關于城市軌道CBTC系統測試探討

黃小華

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

目前，北京地鐵10號線、2號線、4號線、亦莊線等大部分國內地鐵新建線路信號系統均采用基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統技術，CBTC系統代表了當今鐵路信號的發展趨勢。然而隨之而來的一個嚴峻問題擺在面前——在系統投入使用前，即如何對系統的安全性、可靠性、可用性、功能性進行測試。CBTC系統融合了ATP、ATO、ATS、計算機聯鎖系統（CBI）、數據通信系統（DCS）、MSS（維護管理系統）及與車輛的接口7大部分，各子系統間既有一定的獨立性又相互依存，系統間交互的信息量大，因此需要統一的組織和協調，進行規范的流程管理。隨著亦莊線的開通，國產CBTC系統已開始應用，國內相關系統標準也正在逐步完善過程中，且在項目實施過程中已逐步引入第三方安全認證，測試將是認證項目審查的重要環節，因此本文就CBTC系統的測試內容及測試流程進行探討。

1 CBTC系統簡述

1.1 CBTC系統原理

CBTC系統原理如圖1所示。

CBTC系統以移動閉塞的方式運行，移動閉塞是基于控制列車在線路上的安全間隔，與基于由固定軌道區段間隔的固定閉塞不同，軌旁ATP建立一個可根據列車位移運動的虛擬安全范圍，這種稱為自動防護的安全范圍也可被稱為移動閉塞分區。軌旁ATP是負責列車間隔的子系統，并負責保護稱為移動閉塞區間的區域，系統能夠通過無線傳輸進行列車移動授權的更新,縮短列車行車間隔。移動閉塞方式的列控系統采取目標-距離控制模式，根據目標距離、目標速度及列車本身的性能確定列車制動曲線。移動閉塞的追蹤目標點是前行列車的防護點, 后行列車從最高速開始制動的計算點是根據目標距離、目標速度及列車本身的性能計算決定的。目標點與前行列車的走行和速度有關,是隨時變化的,而制動的起始點是隨線路參數和列車本身性能不同而變化的。

1.2 CBTC系統結構

以北京地鐵2號線為例，CBTC系統結構如圖2所示。

按照CBTC系統結構主要包括以下設備。

控制中心設備：ATC設備、中央邏輯控制器（CLC）、維護管理系統（MMS）；

車站及軌旁設備：區域聯鎖控制器（ZLC）、ATS顯示終端、信標編碼器、乘客信息系統（PIS）、發車計時器（TDT）、緊急關閉（ESP）、計軸設備、轉轍機、信號機和信標等。

車輛段設備：區域控制器（ZC）、ATS顯示終端、軌道電路、轉轍機、信號機等；車載設備：車載計算機（CC）、駕駛員人機接口（DMI）、編碼里程計、信標天線、無線天線、無線調制解調器等；通信系統設備：骨干網傳輸系統、無線傳輸系統、網絡管理系統（NMS）等。

1.3 系統功能

主要功能：ATS功能、聯鎖功能、ATP/ATO功能和列車檢測功能。

1）ATS功能：自動進路排列功能、自動進路調整功能、列車監督和追蹤功能、時刻表功能、控制中心HMI 功能和報告、報警、歸檔功能。

2）聯鎖功能：軌道區段處理功能、進路調用功能、道岔控制功能和信號機控制功能。

3）ATP/ATO 功能：ATP 軌旁功能、通信功能、ATP 車載功能和ATO 車載功能。

2 測試準備

2.1 測試人員組成

測試隊伍的建立開始測試工作的第一步，也是最重要的一步。根據測試內容，測試組成員應包括白盒、黑盒及系統測試人員，完成從軟件模塊到最終的系統功能，測試人員應具有相應的資質及能力，這也是安全認證審核的內容之一。

2.2 測試的依據

測試依據應包括系統及軟件的需求文檔、設計文檔，各系統間的接口協議，需要遵循的標準及規范；測試人員應根據以上文檔編制對應的測試大綱及測試案例，做為測試的輸入文件。

2.3 測試環境的搭建

現場測試及聯調前均需進行廠內測試，測試人員應根據各系統的接口協議及測試需求編制工具軟件及仿真軟件，搭建系統仿真測試平臺。通過仿真平臺可以完成子系統的測試，且便于故障的定位及處理，確認子系統功能達到預期的要求。

