高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)發(fā)展新思路

張云飛

中鐵電氣化局集團(tuán)北京電氣化公司 北京 100000

引言

聯(lián)調(diào)聯(lián)試以達(dá)到設(shè)計速度為目標(biāo)，通過采用檢測列車、綜合檢視列車、測試動車組和相關(guān)檢測設(shè)備在規(guī)定測試速度下對各系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)間接口、匹配關(guān)系進(jìn)行綜合測試；評價和驗證牽引供電、接觸網(wǎng)、遠(yuǎn)動、通信、信號、客服、災(zāi)害監(jiān)測等系統(tǒng)的性能或功能；驗證軌道、道岔、路基、橋梁、隧道、聲屏障等結(jié)構(gòu)工程的適用性，評價綜合接地、電磁環(huán)境、振動噪聲、分相裝置等是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；為高速鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和整體系統(tǒng)的調(diào)試、優(yōu)化提供技術(shù)支持，使各系統(tǒng)和整體系統(tǒng)的功能及性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試需多單位聯(lián)合作戰(zhàn)、專業(yè)涉及面廣、參與人數(shù)眾多、時間跨度長、剩余工程較多、管理難度較大，因此，研判聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間主要安全風(fēng)險，研究相應(yīng)預(yù)防措施，對加強(qiáng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試安全管理，推進(jìn)高鐵高質(zhì)量開通運(yùn)營具有一定的指導(dǎo)意義。

1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 “實(shí)車實(shí)景”測試

信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試采用CTCS3-300T車載設(shè)備進(jìn)行測試，試驗過程中車載設(shè)備嚴(yán)格按線路允許速度等地面信息自動生成目標(biāo)距離速度曲線監(jiān)控列車運(yùn)行，地面信號設(shè)備全部為真實(shí)設(shè)備，列控工程數(shù)據(jù)配置均為擬開通的數(shù)據(jù)版本；測試場景除了現(xiàn)場運(yùn)營過程中最基本或使用頻率最高的場景，還包括系統(tǒng)運(yùn)用過程中一些常見的故障場景，最大限度地貼近實(shí)車實(shí)景測試要求。

1.2 完善的測試案例庫

信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試是對系統(tǒng)功能的測試，按照國際通用做法，2009年原鐵道部制定頒布了《客運(yùn)專線CTCS-3級測試案例》，將系統(tǒng)功能需求按最小單元劃分為470個測試案例；2020年在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充完善，測試案例達(dá)到了1055個。信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試以頒布的測試案例為基礎(chǔ)，結(jié)合測地面設(shè)備、現(xiàn)場可實(shí)施等情況，按照與系統(tǒng)測試相關(guān)、現(xiàn)場可實(shí)施、測試地面設(shè)備功能及接口等原則選取和編制相應(yīng)的測試案例。

1.3 統(tǒng)型與兼容性測試

實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同型號信號設(shè)備的統(tǒng)型是技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，但由于不同廠家對規(guī)范理解存在偏差以及設(shè)計理念、設(shè)備構(gòu)造型式的不同，實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)型需要一個長期的過程；信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中安排了多種型號車載設(shè)備的兼容性測試，并針對不同廠家、不同型號設(shè)備的差異設(shè)計相應(yīng)的場景。

1.4 大系統(tǒng)級的功能測試

信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試通過功能和場景測試，不但驗證信號系統(tǒng)內(nèi)部的各項功能，同時驗證信號系統(tǒng)與牽引供電、站場、通信、防災(zāi)、運(yùn)輸調(diào)度等多個專業(yè)接口關(guān)系、數(shù)據(jù)配置以及整體設(shè)計的匹配性和一致性。

2 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)重難點(diǎn)

2.1 眾多系統(tǒng)之間接口測試重點(diǎn)

2.1.1 測試驗證計算機(jī)連鎖系統(tǒng)（CBI）與列控中心（TCC）、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）車站分機(jī)、無線閉塞中心（RBC）的接口功能。

