鐵路信號系統(tǒng)的數(shù)字化以及新型列車控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用可提高現(xiàn)有鐵路線路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力、準(zhǔn)點(diǎn)率和可靠性，改善其運(yùn)輸質(zhì)量，提高其運(yùn)輸效率，從而達(dá)到增強(qiáng)鐵路競爭力的目標(biāo)。為此，德國鐵路股份公司（DB）于2018年制定了“德國數(shù)字鐵路”項目計劃，希望通過廣泛應(yīng)用數(shù)字信號裝置和歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS），在不建設(shè)新線的情況下，將現(xiàn)有線路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力提升20%。根據(jù)該計劃，DB將在20年內(nèi)為其整個線路網(wǎng)絡(luò)配備數(shù)字信號裝置和ETCS系統(tǒng)。由于投資規(guī)模大、技術(shù)工人短缺以及技術(shù)規(guī)范尚未明確等原因，這項龐大的投資計劃為鐵路部門帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，DB對鐵路信號系統(tǒng)的改造能力為每年最多4 000 個控制單元（包括集中聯(lián)鎖裝置、信號機(jī)等），按照現(xiàn)有的規(guī)范、流程和資源估計，僅完成數(shù)字信號裝置的替換就需要 12 年時間，因此如果不采用優(yōu)化方法，則無法實(shí)現(xiàn)每年改造10 000個控制單元、5年完成數(shù)字信號裝置替換、在2040年完成所有部署的目標(biāo)。因此，本文將提出優(yōu)化數(shù)字信號裝置及ETCS系統(tǒng)部署的方法。

1 遵循一步到位原則

達(dá)到上述目標(biāo)的最重要方法是遵循“一步到位”的原則，即從一開始就確保每一項作業(yè)（無論規(guī)模大小）都具有很高的質(zhì)量，無需返工。

目前，由于外部條件的限制，DB通常按照尚未成型（即可能發(fā)生更改）的技術(shù)規(guī)范來實(shí)施項目，這會為其帶來額外的負(fù)擔(dān)。其原因在于，技術(shù)規(guī)范的更改，一方面會引起項目規(guī)劃的更改，為制定和審核規(guī)劃的人員帶來額外的工作;另一方面會導(dǎo)致對已安裝基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)整，從而在供貨、施工監(jiān)督、安保和驗(yàn)收測試方面產(chǎn)生額外的費(fèi)用。

要解決上述問題，必須在大規(guī)模部署數(shù)字信號裝置和ETCS系統(tǒng)之前，形成可覆蓋所有運(yùn)營和基礎(chǔ)設(shè)施條件/要求、經(jīng)過全面驗(yàn)證和測試、不需調(diào)整即可在整個線路網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范，為項目的規(guī)劃奠定基礎(chǔ)和創(chuàng)造必要的先決條件。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，首先必須利用所有可用的資源（包括供應(yīng)商、DB、德國聯(lián)邦鐵路局（EBA）、評估機(jī)構(gòu)和工程師事務(wù)所）在1年之內(nèi)制定出合理的技術(shù)規(guī)范;然后，在實(shí)驗(yàn)室中對其進(jìn)行測試;接下來，在5年之內(nèi)完成在具有代表性線路網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的試點(diǎn);試點(diǎn)成功后再進(jìn)行大規(guī)模部署。如此會使項目的實(shí)施更高效、迅速和經(jīng)濟(jì)。

