何 潔

(上海申通地鐵建設(shè)集團有限公司， 200070， 上海∥高級工程師)

目前，城市軌道交通作為上海市立體交通的重要組成部分，承擔(dān)著緩解通行壓力、提高城市運轉(zhuǎn)效率等重要使命。同時，超大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和客流量也使得運營成本、運行效率、服務(wù)能力三者間的矛盾日益突出，而傳統(tǒng)的人員、工時、物資等資源性疊加投入的方式對緩解上述矛盾的邊際作用已遞減。因此，上海城市軌道交通下一輪建設(shè)改造的重要命題之一就是研究如何通過技術(shù)革新，實現(xiàn)各系統(tǒng)集約、增效和賦能的目標(biāo)。

作為城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，通信系統(tǒng)實現(xiàn)了各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的連接匯聚、人員的指揮聯(lián)動、信息的發(fā)布服務(wù)、公眾的安全監(jiān)控和業(yè)務(wù)場景的聯(lián)系等基礎(chǔ)功能，并進一步支撐著城市軌道交通其他系統(tǒng)數(shù)字孿生、智能運維和智慧平臺等上層應(yīng)用的構(gòu)建，承擔(dān)著城市軌道交通技術(shù)演進基礎(chǔ)支撐和排頭兵的作用。同時數(shù)字寬帶、視覺感知和融合通信等技術(shù)的迅猛發(fā)展也使得通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展面臨著諸多不確定的方向。

為此，本文全面分析了上海城市軌道交通通信系統(tǒng)發(fā)展中面臨的現(xiàn)狀與形勢，并結(jié)合各類通信技術(shù)的演進趨勢，明確上海城市軌道交通通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，提出各類通信子系統(tǒng)后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃。

1 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 存在的問題

到2025年，上海城市軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)總里程將增至約978 km(不含市域(郊)鐵路)，線網(wǎng)規(guī)模和服務(wù)客流將進一步提升。然而，超大的線網(wǎng)規(guī)模也存在諸多問題。

1) 系統(tǒng)制式、設(shè)備種類繁多，以及新、舊線路存在技術(shù)代差。通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展較快，導(dǎo)致各子系統(tǒng)具有系統(tǒng)制式、設(shè)備種類繁多和新、舊線路技術(shù)代差較大的特征。傳統(tǒng)以滿足單線路功能需求為核心的通信系統(tǒng)架構(gòu)已無法支撐效能、質(zhì)量、成本三者之間的平衡。因此，通過橫向合理整合通信資源、簡化系統(tǒng)架構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)功能，打造高綜合承載性、高線網(wǎng)共享性和高服務(wù)拓展性的通信系統(tǒng)是上海城市軌道交通通信系統(tǒng)下一輪建設(shè)改造亟待解決的問題。

2) 面對多樣化發(fā)展的業(yè)務(wù)，通信系統(tǒng)的縱向基礎(chǔ)服務(wù)性能和橫向擴展服務(wù)能力有待升級。上海城市軌道交通功能定位從單一的交通運輸功能向綜合服務(wù)的城市地鐵網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，運維模式從單條線封閉式運維向多條線路的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智慧化、無人化的綜合運維發(fā)展。但其通信系統(tǒng)的縱向基礎(chǔ)服務(wù)性能和橫向擴展服務(wù)能力尚不能完全支撐上層業(yè)務(wù)的定位調(diào)整和重大轉(zhuǎn)型，因此需要進一步升級縱向基礎(chǔ)服務(wù)性能(如帶寬、容量等)和橫向拓展通信服務(wù)能力(如無線靈活接入、物聯(lián)網(wǎng)通信等)。

1.2 形勢要求

通信系統(tǒng)是軌道交通打造數(shù)字底座，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)字化、智慧化演進的基礎(chǔ)支撐。此外，城市軌道交通的運行、運營和維護等各類作業(yè)模式的升級換代也須依托底層通信技術(shù)的發(fā)展。通信系統(tǒng)將繼續(xù)定位于上海城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施，但需不斷演進與賦能業(yè)務(wù)，以支撐更加豐富的應(yīng)用場景。而通信系統(tǒng)演進取決于政策新指導(dǎo)、通信技術(shù)新特性及業(yè)務(wù)發(fā)展新需求等3方面因素。