2.1.2 測試驗證調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）與計算機(jī)連鎖系統(tǒng)（CBI）、列控中心（TCC）、臨時限速服務(wù)器、GSM-R、無線閉塞中心（RBC）系統(tǒng)的接口功能，測試驗證動態(tài)場景下調(diào)度終端的相關(guān)功能。

2.1.3 鄭萬鐵路重慶段，針對云陽至萬州北鄭渝場區(qū)間設(shè)置的C3/C2級間轉(zhuǎn)換點(diǎn)，增加等級轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)路變更、臨時限速特殊場景。

2.1.4 鄭萬鐵路重慶段，針對巫山站至巴東北區(qū)間延緩開通，利用巫山站（鄭州方向）出站應(yīng)答器組進(jìn)行盡頭防護(hù)，增加巫山站（鄭州方向）出站應(yīng)答器組報文測試特殊場景。

2.2 測試深度與條件局限

近年來的聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)驗表明，信號系統(tǒng)故障往往發(fā)生在多種條件疊加的情況下，這就要求信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試場景的設(shè)計應(yīng)結(jié)合測試案例的發(fā)生概率、發(fā)生頻次及組合關(guān)系，而由于現(xiàn)場條件的局限，相關(guān)的時機(jī)、時序和案例組合很難實(shí)現(xiàn)。因此，在信號系統(tǒng)安全功能需求越來越復(fù)雜的背景下，如何利用相關(guān)輔助測試技術(shù)，提升測試深度是下一步測試技術(shù)發(fā)展必須考慮的問題。

2.3 測試手段與海量數(shù)據(jù)的矛盾

列控工程數(shù)據(jù)是列控系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性至關(guān)重要，且數(shù)據(jù)量十分龐大；聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試方案編制過程中運(yùn)用的測試案例非常多，聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中車載、連鎖、列控、調(diào)度集中、集中監(jiān)測等設(shè)備實(shí)時產(chǎn)生的監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)更是海量。目前，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析主要依靠人工手段，分析深度難以滿足高質(zhì)量的測試要求。

3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)發(fā)展新思路

3.1 基于模型與形式化驗證的測試技術(shù)

基于模型的測試是針對被測系統(tǒng)進(jìn)行模型提取，并基于該模型自動生成測試用例以及運(yùn)用于系統(tǒng)測試的過程。模型即被測系統(tǒng)的行為預(yù)期，將測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行對比，來判斷系統(tǒng)需求的一致性[1]。測試過程及測試結(jié)果的對比通過可進(jìn)行交互的測試平臺自動實(shí)現(xiàn)，該方法能夠增強(qiáng)測試平臺的重用性和互操作性，具有更加完備、自動化率更高的優(yōu)點(diǎn)，在目前的高鐵列控系統(tǒng)測試中備受關(guān)注。例如，佛羅倫薩大學(xué)通過使用數(shù)學(xué)模型與動力學(xué)方程模擬應(yīng)用場景，模擬了現(xiàn)場很難設(shè)置的特殊故障環(huán)境。

基于模型的測試通常使用形式化驗證方法，形式化驗證是針對模型用數(shù)學(xué)語言來設(shè)定斷言，并尋找反例來證明斷言正確或者錯誤的測試方法。近10年來，形式化方法逐漸被引入高鐵列控系統(tǒng)的驗證與測試工作中。例如，使用基于有色Petri網(wǎng)、時間自動機(jī)、UML、EVENT-B和Prover等建模方法和建模語言，對列控系統(tǒng)、計算機(jī)連鎖、ATP以及安全通信系統(tǒng)等進(jìn)行分析驗證。建立模型的過程，是黑盒變白盒的過程，針對特定模型的特定功能，可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋測試。