3 測試步驟

由于單一的系統測試已經不能保證設備測試的完整性，為了保證各系統功能的可靠實現，保證各系統之間的一致性，提高測試的效率及準確性，因此需要把測試分步驟、分階段進行，按具體情況可分為各子系統的試驗、系統的綜合實驗、144 h試驗，從而形成完整的測試流程，達到對系統的各個層面進行測試，確保試驗完整、可靠的目的。

3.1 各子系統的試驗

首先各子系統的單項試驗是綜合試驗的前提和基礎，只有確保各子系統的本身調試通過，顯示正確，才能進行綜合試驗。另外，CBTC系統龐大，其中每一個子系統的大部分調試內容相對獨立，例如聯鎖系統的調試，車輛的靜、動態試驗等，因此首先進行各子系統的單項測試、試驗是可行的。

3.2 系統的綜合試驗

當各子系統的調試、試驗完成后，可進行綜合試驗。綜合試驗主要檢驗各子系統之間（車、地、中心等）的一致性、各子系統接口之間的配合及系統各項功能是否達到設計要求。

3.3 144 h試驗

當系統綜合試驗完成并達到設計要求后，可進行系統144 h連續運行試驗，來檢驗系統的整體功能，運行效果，以及可靠性、安全性等各項性能指標。

4 測試內容

4.1 聯鎖部分

聯鎖部分試驗主要依據信號平面圖、聯鎖表、設計說明書、子系統接口協議來驗證聯鎖關系的正確性，驗證聯鎖與ATP及ATS系統之間信息交互的正確性。

4.1.1 聯鎖試驗

聯鎖試驗可分廠內測試和現場測試兩部分。廠內試驗主要針對聯鎖軟件進行測試，側重于聯鎖關系的正確性，核對信號平面圖與操作界面（HMI）以及實際站場的一致性，采用工具軟件模擬檢查條件機接口信息。按照聯鎖表所列舉項目一一核查進路、道岔、區段、信號機的鎖閉、占用、顯示的聯鎖關系，檢查對于侵限絕緣、接近延長及保護進路等的處理是否正確，檢查CBTC模式下聯鎖的特殊性，檢查后備與CBTC兩種閉塞模式之間的相互轉換條件與設計要求是否相符，檢查緊急關閉、屏蔽門等條件處理的是否正確；檢查設備集中站與非集中站之間的控制權交換、顯示是否正確，聯鎖與ATP、ATS系統之間的接口信息對應。現場測試側重于檢查聯鎖系統與驅動采集配線及繼電電路配線的正確性，需制作模擬盤進行模擬試驗，核對HMI顯示與聯鎖采集、驅動板的狀態及繼電器的狀態、模擬盤的顯示是否一致。

4.1.2 聯鎖系統室內外一致性檢查

完成聯鎖模擬實驗及室外設備單送電試驗后，進行聯鎖設備一致性檢查。主要檢查室外道岔位置、動作，區段的占用、出清，信號機的顯示與室內對應繼電器的狀態，HMI的顯示、操作是否一致。

4.1.3 聯鎖系統與其他系統的配合

在綜合測試時，聯鎖系統要核對與ATS系統及車載系統之間的控制、顯示是否一致，各站聯鎖系統與中心ATS系統的控制權轉換是否正確等。

4.2 ATS部分

4.2.1 ATS基礎測試

驗證ATS與2號線控制中心的ZC設備連接正常，緊急停車區（ESA）區域狀態顯示，驗證ATS能夠正確顯示ZC報告的計軸失效狀態，并在計軸修復后，執行確認計軸有效操作；驗證與聯鎖系統的顯示操作一致性。

