成都地铁1号线信号系统车地无线改造工程方案

张世铭，张建明，许 瑜

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610000;2.成都地铁运营有限公司，成都 610000；3.浙江众合科技股份有限公司，杭州 310000）

1 概述

成都地铁1 号线是2010 年建成运营的地铁线路，线路全长41 km，均为地下线。全线共设35 座车站，1 座车辆段（含试车线）、1 座停车场和1 个控制中心，配置73 列6B 编组电客车。信号系统原车地无线系统采用2.4 GHz 开放频段无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），A 网和B 网分别采用频点1 和6，采用思科设备组网。在线运营超过10 年，存在设备老化严重、备品/备件停产、在线监测不完善、公众通信技术快速从3G 到5G 的演进，地下有限空间内同时存在3G、4G、5G 等3 家运营商的10 余个频段。1 号线工作日客流超百万，乘客车上4G 通信需求大，手机热点多，导致2.4 GHz 频段带内、带外受干扰严重。WLAN 产品本身抗带内干扰、抑制带外干扰能力有限，导致信号车-地数据传输经常中断，进而导致列车紧急制动（最高峰超过20 次/天），带来严重的行车安全隐患和乘车体验，亟需通过改造来保证运营安全和服务质效。

2 网络架构

基于1.8 GHz 专用频段的城市轨道交通车-地综合通信系统(Long Term Evolution for Metro，LTE-M) 采用A/B 双网架构，每张网络均由有线环网、核心网、基站、车载终端及天馈系统组成，均承载信号系统基于通信的列车控制系统（Communications Based Train Control，CBTC）业务。核心网（Evolved Packet Core network，EPC）集中部署在控制中心，基带处理单元（Base Band Unit，BBU）分散设置在设备集中站、车辆段及停车场，射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）设置在轨旁所有需要CBTC 业务覆盖的区域。A/B 双网的RRU 同站址部署，通过不同的光电缆连接至A/B 双网的BBU。A/B 双网无线射频信号通过合路器合路后馈入漏缆或定向天线。车载接入单元（Train Access Unit，TAU）分别设置在列车前后司机室，两端TAU 分属于A/B 网。试车线与正线共用核心网。网络架构如图1 所示。

图1 LTE-M车地无线网络架构Fig.1 LTE-M vehicle-ground wireless network architecture

3 改造工程方案

3.1 设计原则与思路

在已开通运营线路上将车-地无线系统从WLAN 制式改造为LTE-M 制式，务必保证行车安全，降低改造风险，主要设计原则如下。

1）改造方案的安全性、性能指标、可靠性和可用性，应不低于既有系统；

2）改造方案应在保证线路不停运、不降低运输能力和安全等级的条件下进行。在实施过程中，新旧轨旁设备、车载设备应能相对独立运行，以确保改造全过程中的统一行车指挥；

3）改造方案应紧密结合现场条件，减少土建、车辆、动照、装修等专业的连带改造；

4）改造方案应具有工程实施的可操作性，能有效缩短工期。

改造方案思路如下。

1）异地技术验证；

2）正线、场段轨旁（室内）网络建设；

3）同步软件、接口实验室开发调试；

4）单车载TAU 的更换与夜间试跑；

5）小批量双网双车载数传设备的线路混跑；

6）批量更换车载TAU；

7）拆除既有网络设备。

3.2 改造设计方案

3.2.1 频率规划

LTE-M 网络使用轨道交通专用1.8 G 频段(1 790 ～1 800 MHz)，每个网络各使用不同的5 MHz 频宽。

3.2.2 时钟同步

LTE-M 网络使用室外卫星同步天线作为主用时钟，当出现故障时，基站的晶振可保持24 h。同时，在中心设置1 588 V2 时钟服务器作为备用时钟。

3.2.3 无线覆盖

以不侵入设备限界、满足系统可用性及作业点内施工可实施性为原则，对全线进行轨旁设备及漏缆的安装条件踏勘。正线全程使用漏缆覆盖，按照常规区间、岛式站台、侧式站台、联络线、渡线、单洞多轨岔区、出/入段线及其他安装空间受限现场的分类，采用原厂与定制安装件结合使用的安装方案。场段使用定向天线覆盖。

3.2.4 室内设备改造

室内设备改造对象为EPC、BBU、以太网交换机、电源屏等。LTE-M 网络设备均为新增，电源屏改造首选利旧原则，条件不具备时新设电源设备。

3.2.5 车载设备改造

车载设备改造分为3 个阶段：第一阶段完成车载天线及馈线的安装并敷设配线至车载CC 机柜；第二阶段过渡期，在每个夜间作业点内进行拆除车载移动无线单元（Mobile Radio，MR），安装车载TAU并验证，而后复原车载MR；第三阶段是永久性拆除车载MR 并安装车载TAU。

3.3 实施步骤

车地无线改造方案以不影响既有线运营为前提，在整个改造过程中，LTE-M 网络与WLAN 网络长期并存，给运营管理和工程实施带来相应风险，按照以下关键节点开展工作，如图2 所示。

图2 车地无线改造工程关键节点Fig.2 Key nodes of vehicle-ground wireless system renovation project

3.3.1 试车线验证

在试车线新建LTE-M 网络（A/B 双网），调配两列电客车（其中一列临时改造为LTE-M 通信车），同时开启LTE-M 及WLAN 网络，测试两种网络并行下信号系统的兼容性。