在政策方面，國家正推廣5G (第5代移動通信技術(shù))、數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，再加上其在垂直行業(yè)的應(yīng)用，促進城市軌道交通等傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。因此，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)應(yīng)積極響應(yīng)國家戰(zhàn)略要求，降低行業(yè)技術(shù)壁壘，促進行業(yè)內(nèi)、外技術(shù)產(chǎn)業(yè)大循環(huán)。

在技術(shù)方面，寬帶傳輸、人工智能和5G等先進技術(shù)不但極大地提升了通信系統(tǒng)性能，還提供了智能安檢、智能分析、海量物聯(lián)和室內(nèi)定位等新特性，可更好地服務(wù)于上海城市軌道交通各專業(yè)系統(tǒng)。結(jié)合先進技術(shù)發(fā)展成果，持續(xù)提升通信系統(tǒng)對其他專業(yè)系統(tǒng)和各個應(yīng)用場景的支撐能力是上海城市軌道交通通信系統(tǒng)演進升級的外在要求。

在業(yè)務(wù)方面，隨著上海城市軌道交通全自動駕駛、智慧城市軌道交通等新技術(shù)和理念的推廣應(yīng)用，既有通信系統(tǒng)在覆蓋完整性、網(wǎng)絡(luò)資源共享、泛在物聯(lián)支持、接口標(biāo)準(zhǔn)化、監(jiān)控智能化水平等方面將明顯存在不足，難以滿足新型應(yīng)用的需求。為此，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)應(yīng)以數(shù)字化、智慧化為核心，持續(xù)推動通信基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)優(yōu)化和功能升級，以更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)技術(shù)演進和新型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化推廣的內(nèi)在要求。

2 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)發(fā)展的藍圖與目標(biāo)

2.1 總體藍圖

為應(yīng)對未來上海城市軌道交通日益增長的通信需求，支持不斷涌現(xiàn)的各類業(yè)務(wù)創(chuàng)新和應(yīng)用場景，通信系統(tǒng)將以業(yè)務(wù)為中心，按照可持續(xù)發(fā)展的通信信息技術(shù)創(chuàng)新路線，構(gòu)建安全、可靠、可用和靈活易拓展的通信系統(tǒng)體系。該體系需具備以下能力：

1) 拓展性：在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不改變的情況下，通信系統(tǒng)各層級可以在不間斷運行的條件下，通過調(diào)整設(shè)備、功能模塊或局部升級，以滿足各類新增業(yè)務(wù)需求。

2) 兼容性：不同時間、品牌、版本或線路的軟件和硬件可以完全互聯(lián)互通，相互協(xié)調(diào)工作。

3) 安全性：在通信全過程和系統(tǒng)運行全過程，保障相關(guān)程序和數(shù)據(jù)的完整、保密、穩(wěn)定、合法、可信等，不被非法修改、破壞。

4) 通用性：重要的通信接口和設(shè)備規(guī)格需標(biāo)準(zhǔn)化，不同品牌設(shè)備在不同線路間實現(xiàn)互替互換、穩(wěn)定可靠運行。

5) 可靠性：在設(shè)計的生命周期和各使用(尤其是無人化場景)條件下，可靠運行，完善系統(tǒng)應(yīng)對各種意外情況、發(fā)揮設(shè)計功能的能力。

6) 通信性能：進一步提升帶寬、時延、丟包率、誤碼率、切換成功率、容量、并發(fā)數(shù)量等通信服務(wù)指標(biāo)。

7) 智能化水平：提高通信系統(tǒng)運行、維護，以及所提供服務(wù)的智能化程度，實現(xiàn)少人或無人化的運維，輔助或替代服務(wù)對象決策。

8) 綠色效能：響應(yīng)國家碳中和、碳達峰發(fā)展戰(zhàn)略，降低能源消耗；在無線干擾和電磁兼容方面提升效能。

2.2 發(fā)展目標(biāo)

目前，從功能上歸類，上海城市軌道交通通信系統(tǒng)可分為通信連接、信息服務(wù)、安全監(jiān)控、輔助支撐4大類，共計14個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of Shanghai rail transit communication system

基于上述總體藍圖和系統(tǒng)框架，通信系統(tǒng)需達到架構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)發(fā)展2類目標(biāo)。

