高速鐵路信號系統集成、測試技術及“走出去”策略

禹志陽

（中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081）

高速鐵路信號系統集成、測試技術及“走出去”策略

禹志陽

（中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081）

系統集成是目前通用的建設管理模式，對國內高速鐵路信號系統集成模式、集成與測試技術等進行總結與分析，包括我國系統集成技術及其特點、測試技術及其特點等，總結分析我國高速鐵路系統集成和測試技術方面目前存在的不足，并提出相關策略，為高速鐵路信號系統乃至整個高鐵產業“走出去”提供支持。

高速鐵路；信號系統；集成；測試；走出去；策略

高速鐵路信號系統由車載設備和地面設備、沿線軌旁設施以及安全數據通信網絡等組成，相關系統和設備之間通過安全可靠的接口構成一個整體，共同實現行車調度指揮、列車運行控制、閉塞和列車進路控制以及信號設備運行狀態實時監測等功能，是一個分布面廣、功能需求和接口關系復雜、工作環境惡劣以及安全等級要求非常高的系統。信號系統的建設，不能僅僅是簡單的設備堆積，應從系統工程的角度進行統籌規劃。集成的信號系統除了滿足業主需求、標準和規范的要求、安全可靠性指標及投資規模外，還應能實現整個系統的最優化。我國自2008年開始，采用“四電”系統集成模式，先后組織完成了合寧、京津、武廣、鄭西等多條高速鐵路信號系統的集成，在信號系統集成技術方面取得了一系列創新，積累了豐富的經驗，初步形成了適合我國國情的高速鐵路信號系統集成、測試與綜合試驗技術體系，滿足高速鐵路信號系統集成管理、接口管理、集成測試、功能試驗以及整體系統最優化驗證與評估的需求，也為我國高速鐵路“走出去”戰略提供了有力的支持。

1 系統集成模式及其特點

系統是由元素集成的結果、是相互聯系和相互作用的諸多元素的綜合體，按照系統工程的理論，系統通過整體作用支配和控制元素，元素通過相互作用決定系統的特征和功能；系統集成是系統形成的基本活動，通過對系統元素合理、科學的集成，實現系統設計，滿足規定的系統功能和目標，并實現系統元素的最優配置。

系統集成作為一種項目建設管理模式，在國內外得到了廣泛的應用，由于工程建設習慣等因素的原因，海外項目一般采用設計采購施工（EPC）模式，集成商負責設計和施工，施工圖設計由集成商或作為分包商的設計單位完成，集成工作包括施工設計、集成設計、設備采購、施工安裝、集成調試及竣工交接等；與EPC集成模式不同，我國國內工程項目的設計與施工是分離的，設計是設計單位受業主委托完成，并將施工圖按一定程序交施工單位實施，相應地，“四電”系統集成內容只包括集成方案設計、設備采購、施工安裝、集成調試和竣工交接等。

系統集成作為系統形成和構建的基本活動，無論采用哪種集成模式，都具備以下特點：

1）系統集成以滿足業主的應用需求為目標，通過集成設計、安裝調試和應用開發等工作，使集成后的系統能夠滿足業主對實際工作的要求；

2）系統集成以接口管理為重點，系統實現的關鍵在于解決系統之間的互連和互操作性問題，需要解決各類設備、子系統間的接口、協議、系統平臺，以及與其他相關專業接口、應用需求相關的問題；

3）系統集成不能只是簡單的設備堆積與連通，還應在投資規模框架內，體現整體系統性能優化的需求，包括集成系統的優化配置、系統功能和整體性能的最優化、系統功能的可擴展性和技術的兼容性等。

2 我國信號系統集成技術及特點

信號系統集成是按照高速鐵路的運營需求，整合地面各子系統之間的關系，通過將分工協作、有機銜接的各子系統/設備集成為一個整體，共同實現列車調度指揮、列車位置檢測與監測、信號控制、進路控制、列車速度監督與控制以及列車運行方向及閉塞控制等功能的過程。

信號系統集成是“四電”系統集成中的重要內容，我國一般采用施工總承包的集成模式，集成商作為施工總包單位，根據運營需求和總體技術方案，負責信號系統的集成設計、接口管理、設備采購、施工與安裝、集成調試等，并配合業主完成項目的驗收和竣工交接。

1）集成設計

集成設計是指在建設項目主要技術標準和建設方案確定后，根據相關標準，明確系統構成、系統集成方案、系統可靠性與內部控制設計、工期、投資及其他控制目標等工作內容的設計過程。