3.3.2 施工安装及检查

通过逐站逐区间的现场踏勘形成报告，明确安装要求，完成风险评估（含与相关专业的连带调整）后进行施工安装。在施工安装完成后，基于LTE-M标准对室内设备、轨旁设备及线缆进行检查，内容包括对漏缆及天线安装、光电缆敷设、设备安装、防雷保护、接地保护的测试及验证。

3.3.3 有线网调试

安装检查阶段完成后进入有线网调试，调试内容包括加电测试、交换机连通性测试、环网冗余切换测试、CBTC 子系统之间通讯测试和路由测试等。

3.3.4 无线网调试（静态调试）

无线网调试采用循环测试法，利用路测工具测试无线场强覆盖标准、网络服务质量标准、网络切换质量标准等指标。路测人员输出问题调整方案，交与施工方整改，保证轨旁覆盖完整无盲区，直至网络指标达到LTE-M 规范要求。

3.3.5 无线网调试（动态调试）

静态调试合格后，按联锁区在夜间作业点内利用少量临时改造的LTE-M 通信车，动车模拟真实运营环境，测试列车在正常动车环境下的无线覆盖质量测试，采集网络性能参数，对存在问题的区域再次优化。在动态调试期间LTE-M 网络独立存在，并不与既有信号系统连接，因此不会影响到线路列车的正常运营。

3.3.6 动车调试

在动态调试合格的联锁区内，在夜间作业点内利用少量临时改造的LTE-M 通信车，进行车载控制模式（Carborne Controller，CC）转换测试、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）站间运行、完整性报警确认测试、列车自动监督（Automatic Train Supervision，ATS）临时限速、扣除、紧停、跳停、站台紧停、扣车、屏蔽门报警测试以及双网冗余测试。

3.3.7 首段验证

动车调试合格后，在正线选取连续的联锁区进行首段验证。在夜间作业点内开展批量车测试，利用既有WLAN 通信车和少量临时改造的LTE-M 通信车进行混跑及追踪测试，用以验证两种制式网络共存时对信号系统业务无影响。

3.3.8 联调测试

通过联调测试验证LTE-M 网络与信号各子系统匹配关系，验证LTE-M 通信车按规定速度运行条件下的场强覆盖、网络服务质量、应用业务。依据测试结果，对系统进行调试和优化。在信号各子系统试验完成后，还要对包括联锁、CC、ATS、数据通信系统（Data Communication System，DCS）各子系统在内的信号系统进行联调，以验证新系统达到设计要求，且未改变既有的技术要求。

3.3.9 业务割接

1）在联调测试通过后，LTE-M 网络正式接入既有信号系统，制定CBTC 业务应用验证方案，从网络层面和应用层面对割接结果进行测试验证。验证不通过时，采用预设回退方案。

2）逐列将WLAN 通信车永久改造为LTE-M通信车投入运营。

3.3.10 旧设备拆除

在所有列车均永久改造为LTE-M 通信车并稳定运行后，按先轨旁后室内的顺序，逐步拆除室内及轨旁的WLAN 设备，旧设备部件经验证后可调配至其他线路使用。

4 主要风险点及应对措施

4.1 施工方案

改造工程施工存在作业时间短、高空作业多、现场实际条件复杂、对既有及新设设备与线缆保护要求高等风险，需要运营、施工、设计、监理、厂商共同踏勘，充分论证施工方案可行性，预判可能出现的问题，对施工实施的过程、进度、质量进行监督。

4.2 软硬件兼容性

新建LTE-M 网络接入既有信号系统，存在软硬件不兼容的风险。应对措施为信号系统的联锁、ATS、CC、区域控制器（Zone Controller，ZC）、前置维护机（Froant and Maintenance，FTM）子系统软硬件不作升级和更改，在试车线调试阶段充分验证其兼容性。在整个改造期间，LTE-M 网络使用新规划的IP 表规避网络冲突风险。

4.3 业务割接

业务割接的关键点是替换MR 的TAU 需保证车载CC 与ZC 之间的正常通信。由于本工程改造对象不包含车载CC 机柜，且原机柜已无剩余空间，导致无法加装新旧车载设备的倒接装置。解决方案为定制与MR 外形尺寸及安装孔位完全相同的TAU（通过硬件优化，将车载合路器整合到TAU内），并在每次调试前进行MR 与TAU 的两次替换工作，作业过程为拆除MR 原位安装TAU →重启CC →验证通过后开展测试→拆除TAU →原位安装MR →重启CC →验证回退。若在此期间，车载CC或MR 出现问题均会影响次日运营，相应风险通过登车调试小组加强卡控措施予以降低。

4.4 独立第三方安全评估

独立第三方安全评估机构全过程参与改造项目，历经系统设计、产品制造、施工安装、现场调试等阶段，开展安全文档评估、安全审计、现场测试见证、抽样检查测试工作。每项工作结束，安全评估机构均提供相应文档，在各项条件均满足要求后，提供结论性、负责任的安全评估报告和安全授权书。

5 结论

成都地铁1 号线信号系统车地无线改造工程采用WLAN 与LTE-M 网络兼容并行方案，摸索出基于优化结构的局部改造和管理模式，最大限度地消除了既有线改造工程中的技术风险和管理风险，达到无感改造的效果。1 号线改造列车自2021 年11 月26 日首列车上线以来，车地通信状态稳定，列车运行状态良好，未出现车地通信故障，实现不中断运营的既定目标，可供同类项目的更新改造方案参考。