2.2.1 架構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

上海城市軌道軌道交通通信系統(tǒng)按照發(fā)揮的作用，可分為核心處理層、傳輸接入層和終端應(yīng)用層。而通信系統(tǒng)各層級按照集約共享、靈活可擴展的原則，分別向著網(wǎng)絡(luò)化共享、有線/無線綜合承載、多樣化場景應(yīng)用支持的方向演進，具體要求如下：① 核心處理層從單條線路建設(shè)向網(wǎng)絡(luò)化共享演進;② 按業(yè)務(wù)安全可靠特性歸類的通信綜合承載;③ 覆蓋范圍靈活拓展，支持多樣化應(yīng)用接入。

2.2.2 技術(shù)發(fā)展目標(biāo)

1) 通信連接類系統(tǒng)。上海城市軌道交通通信連接功能相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是接口標(biāo)準(zhǔn)化、物聯(lián)泛在化及通信能力提升，旨在實現(xiàn)人與人之間、人與物之間以及物與物之間在相同時間基準(zhǔn)下的無障礙交互。

2) 信息發(fā)布類系統(tǒng)。信息發(fā)布類系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是在既有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上整合與簡化系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)源的質(zhì)量和內(nèi)容。

3) 安全監(jiān)控類系統(tǒng)。安全監(jiān)控類系統(tǒng)主要是技防系統(tǒng)。受人工智能、無線寬帶技術(shù)的影響，技防系統(tǒng)的技術(shù)演進方向為精細化、云集化、智能化、移動化。

4) 輔助支撐類系統(tǒng)。在輔助支撐類系統(tǒng)中，民用通信系統(tǒng)用于為乘客、車站附屬設(shè)施等提供公網(wǎng)通信服務(wù)，并隨公網(wǎng)技術(shù)路線持續(xù)演進。電源及接地應(yīng)考慮5G等新系統(tǒng)引入帶來的擴容、安全等要求。而集中告警系統(tǒng)向智能化綜合運維的目標(biāo)發(fā)展，在各子系統(tǒng)網(wǎng)管數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建通信智能平臺，提供集成化、智能化的運維主動服務(wù)功能，以取代原集中告警系統(tǒng)單一、被動的告警功能。

3 上海城市軌道交通通信系統(tǒng)中重要子系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃研究

按照上述通信系統(tǒng)分類、藍圖和目標(biāo)，本文對上海城市軌道交通通信系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)做出發(fā)展規(guī)劃建議，提出其系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)制式、性能拓展、接口標(biāo)準(zhǔn)等方面的演進方向。

3.1 通信連接類

3.1.1 有線通信承載網(wǎng)

按照一張網(wǎng)綜合承載的原則演進，有線通信承載網(wǎng)包含通信光纜、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)等3部分，且提供了一張網(wǎng)絡(luò)所需具備的物理連接、獨立通道通信、數(shù)據(jù)包交換與路由3大功能，以及綜合承載了除列車控制以外的其他生產(chǎn)、管理業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

注：3C為全線網(wǎng)調(diào)度指揮中心；SDH為同步數(shù)字體系傳輸制式。圖2 上海城市軌道交通有線通信承載網(wǎng)總拓撲Fig.2 General topology of Shanghai urban rail transit wired communication bearer network

通信光纜和傳輸系統(tǒng)均保持線網(wǎng)級、線路級兩層傳輸網(wǎng)的架構(gòu)同步建設(shè)，通信光纜為傳輸系統(tǒng)提供基礎(chǔ)物理資源。其中，線網(wǎng)級傳輸統(tǒng)一建設(shè)管理，根據(jù)各項業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需要，對應(yīng)拓展并調(diào)整業(yè)務(wù)端口和節(jié)點布局；線路級傳輸系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)發(fā)展選擇主流、標(biāo)準(zhǔn)、先進的系統(tǒng)制式，綜合承載生產(chǎn)類業(yè)務(wù)。而數(shù)據(jù)通信網(wǎng)則基于傳輸系統(tǒng)的透明通道實現(xiàn)接入層的信息布點、OCC(運營控制中心)側(cè)的線路側(cè)匯聚及線網(wǎng)側(cè)的核心交換，為各管理類業(yè)務(wù)提供通信服務(wù)。