4.2.2 ATS與CBTC列車之間的測試

驗證ATS顯示與來自車載CC的運行信息是否一致，主要有車次號、車組號、運行模式、運行狀態及計劃信息與執行的偏差等。

驗證ATS控制管理CBTC運行列車功能，主要有ATS能夠獲得CBTC列車精確位置報告并顯示列車運行移動，ATS能夠根據列車運行任務頭碼自動觸發前方進路，ATS能夠為ATO運行列車計算并發送列車運行命令，無人自動折返測試。

4.2.3 CBTC列車站臺功能測試

驗證ATS控制CBTC運行列車的站臺功能測試，主要有ATS控制CBTC ATO列車按指定時間發車、提前發車，扣車、跳停等功能，能否正確觸發TDT以及PID信息。

4.3 車載部分

4.3.1 CBTC列車單車運行測試

辦理進路后，驗證列車在人工駕駛（CM）及自動駕駛（AM）模式下能否在預計位置停車，辦理進路后，目標速度、距離是否增加；車載顯示界面（DMI）的信息是否與設置的進路一致，DMI上的速度曲線顯示與設計的速度曲線保持一致，行駛過程中是否存在不正當的緊急現象；驗證列車在ATO情況下是否可以自動停車、開關門以及停車的精度，接受中心的跳停、扣車、緊急關閉等命令的執行情況是否與中心及聯鎖一致。

4.3.2 CBTC列車追蹤運行測試

追蹤運行測試分兩種情況進行：包括裝備車（車載CBTC設備可用）追蹤裝備車，裝備車追蹤非裝備車兩種情況。裝備車追蹤裝備車時，以不同的速度運行列車，觀察隨著后車與前車距離接近時，目標速度是否達到預期的變化，前車進站停車時，后車是否在授權的終點停車；前車出站，速度增加，后車的目標速度變化情況，AM車能否自動跟隨等。

裝備車追蹤非裝備車時，當前車由裝備車轉為非裝備車時，后車的授權變化情況，目標速度變化情況，是否會緊急制動等。

4.3.3 CBTC列車運行能力測試

根據設計的運行間隔，安排足夠的車組，進行系統運行能力的測試，驗證列車的追蹤間隔是否能夠達到設計要求，驗證實際運行與計劃運行圖的偏差情況；驗證車載設備與ATS及聯鎖設備之間的配合情況，當出現一個非裝備車時，ATS設備與聯鎖設備的顯示及辦理情況能否達到預期效果。

4.4 系統功能測試

4.4.1 系統的同步測試

驗證系統設備I、II系在動（站場有車列運行或操作作業）、靜態（辦理好作業后無車列運行和沒有其他操作）時進行切換，可以模擬單網中斷，單系宕機等情況檢查是否影響列車正常運行。ATP系統、聯鎖系統、ATS系統均涉及此項內容，各子系統首先完成同步測試；子系統集成后，應測試某一子系統切機是否對其他子系統有影響。

4.4.2 系統的冗余性測試

CBTC的網絡系統、車載系統、聯鎖系統、電源系統均采用冗余結構，在其運行時斷掉其中的一套或冗余的硬件，觀察其能否正常工作以及顯示狀態、報警信息有無變化。例如車載的控制板、聯鎖冗余網絡，以及屏蔽地面一組信標、觀察列車的定位情況，連續屏蔽兩組觀察列車的定位情況等。

4.4.3 系統與車輛接口測試

根據與車輛的相關接口協議測試與車門聯動、速度傳感器信息的接收、牽引制動系統的關系是否達到預期的要求。

5 結束語

在測試過程中，通過以上的測試步驟和測試內容，可以較好的對系統功能及可靠性進行測試，基本達到了測試的目的，保證了系統可靠的投入運營。

CBTC系統的測試包含內容多且比較復雜，篇幅有限在這里就不再深入描述。隨著CBTC技術的發展和廣泛應用，必然會暴露出一些測試未曾發現的問題，對測試人員提出了更高的要求，需要不斷完善測試方法，使測試能夠為設備安全可靠運行提供保障。

鑒于筆者對系統的了解程度及水平有限，疏漏難免，愿與大家共同探討。

[1] TB10071-2000 鐵路信號站內聯鎖設計規范[S].

[2]鐵運[2010]149號 鐵路信號聯鎖試驗暫行辦法[S].