何潔， 王森， 紀文莉

(1.上海申通地鐵建設(shè)集團有限公司，上海 200070； 2.上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，上海 201103)

0 引 言

上海軌道交通從2005年開始建設(shè)基于泛歐集群無線電(trans European trunked radio, TETRA)制式的專用無線集群系統(tǒng)，用于行車調(diào)度、車站運營指揮和維護應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)，形成了全線網(wǎng)共享雙核心，基站信號覆蓋上海軌道交通1～13號線、16、17號線的軌行區(qū)、車站、車輛基地、OCC和COCC等區(qū)域的大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)。

目前，各線路TETRA系統(tǒng)大修改造年限的臨近，上海軌道交通專用無線集群進入了密集改造時期。另外，TETRA系統(tǒng)采用窄帶時分多址(time division multiple access, TDMA)技術(shù)，數(shù)據(jù)承載能力較弱，已無法滿足視頻+語音的寬帶集群調(diào)度需求以及軌交專業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化、智慧化帶來的數(shù)據(jù)通信需求。

近年來，長期演進(long term evolution, LTE)無線寬帶技術(shù)從公網(wǎng)領(lǐng)域快速向?qū)＞W(wǎng)領(lǐng)域滲透，基于LTE技術(shù)的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)能夠較好地提供語音、視頻以及數(shù)據(jù)(電子工單、IPH等)的通信服務(wù)。隨著B-TrunC系統(tǒng)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范的發(fā)布實施，軌道交通專用無線集群系統(tǒng)采用B-TrunC制式取代TETRA，已成為行業(yè)共識。而TETRA技術(shù)應(yīng)用在全國范圍內(nèi)的萎縮所帶來的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)與支撐能力的不足，正進一步推動上海軌道交通加快專用無線集群系統(tǒng)寬帶改造的步伐——上海軌道交通從14、15、18號線開始的新建線路及后續(xù)既有線路改造將建設(shè)基于LTE的專用無線寬帶集群系統(tǒng)。

為此，本文全面總結(jié)了14、15和18號線工程的專用無線寬帶集群系統(tǒng)研究與驗證成果，明確了系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計及終端配屬等應(yīng)用關(guān)鍵內(nèi)容，供城市軌道交通同類工程參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

專用無線寬帶集群系統(tǒng)完整架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)側(cè)LTE設(shè)備和用戶側(cè)集群終端設(shè)備兩部分，如圖1所示。

圖1 專用無線寬帶集群系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖1中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)LTE設(shè)備旨在提供無線接入、有線傳輸以及核心網(wǎng)交換與控制等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，由BBU、RRU、傳輸系統(tǒng)部分通道、集群核心設(shè)備等專用設(shè)備以及必要的連接線纜、交換機等組成[1]。而用戶側(cè)集群終端設(shè)備面向軌道交通各種場景，提供個性化的界面操作與使用功能(語音/視頻通話、電子工單、網(wǎng)絡(luò)配置、用戶管理)，由調(diào)度子系統(tǒng)(含線網(wǎng)級、線路級)、網(wǎng)管子系統(tǒng)(含線網(wǎng)級、線路級)、手持臺、固定臺、車載臺以及必要的連接線纜、交換機等組成[2]。

值得注意的是，調(diào)度子系統(tǒng)(線路級)、網(wǎng)管子系統(tǒng)(含線網(wǎng)級、線路級)、固定臺和車載臺等用戶側(cè)集群終端設(shè)備在LTE專網(wǎng)硬件通信模塊和軟件SDK接口的基礎(chǔ)上，針對軌道交通使用場景與需求，進行了軟硬件的二次開發(fā)。

1.2 與既有線路TETRA系統(tǒng)的互聯(lián)互通

目前，上海軌道交通既有線路專用無線系統(tǒng)采用了基于無線窄帶技術(shù)的TETRA制式。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)級核心MSO、線路側(cè)接入網(wǎng)(基站、直放站及天饋系統(tǒng))和用戶側(cè)終端(含調(diào)度子系統(tǒng)、車載臺、固定臺、網(wǎng)管子系統(tǒng)、手持臺)組成[3]。TETRA制式線路與寬帶集群制式線路的換乘車站存在大客流管控、應(yīng)急聯(lián)動等不同線路管理區(qū)和不同制式用戶之間的相互通話需求。

一般來說，TETRA與寬帶集群的互聯(lián)互通有兩種方式，即核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)、接入層轉(zhuǎn)接互聯(lián)。具體如下。

