城市軌道交通CBTC系統(tǒng)測試綜述

1 概述

目前，城市的交通需求劇增，城市軌道交通系統(tǒng)已達到或超過其運力極限。解決這些問題的關(guān)鍵在于引入基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）。CBTC系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有許多與客戶項目相關(guān)的可配置功能。制造商在CBTC系統(tǒng)測試和投入使用方面的經(jīng)驗可確保該系統(tǒng)更加安全，功能更加完善。

通常，在CBTC系統(tǒng)測試項目中，制造商所采用的測試策略是將現(xiàn)場測試控制在所需的最小范圍內(nèi)。然而，現(xiàn)場測試也是必不可少的，其原因如下。

（1）運營商希望根據(jù)自己的特點和需求對CBTC系統(tǒng)進行改動和調(diào)整，尤其是需要將CBTC系統(tǒng)集成到既有車輛中時，對于其功能和可靠性的驗證在制造商的廠房中難以實現(xiàn)。

（2）有的功能只有在現(xiàn)場測試中才能看到顯著效果，如列車定位和無線數(shù)據(jù)傳輸功能。此外，CBTC系統(tǒng)作為基于無線電通信的系統(tǒng)，只有通過列車試運行才能確認無線電是否具有足夠的覆蓋范圍。

CBTC系統(tǒng)相關(guān)的改造與測試必須以對乘客運輸?shù)挠绊懽钚』癁榍疤?。因此，其現(xiàn)場測試一般都在列車停止運營的晚間進行，可利用的時間較短，從而增加了測試項目的復(fù)雜性。這就必然要求對測試內(nèi)容和流程進行優(yōu)化。參與各方共同協(xié)商并制定一致認可的測試計劃，對于項目的成功至關(guān)重要。測試計劃工作應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）制訂全面詳細的測試和投入使用計劃，其中應(yīng)詳細描述需構(gòu)建的系統(tǒng)及其接口，并對相關(guān)測試進行明確規(guī)定;

（2）對制造商的測試內(nèi)容和流程進行協(xié)商，必要時需運營商確認;

（3）協(xié)調(diào)測試時間表，從而使測試所需時間符合整個項目的總體時間規(guī)劃要求;

（4）與運營商協(xié)商，使其提供所需的設(shè)施（特別是車輛）和人員（如安全監(jiān)督員、安保人員等）;

（5）對測試過程和結(jié)果進行記錄和存儲，并密切跟蹤測試中出現(xiàn)的偏差。

本文將介紹制造商在CBTC系統(tǒng)從裝配到投入使用過程中所進行的各種測試。

2 工廠測試

為盡可能減少現(xiàn)場測試，制造商需要在其測試中心對CBTC系統(tǒng)進行多項測試，以識別軟件中可能存在的漏洞和缺陷，并證明該系統(tǒng)的各項功能滿足項目合同要求。為此，測試人員需將CBTC系統(tǒng)嵌入到仿真環(huán)境中。具體測試內(nèi)容如下。

（1）CBTC系統(tǒng)內(nèi)部接口測試，即測試列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）與車輛設(shè)備、ATS系統(tǒng)與線路設(shè)備，以及線路設(shè)備與車輛設(shè)備之間的通信。測試應(yīng)在真實或模擬硬件上進行。

（2）CBTC系統(tǒng)功能測試，即根據(jù)項目合同對CBTC系統(tǒng)功能的要求，對相應(yīng)的每種功能進行測試。

（3）外部接口最大覆蓋率測試。必須對線路設(shè)備與集中聯(lián)鎖裝置之間的所有接口進行全面測試。此外，還要測試ATS系統(tǒng)接口。接口仿真系統(tǒng)需要制造商自行設(shè)置或者由外圍設(shè)備的制造商提供。

（4）故障注入測試。在測試中心可以進行現(xiàn)場無法執(zhí)行的故障注入測試。例如，在無線信道中交換或偽造消息，以證明通信協(xié)議安全機制的有效性。