國內高速鐵路目前設計速度一般分為200、250、300～350 km/h3個速度級，250 km/h以下鐵路采用CTCS-2級列控系統，250 km/h鐵路宜采用CTCS-3級列控系統，300 km/h及以上鐵路采用CTCS-3級列控系統，行車指揮均采用調度集中系統，最小追蹤間隔時分應滿足3 min的要求，一般情況下，新建高速鐵路都必須滿足不同等級高速列車上下線運行的需求。

初步設計文件確定線路設計速度和列控系統應用等級等主要技術標準后，信號系統集成設計的核心是制定系統集成方案，包括技術標準和主要技術原則、集成范圍、各子系統技術方案、設備配置方案、系統接口方案、信號顯示方案、安全數據網組網方案、與樞紐/既有線互連互通方案、施工過渡方案等，按照集成方案建設的信號系統通過集成測試和優化，應滿足總體建設目標的要求，包括信號系統的功能需求、信號系統與其它系統的協作配合、設計運行速度、最小追蹤間隔以及運輸組織方式等。

2）接口管理

信號系統集成，既是一個整合的過程，更是一個系統優化的過程，接口管理是確保系統按集成目標實現整合和優化的關鍵內容，除信號系統內部接口、與其他專業的外部接口、與相鄰鐵路信號系統之間的接口外，還應充分考慮各系統間應用標準的匹配協調、地面設施和各種車載設施的匹配兼容以及合理的工程過渡方案等，以實現集成后的信號系統性能最優的目標。

對于信號系統接口關系的的識別目前已比較清晰，信號系統總體技術方案確定了系統內部的接口，信號系統與工務、牽引供電、防災等專業的接口，如信號電纜溝槽的預留、股道有效長的設置、分相區的設置、列車制動接口、列控系統與異物侵限防災系統的接口等在高速鐵路信號設計規范中也都有明確要求；系統集成過程中應重點把控新建線路與既有列控系統的互連互通、等級轉換點的設置、調度區域的劃分與調整以及施工過渡中的接口管理等，在系統集成過程中通過對相關接口的提前識別與梳理，明確各接口之間的順序關系，進行針對性的設計與管理，從而保證了信號系統集成工作的有序開展。

3）設備采購與施工質量控制

施工與安裝是系統集成的重要內容，有效的質量控制是集成目標實現的基礎。《高速鐵路信號工程施工技術指南》、《高速鐵路信號工程施工質量驗收標準》等標準對信號設備進場檢驗、施工監理、設備的安裝調試、安裝工藝以及驗收的方法和標準等都進行了要求，建立了一整套標準化的施工和作業程序，明確了與安全性、可靠性、可用性和系統使用功能等相關的質量目標、質量記錄要求、工程施工質量驗收程序和方法等，為信號系統集成的施工質量控制提供了保障。

4）集成調試技術

系統調試是檢驗系統功能、確保系統達到功能目標并實現整體性能最優化的關鍵環節，一般按照自底向上、先局部后整體的步驟逐步展開，包括實驗室仿真測試、子系統靜態調試、信號系統靜態調試以及動態調試等階段，不同階段的調試內容和側重點不同，包括設備單體功能調試、接口調試、一致性檢查、系統軟硬件調試、工程數據驗證、系統功能測試等，共同構建了一個完整的集成調試技術體系，通過集成調試，對系統方案、接口關系和工程數據配置等不斷進行優化，確保系統達到預定的設計標準，滿足運營需求。

5）互連互通技術

互連互通包括兩個方面，既包括地面信號設備的連通，也包括不同車載設備與新建線路信號地面系統的兼容性，如軌道電路的發碼邏輯、地面應答器的設置方案、不同列控等級應答器報文的集成、不同廠家/制式地面信號設備的接口等，互連互通是滿足新建線路跨線運輸需求的關鍵技術，在信號系統集成過程中應考慮不同設備之間的潛在差異，充分利用實驗室仿真測試環境和現場調試環境，確保集成后的信號系統滿足互連互通的需求。

綜上所述，我國的信號系統建設采用的系統集成模式，集成工作涵蓋了從集成方案設計、接口管理、施工質量控制以及系統調試等方面，集成商可以很便利地實現系統內部接口的協調與管理、施工質量控制以及系統的優化等。

3 我國信號系統測試技術及特點

系統測試是驗證集成后的系統是否滿足用戶需求以及整體性能是否最優化的重要手段，是信號系統集成工作中的重要內容。國內高速鐵路信號系統在集成過程中，必須經過一系列的測試，包括實驗室仿真測試、現場的動態調試、專項試驗以及基于獨立第三方的聯調聯試等，完善的測試驗證體系以及先進的仿真測試平臺成為保障系統可用型、可靠性和安全性，提高信號系統整體性能的重要基礎。

