地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案優(yōu)化

李 葉 崔海剛

（卡斯柯信號有限公司，200070，上海∥第一作者，工程師）

1 地鐵信號系統(tǒng)簡介

地鐵信號系統(tǒng)在為城市軌道交通系統(tǒng)提供充足、準(zhǔn)時的交通運(yùn)輸服務(wù)及信息的同時，也確保了乘客和設(shè)備的安全。目前，市場上大多采用基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)作為地鐵信號系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中，列車自動監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)負(fù)責(zé)地鐵時刻表管理以及監(jiān)控線路信號和列車運(yùn)營狀態(tài)；列車自動控制（ATC）子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制列車和軌旁區(qū)域，以優(yōu)化列車的運(yùn)營、防護(hù)列車的運(yùn)行及保證乘客的安全。ATC子系統(tǒng)由車載ATP（列車自動防護(hù)）、車載ATO（列車自動運(yùn)行）和軌旁ATC組成。計算機(jī)聯(lián)鎖（CI）子系統(tǒng)控制并操作軌旁設(shè)備，以形成并保護(hù)列車的安全進(jìn)路。信號維護(hù)支持（MSS）子系統(tǒng)監(jiān)控信號設(shè)備狀態(tài)，為信號系統(tǒng)提供維護(hù)。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)之間的信息傳輸，且每個子系統(tǒng)均與DCS相連。

圖1 地鐵信號系統(tǒng)組成

2 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試

2.1 室內(nèi)集成測試目的

地鐵運(yùn)輸涉及行車及旅客的生命安全，因此地鐵信號控制系統(tǒng)必須具備高度的安全性和可靠性。地鐵開通前必須對地鐵信號控制系統(tǒng)進(jìn)行完整測試，及時消除可能存在的隱患。在整個地鐵信號系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目中，室內(nèi)集成測試在項(xiàng)目實(shí)施的生命周期模型中起著重要的作用。一方面，將現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的大部分測試提前到室內(nèi)進(jìn)行，使得現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的效率得以提高，節(jié)約項(xiàng)目成本；另一方面，在室內(nèi)進(jìn)行模擬列車運(yùn)行測試并通過后，再發(fā)布到現(xiàn)場測試，為現(xiàn)場調(diào)試人員提供了安全保障。

2.2 室內(nèi)集成測試流程

地鐵信號系統(tǒng)作為一個大的集成系統(tǒng)，為確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行，在交付運(yùn)營前必須進(jìn)行深入測試。室內(nèi)集成測試通常分為多個級別，如各子系統(tǒng)的測試、各子系統(tǒng)之間的集成和確認(rèn)測試以及現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試。統(tǒng)計表明，后一級的測試與前一級的測試相比，發(fā)現(xiàn)和修復(fù)一個缺陷的平均成本要提高10倍。因此，室內(nèi)子系統(tǒng)和系統(tǒng)級的測試應(yīng)盡量完整覆蓋所需測試的功能，盡可能將較少的問題遺留到現(xiàn)場的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，從而極大降低故障定位及缺陷修復(fù)的成本。

圖2 地鐵信號系統(tǒng)項(xiàng)目流程圖

地鐵信號系統(tǒng)項(xiàng)目流程如圖2所示。由圖2可知，項(xiàng)目合同中的通用功能可分配到通用信號系統(tǒng)中，由通用信號系統(tǒng)的需求、設(shè)計、開發(fā)以及系統(tǒng)測試完成。項(xiàng)目合同中需要特殊設(shè)計的部分由項(xiàng)目需求、設(shè)計、數(shù)據(jù)以及項(xiàng)目層面系統(tǒng)測試完成。

圖2中的深色區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)集成和確認(rèn)測試階段，主要包含系統(tǒng)集成和確認(rèn)測試、系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)測試及系統(tǒng)測試。此階段是將地鐵信號發(fā)布至現(xiàn)場的最后一個室內(nèi)把關(guān)環(huán)節(jié)，因此對于項(xiàng)目實(shí)施具有重要意義。

3 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案

地鐵信號系統(tǒng)需要正常運(yùn)行，必須與其他相關(guān)設(shè)備相連接進(jìn)行信息交互。在室內(nèi)進(jìn)行測試，無法使用真實(shí)的軌旁信號設(shè)備以及地鐵車輛，因此需要搭建地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成仿真測試平臺。該平臺亦稱為工廠集成確認(rèn)測試平臺（FIVP）。本文基于此平臺對室內(nèi)集成測試方案進(jìn)行設(shè)計實(shí)施。

