比利時貨運公司Lineas瞄準(zhǔn)低成本高效益ETCS

2020年初，比利時貨運公司Lineas的一臺77型柴油機車在比利時國家鐵路網(wǎng)上恢復(fù)正常運行。在該機車的前端駕駛室中增加了一個新的電子設(shè)備柜。該電子設(shè)備柜是新一代ETCS車載設(shè)備的試驗產(chǎn)品，由TSC公司開發(fā)。

TSC公司由Lineas公司支持，于2019年4月成立。Lineas計劃2025—2026年將其所屬的110臺機車均裝備新一代ETCS設(shè)備，這將為TSC的發(fā)展提供巨大支持。

1 新一代ETCS車載設(shè)備的主要特點

1.1 硬件簡化

當(dāng)前的ETCS車載設(shè)備架構(gòu)是基于20年前的技術(shù)設(shè)計的，其后技術(shù)發(fā)展十分緩慢。ETCS的核心——歐洲安全計算機，缺乏靈活性，無法滿足產(chǎn)品定制需求，給現(xiàn)有車輛的改造加裝造成困難，導(dǎo)致成本增加，并延長了ETCS車載單元的安裝、維修或升級所需的時間。

目前，要將法規(guī)框架和TSI沒有強制要求的功能特征嵌入到ETCS車載設(shè)備中十分困難。一般情況下，需要將這些特征以所謂“用戶需求”的名義，由工程團隊在施工時實施，包括GPS、遠程測量、維護系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)、列車記錄儀、乘客信息系統(tǒng)等。

TSC嘗試?yán)脭?shù)字化技術(shù)，研發(fā)軟件驅(qū)動的車載單元，盡可能簡化硬件，這也正是OCORA項目中所謂“車載參考架構(gòu)”的研究方向。

TSC的車載安全計算機iEVC由嵌入式模塊組成，這些模塊堅固耐用，適用于機車車輛的安裝條件，并通過以太網(wǎng)通信。組件或子系統(tǒng)間物理接口將采用就近安裝的專用模塊實現(xiàn)，最大程度地減少電纜用量。

這種簡化的iEVC硬件體系架構(gòu)中，某些特征功能和模塊的增加或替換是可控的，最大程度地減少了系統(tǒng)變更后重新認(rèn)證的工作量。任何軟件升級，無論是否與安全相關(guān)，都由iEVC安全計算機模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)。模塊間盡可能采用“基本”的物理接口，并通過專用開發(fā)環(huán)境管理軟件變更，從而控制成本，降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

1.2 系統(tǒng)升級

實際上，現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)是基于某個基線配置的，不能輕易變動。為便于ERTMS部署，ERT?MS基線需要具備一定的穩(wěn)定性。目前鐵路部門已經(jīng)達成一致：2016年發(fā)布“基線3第2版”之后，至2022年系統(tǒng)需求規(guī)范SRS將不再更新。然而，這會造成諸如ATO之類的“游戲規(guī)則改變者”的引入延遲，而且從長遠來看，“凍結(jié)”規(guī)范會影響到ERTMS軟件的發(fā)展和更新，這也是運營商擔(dān)憂的問題。

要解決這個矛盾，可以在“軟件即服務(wù)”這一更廣泛的技術(shù)發(fā)展趨勢中找到答案。按照“軟件即服務(wù)”概念，ERTMS基線升級時，不需要進行產(chǎn)品重新設(shè)計，也不會引起任何重大投資，可以采用類似智能手機系統(tǒng)升級的方式。對于最終用戶而言，系統(tǒng)升級幾乎是透明的。

TSC將通過使用ERTMS Solutions（RG）項目開發(fā)的ERTMSFormalSpecs（EFS）專用建模語言實現(xiàn)。EFS語言已經(jīng)越來越多地被信號制造商和基礎(chǔ)設(shè)施管理者用于系統(tǒng)變更和認(rèn)證。EFS能生成ERTMS規(guī)范可立即執(zhí)行模型，沒有任何中間代碼。這種基于模型的形式化方法，縮短了基線變更所需的時間，加快了系統(tǒng)變更認(rèn)證過程。

目前，ERTMS Solutions項目已開發(fā)出了符合ERTMS subset-026規(guī)范的EFS模型及針對Subset-076的自動測試組件。TSC正在討論將EFS的應(yīng)用許可授權(quán)給進入ETCS車載設(shè)備市場的其他公司，以促進市場競爭，使用戶受益。

1.3 集成開發(fā)

在許多國家，阻礙ERTMS大規(guī)模推廣的另一個瓶頸是具體項目復(fù)雜的工程需求，以及普遍短缺合格的技術(shù)人員。在現(xiàn)有機車上加裝或改裝ETCS車載設(shè)備是一項復(fù)雜的任務(wù)，任何錯誤都可能帶來災(zāi)難性后果，因而需要熟練掌握安全相關(guān)技術(shù)的工程人員。

TSC正在研究“安全集成開發(fā)環(huán)境（SIDE）”，以加快詳細設(shè)計過程，降低工程復(fù)雜性。通過SIDE應(yīng)用將提升安全或非安全應(yīng)用程序的開發(fā)，在通用ETCS車載設(shè)備上增加或修改相關(guān)功能，以滿足每個客戶的具體需求，SIDE也可供第三方軟件開發(fā)商使用。