2 統(tǒng)一審批/投入使用流程

ETCS系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和產(chǎn)品必須符合現(xiàn)有的運(yùn)營規(guī)程及其技術(shù)實(shí)施規(guī)范，必須在滿足安全系統(tǒng)要求的條件下通過各種審批流程。相關(guān)規(guī)程和規(guī)范可細(xì)分為歐洲標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范、由其衍生出的具有法律特征的國家規(guī)定及EBA頒布的國家審批法規(guī)。但這些規(guī)范之間存在某種程度的不一致，而且會被不斷更改或修正，其更改周期比項目持續(xù)時間短得多。因此，首先必須列出相關(guān)規(guī)范的清單，并以此為依據(jù)制定協(xié)調(diào)的審批流程;然后，將此規(guī)范清單納入行政法規(guī)的范疇，并對其進(jìn)行詳細(xì)說明，以使歐洲和國家標(biāo)準(zhǔn)中與風(fēng)險管理流程相關(guān)的要求、安全驗(yàn)證管理要求，以及歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CENELEC）標(biāo)準(zhǔn)要求等在審批階段相互協(xié)調(diào)并達(dá)成一致。在理想情況下，還應(yīng)將投入使用流程（如《鐵路投入使用審批條例（EIGV）》）納入清單中，以便建立從開發(fā)、實(shí)施到投入使用的一整套角色要求清晰、過程描述詳細(xì)和結(jié)果相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)流程。由于消除了重復(fù)性工作，上述方法可以減少資源消耗，加快項目實(shí)施過程。

3 既有基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化

獲取基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時精確數(shù)據(jù)并利用計算機(jī)（非工人）對其進(jìn)行處理和分析，對于項目的有效實(shí)施至關(guān)重要，因?yàn)榭捎捎嬎銠C(jī)處理的海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是將現(xiàn)代規(guī)劃流程集成到軟件工具中的前提。然而，在項目實(shí)施時，現(xiàn)有的數(shù)字化技術(shù)往往難以滿足所需的質(zhì)量要求，因此需要進(jìn)行耗時且花費(fèi)巨大的重新測量，影響項目的進(jìn)度;而接口不一致及數(shù)據(jù)格式未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化也使數(shù)字規(guī)劃流程的統(tǒng)一實(shí)施更加困難。

為解決上述問題，德國Nextrail GmbH公司推出了Traximizer?，這是一種移動測圖系統(tǒng)，能夠以相當(dāng)高的精度采集鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。Traximizer?安裝在列車車頭位置（圖 1），可在列車運(yùn)行過程中采集沿途基礎(chǔ)設(shè)施和軌道環(huán)境的海量數(shù)據(jù)，如精確的定位數(shù)據(jù)、有地理參考的三維點(diǎn)云和高分辨率的圖像數(shù)據(jù)等（圖 2）。該系統(tǒng)包含以下組件：

（1）1套基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于精確定位，即使在隧道和山谷中也能提供準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù);

（2）1臺經(jīng)過改裝的激光掃描儀，用于采集三維點(diǎn)云;

（3）1套高分辨率的成像攝相機(jī)系統(tǒng)，用于采集圖像。

理想情況下，該系統(tǒng)的測量速度可達(dá)80 km/h，這意味著可以在不影響列車正常運(yùn)營的情況下進(jìn)行測量操作。其測量結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出，以便能夠使用其他數(shù)字化工具或直接通過客戶特定的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

在處理和評估測量數(shù)據(jù)時，項目人員可從點(diǎn)云中檢測出所有基礎(chǔ)設(shè)施元件，對其進(jìn)行精確定位和記錄，并創(chuàng)建實(shí)時線路拓?fù)?然后利用位置參考，推算出該元件與軌道邊緣的距離，并確定與線路相關(guān)的公里數(shù)。除獲取元件數(shù)據(jù)之外，項目人員還可利用測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建其他數(shù)字化成果，如3D模型（可通過建筑信息模型（BIM）技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步處理）。整個數(shù)據(jù)分析過程可確保數(shù)據(jù)在安全完整性等級4級（SIL4）環(huán)境中的可用性，并滿足ETCS系統(tǒng)部署對數(shù)據(jù)精確性的要求。

4 規(guī)劃及其審查的數(shù)字化

由于缺乏足夠的、高質(zhì)量的規(guī)劃及規(guī)劃審查資源，許多數(shù)字化鐵路項目目前難以快速實(shí)施。如何加快規(guī)劃速度已成為亟待解決的問題。在大規(guī)模部署數(shù)字信號裝置和ETCS系統(tǒng)時，其規(guī)劃內(nèi)容是重復(fù)出現(xiàn)且大致相同的，所以可通過使用經(jīng)過驗(yàn)證的規(guī)劃軟件系統(tǒng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的自動化，從而將規(guī)劃人員從大量重復(fù)性勞動中解放出來，集中精力解決軟件系統(tǒng)無法處理的特殊規(guī)劃問題。而且鑒于ETCS系統(tǒng)可在既有信號系統(tǒng)上疊加使用，因此特別適合采用自動化的規(guī)劃方法。