3.1 室內(nèi)集成測試現(xiàn)有方案

3.1.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，SIB表示仿真集成平臺，該平臺主要模擬車站信號設(shè)備（包括隔斷門、信號機(jī)、道岔及軌道等）、車輛、天線、信標(biāo)以及編碼里程計，并與CC（車載控制器）、軌旁ATC和CI子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

圖3 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構(gòu)

本測試系統(tǒng)所使用的信號子系統(tǒng)設(shè)備包括CI設(shè)備、本地ATS設(shè)備、現(xiàn)地工作站（HMI）設(shè)備、中心調(diào)度臺（GPC）設(shè)備、維護(hù)診斷終端（SDM）、中央ATS設(shè)備、區(qū)域控制器（ZC）設(shè)備、線路控制器（LC）及CC等。該平臺所有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配置均與現(xiàn)場一致。

3.1.2 測試平臺硬件結(jié)構(gòu)

FIVP由SIB與真實(shí)被測系統(tǒng)共同構(gòu)成。其中，SIB硬件結(jié)構(gòu)由真實(shí)列車SIB、Remote I/O SIB（聯(lián)鎖輸入/輸出仿真）和sim SIB（運(yùn)算仿真平臺）3部分組成。

（1）真實(shí)列車SIB：在該平臺中，信號系統(tǒng)的CC安裝在地鐵列車上（2個車頭各安裝1個）。與CC接口的設(shè)備包括駕駛臺及繼電器、編碼里程計、信標(biāo)天線、串口網(wǎng)絡(luò)、模擬量輸出等。真實(shí)列車機(jī)柜內(nèi)包含128位離散RX卡、128位離散TX卡、編碼里程計和天線卡、PMC（外設(shè)部件互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)夾層卡）及其他板卡等。

（2）Remote I/O SIB：在實(shí)際應(yīng)用中，聯(lián)鎖機(jī)柜的輸入變量采集板卡和輸出變量驅(qū)動板卡需要與繼電器機(jī)柜連接。繼電器處理的信號有：信號機(jī)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸、站臺屏蔽門、防淹門、LEU（軌旁電子單元）、IBP（應(yīng)急后備操作盤）等。

（3）sim SIB：主要由RTFE（實(shí)時前端運(yùn)算設(shè)備）、RTS（實(shí)時監(jiān)控設(shè)備）、SC（控制臺計算機(jī)）、GCMC(主配置管理控制臺)、I/O boards(輸入/輸出板)、Conditioning rack（輸入/輸出機(jī)籠）以及 IRIGB synchronization（串行時間同步）等設(shè)備組成。

FIVP通過以太網(wǎng)將以上設(shè)備連接在一起，其數(shù)量可配。sim SIB使用了1個真實(shí)列車機(jī)柜實(shí)現(xiàn)了以上設(shè)備與CC接口的I/O boards信號的模擬。SIB通過Remote I/O機(jī)柜模擬聯(lián)鎖碼位的輸入/輸出。Remote I/O機(jī)柜包含128位離散RX卡和128位離散TX卡。真實(shí)列車機(jī)柜和Remote I/O機(jī)柜處理以上所有的變量信息，再作為一個同步節(jié)點(diǎn)將所有信息同步到整個平臺網(wǎng)絡(luò)中。

目前，卡斯柯Urbalis 888地鐵信號系統(tǒng)中，sim SIB使用了4塊用于運(yùn)算的RTFE（實(shí)時前段計算設(shè)備），該平臺通過I/O boards與Conditioning rack相連，并通過IRIG-B synchronization進(jìn)行時鐘同步；另外，該平臺還包括4個SC和1個RTS（亦稱GCMC），以上設(shè)備可用于查看和操作變量。sim SIB通過內(nèi)部的同步機(jī)制將各個子設(shè)備的狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時同步，一個RTFE設(shè)備可以獲取其他RTFE上的模型變量，也可以修改模型變量并實(shí)時同步給其他設(shè)備。在SC和GCMC設(shè)備上也有實(shí)時運(yùn)行的應(yīng)用程序和應(yīng)用腳本，可以獲取RTFE上的變量狀態(tài)，也可以修改相應(yīng)的變量狀態(tài)。SIB在以上3部分的協(xié)同下完成了地鐵軌旁設(shè)備、真實(shí)車輛接口的模擬以及相關(guān)運(yùn)算。因此，地鐵信號系統(tǒng)與SIB協(xié)同即可模擬真實(shí)地鐵運(yùn)行場景。

