地鐵信號系統室內集成測試方案優化

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 地鐵信號系統簡介

地鐵信號系統在為城市軌道交通系統提供充足、準時的交通運輸服務及信息的同時，也確保了乘客和設備的安全。目前，市場上大多采用基于通信的列車控制（CBTC）系統作為地鐵信號系統，如圖1所示。圖1中，列車自動監控（ATS）子系統負責地鐵時刻表管理以及監控線路信號和列車運營狀態；列車自動控制（ATC）子系統負責控制列車和軌旁區域，以優化列車的運營、防護列車的運行及保證乘客的安全。ATC子系統由車載ATP（列車自動防護）、車載ATO（列車自動運行）和軌旁ATC組成。計算機聯鎖（CI）子系統控制并操作軌旁設備，以形成并保護列車的安全進路。信號維護支持（MSS）子系統監控信號設備狀態，為信號系統提供維護。數據通信子系統（DCS）負責各子系統之間的信息傳輸，且每個子系統均與DCS相連。

圖1 地鐵信號系統組成

2 地鐵信號系統室內集成測試

2.1 室內集成測試目的

地鐵運輸涉及行車及旅客的生命安全，因此地鐵信號控制系統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進行完整測試，及時消除可能存在的隱患。在整個地鐵信號系統應用項目中，室內集成測試在項目實施的生命周期模型中起著重要的作用。一方面，將現場聯調聯試中的大部分測試提前到室內進行，使得現場聯調聯試的效率得以提高，節約項目成本；另一方面，在室內進行模擬列車運行測試并通過后，再發布到現場測試，為現場調試人員提供了安全保障。

2.2 室內集成測試流程

地鐵信號系統作為一個大的集成系統，為確保其安全穩定運行，在交付運營前必須進行深入測試。室內集成測試通常分為多個級別，如各子系統的測試、各子系統之間的集成和確認測試以及現場聯調聯試。統計表明，后一級的測試與前一級的測試相比，發現和修復一個缺陷的平均成本要提高10倍。因此，室內子系統和系統級的測試應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場的聯調聯試中，從而極大降低故障定位及缺陷修復的成本。

圖2 地鐵信號系統項目流程圖

地鐵信號系統項目流程如圖2所示。由圖2可知，項目合同中的通用功能可分配到通用信號系統中，由通用信號系統的需求、設計、開發以及系統測試完成。項目合同中需要特殊設計的部分由項目需求、設計、數據以及項目層面系統測試完成。

圖2中的深色區域為系統集成和確認測試階段，主要包含系統集成和確認測試、系統點對點測試及系統測試。此階段是將地鐵信號發布至現場的最后一個室內把關環節，因此對于項目實施具有重要意義。

3 地鐵信號系統室內集成測試方案

地鐵信號系統需要正常運行，必須與其他相關設備相連接進行信息交互。在室內進行測試，無法使用真實的軌旁信號設備以及地鐵車輛，因此需要搭建地鐵信號系統室內集成仿真測試平臺。該平臺亦稱為工廠集成確認測試平臺（FIVP）。本文基于此平臺對室內集成測試方案進行設計實施。

3.1 室內集成測試現有方案

3.1.1 測試系統結構

地鐵信號系統室內集成測試平臺結構如圖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備（包括隔斷門、信號機、道岔及軌道等）、車輛、天線、信標以及編碼里程計，并與CC（車載控制器）、軌旁ATC和CI子系統進行信息交互。

圖3 地鐵信號系統室內集成測試平臺結構

本測試系統所使用的信號子系統設備包括CI設備、本地ATS設備、現地工作站（HMI）設備、中心調度臺（GPC）設備、維護診斷終端（SDM）、中央ATS設備、區域控制器（ZC）設備、線路控制器（LC）及CC等。該平臺所有設備和網絡配置均與現場一致。

3.1.2 測試平臺硬件結構

FIVP由SIB與真實被測系統共同構成。其中，SIB硬件結構由真實列車SIB、Remote I/O SIB（聯鎖輸入/輸出仿真）和sim SIB（運算仿真平臺）3部分組成。