3.2 防止試驗列車超速運(yùn)行

3.2.1 綜合檢測動車組加裝LKJ-15設(shè)備。LKJ2000設(shè)備最高控車速度為170km/h，不能滿足試驗需求，新一代LKJ能實(shí)時顯示線路頂棚限速、里程、縱斷面、曲線等準(zhǔn)確信息，試驗過程中根據(jù)試驗逐級提速需要設(shè)置頂棚速度等級，防止司機(jī)超速并確保貼線運(yùn)行[2]。例如，南昌局集團(tuán)公司贛龍高鐵進(jìn)行了4.4m線間距逐級提速科學(xué)試驗，為實(shí)現(xiàn)試驗列車按規(guī)定速度貼線運(yùn)行和精準(zhǔn)交會的試驗?zāi)繕?biāo)，綜合檢測動車組臨時加裝了LKJ-15（新一代LKJ）設(shè)備，最終圓滿完成了4.4m線間距逐級提速科學(xué)試驗。

3.2.2 動車組逐級提速安全措施。通過在地面設(shè)置進(jìn)站信號機(jī)提示牌、電分相預(yù)告標(biāo)、線路限速提示牌等臨時標(biāo)志牌，防止未安裝LKJ裝置的動車組試驗列車在人工控車時出現(xiàn)超速。

3.2.3 強(qiáng)化切除LKJ、ATP控車試驗的管理措施。試驗列車確需切除LKJ、ATP控車時，機(jī)務(wù)、車務(wù)部門和調(diào)度所要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的特殊安全措施，機(jī)務(wù)部門要對照站場平面圖進(jìn)行模擬推演，按試驗開行車次提前制作操縱提示卡和操縱示意圖，梳理安全風(fēng)險點(diǎn)，安排勝任司機(jī)值乘，并派勝任人員添乘把關(guān)，無關(guān)人員不得進(jìn)入司機(jī)室，不得影響司機(jī)操縱。各級添乘人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行試驗計劃，不違章指揮，不指示列車司機(jī)超試驗計劃速度運(yùn)行。

3.2.4 強(qiáng)化分段重疊區(qū)段逐級提速試驗把控。科學(xué)合理分析重疊（交叉）試驗區(qū)段試驗速度級，認(rèn)真研究重疊（交叉）試驗區(qū)段速度級試驗方案，確保重疊（交叉）區(qū)段按速度級逐級進(jìn)行提速試驗。

3.2.5 公布列控工程數(shù)據(jù)表、LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。聯(lián)調(diào)聯(lián)試開始前，鐵路局集團(tuán)公司發(fā)布聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控工程數(shù)據(jù)表、LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.6 優(yōu)化高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗流程。高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗流程一般為檢測列車逐級提速、單列動車組列車逐級提速、重聯(lián)動車組列車逐級提速、信號場景試驗等。單列動車組列車逐級提速完成后，建議先安排信號ITC試驗和正線信號場景試驗，盡早開通使用列控CTCS-2/CTCS-3設(shè)備，實(shí)現(xiàn)重聯(lián)動車組逐級提速列車盡可能采用ATP控車，最大限度降低安全風(fēng)險。

3.3 稀缺類型列控車載設(shè)備動車組調(diào)配

每個鐵路局集團(tuán)公司配備各型列控車載設(shè)備的動車組數(shù)量差別較大，個別稀缺類型列控車載設(shè)備動車組因廠修、難以調(diào)配等原因，影響聯(lián)調(diào)聯(lián)試進(jìn)度。因此，聯(lián)調(diào)聯(lián)試前鐵路局集團(tuán)公司科信部、運(yùn)輸部、客運(yùn)部、車輛部應(yīng)共同研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試進(jìn)度、稀缺類型列控車載設(shè)備動車組運(yùn)用檢修計劃，滿足兼容性試驗。如難以調(diào)用本鐵路局集團(tuán)公司某種類型動車組，則需車輛部牽頭，向其他鐵路局集團(tuán)公司借調(diào)。

3.4 基于云平臺的遠(yuǎn)程測試技術(shù)