1）實驗室仿真測試

仿真測試在半實物半仿真條件下進行，仿真實驗室搭建的測試環境與現場信號系統總體方案保持一致，配備現場真實的列控數據，實驗室平臺具備站場顯示、進路控制、模擬列車運行、模擬司控臺人機交互、車地信息傳輸、接口數據監測、故障注入等功能，測試人員可以便利地對信號系統的功能、內部接口以及工程數據的匹配性等進行測試和驗證。實驗室仿真測試目前已成為我國高速鐵路信號系統集成過程中的必要環節和重要手段。

2）綜合/專項試驗

對于信號系統集成過程中涉及到的新技術、新設備或接口關系，或者是應用條件進行了較大改變的，可以安排進行綜合試驗或專項測試。如新的車載設備與相鄰其他線的兼容性測試、相鄰的不同型號RBC之間通信接口和安全通信功能的專項測試、針對應答器安裝方式改變進行的綜合試驗等，根據試驗條件的不同，綜合試驗可以結合新建線路聯調聯試、綜合試驗段、或者鐵科院環形道試驗基地等進行。

3）聯調聯試

聯調聯試是我國高速鐵路建設過程中的一個特定環節，由鐵科院代表第三方對新建線路各個系統進行綜合性的測試和驗證，為整個系統的完善和優化提供技術支持。信號系統聯調聯試是其中的重要內容，通常在集成調試結束后，采用運營場景和測試序列的方式進行，包括對信號系統的整體功能、性能以及接口關系的測試。

信號系統聯調聯試一般采用鐵路局配屬的運營車進行測試，信號設備狀態、調度指揮、試驗速度、運營場景和故障模擬等已趨于接近真實的運營環境，是信號系統交付運營前的最后一道把關環節。

綜合上述，以聯調聯試為代表，國內在信號系統集成測試方面已經形成一套固定的程序和模式，具備以下特點：

1） 集成測試與驗收測試互為一體，集成商組織的實驗室仿真測試以及現場動態調試，設備接管單位主導的靜態驗收測試以及獨立第三方主導的聯調聯試，共同構成一個更廣泛的集成測試范疇；

2） 制定有明確的測試大綱和測試標準，如《CTCS-3級列控系統測試案例》，作為評價集成的信號系統是否符合業主需求的重要依據；

3） 采用實車運行的方式以及運營場景、測試序列和測試案例的方法，在真實運行環境下實現對系統正常運行條件下運營需求的全覆蓋測試。

4 我國集成、測試技術存在的問題與“走出去”策略

以京津、武廣、京滬等高速鐵路的建成為代表，在充分借鑒國內外系統集成先進技術的基礎上，我國的系統集成技術得到了不斷的發展和完善，已形成一整套適合我國鐵路運營需求和建設管理模式，包括系統設計、生產制造、施工安裝、集成測試、聯調聯試、安全評估與驗收的系統集成技術體系。但也依然存在一些問題和不足，主要包括：

1）集成與設計的對接

我國的工程設計工作由業主直接委托專業的設計院承擔，為保證集成方案的落實，在施工設計過程中，設計單位與集成單位的銜接非常重要。因對接不充分在信號系統集成測試過程中暴露出來的一些問題，如側線發車進路是否需要全進路發碼或進行補碼設計、端頭站股道防護應答器的設置、閉塞分區劃分與區間信號設備布點、信號設備管轄范圍和邊界、相鄰區段載頻不交錯等，導致需要修改工程設計或系統軟件，帶來的工作量和影響面往往很大。

2）跨專業的接口管理

接口管理是系統集成中的重點工作，對于信號系統內部的接口，相對來說還比較容易協調，對于跨專業的接口，盡管設計規范中有明文的要求，作為信號集成商，管理起來難度很大，例如在信號系統集成過程中列控數據發生修改、信號機設置位置與分相區重疊等，給信號系統集成與測試工作增加了很多的工作。

3）不同型號廠家設備的集成調試與互連互通

當集成范圍內信號設備由不同的廠家提供，特別是發生了新的接口關系時，確保不同廠家設備之間的接口功能正確、接口關系安全可靠是很重要的。設備或子系統間的接口測試和聯調需要實驗室仿真平臺的支持，目前國內還沒有一家通用的實驗室仿真測試平臺，實驗室仿真調試環節容易發生紕漏、存在不足。