為實現(xiàn)ERA提出的ETCS發(fā)展愿景，可借鑒智能手機的做法：在為各平臺分發(fā)的單個應(yīng)用程序中創(chuàng)建一個“生態(tài)系統(tǒng)”。這個“生態(tài)系統(tǒng)”對智能手機的大規(guī)模使用起到至關(guān)重要的作用，因為如果沒有大量的應(yīng)用程序，智能手機將僅限于供應(yīng)商提供的有限的功能。ETCS車載設(shè)備也是如此，沒有適合各種車輛和運營需求的功能定制，它就僅僅是一個制動控制系統(tǒng)。通過SIDE應(yīng)用可極大地增加其潛力。

B級傳統(tǒng)信號系統(tǒng)就是一個典型的例子。B級系統(tǒng)經(jīng)常要在不同國家/地區(qū)與ETCS共用，是限制ETCS發(fā)展的另一個瓶頸，使ETCS系統(tǒng)更加復(fù)雜，工程費用更高，難以獲得安全機構(gòu)的認(rèn)證授權(quán)。

B級系統(tǒng)使用的歐標(biāo)應(yīng)答器或滿足ETCS的傳輸技術(shù)（例如TBL1+，KVB或ATC2）都可以通過軟件方式輕松實現(xiàn)。即使是需要使用其他傳感器和特定傳輸模塊的系統(tǒng)，例如德國PZB或波蘭SHP，也可以通過在車載以太網(wǎng)上增加傳感器模塊，并通過相關(guān)應(yīng)用程序讀取該傳感器來實現(xiàn)。

由于有了SIDE，開發(fā)人員和集成商可以完成幾乎所有應(yīng)用軟件的變更或升級，除了必要的安全計算機、速度傳感器和歐標(biāo)應(yīng)答器讀取器外，“無法觸及”的元素數(shù)量將減少到最低限度。

1.4 “空中”升級

由于目前基線2和基線3版本的軟件都在歐洲使用，因此需要進行版本控制，以確保所有設(shè)備均達到當(dāng)前的基線標(biāo)準(zhǔn)。但事實證明，要在數(shù)量龐大、可能遍布整個歐洲大陸的列車上進行車載設(shè)備升級并非易事。

與其他供應(yīng)商一樣，TSC認(rèn)為“安全的軟件空中升級”是解決這個難題的答案。正如特斯拉在汽車領(lǐng)域采用的方法，即夜間停車時更新應(yīng)用軟件。該方法能最大程度地減少車載軟件錯誤修復(fù)或更新升級需要投入的精力，有助于降低日常維護成本，而日常維護成本是目前總體成本的主要構(gòu)成部分。

軟件“空中”升級也是無人駕駛地鐵系統(tǒng)中的最佳實踐。地鐵系統(tǒng)中，必須在非常有限的時間內(nèi)，完成列車軟件升級。這種方式對列車遍布歐洲的私有運營商同樣具有吸引力，列車無需返回車庫即可完成系統(tǒng)升級，降低了成本，節(jié)省了能源。

2 項目試驗情況

TSC與Lineas簽訂的基本合同包括110臺77型柴油機車ETCS改造，將于2024—2025年交付。改造后，其中88臺將在比利時運行，其他22臺還需配置相應(yīng)設(shè)備以實現(xiàn)德國和荷蘭的跨境運行。到2024年2月，第一臺比利時機車將進行認(rèn)證。合同還包括10年期的設(shè)備維護，不限次數(shù)的基線升級和保證列車準(zhǔn)時運行的服務(wù)協(xié)議。

2020年9月，TSC針對試驗機車進行了系統(tǒng)設(shè)計，并與Transurb合作，就樣機詳細設(shè)計和2024年2月的安裝達成一致。

目前，試驗機車已經(jīng)完成了所有iEVC組件、來自Deuta的OPG和多普勒速度傳感器、歐洲天線及ERTMS應(yīng)答器傳輸模塊的安裝。電氣柜內(nèi)包含了Duagon安全計算機，Deuta防撞記憶單元，Clearsy安全繼電器，以及工業(yè)PC、GPS和4G調(diào)制解調(diào)器。

2020年3月，完成初步安全評估和認(rèn)證后，該試驗機車已開始在Lineas線路上正常運行，各組件使用4G通道連續(xù)報告車載狀態(tài)和特性數(shù)據(jù)。

3 助力歐洲ETCS發(fā)展計劃

TSC將盡一切努力，支持ERTMS歐洲推廣戰(zhàn)略，包括車載單元的標(biāo)準(zhǔn)化、維護方式的改進，以及更高水平的模塊化，為將來輕松引入新的“游戲改變者”創(chuàng)造條件。

這些創(chuàng)新使TSC的方案與目前ETCS車載設(shè)備大不相同，至2030年TSC的新一代ETCS車載設(shè)備將會有更廣泛的市場應(yīng)用前景。只有當(dāng)整個行業(yè)都采用了這些改進后，才能大規(guī)模地激發(fā)出ETCS改造的需求，這也是全行業(yè)正在面臨的挑戰(zhàn)。