（1）真實列車SIB：在該平臺中，信號系統的CC安裝在地鐵列車上（2個車頭各安裝1個）。與CC接口的設備包括駕駛臺及繼電器、編碼里程計、信標天線、串口網絡、模擬量輸出等。真實列車機柜內包含128位離散RX卡、128位離散TX卡、編碼里程計和天線卡、PMC（外設部件互聯標準夾層卡）及其他板卡等。

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

（3）sim SIB：主要由RTFE（實時前端運算設備）、RTS（實時監控設備）、SC（控制臺計算機）、GCMC(主配置管理控制臺)、I/O boards(輸入/輸出板)、Conditioning rack（輸入/輸出機籠）以及 IRIGB synchronization（串行時間同步）等設備組成。

FIVP通過以太網將以上設備連接在一起，其數量可配。sim SIB使用了1個真實列車機柜實現了以上設備與CC接口的I/O boards信號的模擬。SIB通過Remote I/O機柜模擬聯鎖碼位的輸入/輸出。Remote I/O機柜包含128位離散RX卡和128位離散TX卡。真實列車機柜和Remote I/O機柜處理以上所有的變量信息，再作為一個同步節點將所有信息同步到整個平臺網絡中。

目前，卡斯柯Urbalis 888地鐵信號系統中，sim SIB使用了4塊用于運算的RTFE（實時前段計算設備），該平臺通過I/O boards與Conditioning rack相連，并通過IRIG-B synchronization進行時鐘同步；另外，該平臺還包括4個SC和1個RTS（亦稱GCMC），以上設備可用于查看和操作變量。sim SIB通過內部的同步機制將各個子設備的狀態通過網絡實時同步，一個RTFE設備可以獲取其他RTFE上的模型變量，也可以修改模型變量并實時同步給其他設備。在SC和GCMC設備上也有實時運行的應用程序和應用腳本，可以獲取RTFE上的變量狀態，也可以修改相應的變量狀態。SIB在以上3部分的協同下完成了地鐵軌旁設備、真實車輛接口的模擬以及相關運算。因此，地鐵信號系統與SIB協同即可模擬真實地鐵運行場景。

3.1.3 測試平臺軟件結構

在以上FIVP硬件結構的基礎上，測試平臺通過模擬設備的形式處理聯鎖和CC的輸入輸出。其中，SD（模擬設備分配）定義了測試平臺中所有的模擬設備，如信號機、軌旁信標、道岔轉轍機、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）負責編寫碼位的邏輯，即模擬具體設備處理變量的邏輯，如車輛電路邏輯、信號機點燈邏輯、站臺屏蔽門開關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，亦可使用動態庫文件進行批量處理。

3.1.4 測試內容

地鐵信號系統FIVP的測試內容包括：

（1）系統集成和確認測試。在通用信號系統發布之前，需進行系統集成和確認測試。本測試可確保各子系統之間各接口協議的正確性，以及各子系統集成后的系統功能、性能及冗余性均滿足通用系統需求。

（2）系統點對點測試。本測試可確保項目各子系統之間數據網絡接口的正確性。測試內容包括ATS-CI、ATS-LC、ATS-ZC、CC-CI、ZC-CI以及MSS-ATS、MSS-ATC、MSS-CI等。根據系統點對點測試規程，通過觸發網絡碼位的發送條件來測試相應的接口數據。

（3）系統測試。本測試主要使用項目特定配置對系統的基本功能以及與配置相關的功能進行測試，確保在項目特定配置下系統可以滿足功能、性能以及冗余要求。系統測試內容包括項目配置的CBTC進路、后備模式進路、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。

以上所有的測試內容均可以覆蓋現場調試內容的70%。既有數據和軟件內存在的問題需在現場實際調試的過程中發現。測試一個簡單的碼位通常需要多名工作人員在列車上、車站設備室、中心調度工作室進行通力合作、反復檢查才能夠確認。在室內執行的系統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，同時測試中發現的問題在室內即可得到解決，也保證了現場調試的安全。