云平臺可最大限度地利用硬件平臺資源，整合多個操作系統(tǒng)，并根據(jù)需求進(jìn)行重新分割獨(dú)立運(yùn)行，可構(gòu)建資源集中、共享和遠(yuǎn)程互相調(diào)用的新服務(wù)器模式。對于傳統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作中無法進(jìn)行資源整合、高效管理和快速部署等問題，云平臺測試技術(shù)有望提出新的解決方案。

云平臺的關(guān)鍵技術(shù)是資源虛擬化，可將多臺物理服務(wù)器的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚合管理，構(gòu)建高鐵仿真測試私有云，再使用虛擬化軟件的方法將其分割為多個虛擬云服務(wù)器，為聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的TCC仿真、RBC仿真、CBI仿真、TSRS仿真和線路仿真等提供獨(dú)立的測試環(huán)境并可進(jìn)行分布式管理。

基于云的遠(yuǎn)程測試及分析系統(tǒng)主要由3部分組成：信號采集端、云服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶端。信號采集端負(fù)責(zé)將真實(shí)設(shè)備與測試儀器連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集、數(shù)據(jù)存儲和定期將收集數(shù)據(jù)推送到云服務(wù)器，然后調(diào)用獨(dú)立運(yùn)行的虛擬機(jī)進(jìn)行仿真測試[3]。遠(yuǎn)程客戶端可進(jìn)行用戶界面管理，根據(jù)不同的測試需求進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置、測試環(huán)境配置、仿真文件管理等，實(shí)現(xiàn)自動化處理。在基于軟硬件的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中引入云技術(shù)，利用并行自動測試系統(tǒng)，通過組件進(jìn)行測試任務(wù)分發(fā)并創(chuàng)建一個內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，生成和存儲大量隨機(jī)測試用例，這樣可根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)調(diào)整硬件和軟件資源。

3.5 換端組織

為提高測試效率，減少換端時間，應(yīng)配備2把主控鑰匙，并安排兩端司機(jī)執(zhí)乘。如條件具備，檢測列車兩端均配備行車指揮、試驗人員。

信號測試時，檢測列車需要越過進(jìn)站信號后自區(qū)間折返，具體停車地點(diǎn)應(yīng)納入測試序列相關(guān)描述。確定區(qū)間停車?yán)锍虝r，注意分相區(qū)位置，防止檢測列車低速進(jìn)入接觸網(wǎng)電分相內(nèi)的無電區(qū)停車[4]。區(qū)間折返需兩端站使用輔助按鈕改方，相關(guān)車站應(yīng)提前組織人員練習(xí)相關(guān)操作，避免因改方操作不及時影響測試。

3.6 試驗配合與應(yīng)急處置

為順利完成測試任務(wù)，電務(wù)部門、設(shè)備管理單位、施工單位、設(shè)備廠家等，需登乘檢測列車配合試驗。集成商、設(shè)備供應(yīng)商駐站技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)將聯(lián)系方式提前留存聯(lián)調(diào)聯(lián)試指揮部（臨時調(diào)度所），以便于聯(lián)絡(luò)。試驗期間，設(shè)備廠商應(yīng)駐站配合試驗，并及時處理試驗中出現(xiàn)的問題；施工單位和設(shè)備管理單位應(yīng)指派人員在車站行車室及臨時調(diào)度所值守，并負(fù)責(zé)與試驗列車、列車調(diào)度員及車站行車人員聯(lián)系。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，我國高鐵建設(shè)處于快速發(fā)展階段，高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高鐵建設(shè)和運(yùn)營管理的重要工作內(nèi)容。聯(lián)調(diào)聯(lián)試計劃編制工作既是高鐵工程項目聯(lián)調(diào)聯(lián)試組織實(shí)施的工作重點(diǎn)，也是保證聯(lián)調(diào)聯(lián)試任務(wù)按期完成的重要技術(shù)手段。建議對計劃編制的流程和方法進(jìn)行更深入探討和研究，將計劃編制工作提升到一個新的階段，從而推動高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、智能化發(fā)展。