(1) 核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)通過將不同制式無線系統(tǒng)的通信協(xié)議進行互譯、轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)不同制式系統(tǒng)用戶之間通信。隨著不同制式系統(tǒng)間協(xié)議開發(fā)程度的提高，該方式支持的互通功能越來越豐富，從簡單的語音通信到復(fù)雜的系統(tǒng)間互操作，且只需在核心網(wǎng)側(cè)部署，大幅減少換乘站接入層的互聯(lián)設(shè)備，增加了可靠性。因此，該方式是具有大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的城市軌交的首選方案。然而，不同制式系統(tǒng)供應(yīng)商之間協(xié)議開放壁壘是制約方案實施的首要挑戰(zhàn)。

(2) 接入層轉(zhuǎn)接互聯(lián)本質(zhì)上是通過設(shè)置轉(zhuǎn)接設(shè)備作為用戶，同時接入到不同制式系統(tǒng)的無線側(cè)，并以此中轉(zhuǎn)用戶為橋梁，將語音業(yè)務(wù)在不同制式的用戶間進行轉(zhuǎn)接。該方式優(yōu)點在于不涉及異制式間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、實施簡單；缺點在于互聯(lián)范圍和功能有限，通常1套轉(zhuǎn)接設(shè)備同時只支持1個通話組的語音通信，不支持短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，多用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)制式過渡期間的臨時通信。

考慮到上海軌道交通線網(wǎng)規(guī)模較大，TETRA制式和寬帶集群制式在未來數(shù)年內(nèi)將長期并存，且運營形式靈活、多樣化，其首選方案推薦核心為網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，如圖2所示。

圖2 專用無線寬帶集群系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.3 外部系統(tǒng)接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口主要包括與車輛的接口、與信號ATS的接口、與時間同步系統(tǒng)的接口、與線路傳輸系統(tǒng)的接口以及與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口等。

1) 與車輛的接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)與車輛的接口通過車載臺實現(xiàn)，接口界面位于車載臺的主機端子側(cè)。與車輛接口主要包括：列車廣播接口、車輛狀態(tài)接口、數(shù)據(jù)傳輸接口、電源及接地接口。

2) 與ATS的接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)與ATS在控制中心的接口模塊通過以太網(wǎng)口接收ATS系統(tǒng)的道軌信號，獲取列車車次號、列車車體號、列車上下行信息和列車位置信息等實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)進行實時更新。接口界面位于OCC通信機房配線架側(cè)。與ATS接口示意圖如圖3所示。

圖3 與ATS接口示意圖

3)與時間同步系統(tǒng)的接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)宜由線路集群調(diào)度服務(wù)器擔(dān)任時間同步的主機設(shè)備。通過獨立的網(wǎng)卡、按照規(guī)定的IP、以及NTP(network time procotol)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議申請校時的方式，實現(xiàn)與下掛在高速數(shù)據(jù)網(wǎng)的時間系統(tǒng)二級時間服務(wù)器之間的同步，同步間隔時間為0.5～6 min，并向二次開發(fā)調(diào)度臺和網(wǎng)管子系統(tǒng)服務(wù)器等輸出時間，保證系統(tǒng)內(nèi)時間的一致。接口界面位于OCC通信機房配線架側(cè)。

4)與線路傳輸系統(tǒng)的接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)與線路傳輸系統(tǒng)的接口界面位于車站(含集中站、非集中站)和OCC的通信機房配線架側(cè)。接口形式為電口，接口數(shù)量為4個(傳輸系統(tǒng)主用主控板2個+備用主控板2個)，每個接口帶寬為100 Mbps。

5)與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口

專用無線寬帶集群系統(tǒng)核心網(wǎng)與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口界面位于高速數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸節(jié)點所在微模塊的配線架側(cè)。接口形式為光口，接口數(shù)量2個(分別連接到高速數(shù)據(jù)網(wǎng)OTN不同板塊)。2個接口做聚合，共享1 000 Mbps帶寬。

2 功能設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)側(cè)LTE相關(guān)功能在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中已有詳細定義，而手持臺一般為原廠標(biāo)準(zhǔn)功能，這里均不再贅述其功能。本文主要介紹基于城市軌道交通運營調(diào)度需求的標(biāo)準(zhǔn)定制功能設(shè)計，以指導(dǎo)寬帶集群在多條線路推廣時的功能使用統(tǒng)一。

