新改造策略需要重點研究的課題。

1 城市軌道交通通信系統存在的問題

1.1 子系統大修周期不一致

由于各條線路，甚至單條線路分期開通的時間不一，導致系統設備的折舊起算投用時間點不一致，進而形成“波浪潮汐”式系統設備更新特征。以上海城市軌道交通維保通號管轄的通信電源、公務電話系統大修改造計劃為例，其調研數據如表1 所示。

表1 通信電源、公務電話改造時序梳理表

調研發現，單線單系統的細碎改造需求會造成改造立項數目繁多但單個項目工程體量不足，一方面會導致在立項決策時需要為細碎項目的立項耗費大量精力；另一方面在當前網絡化高質量運營的總體要求下，孤立的單系統改造還會造成改造定位及視角的局限性，從而難以形成跨系統的“合縱連橫”一體化功能提升。

1.2 系統性能狀態評估維度單一

當前通信系統的大修更新改造立項依據，主要來自維護人員的經驗判斷和項目設計時提出的使用年限。通信系統的建議使用年限一般控制在8～12 年之間，但對設備運行狀態評估的因素是多維的，具體包括設備質量、養護能力、運行環境等。而目前僅以年限作為系統改造立項依據，在當前成本控制精細化的大環境下，總體上缺乏科學和富有說服力的理論及數據支撐。

2 城市軌道交通通信系統更新改造策略

2.1 頂層架構標準策略

2.1.1 穩定功能定位，提煉歸納精簡

通信系統在上海城市軌道交通長期建設和實踐運營中，系統的組成、架構、功能以及性能都在不斷調整和改進。哪些功能經過實踐具備價值和實用性，哪些功能是華而不實，或設計初衷與實際使用不符，需要不斷總結、修正和優化。一味地對系統做“加法”，不僅會增加系統的復雜度，還會增加系統的故障率和建設、運維成本[1]。

為滿足網絡化運營維護需求，應當結合長期實踐，對每個子系統的功能、架構進行重新審視，做到化繁為簡，聚焦核心業務體驗，將資金、人力等資源切實投入核心功能的保障和強化上，以此進一步實現超大規模線網下的系統設備的標準化統一，從而為系統的一致性維護、長期升級奠定基礎，當前部分優化建議如下：

第一，取消或輕量化軌旁電話。該設備源于鐵路系統，適用于長大區間軌旁作業時與車站保持通信，但并不適合用于城市軌道交通中的類似場景，因此實際使用頻率很低，且系統建設和維護成本較高，每年還要做大量的終端電話有效性測試，占用大量人力成本。同時，相應場景訴求可通過無線通信系統手持臺或插孔電話進行替代。

第二，取消二級母鐘。時間系統中二級母鐘的主要作用是與中心一級母鐘同步時鐘信號。但在城市軌道交通中，二級母鐘系統的主要功能是實現站級子鐘的授時，基本不為其他業務系統授時。基于這種定位，站級各子鐘設備授時可以通過一級母鐘直接下發信號完成，或者通過共享車站視音頻（PIS、PA）系統信號來完成授時，以此實現精簡設備和降低系統復雜度。

第三，優化廣播終端形式。當前廣播終端以各類吸頂或扣板揚聲器為主。由于采用小功率密布的方案原則，導致終端數量較多，與車站裝修特色產生矛盾的情況也時有發生。因此，應在確保播音效果和功能前提下，持續探索采用平板廣播等數量精簡的終端方案，以此在進行設備維護的同時降低既有線路改造的復雜度。

第四，優化視頻90d存儲方案。視頻監控的圖像數據存儲應當按照國家相關要求滿足90d時長存儲，同時結合當前上海既有軌道交通線路通信設備用房狹小現狀，以及既有動力電源能耗上限達到瓶頸等因素，研究在車輛基地或控制中心以單線或多線實施集中式或聚合式存儲90d視頻數據的可行性方案，以此實現需求導向下的設備集中布局和能源集約利用。

第五，提煉歸納業務接口種類和數量。隨著通信系統的不斷發展，在城市軌道交通通信業務中也存在不同的通信接口，如E1、RS422/485 等。但在IP 信息化的背景下，采用統一的IP 物理接口（如RJ45、ST/FC 等）有助于簡化傳輸設備板卡配置數量，優化綜合配線架規格，形成業務與基礎設施之間的標準接口界面，從而有效提高系統的維護效率。

2.1.2 構建框架體系結構，滿足長期擴展需求

通信系統按照功能定位，可分為業務信息系統和基礎設施系統兩類。其中，將傳輸系統、電源系統、信息入網系統、專用無線系統劃分基礎設施系統；而公務電話系統、專用電話系統、技術防范系統、乘客信息系統、時間系統、廣播系統等可劃分業務通信系統。

對于業務信息系統而言，應在充分調研、分析、梳理過去運營維護實踐中的需求后，結合市場主流方案架構，逐步形成一套基于控制中心—車站/車輛基地的典型系統架構圖，明確各個軟硬件模塊的功能（內涵）和接口（邊界），并確保模塊間的信息流和協議標準透明化、標準化，此后通過試點實踐逐步迭代形成企業標準。

所有大修改造系統應當結合大修改造逐步遵循上述框架結構來進行系統開發。系統開發的關鍵點在于合理、精確地定義軟硬件的功能及接口?？刹捎煤诤蟹绞介_發和交付，模塊內各家供應商可自行開發?？蚣苁侥K化、單元化功能及接口，意味著模塊間協議的開放和一致，這樣一方面在未來需求發生變化時，良好的開放系統架構能夠以較少的代價提供長期的功能調整；另一方面在未來供應商發生變化時，框架式結構和松耦合模塊將具備部件的互換性。