在網(wǎng)絡(luò)安全方面，通信光纜和傳輸系統(tǒng)均提供透明通信通道，其安全防護更側(cè)重管理和物理防護。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)最接近業(yè)務(wù)側(cè)，涉及數(shù)據(jù)路由，存在一定的安全風(fēng)險；相關(guān)網(wǎng)絡(luò)劃分為生產(chǎn)網(wǎng)域、管理網(wǎng)域和互聯(lián)網(wǎng)域，并對其進行分級保護。其中，生產(chǎn)網(wǎng)域的核心子網(wǎng)域與輔助子網(wǎng)域通過成對的單向網(wǎng)閘實現(xiàn)互聯(lián)與安全收斂；生產(chǎn)輔助子網(wǎng)域與管理網(wǎng)域通過雙向網(wǎng)閘互聯(lián)；管理網(wǎng)域設(shè)置隔離緩沖區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)交互。此外，為了實現(xiàn)責(zé)任界面清晰和網(wǎng)絡(luò)資源集約的均衡，生產(chǎn)網(wǎng)由各專業(yè)系統(tǒng)的自組局域網(wǎng)組成，管理網(wǎng)由通信專業(yè)統(tǒng)一建設(shè)和運維；在統(tǒng)一的網(wǎng)域劃分和網(wǎng)域間接口約束的準(zhǔn)則下，同網(wǎng)域系統(tǒng)間互聯(lián)的安全防護由各對應(yīng)專業(yè)負責(zé)。

在技術(shù)演進方面，上海城市軌道交通將跟蹤SDN (軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進程和產(chǎn)業(yè)情況，適時開展相關(guān)SDN應(yīng)用研究，以改善數(shù)據(jù)通信網(wǎng)控制功能分散于全網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元不利于網(wǎng)絡(luò)策略集中部署的現(xiàn)狀，從而簡化運維管理，降低整體全生命周期成本。

3.1.2 專用無線通信系統(tǒng)

專用無線通信系統(tǒng)采用按業(yè)務(wù)特性分類建設(shè)和承載的原則。運營指揮類無線系統(tǒng)采用自建專用LTE(長期演進)系統(tǒng)綜合承載CBTC(基于通信的列車控制)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)，以及部分重要的車載狀態(tài)數(shù)據(jù)(可選)，逐步替換既有線路的TETRA(陸上集群無線電)窄帶系統(tǒng)。既有線路列車運行狀態(tài)、人員辦公等運營輔助類無線系統(tǒng)暫通過Wi-Fi制式的MMIS(城市軌道交通移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng))承載，如圖3所示。

注：AP為無線訪問接入點；BBU為基帶處理單元； RRU為射頻拉遠單元；CCTV為閉路電視；GPS為全球定位系統(tǒng)；PSTN為公共交換電話網(wǎng)絡(luò);TAU為車載接入單元。

隨著5G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，上海城市軌道交通持續(xù)探索研究利用運營商5G公網(wǎng)承載運營輔助類無線的可行性。在技術(shù)方案成熟可靠、商務(wù)競爭力強勁的前提下，適時考慮運營輔助業(yè)務(wù)由MMIS承載過渡到5G承載，并利用5G海量物聯(lián)的特性，支撐泛在物聯(lián)相關(guān)應(yīng)用。

3.1.3 電話系統(tǒng)

上海城市軌道交通電話系統(tǒng)繼續(xù)按專用電話與公務(wù)電話同技術(shù)制式、獨立分離的原則設(shè)計，分別共享網(wǎng)絡(luò)級軟交換核心。后續(xù)電話系統(tǒng)考慮采用多軟交核心均衡分擔(dān)線路接入負荷，以提高其可靠性。公務(wù)電話探索研究借用運營商公網(wǎng)服務(wù)實現(xiàn)線路側(cè)電話接入的可行性。

3.2 安全監(jiān)控類系統(tǒng)

基于有線通信承載網(wǎng)的通道，技防系統(tǒng)逐步改造為由網(wǎng)絡(luò)級安防平臺、線路級安防子平臺和車站級安防子平臺組成的3層系統(tǒng)架構(gòu)，為車站、OCC和上層網(wǎng)等3個層面的用戶提供前端共享的能力，以降低建設(shè)和運維成本，如圖4所示。

注：COCC為中央運行控制中心。圖4 技防系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃Fig.4 Architecture planning of technical protection system