2.1 調(diào)度子系統(tǒng)

線路級調(diào)度子系統(tǒng)由寬帶集群調(diào)度服務(wù)器作為后臺，多臺與之相連的調(diào)度臺作為前端，供調(diào)度員實現(xiàn)對本線內(nèi)無線用戶的語音/視頻呼叫、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收、通話組管理和列車廣播等功能。為保證對列車運行調(diào)度指令傳達的及時準(zhǔn)確、避免調(diào)度指揮的混亂，行車調(diào)度臺只能向本行車調(diào)度管轄區(qū)(正線、車輛段)內(nèi)的列車車載臺發(fā)起調(diào)度指揮呼叫。一般情況下，行車調(diào)度指令必須通過調(diào)度子系統(tǒng)下達，以保證列車駕駛員接收到的行車調(diào)度指令唯一、準(zhǔn)確、可靠和可回溯。同理，與行車調(diào)度指揮有關(guān)的語音或視頻通話也使用調(diào)度子系統(tǒng)完成。此外，由于調(diào)度員在崗使用調(diào)度臺時間較長，調(diào)度臺監(jiān)聽與呼叫功能以外放為主、耳麥為輔的原則。調(diào)度子系統(tǒng)設(shè)計的功能可分為一般功能、管理功能、通話功能和數(shù)據(jù)功能，如表1所示。

表1 調(diào)度子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功能表

2.2 車載臺

為確保列車運行的安全可靠，保證對列車運行調(diào)度指令傳達的及時準(zhǔn)確，且滿足列車運行調(diào)度指揮的作業(yè)需求，車載臺具有專用定制功能，列車司機登車后使用車載臺與調(diào)度員進行行車相關(guān)通信。車載臺應(yīng)具備語音呼叫、車廂廣播以及注冊/注銷等上海軌道交通標(biāo)準(zhǔn)專用功能，如表2所示。

表2 車載臺標(biāo)準(zhǔn)功能表

2.3 固定臺

固定臺置于車控室，相比于手持臺，具有請呼列車和請呼調(diào)度等行車組織相關(guān)功能，在本站呼叫時，具有更高優(yōu)先級話權(quán)，其標(biāo)準(zhǔn)功能如表3所示。

2.4 網(wǎng)管子系統(tǒng)

上海軌道交通寬帶集群網(wǎng)管子系統(tǒng)為綜合性集成網(wǎng)管，通過二次開發(fā)，實現(xiàn)對專用無線系統(tǒng)中的其他終端設(shè)備、LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)

表3 固定臺標(biāo)準(zhǔn)功能表

備、時鐘服務(wù)器以及交換機等所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，具有設(shè)備故障的實時顯示，歷史故障的存儲、查詢及打印，無線空中信令的存儲(呼叫信息)、查詢、打印以及故障信息上報集中告警系統(tǒng)等功能。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化集中運維需求，網(wǎng)管采用分級架構(gòu)，在各OCC和集中指揮大樓設(shè)置線路級網(wǎng)管系統(tǒng)和線網(wǎng)級網(wǎng)管系統(tǒng)，并實現(xiàn)告警、權(quán)限和監(jiān)控對象等的分級分類，其標(biāo)準(zhǔn)功能如表4所示。

表4 管理子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功能表

3 終端分配原則

3.1 調(diào)度臺

對于OCC的行車調(diào)度、綜合調(diào)度和設(shè)備調(diào)度等崗位類型，按同時在崗的調(diào)度人員數(shù)量1∶1對應(yīng)設(shè)置調(diào)度臺。在車輛基地合設(shè)DCC的情況下，DCC行車值班崗位統(tǒng)一實現(xiàn)了基地行車調(diào)度和列車運轉(zhuǎn)調(diào)度，該崗位設(shè)置2臺調(diào)度臺(主備冗余)；在車輛基地DCC與信號樓分設(shè)的情況下，基地行車調(diào)度崗和信號樓值班崗分別對應(yīng)設(shè)置1臺調(diào)度臺。

3.2 車載臺

車載臺按電客列車和工程車的司機駕駛端數(shù)量進行分配。電客列車采用換端折返運行模式，因此每列車的車頭和車尾處分別設(shè)置1臺車載臺。工程車僅一端有司機室，每列工程車設(shè)置1臺車載臺。