（5）故障模擬。測試人員若在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)漏洞或故障，應(yīng)向測試中心報告。測試中心的測試人員會在開發(fā)人員的幫助下對漏洞和故障進行模擬和分析。這些漏洞和故障將在軟件中得以修補。

3 車輛測試

將CBTC車輛設(shè)備集成在運營商的車輛中是實現(xiàn)CBTC功能的重要環(huán)節(jié)。為此，制造商需要在車輛上進行以下測試。

（1）車輛性能測試。車輛性能測試是應(yīng)該首先開展的測試項目，旨在獲取有關(guān)車輛性能（尤其是行駛動力學(xué)性能）的信息和數(shù)據(jù)。例如，為實現(xiàn)列車自動運行（ATO）功能，必須測量列車的強制制動延遲時間、在直線上的最大加速度等。制造商會根據(jù)運營商的不同需求將這些信息運用于具體的車載軟件配置中。

（2）機械和電氣測試。對于新生產(chǎn)的樣車，應(yīng)進行內(nèi)置部件的機械集成測試，并測試車輛上的電氣連接及其與其他電子設(shè)備的接口（圖1）。通常，對于樣車的機械和電氣測試會持續(xù)數(shù)周。

（3）車輛靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試。車輛的靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試旨在檢查車輛設(shè)備是否安裝正確，功能是否正常。對于每一輛車都必須進行這項測試。例如，為檢測距離和速度傳感器的測量功能，必須進行車輛短距離運行測試。

4 測試線路

測試線路上應(yīng)安裝所有與列車運營相關(guān)的線路設(shè)施和設(shè)備元件。為驗證CBTC系統(tǒng)的安全保護功能，還應(yīng)在測試線路上安裝CBTC線路設(shè)備和相應(yīng)的無線電裝置。在測試線路上可進行以下測試。

（1）車輛設(shè)備測試，用于驗證車輛設(shè)備與列車控制系統(tǒng)之間接口的功能是否正常。

（2）CBTC系統(tǒng)功能測試。

（3）車輛靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試，即測試每輛車上安裝的CBTC車輛設(shè)備功能是否正常。

（4）回歸測試，即在試驗線路上驗證，針對漏洞與故障所進行的軟件修補是否具有合理性和有效性。這也適用于列車載客運營后的軟件修補與改動。

5 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試需要按照圖2中的流程進行。

5.1 符合試驗

在進行功能測試前，必須對各設(shè)備是否正確安裝進行測試。測試人員除檢查電纜和接地線是否正確敷設(shè)外，還應(yīng)檢查外部設(shè)備元件在CBTC線路設(shè)備軟件和ATS系統(tǒng)軟件中是否有正確的邏輯對應(yīng)關(guān)系。該測試的完成標(biāo)志著系統(tǒng)從安裝階段進入測試階段。

5.2 集成測試

集成測試是指測試制造商所提供的CBTC系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的交互情況，以及運營商系統(tǒng)環(huán)境中CBTC系統(tǒng)外部接口的交互情況（圖3）。例如，測試CBTC系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)（PIS）、樓宇自動化系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)，以及其他信令系統(tǒng)的接口。

5.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試是現(xiàn)場測試的重要組成部分，旨在測試線路沿線的光纖電纜和網(wǎng)絡(luò)元件。測試人員會通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)（NMS）收集有關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)傳輸速率和延遲時間的數(shù)據(jù);并在此基礎(chǔ)上，檢測線路沿線的無線電覆蓋范圍，此檢測需要使用裝配CBTC車輛設(shè)備、可測量無線電信號場強的車輛。測試中，測試人員通過無線信道連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，以監(jiān)視分組丟失率。此外，測試人員還要測試每列車兩端的2臺冗余設(shè)備，測試需要在最不利工況（如遠離接入點AP或信號傳輸被中間車輛遮蔽）下進行。無線電鏈路測試對于進行下一步測試至關(guān)重要。如果無線電覆蓋范圍不足，則無法進行功能測試（如列車定位等）。

