城市轨道交通通信系统更新改造策略研究

周晨、顾正宜、张瑾

（1.上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 201103；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200436）

0 引言

城市轨道交通通信系统承担了城市日常客运管理和旅客服务所需的语音、视频、音频、数据的交互和处理。以上海轨道交通为例，其交通通信系统主要包括：传输系统、电源系统、公务电话系统、专用电话系统、信息接入网系统、技术防范系统、广播系统、乘客信息系统、时间系统、专用无线系统、公安无线系统、消防无线引入系统等多个子系统。

当前，上海城市轨道交通已呈现超大规模运营现状，各通信子系统随着轨道交通各个项目的建设历经了不同制式、架构的演进，随着系统的设计寿命逐渐到期，设备故障率呈显著上升态势，如何满足运营维护和成本精细化管理的双重要求，是通信系统更新改造策略需要重点研究的课题。

1 城市轨道交通通信系统存在的问题

1.1 子系统大修周期不一致

由于各条线路，甚至单条线路分期开通的时间不一，导致系统设备的折旧起算投用时间点不一致，进而形成“波浪潮汐”式系统设备更新特征。以上海城市轨道交通维保通号管辖的通信电源、公务电话系统大修改造计划为例，其调研数据如表1 所示。

表1 通信电源、公务电话改造时序梳理表

调研发现，单线单系统的细碎改造需求会造成改造立项数目繁多但单个项目工程体量不足，一方面会导致在立项决策时需要为细碎项目的立项耗费大量精力；另一方面在当前网络化高质量运营的总体要求下，孤立的单系统改造还会造成改造定位及视角的局限性，从而难以形成跨系统的“合纵连横”一体化功能提升。

1.2 系统性能状态评估维度单一

当前通信系统的大修更新改造立项依据，主要来自维护人员的经验判断和项目设计时提出的使用年限。通信系统的建议使用年限一般控制在8～12 年之间，但对设备运行状态评估的因素是多维的，具体包括设备质量、养护能力、运行环境等。而目前仅以年限作为系统改造立项依据，在当前成本控制精细化的大环境下，总体上缺乏科学和富有说服力的理论及数据支撑。

2 城市轨道交通通信系统更新改造策略

2.1 顶层架构标准策略

2.1.1 稳定功能定位，提炼归纳精简

通信系统在上海城市轨道交通长期建设和实践运营中，系统的组成、架构、功能以及性能都在不断调整和改进。哪些功能经过实践具备价值和实用性，哪些功能是华而不实，或设计初衷与实际使用不符，需要不断总结、修正和优化。一味地对系统做“加法”，不仅会增加系统的复杂度，还会增加系统的故障率和建设、运维成本[1]。

为满足网络化运营维护需求，应当结合长期实践，对每个子系统的功能、架构进行重新审视，做到化繁为简，聚焦核心业务体验，将资金、人力等资源切实投入核心功能的保障和强化上，以此进一步实现超大规模线网下的系统设备的标准化统一，从而为系统的一致性维护、长期升级奠定基础，当前部分优化建议如下：

第一，取消或轻量化轨旁电话。该设备源于铁路系统，适用于长大区间轨旁作业时与车站保持通信，但并不适合用于城市轨道交通中的类似场景，因此实际使用频率很低，且系统建设和维护成本较高，每年还要做大量的终端电话有效性测试，占用大量人力成本。同时，相应场景诉求可通过无线通信系统手持台或插孔电话进行替代。

第二，取消二级母钟。时间系统中二级母钟的主要作用是与中心一级母钟同步时钟信号。但在城市轨道交通中，二级母钟系统的主要功能是实现站级子钟的授时，基本不为其他业务系统授时。基于这种定位，站级各子钟设备授时可以通过一级母钟直接下发信号完成，或者通过共享车站视音频（PIS、PA）系统信号来完成授时，以此实现精简设备和降低系统复杂度。