3.3 固定臺

按車站車控室數(shù)量，1∶1對應(yīng)設(shè)置固定臺。

3.4 網(wǎng)管子系統(tǒng)

網(wǎng)管子系統(tǒng)分二級設(shè)置，分別面向全線網(wǎng)和所在線路的系統(tǒng)管理。OCC設(shè)置1套線路級網(wǎng)管子系統(tǒng)，負責(zé)所在線路的寬帶集群系統(tǒng)設(shè)備、LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、時鐘服務(wù)器、交換機等所有設(shè)備的管理。集中控制指揮大樓設(shè)置1套線網(wǎng)級網(wǎng)管子系統(tǒng)，由各線路共享復(fù)用，負責(zé)全線網(wǎng)的寬帶集群系統(tǒng)設(shè)備、LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、時鐘服務(wù)器和交換機等所有設(shè)備的監(jiān)視。

3.5 手持臺

手持臺主要為移動辦公人員提供通信服務(wù)，根據(jù)崗位特點進行分配。手持臺配置的主要對象包括車站運營管理人員、司機/多職能隊伍、調(diào)度人員、維修人員。

(1) 車站運營管理人員分配原則。非換乘車站應(yīng)配置6臺手持臺，如表5所示。

表5 非換乘站手持臺分配表

對于換乘車站，手持臺分配原則如下。

① 對于非統(tǒng)一管理的換乘站，各線分管理班組分別按表5分配手持臺，并增配1臺供通道客運組織管理使用。

② 對于統(tǒng)一管理的換乘站，根據(jù)值班站長、設(shè)備值班員的數(shù)量分配對應(yīng)數(shù)量的手持臺。各線路分別為站臺站務(wù)員/接車員配置2臺手持臺。行車值班員的手持臺根據(jù)崗位數(shù)1∶1配置。臨時引導(dǎo)/疏導(dǎo)的手持臺根據(jù)應(yīng)急處置或大客流情況下的崗位需要統(tǒng)一分配手持臺。

③ 對于寬帶集群系統(tǒng)與TETRA系統(tǒng)共存的換乘車站，若采用接入層轉(zhuǎn)接方式互聯(lián)，即寬帶集群制式的車站區(qū)域與TETRA制式的車站區(qū)域通過轉(zhuǎn)接設(shè)備實現(xiàn)不同系統(tǒng)終端間的語音組呼功能，則寬帶集群制式的車站區(qū)域引入有線的TETRA無線信號覆蓋，并在寬帶集群制式的車站增配1臺TETRA手持臺，以建立跨系統(tǒng)組呼業(yè)務(wù)。

(2) 司機/多職能隊伍手持臺分配原則：鑒于司機/多職能隊伍核心作業(yè)圍繞列車展開，司機/多職能隊伍手持臺按列車數(shù)量為參考進行分配；考慮到上海軌道交通司機數(shù)量約為列車數(shù)量的1.5倍，司機/多職能隊伍手持臺按照列車數(shù)量×1.5倍配備。若因效率提升、人員優(yōu)化，存在剩余手持臺，可供運營部門內(nèi)部協(xié)調(diào)用。

(3)OCC人員手持臺分配原則：對于行車調(diào)度、綜合調(diào)度、設(shè)備調(diào)度三個崗位，每個崗位人員對應(yīng)配置1個手持臺。對于調(diào)度值班長、控制中心管理員兩個崗位，崗位人員的手持臺配置優(yōu)先從司機/多職能隊伍分配后的剩余手持臺中供給。

(4)停車場、車輛段運管人員手持臺分配原則：基地行車調(diào)度崗位、基地綜合調(diào)度崗位、基地行車值班崗位、信號樓值班崗位(若有)，每個崗位配置1個手持臺。

(5)維修人員手持臺分配原則：新建線路及既有改造線路按通號、車輛、供電、工務(wù)和后勤五個專業(yè)分別分配20臺手持臺；延伸線根據(jù)線路情況為各專業(yè)分配2～5個。

4 結(jié)束語

上海軌道交通已經(jīng)在14、15、18號線成功部署并運行了基于LTE的寬帶集群系統(tǒng)。本文在全面總結(jié)其寬帶集群系統(tǒng)引入應(yīng)用的研究成果，提出了系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計和終端分配等應(yīng)用部署關(guān)鍵內(nèi)容，以指導(dǎo)上海軌道交通后續(xù)線路實施、推廣，并為業(yè)內(nèi)城市軌道交通同類工程提供參考。