5.4 定位功能測試

定位功能測試是現(xiàn)場測試的另一重要環(huán)節(jié)，主要測試列車能否以足夠的精度確定其位置。定位功能測試的前提是：CBTC線路設(shè)備中包含有關(guān)道岔位置的信息，并且在線路設(shè)備和車輛設(shè)備之間存在無線電鏈路。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試與定位功能測試是CBTC系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。這2種測試必須在線路的雙方向上進行。

5.5 ATP 系統(tǒng)功能測試

在進行系統(tǒng)集成測試、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試和定位功能測試之后，應(yīng)開展ATP系統(tǒng)功能測試。通常是重復(fù)工廠測試的內(nèi)容。首先，應(yīng)測試列車運行跟蹤系統(tǒng)功能;然后，測試特定的保護功能，例如防止列車違反信號燈指示行駛（越過紅燈）的功能。

5.6 ATO 功能測試

此測試旨在驗證列車根據(jù)現(xiàn)行速度規(guī)定進行自動運行控制的能力。測試中，列車將以靜態(tài)速度曲線中的各種速度運行，并進行速度轉(zhuǎn)換，從而證明列車運行符合現(xiàn)行的速度規(guī)定。此外，測試人員還要測試列車在車站區(qū)域的停車精度。這些測試都必須在線路的雙方向上進行。

5.7 ATS 系統(tǒng)功能測試

ATS系統(tǒng)的大部分功能測試都可在制造商的測試中心完成，但有少量的復(fù)雜功能需要進行現(xiàn)場測試，如列車運行跟蹤系統(tǒng)與行車時刻表管理系統(tǒng)之間的交互，以及沖突檢測和解決功能。

5.8 現(xiàn)場驗收測試（SAT）

運營商可全程參與測試活動，也可僅對測試結(jié)果進行確認。通常，在SAT中，測試人員需要對項目合同中所涉及的所有內(nèi)容進行測試。然而，為保證按規(guī)定日期將CBTC系統(tǒng)投入使用，測試人員可能首先測試特定的功能;而對于某些復(fù)雜功能（如控制系統(tǒng)功能），則在與運營商協(xié)商后推遲補做。

5.9 運行測試

運行測試是針對改造項目的測試。測試中，由原有的列車運行控制系統(tǒng)負責(zé)保障列車安全;新列車運行控制系統(tǒng)（即CBTC系統(tǒng)）同時運行，并接收所有相關(guān)的控制參數(shù)，但若其檢測到有偏差，也不會干預(yù)控制過程。這個過程會持續(xù)數(shù)月。然后，進行不載客的常規(guī)運行測試，測試中由CBTC系統(tǒng)進行列車運行控制。如果測試成功，則可載客運行。

5.10 可靠性測試

此測試旨在驗證CBTC系統(tǒng)能否滿足合同中規(guī)定的性能參數(shù)要求（即可靠性、可用性、可維護性、安全性、信息安全性，RAMSS）。為此，應(yīng)在制造商與運營商簽署合同時確定測試的具體方式，包括相關(guān)參數(shù)（如平均故障間隔里程MTBF）、測試周期、測試方法的統(tǒng)計邊界條件（如具有特定置信區(qū)間的卡方檢驗）。若測試結(jié)果不符合可靠性參數(shù)的規(guī)定，則制造商可能會遭受違約處罰。

6 結(jié)語

目前，全球許多運營商都在自有列車中引入了CBTC系統(tǒng)，以實現(xiàn)提高運輸能力和安全運營的目標(biāo)。CBTC系統(tǒng)測試是一項復(fù)雜的工作，雖然大部分測試可在制造商的測試中心完成，但是在現(xiàn)場進行各種功能測試也必不可少;而且某些錯誤在系統(tǒng)投入使用后才會暴露出來。因此，制造商和運營商需要協(xié)同合作，共同解決CBTC系統(tǒng)的故障和不兼容問題，使該系統(tǒng)不斷完善。

參考文獻

[1]Lars Schnieder. Erfolgsfaktoren für Test und Inbetriebnahme von Communications-Based Train Control（CBTC）[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2020（1+2）：24-27.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-05-23