在自動化規(guī)劃的過程中，規(guī)劃軟件系統(tǒng)的基本輸入變量是設(shè)施的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)（可由Traximizer?提供）和根據(jù)所需規(guī)范建立的完整模型。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會自動進(jìn)行規(guī)劃，并顯示其無法處理的內(nèi)容。如果系統(tǒng)未生成預(yù)期的結(jié)果，則必須確定出現(xiàn)偏差的原因，并據(jù)此調(diào)整軟件程序，或在必要時對規(guī)范進(jìn)行修改。

規(guī)劃審查軟件系統(tǒng)（獨(dú)立于規(guī)劃軟件系統(tǒng)存在）可以在規(guī)劃審查機(jī)構(gòu)審查ETCS系統(tǒng)規(guī)劃時減少其工作量。與規(guī)劃軟件系統(tǒng)相同，該系統(tǒng)可以對一般規(guī)劃內(nèi)容進(jìn)行審查，并顯示其無法審查的部分。

DB與達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)（TU Darmstadt）合作開發(fā)了FormETCS規(guī)劃審查系統(tǒng)。FormETCS系統(tǒng)旨在通過將規(guī)范形式化，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃和規(guī)劃審查的自動化。為開發(fā)FormETCS系統(tǒng)，項目人員首先詳細(xì)分析了各種相關(guān)規(guī)范，識別規(guī)范文本中的規(guī)則、條件、表格、圖片和公式，并對其進(jìn)行分類;然后，使用偽代碼（即if - then公式）對規(guī)范進(jìn)行描述，并將其轉(zhuǎn)換為流程圖，這是開發(fā)審查算法的基礎(chǔ)。

FormETCS系統(tǒng)的開發(fā)基于ETCS系統(tǒng)規(guī)劃者和規(guī)劃審查者的經(jīng)驗(yàn)和知識。形式化的規(guī)范及配置、審查算法，除可以加快規(guī)劃和規(guī)劃審查的速度之外，還能夠明顯減少人為錯誤，提高規(guī)劃質(zhì)量。

5 資源使用的優(yōu)化和專家資源池的建立

實(shí)施德國數(shù)字鐵路計劃的一大瓶頸在于，相對于如此龐大的投資額而言，相關(guān)資源及有資質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員相對匱乏。因此，應(yīng)該組織來自DB、EBA、鐵路公司、評估機(jī)構(gòu)和工程師事務(wù)所的專家，聯(lián)合開發(fā)一個標(biāo)準(zhǔn)工具套件，該工具套件應(yīng)包含用于加速和統(tǒng)一項目實(shí)施的一系列優(yōu)化流程、工具和軟件解決方案。這樣可以避免不必要的重復(fù)勞動，并且由于采用了統(tǒng)一的方法，不同參與者之間的協(xié)調(diào)變得更加容易。此外，還應(yīng)對工程師統(tǒng)一進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，這樣做有2個優(yōu)點(diǎn)：① 為經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師減輕負(fù)擔(dān)，使其無需對其他員工進(jìn)行指導(dǎo);②使工程師全面掌握標(biāo)準(zhǔn)工具套件的相關(guān)知識和技能，成為這方面的專家。

此外，還應(yīng)整合整個鐵路行業(yè)的專家資源，建立專家資源池，用于制定行業(yè)規(guī)范并提供與項目成敗密切相關(guān)的關(guān)鍵資源。為此，應(yīng)成立一個獨(dú)立的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)根據(jù)不同項目的不同需求推薦適合的專家，以確保將稀缺的關(guān)鍵資源使用在最合適的地方，從而為“德國數(shù)字鐵路”計劃帶來最大的收益。

參考文獻(xiàn)

[1]Robert Sch?tzle， Frank A. Werner， Alexander Wolf， et al. Herausforderungen bei der ETCS-Realisierung sowie Ans?tze zur Optimierung[J]. Signal+Draht，2020，112（5）：6-12.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-08-20