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(dá)到或超過其運(yùn)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，具有許多與客戶項(xiàng)目相關(guān)的可配置功能。制造商在CBTC系統(tǒng)測(cè)試和投入使用方面的經(jīng)驗(yàn)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(cè)試項(xiàng)目中，制造商所采用的測(cè)試策略是將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試控制在所需的最小范圍內(nèi)。然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也是必不可少的，其原因如下。

（1）運(yùn)營(yíng)商希望根據(jù)自己的特點(diǎn)和需求對(duì)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)和調(diào)整，尤其是需要將CBTC系統(tǒng)集成到既有車輛中時(shí)，對(duì)于其功能和可靠性的驗(yàn)證在制造商的廠房中難以實(shí)現(xiàn)。

（2）有的功能只有在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yùn)行才能確認(rèn)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(cè)試必須以對(duì)乘客運(yùn)輸?shù)挠绊懽钚』癁榍疤?。因此，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一般都在列車停止運(yùn)營(yíng)的晚間進(jìn)行，可利用的時(shí)間較短，從而增加了測(cè)試項(xiàng)目的復(fù)雜性。這就必然要求對(duì)測(cè)試內(nèi)容和流程進(jìn)行優(yōu)化。參與各方共同協(xié)商并制定一致認(rèn)可的測(cè)試計(jì)劃，對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。測(cè)試計(jì)劃工作應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）制訂全面詳細(xì)的測(cè)試和投入使用計(jì)劃，其中應(yīng)詳細(xì)描述需構(gòu)建的系統(tǒng)及其接口，并對(duì)相關(guān)測(cè)試進(jìn)行明確規(guī)定;

（2）對(duì)制造商的測(cè)試內(nèi)容和流程進(jìn)行協(xié)商，必要時(shí)需運(yùn)營(yíng)商確認(rèn);

（3）協(xié)調(diào)測(cè)試時(shí)間表，從而使測(cè)試所需時(shí)間符合整個(gè)項(xiàng)目的總體時(shí)間規(guī)劃要求;

（4）與運(yùn)營(yíng)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(duì)測(cè)試過程和結(jié)果進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，并密切跟蹤測(cè)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(jìn)行的各種測(cè)試。

2 工廠測(cè)試

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

（1）CBTC系統(tǒng)內(nèi)部接口測(cè)試，即測(cè)試列車自動(dòng)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(cè)試應(yīng)在真實(shí)或模擬硬件上進(jìn)行。

（2）CBTC系統(tǒng)功能測(cè)試，即根據(jù)項(xiàng)目合同對(duì)CBTC系統(tǒng)功能的要求，對(duì)相應(yīng)的每種功能進(jìn)行測(cè)試。

（3）外部接口最大覆蓋率測(cè)試。必須對(duì)線路設(shè)備與集中聯(lián)鎖裝置之間的所有接口進(jìn)行全面測(cè)試。此外，還要測(cè)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(cè)試。在測(cè)試中心可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無法執(zhí)行的故障注入測(cè)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(jī)制的有效性。

（5）故障模擬。測(cè)試人員若在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)漏洞或故障，應(yīng)向測(cè)試中心報(bào)告。測(cè)試中心的測(cè)試人員會(huì)在開發(fā)人員的幫助下對(duì)漏洞和故障進(jìn)行模擬和分析。這些漏洞和故障將在軟件中得以修補(bǔ)。

3 車輛測(cè)試

將CBTC車輛設(shè)備集成在運(yùn)營(yíng)商的車輛中是實(shí)現(xiàn)CBTC功能的重要環(huán)節(jié)。為此，制造商需要在車輛上進(jìn)行以下測(cè)試。

（1）車輛性能測(cè)試。車輛性能測(cè)試是應(yīng)該首先開展的測(cè)試項(xiàng)目，旨在獲取有關(guān)車輛性能（尤其是行駛動(dòng)力學(xué)性能）的信息和數(shù)據(jù)。例如，為實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）功能，必須測(cè)量列車的強(qiáng)制制動(dòng)延遲時(shí)間、在直線上的最大加速度等。制造商會(huì)根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的不同需求將這些信息運(yùn)用于具體的車載軟件配置中。

（2）機(jī)械和電氣測(cè)試。對(duì)于新生產(chǎn)的樣車，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)置部件的機(jī)械集成測(cè)試，并測(cè)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(duì)于樣車的機(jī)械和電氣測(cè)試會(huì)持續(xù)數(shù)周。

（3）車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試。車輛的靜態(tài)和動(dòng)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(duì)于每一輛車都必須進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試。例如，為檢測(cè)距離和速度傳感器的測(cè)量功能，必須進(jìn)行車輛短距離運(yùn)行測(cè)試。

4 測(cè)試線路

測(cè)試線路上應(yīng)安裝所有與列車運(yùn)營(yíng)相關(guān)的線路設(shè)施和設(shè)備元件。為驗(yàn)證CBTC系統(tǒng)的安全保護(hù)功能，還應(yīng)在測(cè)試線路上安裝CBTC線路設(shè)備和相應(yīng)的無線電裝置。在測(cè)試線路上可進(jìn)行以下測(cè)試。