3.2 室內集成測試優化方案

現有室內集成測試平臺及方案雖可以滿足室內功能測試要求，但隨著近年來項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鎖集中站，對于每個都有十幾個聯鎖區的項目而言，每次更換測試平臺的軟硬件環境將花費大量時間，同時由于缺乏相鄰的聯鎖區環境，大部分測試場景無法執行，導致測試場景單一、測試效率不高。因此，針對測試平臺的虛擬化改進亟待解決。

3.2.1 優化測試系統結構

虛擬化系統集成測試平臺將原先運行在板卡中的RTFE運行在工控機和虛擬機內，通過配置Vsphere（多虛擬機）管理系統，將所需的虛擬機全部運行在同一臺服務器中。同時各個子系統的模擬亦都盡量實現虛擬化。虛擬化系統集成測試平臺結構如圖4所示。

圖4 虛擬測試平臺結構

（1）原有的CC不僅占用大量空間，同時需要一個真實列車機柜來處理CC的輸入/輸出碼位。虛擬化的CC使用Host（主機）技術，將運行在Linux系統板卡中的ATP和ATO軟件運行在Windows XP虛擬機內，且將實體的DMI（人機界面）亦運行在Windows XP虛擬機的DMI模擬軟件中，同時通過平臺定義與Host CC通信的輸入/輸出網絡通信協議來處理CC與測試平臺輸入/輸出接口問題。

（2）ZC/LC通過運行在虛擬機服務器中的Windows XP上的Host ZC/LC軟件調用項目的ZC/LC數據，實現ZC/LC的模擬，以代替實際的2003機柜。

（3）ATS設備可運行在虛擬機內，統一由vSphere服務器管理。

（4）CI的虛擬化實現方式比較復雜，采用聯鎖子系統測試的CITB（CI測試平臺）技術，即使用1塊VLE（聯鎖運算）板卡模擬整個聯鎖軟件的數據邏輯，用CITB上位機軟件處理與聯鎖下位機的輸入/輸出通信，同時開發了聯鎖上位機與測試平臺通信的接口協議，這樣CITB上位機就可以與測試平臺交互聯鎖的輸入輸出信息。由于CITB上位機軟件支持多站同時使用，故其在實際使用中可以搭建多個站的CITB環境。

虛擬化系統集成測試平臺極大地節省了測試平臺的費用及所占用的空間，同時多站的測試環境亦可以節省搭建環境的時間。該測試平臺系統環境較齊全，可實現較多場景的測試，在豐富測試場景的同時亦可以提升測試效率。

3.2.2 其他可優化的測試內容

（1）點對點測試。ZC-CI、CC-CI等點對點測試可以在虛擬化測試平臺自動化執行，通過日志的自動記錄和自動比對，實現大量點對點碼位的自動化測試，可以提升30%的效率。

（2）系統測試。FIVP系統測試平臺引入了多站的虛擬聯鎖環境，大大提升了測試效率。在多站環境的支持下，完成首輪系統測試的時間比原來縮短了30%。同時自動進路觸發、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 結語

本文介紹了目前地鐵信號系統室內集成測試方案的硬件平臺以及測試內容，并在此基礎上提出了虛擬測試平臺的優化方案。FIVP測試平臺通過模擬軌旁設備和車載設備的碼位變量以及動作行為，補足了室內信號系統測試缺少的設備，使得室內的測試環境盡可能接近現場的真實環境，這樣室內針對信號系統軟件數據的測試就能代替現場調試相當大一部分內容。這套方案在已投入運營的地鐵線路上得到了驗證，大大減少了現場聯調聯試的成本，為地鐵的高質量、高效開通打下良好基礎。

［1］ 楊金讓.高速鐵路通信、信號系統聯調聯試方案的探討［J］.價值工程，2015（9）：91.

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