3.1.3 測試平臺軟件結(jié)構(gòu)

在以上FIVP硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，測試平臺通過模擬設(shè)備的形式處理聯(lián)鎖和CC的輸入輸出。其中，SD（模擬設(shè)備分配）定義了測試平臺中所有的模擬設(shè)備，如信號機(jī)、軌旁信標(biāo)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸、站臺屏蔽門、緊急停車按鈕及車輛等；ICD（接口定義）針對每一類設(shè)備定義了其所包含的輸入/輸出變量碼位及碼位的類型；Association File（針腳文件）定義了具體碼位在測試平臺中的具體針腳；Lua腳本（腳本編寫）負(fù)責(zé)編寫碼位的邏輯，即模擬具體設(shè)備處理變量的邏輯，如車輛電路邏輯、信號機(jī)點(diǎn)燈邏輯、站臺屏蔽門開關(guān)門邏輯及編碼里程計速度變化邏輯等，其涉及的邏輯較通用。此外，亦可使用動態(tài)庫文件進(jìn)行批量處理。

3.1.4 測試內(nèi)容

地鐵信號系統(tǒng)FIVP的測試內(nèi)容包括：

（1）系統(tǒng)集成和確認(rèn)測試。在通用信號系統(tǒng)發(fā)布之前，需進(jìn)行系統(tǒng)集成和確認(rèn)測試。本測試可確保各子系統(tǒng)之間各接口協(xié)議的正確性，以及各子系統(tǒng)集成后的系統(tǒng)功能、性能及冗余性均滿足通用系統(tǒng)需求。

（2）系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)測試。本測試可確保項(xiàng)目各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口的正確性。測試內(nèi)容包括ATS-CI、ATS-LC、ATS-ZC、CC-CI、ZC-CI以及MSS-ATS、MSS-ATC、MSS-CI等。根據(jù)系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)測試規(guī)程，通過觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)碼位的發(fā)送條件來測試相應(yīng)的接口數(shù)據(jù)。

（3）系統(tǒng)測試。本測試主要使用項(xiàng)目特定配置對系統(tǒng)的基本功能以及與配置相關(guān)的功能進(jìn)行測試，確保在項(xiàng)目特定配置下系統(tǒng)可以滿足功能、性能以及冗余要求。系統(tǒng)測試內(nèi)容包括項(xiàng)目配置的CBTC進(jìn)路、后備模式進(jìn)路、折返、扣車和跳停等一系列功能的遍歷測試，以及部分降級測試和項(xiàng)目特殊功能測試，如帶通信的后備模式、測試站臺屏蔽門和緊急停車按鈕的特殊處理等。

以上所有的測試內(nèi)容均可以覆蓋現(xiàn)場調(diào)試內(nèi)容的70%。既有數(shù)據(jù)和軟件內(nèi)存在的問題需在現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)。測試一個簡單的碼位通常需要多名工作人員在列車上、車站設(shè)備室、中心調(diào)度工作室進(jìn)行通力合作、反復(fù)檢查才能夠確認(rèn)。在室內(nèi)執(zhí)行的系統(tǒng)測試一方面可以減少人力成本，另一方面可以縮短測試所需時間，同時測試中發(fā)現(xiàn)的問題在室內(nèi)即可得到解決，也保證了現(xiàn)場調(diào)試的安全。

3.2 室內(nèi)集成測試優(yōu)化方案

現(xiàn)有室內(nèi)集成測試平臺及方案雖可以滿足室內(nèi)功能測試要求，但隨著近年來項(xiàng)目的增多以及測試平臺的需求增加，測試平臺需要多臺硬件機(jī)柜搭建組成，因此一方面需要巨大成本，另一方面對空間的要求亦日益增大。另外，測試平臺一次僅能測試兩個聯(lián)鎖集中站，對于每個都有十幾個聯(lián)鎖區(qū)的項(xiàng)目而言，每次更換測試平臺的軟硬件環(huán)境將花費(fèi)大量時間，同時由于缺乏相鄰的聯(lián)鎖區(qū)環(huán)境，大部分測試場景無法執(zhí)行，導(dǎo)致測試場景單一、測試效率不高。因此，針對測試平臺的虛擬化改進(jìn)亟待解決。