4）聯調聯試和集成測試的銜接和互補

聯調聯試既是動態驗收的內容，也可以理解為廣義的系統集成測試中的一部分，集成測試包括靜態測試和動態測試，聯調聯試內容應與集成測試內容有效銜接，互為補充；作為集成測試的內容，除了完成標準規定的測試案例外，聯調聯試還應該針對系統集成方案和應用特點等，在測試案例、測試場景方面不斷進行補充和完善。

5）集成商對于系統兼容性的協調

信號系統必須滿足不同制式車載設備跨線運輸需求，但在實際的集成過程中，包括兼容性測試以及問題的整改等，由于沒有合同關系，集成商甚至建設單位沒有辦法協調其他制式車載設備廠家。

按照我國鐵路發展的總體戰略，鐵路“走出去”是下一步鐵路發展的必然趨勢，與之相適應的集成、測試技術也面臨如何“走出去”的問題。近年來，中國鐵建作為工程總包單位，先后承建了沙特麥加輕軌鐵路、土耳其安卡拉—伊斯坦布爾高速鐵路等項目，鐵科院作為聯調聯試單位，承擔了沙特麥加輕軌項目的聯調聯試工作，在海外項目的集成與測試方面積累了一定的經驗。針對海外項目一般采用EPC項目管理模式的特點，在信號系統集成與測試技術方面，筆者認為應提前做好以下方面的準備工作，以適應“走出去”的需求。

1） 以系統集成為龍頭，優化配置、整合國內各制式信號系統

對于海外項目，與世界上主要的信號設備供貨商相比，如阿爾斯通、龐巴迪、西門子、日立、泰雷茲等，國內信號設備研發生產單位目前還缺乏強有力的競爭力，應結合國內各企業優勢，進行相關系統的優化配置與整合，以系統集成為龍頭，組成包含設計、集成、設備制造、施工安裝和測試驗證的多個成熟的、滿足多種需求的信號系統綜合平臺，形成綜合優勢，提升在海外項目中的競爭力。

2） 建立通用的列控實驗室仿真測試平臺

國內目前的仿真實驗室，大多是以設備提供商為主搭建的，缺乏類似歐洲CEDEX、DLR、MULTITEL實驗室、獨立的第三方實驗室仿真測試平臺，鐵科院高速列控實驗室按照開放式測試平臺進行了設計，但還缺乏實際C3工程應用的檢驗，北京交大列控實驗室只針對C3車載設備的兼容性進行測試。作為系統集成與測試的重要支持手段，盡快建立和完善通用性列控系統仿真測試平臺十分重要。

3） 標準的梳理與準備

集成的目標是為了滿足業主的需求，系統的功能需求、接口條件以及測試要求等都體現在標準之中。不同的國家有不同的標準體系，對于海外項目，應提前研究細化國內信號系統相關標準與國際中應用的主要信號技術標準的差異，為滿足不同制式設備的集成以及互聯互通和兼容性需求做好準備。

5 結束語

信號系統集成與測試技術是確保集成后的信號系統滿足用戶需求、實現“1+1＞2”目標的關鍵技術，不斷總結我國信號系統集成經驗、改善和提升信號系統的測試技術和手段，將為我國高速鐵路信號裝備乃至整個高鐵產業“走出去”提供重要支持。

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（收稿日期：2014-11-20）

Systems integration is a conventional construction management mode. The paper summarizes and analyzes the modes and technologies of Сhinese high-speed signal systems integration and testing technologies, including characteristics and current disadvantages of Сhinese high-speed railway systems integration and testing, and puts forward relevant strategies, for providing reference for Сhinese high-speed railway industry "go global".

high-speed railway; signal system; integration; testing; "go global"; strategy

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.020

2014-09-28）

圖6 整個站間11 500 Hz幅值變化曲線圖

4 總結

本文結合南京地鐵1號線對超速防護系統ATP濾波頻點要求，實測金馬路—仙鶴門站軌道回流，采用FFT算法分析軌道回流諧波，得到10 500 Hz與11 500 Hz頻率幅值超過ATP濾波頻點限值，其中多次出現10 500 Hz諧波幅值超過限值，結合列車運行速度曲線圖猜測列車的制動減速運行導致10 500 Hz諧波能量的增加，此時需加強注意ATP的安全運行情況。因諧波來源復雜，測試條件和本人知識有限等因素，本文僅結合列車防護系統ATP濾波頻點的要求，給出了一種基于FFT算法的軌道回流諧波分析方法，分析諧波對ATP信號正確傳輸的影響，增強列車的安全運行。