后續(xù)上海城市軌道交通將根據(jù)技防系統(tǒng)架構(gòu)，完善線網(wǎng)級安防集成平臺搭建，并標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)接口，建立相應(yīng)的檢驗?zāi)芰?。在功能方面，技防系統(tǒng)將結(jié)合視頻智能分析技術(shù)、云計算和無線寬帶技術(shù)，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)視頻智能分析平臺，提供算法訓(xùn)練統(tǒng)一環(huán)境，結(jié)合5G等新技術(shù)拓展系統(tǒng)移動監(jiān)控、客流分析、人臉和行為識別等智能感知和智慧挖掘的能力。

此外，技術(shù)防范各子系統(tǒng)還將向集約化、協(xié)同化方向發(fā)展，基于平臺、數(shù)據(jù)、算法的共享，實現(xiàn)技術(shù)防范的危險事件分析預(yù)警、事件中的多系統(tǒng)迅速聯(lián)動響應(yīng)、事后的軌跡和事件追蹤，以提升城市軌道交通車站、區(qū)間等重點部位的安全防范水平。

3.3 信息服務(wù)類系統(tǒng)

上海城市軌道交通將按照PA/PIS(廣播/乘客信息系統(tǒng))音頻、視頻統(tǒng)一信息服務(wù)的原則，逐步整合PIS與PA后臺控制和信息輸入管理，實現(xiàn)視頻、音頻信息的統(tǒng)一發(fā)布與控制，增加車廂滿載率等展示內(nèi)容和換乘電子屏導(dǎo)向等展現(xiàn)形式，擴展信息服務(wù)廣度，豐富信息服務(wù)形式，并逐步有序取消車站二級母鐘，優(yōu)化冗余信息服務(wù)，以經(jīng)濟集約地滿足日趨復(fù)雜、高標(biāo)準(zhǔn)的運營模式對信息發(fā)布的需求。

此外，上海城市軌道交通還將建立PA/PIS與ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口規(guī)范體系，以優(yōu)化數(shù)據(jù)源實時性、準(zhǔn)確性和完整性等方面的質(zhì)量；并研發(fā)相應(yīng)的接口監(jiān)測和檢測平臺軟件，以準(zhǔn)入檢測、在線監(jiān)測的方式，保障接口規(guī)范和數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時把控信息服務(wù)的關(guān)鍵影響因素。

3.4 輔助支持類系統(tǒng)

民用通信系統(tǒng)跟隨公網(wǎng)技術(shù)路線持續(xù)演進。上海城市軌道交通將配合運營商積極推進5G在車站站廳、站臺和區(qū)間等乘客可達公共區(qū)域的信號覆蓋，并研究在車輛基地、車站專用機房等管理區(qū)域補充信號覆蓋、公專合用的可行方案。

電源系統(tǒng)在下一輪建設(shè)改造中繼續(xù)采用共享綜合UPS(不間斷電源)的方案。同時該系統(tǒng)將基于歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)設(shè)計和容量計算上更精細，使得資源利用率更高。

集中告警系統(tǒng)應(yīng)按照上海城市軌道交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型的整體要求，提升智能化運維水平。將該系統(tǒng)整合到智能化運維平臺中，使其與相關(guān)信息化系統(tǒng)打通，并整合、關(guān)聯(lián)各通信系統(tǒng)的網(wǎng)管數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)測管理；同時針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘、分析系統(tǒng)的健康度，降低計劃修的比例，逐步增加狀態(tài)修和預(yù)防修的占比，從而有效減少重復(fù)無效的人工勞動，降低對運營造成實際影響的故障，提升系統(tǒng)運行的可靠性，為維護工作提供更全面、高效、方便的信息化支持。

4 結(jié)語

上海城市軌道交通在“十三五”期間取得了顯著的成績，形成了超大規(guī)模線路網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)了日均千萬級客流，但也為各系統(tǒng)帶來了運營成本、運行效率、服務(wù)能力三者間的突出矛盾。為此，本文首先研究分析了作為其他系統(tǒng)技術(shù)演進基礎(chǔ)支撐的通信系統(tǒng)的既有問題和形勢要求，明確提出了相應(yīng)的總體藍圖，并針對性地制定了下階段各分類子系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃要求，力爭在下一輪上海城市軌道交通新線建設(shè)和既有線改造中，通過有序地應(yīng)用新一代信息通信技術(shù)，達到系統(tǒng)集約、增效和賦能的效果。