3.2.1 優(yōu)化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺將原先運(yùn)行在板卡中的RTFE運(yùn)行在工控機(jī)和虛擬機(jī)內(nèi)，通過配置Vsphere（多虛擬機(jī)）管理系統(tǒng)，將所需的虛擬機(jī)全部運(yùn)行在同一臺服務(wù)器中。同時各個子系統(tǒng)的模擬亦都盡量實(shí)現(xiàn)虛擬化。虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 虛擬測試平臺結(jié)構(gòu)

（1）原有的CC不僅占用大量空間，同時需要一個真實(shí)列車機(jī)柜來處理CC的輸入/輸出碼位。虛擬化的CC使用Host（主機(jī)）技術(shù)，將運(yùn)行在Linux系統(tǒng)板卡中的ATP和ATO軟件運(yùn)行在Windows XP虛擬機(jī)內(nèi)，且將實(shí)體的DMI（人機(jī)界面）亦運(yùn)行在Windows XP虛擬機(jī)的DMI模擬軟件中，同時通過平臺定義與Host CC通信的輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來處理CC與測試平臺輸入/輸出接口問題。

（2）ZC/LC通過運(yùn)行在虛擬機(jī)服務(wù)器中的Windows XP上的Host ZC/LC軟件調(diào)用項(xiàng)目的ZC/LC數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)ZC/LC的模擬，以代替實(shí)際的2003機(jī)柜。

（3）ATS設(shè)備可運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)，統(tǒng)一由vSphere服務(wù)器管理。

（4）CI的虛擬化實(shí)現(xiàn)方式比較復(fù)雜，采用聯(lián)鎖子系統(tǒng)測試的CITB（CI測試平臺）技術(shù)，即使用1塊VLE（聯(lián)鎖運(yùn)算）板卡模擬整個聯(lián)鎖軟件的數(shù)據(jù)邏輯，用CITB上位機(jī)軟件處理與聯(lián)鎖下位機(jī)的輸入/輸出通信，同時開發(fā)了聯(lián)鎖上位機(jī)與測試平臺通信的接口協(xié)議，這樣CITB上位機(jī)就可以與測試平臺交互聯(lián)鎖的輸入輸出信息。由于CITB上位機(jī)軟件支持多站同時使用，故其在實(shí)際使用中可以搭建多個站的CITB環(huán)境。

虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺極大地節(jié)省了測試平臺的費(fèi)用及所占用的空間，同時多站的測試環(huán)境亦可以節(jié)省搭建環(huán)境的時間。該測試平臺系統(tǒng)環(huán)境較齊全，可實(shí)現(xiàn)較多場景的測試，在豐富測試場景的同時亦可以提升測試效率。

3.2.2 其他可優(yōu)化的測試內(nèi)容

（1）點(diǎn)對點(diǎn)測試。ZC-CI、CC-CI等點(diǎn)對點(diǎn)測試可以在虛擬化測試平臺自動化執(zhí)行，通過日志的自動記錄和自動比對，實(shí)現(xiàn)大量點(diǎn)對點(diǎn)碼位的自動化測試，可以提升30%的效率。

（2）系統(tǒng)測試。FIVP系統(tǒng)測試平臺引入了多站的虛擬聯(lián)鎖環(huán)境，大大提升了測試效率。在多站環(huán)境的支持下，完成首輪系統(tǒng)測試的時間比原來縮短了30%。同時自動進(jìn)路觸發(fā)、計劃車及全線跳停等功能亦可在同一個場景下直接完成。

4 結(jié)語

本文介紹了目前地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案的硬件平臺以及測試內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上提出了虛擬測試平臺的優(yōu)化方案。FIVP測試平臺通過模擬軌旁設(shè)備和車載設(shè)備的碼位變量以及動作行為，補(bǔ)足了室內(nèi)信號系統(tǒng)測試缺少的設(shè)備，使得室內(nèi)的測試環(huán)境盡可能接近現(xiàn)場的真實(shí)環(huán)境，這樣室內(nèi)針對信號系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)的測試就能代替現(xiàn)場調(diào)試相當(dāng)大一部分內(nèi)容。這套方案在已投入運(yùn)營的地鐵線路上得到了驗(yàn)證，大大減少了現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的成本，為地鐵的高質(zhì)量、高效開通打下良好基礎(chǔ)。

［1］ 楊金讓.高速鐵路通信、信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案的探討［J］.價值工程，2015（9）：91.

［2］ 李啟翮.一種信號設(shè)備功能測試系統(tǒng)方案的研究［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2010（8）：29.