（1）車輛設(shè)備測(cè)試，用于驗(yàn)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(cè)試。

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

（4）回歸測(cè)試，即在試驗(yàn)線路上驗(yàn)證，針對(duì)漏洞與故障所進(jìn)行的軟件修補(bǔ)是否具有合理性和有效性。這也適用于列車載客運(yùn)營(yíng)后的軟件修補(bǔ)與改動(dòng)。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要按照?qǐng)D2中的流程進(jìn)行。

5.1 符合試驗(yàn)

在進(jìn)行功能測(cè)試前，必須對(duì)各設(shè)備是否正確安裝進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。該測(cè)試的完成標(biāo)志著系統(tǒng)從安裝階段進(jìn)入測(cè)試階段。

5.2 集成測(cè)試

集成測(cè)試是指測(cè)試制造商所提供的CBTC系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的交互情況，以及運(yùn)營(yíng)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(cè)試CBTC系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)（PIS）、樓宇自動(dòng)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(cè)試

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測(cè)試是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的重要組成部分，旨在測(cè)試線路沿線的光纖電纜和網(wǎng)絡(luò)元件。測(cè)試人員會(huì)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(shí)間的數(shù)據(jù);并在此基礎(chǔ)上，檢測(cè)線路沿線的無線電覆蓋范圍，此檢測(cè)需要使用裝配CBTC車輛設(shè)備、可測(cè)量無線電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的車輛。測(cè)試中，測(cè)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(cè)試人員還要測(cè)試每列車兩端的2臺(tái)冗余設(shè)備，測(cè)試需要在最不利工況（如遠(yuǎn)離接入點(diǎn)AP或信號(hào)傳輸被中間車輛遮蔽）下進(jìn)行。無線電鏈路測(cè)試對(duì)于進(jìn)行下一步測(cè)試至關(guān)重要。如果無線電覆蓋范圍不足，則無法進(jìn)行功能測(cè)試（如列車定位等）。

5.4 定位功能測(cè)試

定位功能測(cè)試是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的另一重要環(huán)節(jié)，主要測(cè)試列車能否以足夠的精度確定其位置。定位功能測(cè)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(cè)試與定位功能測(cè)試是CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。這2種測(cè)試必須在線路的雙方向上進(jìn)行。

5.5 ATP 系統(tǒng)功能測(cè)試

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

5.6 ATO 功能測(cè)試

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

5.7 ATS 系統(tǒng)功能測(cè)試

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

5.8 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試（SAT）

運(yùn)營(yíng)商可全程參與測(cè)試活動(dòng)，也可僅對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。通常，在SAT中，測(cè)試人員需要對(duì)項(xiàng)目合同中所涉及的所有內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試。然而，為保證按規(guī)定日期將CBTC系統(tǒng)投入使用，測(cè)試人員可能首先測(cè)試特定的功能;而對(duì)于某些復(fù)雜功能（如控制系統(tǒng)功能），則在與運(yùn)營(yíng)商協(xié)商后推遲補(bǔ)做。

5.9 運(yùn)行測(cè)試

運(yùn)行測(cè)試是針對(duì)改造項(xiàng)目的測(cè)試。測(cè)試中，由原有的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)保障列車安全;新列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（即CBTC系統(tǒng)）同時(shí)運(yùn)行，并接收所有相關(guān)的控制參數(shù)，但若其檢測(cè)到有偏差，也不會(huì)干預(yù)控制過程。這個(gè)過程會(huì)持續(xù)數(shù)月。然后，進(jìn)行不載客的常規(guī)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試中由CBTC系統(tǒng)進(jìn)行列車運(yùn)行控制。如果測(cè)試成功，則可載客運(yùn)行。

5.10 可靠性測(cè)試

此測(cè)試旨在驗(yàn)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(hù)性、安全性、信息安全性，RAMSS）。為此，應(yīng)在制造商與運(yùn)營(yíng)商簽署合同時(shí)確定測(cè)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(cè)試周期、測(cè)試方法的統(tǒng)計(jì)邊界條件（如具有特定置信區(qū)間的卡方檢驗(yàn)）。若測(cè)試結(jié)果不符合可靠性參數(shù)的規(guī)定，則制造商可能會(huì)遭受違約處罰。

6 結(jié)語

目前，全球許多運(yùn)營(yíng)商都在自有列車中引入了CBTC系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)輸能力和安全運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。CBTC系統(tǒng)測(cè)試是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，雖然大部分測(cè)試可在制造商的測(cè)試中心完成，但是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各種功能測(cè)試也必不可少;而且某些錯(cuò)誤在系統(tǒng)投入使用后才會(huì)暴露出來。因此，制造商和運(yùn)營(yíng)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(xiàn)

[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