2.1.3 業務通信系統部件模組化，探索設備統型理念下的互替可行性

需求穩定后，各系統形成的功能模塊最終大部分會呈現為硬件形式，以實體進行交付，因此應逐步研究設備的最小可替換備件單元。例如，單臺交換機、服務器、控制器等，由于這些設備之間的通信協議在形成標準化后，就具備了不同供應商硬件搭配時使用的可行性。因此，應著力做好協議標準的精細化定義和構建，再結合改造升級項目設備采購前的入網標準化測試，實現硬件的即插即用，互替兼容。

2.1.4 系統網管南北向協議開放及標準化

站段級系統北向接口協議標準化對于控制中心側，乃至遠期的維護中心側來說，其可實現標準化系統的節點式接入和全功能對接，進而實現一網統管和全數據接入。

該架構將從“按線接入”向“按點接入”理念轉變，以便更加適應超大規模節點管理理念和現狀。通過平臺化方式對接中心級業務平臺和維護保障后臺監控系統的特點有：

其一，后臺保障監控平臺可有效識別異構節點的設備信息和狀態。

其二，故障定位至可替換模塊級。

其三，現場搶修將以簡單替換和快速恢復為主。

其四，可通過數據驅動優化料庫、工區用房中的備件數量和品種預測。

由此可見，此種模式更適應超大規模城市軌道交通運維保障體系。

2.2 項目實施方法策略

當前城市軌道交通更新改造方案呈現出多通信子系統的融合、合并改造趨勢，能夠有效避免反復改造對運營帶來的影響，進而形成集約效應。多系統整合改造有利于多種接口問題的協調，同時多次工程項目實施帶來的項目界面、時間及建設成本也高于多系統整線制改造。項目實施改造的目標及原則包括以下幾個方面：

2.2.1 形成標準化、模塊式、接口化改造方法

對不同車站特征形成固定模板庫；經過頂層規劃和需求梳理，去偽存真，做到簡約化和輕量化，結合運營和維護制度形成系列標準模板；結合高架站、地下站、通道換乘站、站廳換乘站、裝修特色站等特點和需求，形成不同設備模塊、終端及管線的選型方案，進而形成最優的組合式搭配；統一各系統終端操作界面，形成標準、簡潔、易懂、便捷、邏輯合理的線網一致標準圖形化操作界面。

2.2.2 改造方法應當以“運營無感”為目標原則

設施設備更新改造應當以最大限度降低對市民乘客出行、運營調度人員的干擾為原則開展。系統的改造一般可采用“先安裝、再割接、后拆除”的思路進行推進，系統、設備的配線數量應當優化至最少，配線拓撲應著力避免采用大型的、以機房為中心的方式，應以總線式、環網式、樹形拓撲來減少纜線敷設的工作量和復雜度，進而降低機房根部纜線數量。同時，應確保設備、終端安裝工藝支持快速安裝。

2.2.3 系統的集成化、小型化、綠色環保要求

當前既有城市軌道交通的運營現狀為現有設備用房面積不足，既有用電容量受限等現實問題，因此應著力研究控制設備體積、精簡機柜數量等改造原則。一方面要將改造環境作為輸入條件，另一方面應盡可能避免機房擴展，從而衍生出建筑、結構、環控、動照、消防等問題，導致改造方案難以實施。因此，系統整體改造時，應著力做到系統的集成化、小型化。

2.2.4 邊緣全要素數據采集和處理要求

多系統整線制改造時，應當根據頂層架構規劃和信息化要求，同步做好數據采集部署和頂層接入工作，從而為全專業的信息化運維元數據采集、處理和大數據分析奠定基礎，最終實現狀態修目標[2]。

2.3 設備用房改造策略

通信設備用房是系統改造升級的重要地點，其面臨的問題與新建線路不同。

首先，對于設備用房面積、位置已知并已有在用設備機柜的情況，無法按照新建設備用房的條件實施安裝。

其次，用房配套設施條件無法按照新建線路的標準進行預留。上述問題會導致改造項目的實施方案難以適配現有機房。

因此，應加強設備系統硬件部署方案設計，使其能夠適應現有狹小的、用電容量受限的、空調及管線條件不良的設備用房。過于粗放的設備機柜部署方案會給工程實施帶來困難。為此，實施改造項目時，對于設備用房的適用策略如下：

2.3.1 設備用房裝修配套標準

首先，應通過長期實踐，形成既有設備用房的裝修和布局標準，遵循實用、安全、可靠原則，結合不同房間的建筑形狀，提出若干標準布局方案以指導工程建設；其次，應形成照明、插座、空調、消防、安防、門禁、動環的位置、標識、操作等工藝標準，從而為現場巡檢及搶修制度和流程打好基礎；再次，部分設備可采用壁裝方式（如RRU 等），以節省機柜空間；最后，對各個系統的機柜內布局形成統一方案（基于框架式模組系統方案），便于套用線網統一模塊化維護方法。

2.3.2 建立機房倒替改造方法策略

針對既有升級改造設備用房有限，且設備用房內在設備持續在用的問題，應形成既有和新建設備用房倒替標準作業指導方案，確保新建設備系統上線后能夠與既有系統進行“運營無感”化倒換。同時，還應研究對既有設備的下線及拆除方法，從而為未來新一輪的大修改造或各子系統分階段改造創造便利條件。

3 結語

隨著超大規模城市軌道交通的持續長時間運營，其系統設備必然存在更新改造的工作。為此，以通信系統為例，針對系統更新改造面臨的各項問題，以及外部實施條件與新建線路的差異特殊性，從頂層架構標準、項目實施方法、用房適應條件三個維度提出了改造策略及要點思路，以期為未來城市軌道交通中的大量存量系統的改造工作提供參考。