第三，优化广播终端形式。当前广播终端以各类吸顶或扣板扬声器为主。由于采用小功率密布的方案原则，导致终端数量较多，与车站装修特色产生矛盾的情况也时有发生。因此，应在确保播音效果和功能前提下，持续探索采用平板广播等数量精简的终端方案，以此在进行设备维护的同时降低既有线路改造的复杂度。

第四，优化视频90d存储方案。视频监控的图像数据存储应当按照国家相关要求满足90d时长存储，同时结合当前上海既有轨道交通线路通信设备用房狭小现状，以及既有动力电源能耗上限达到瓶颈等因素，研究在车辆基地或控制中心以单线或多线实施集中式或聚合式存储90d视频数据的可行性方案，以此实现需求导向下的设备集中布局和能源集约利用。

第五，提炼归纳业务接口种类和数量。随着通信系统的不断发展，在城市轨道交通通信业务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，采用统一的IP 物理接口（如RJ45、ST/FC 等）有助于简化传输设备板卡配置数量，优化综合配线架规格，形成业务与基础设施之间的标准接口界面，从而有效提高系统的维护效率。

2.1.2 构建框架体系结构，满足长期扩展需求

通信系统按照功能定位，可分为业务信息系统和基础设施系统两类。其中，将传输系统、电源系统、信息入网系统、专用无线系统划分基础设施系统；而公务电话系统、专用电话系统、技术防范系统、乘客信息系统、时间系统、广播系统等可划分业务通信系统。

对于业务信息系统而言，应在充分调研、分析、梳理过去运营维护实践中的需求后，结合市场主流方案架构，逐步形成一套基于控制中心—车站/车辆基地的典型系统架构图，明确各个软硬件模块的功能（内涵）和接口（边界），并确保模块间的信息流和协议标准透明化、标准化，此后通过试点实践逐步迭代形成企业标准。

所有大修改造系统应当结合大修改造逐步遵循上述框架结构来进行系统开发。系统开发的关键点在于合理、精确地定义软硬件的功能及接口。可采用黑盒方式开发和交付，模块内各家供应商可自行开发。框架式模块化、单元化功能及接口，意味着模块间协议的开放和一致，这样一方面在未来需求发生变化时，良好的开放系统架构能够以较少的代价提供长期的功能调整；另一方面在未来供应商发生变化时，框架式结构和松耦合模块将具备部件的互换性。

2.1.3 业务通信系统部件模组化，探索设备统型理念下的互替可行性

需求稳定后，各系统形成的功能模块最终大部分会呈现为硬件形式，以实体进行交付，因此应逐步研究设备的最小可替换备件单元。例如，单台交换机、服务器、控制器等，由于这些设备之间的通信协议在形成标准化后，就具备了不同供应商硬件搭配时使用的可行性。因此，应着力做好协议标准的精细化定义和构建，再结合改造升级项目设备采购前的入网标准化测试，实现硬件的即插即用，互替兼容。

2.1.4 系统网管南北向协议开放及标准化

站段级系统北向接口协议标准化对于控制中心侧，乃至远期的维护中心侧来说，其可实现标准化系统的节点式接入和全功能对接，进而实现一网统管和全数据接入。

该架构将从“按线接入”向“按点接入”理念转变，以便更加适应超大规模节点管理理念和现状。通过平台化方式对接中心级业务平台和维护保障后台监控系统的特点有：

其一，后台保障监控平台可有效识别异构节点的设备信息和状态。

其二，故障定位至可替换模块级。

其三，现场抢修将以简单替换和快速恢复为主。

其四，可通过数据驱动优化料库、工区用房中的备件数量和品种预测。

由此可见，此种模式更适应超大规模城市轨道交通运维保障体系。

2.2 项目实施方法策略

当前城市轨道交通更新改造方案呈现出多通信子系统的融合、合并改造趋势，能够有效避免反复改造对运营带来的影响，进而形成集约效应。多系统整合改造有利于多种接口问题的协调，同时多次工程项目实施带来的项目界面、时间及建设成本也高于多系统整线制改造。项目实施改造的目标及原则包括以下几个方面：

2.2.1 形成标准化、模块式、接口化改造方法

对不同车站特征形成固定模板库；经过顶层规划和需求梳理，去伪存真，做到简约化和轻量化，结合运营和维护制度形成系列标准模板；结合高架站、地下站、通道换乘站、站厅换乘站、装修特色站等特点和需求，形成不同设备模块、终端及管线的选型方案，进而形成最优的组合式搭配；统一各系统终端操作界面，形成标准、简洁、易懂、便捷、逻辑合理的线网一致标准图形化操作界面。

2.2.2 改造方法应当以“运营无感”为目标原则

设施设备更新改造应当以最大限度降低对市民乘客出行、运营调度人员的干扰为原则开展。系统的改造一般可采用“先安装、再割接、后拆除”的思路进行推进，系统、设备的配线数量应当优化至最少，配线拓扑应着力避免采用大型的、以机房为中心的方式，应以总线式、环网式、树形拓扑来减少缆线敷设的工作量和复杂度，进而降低机房根部缆线数量。同时，应确保设备、终端安装工艺支持快速安装。

2.2.3 系统的集成化、小型化、绿色环保要求

当前既有城市轨道交通的运营现状为现有设备用房面积不足，既有用电容量受限等现实问题，因此应着力研究控制设备体积、精简机柜数量等改造原则。一方面要将改造环境作为输入条件，另一方面应尽可能避免机房扩展，从而衍生出建筑、结构、环控、动照、消防等问题，导致改造方案难以实施。因此，系统整体改造时，应着力做到系统的集成化、小型化。

2.2.4 边缘全要素数据采集和处理要求

多系统整线制改造时，应当根据顶层架构规划和信息化要求，同步做好数据采集部署和顶层接入工作，从而为全专业的信息化运维元数据采集、处理和大数据分析奠定基础，最终实现状态修目标[2]。

2.3 设备用房改造策略

通信设备用房是系统改造升级的重要地点，其面临的问题与新建线路不同。

首先，对于设备用房面积、位置已知并已有在用设备机柜的情况，无法按照新建设备用房的条件实施安装。

其次，用房配套设施条件无法按照新建线路的标准进行预留。上述问题会导致改造项目的实施方案难以适配现有机房。

因此，应加强设备系统硬件部署方案设计，使其能够适应现有狭小的、用电容量受限的、空调及管线条件不良的设备用房。过于粗放的设备机柜部署方案会给工程实施带来困难。为此，实施改造项目时，对于设备用房的适用策略如下：

2.3.1 设备用房装修配套标准

首先，应通过长期实践，形成既有设备用房的装修和布局标准，遵循实用、安全、可靠原则，结合不同房间的建筑形状，提出若干标准布局方案以指导工程建设；其次，应形成照明、插座、空调、消防、安防、门禁、动环的位置、标识、操作等工艺标准，从而为现场巡检及抢修制度和流程打好基础；再次，部分设备可采用壁装方式（如RRU 等），以节省机柜空间；最后，对各个系统的机柜内布局形成统一方案（基于框架式模组系统方案），便于套用线网统一模块化维护方法。

2.3.2 建立机房倒替改造方法策略

针对既有升级改造设备用房有限，且设备用房内在设备持续在用的问题，应形成既有和新建设备用房倒替标准作业指导方案，确保新建设备系统上线后能够与既有系统进行“运营无感”化倒换。同时，还应研究对既有设备的下线及拆除方法，从而为未来新一轮的大修改造或各子系统分阶段改造创造便利条件。

3 结语

随着超大规模城市轨道交通的持续长时间运营，其系统设备必然存在更新改造的工作。为此，以通信系统为例，针对系统更新改造面临的各项问题，以及外部实施条件与新建线路的差异特殊性，从顶层架构标准、项目实施方法、用房适应条件三个维度提出了改造策略及要点思路，以期为未来城市轨道交通中的大量存量系统的改造工作提供参考。