數字信號裝置及ETCS系統部署優化方法

鐵路信號系統的數字化以及新型列車控制系統的廣泛應用可提高現有鐵路線路網絡的運輸能力、準點率和可靠性，改善其運輸質量，提高其運輸效率，從而達到增強鐵路競爭力的目標。為此，德國鐵路股份公司（DB）于2018年制定了“德國數字鐵路”項目計劃，希望通過廣泛應用數字信號裝置和歐洲列車控制系統（ETCS），在不建設新線的情況下，將現有線路網絡的運輸能力提升20%。根據該計劃，DB將在20年內為其整個線路網絡配備數字信號裝置和ETCS系統。由于投資規模大、技術工人短缺以及技術規范尚未明確等原因，這項龐大的投資計劃為鐵路部門帶來了巨大挑戰。目前，DB對鐵路信號系統的改造能力為每年最多4 000 個控制單元（包括集中聯鎖裝置、信號機等），按照現有的規范、流程和資源估計，僅完成數字信號裝置的替換就需要 12 年時間，因此如果不采用優化方法，則無法實現每年改造10 000個控制單元、5年完成數字信號裝置替換、在2040年完成所有部署的目標。因此，本文將提出優化數字信號裝置及ETCS系統部署的方法。

1 遵循一步到位原則

達到上述目標的最重要方法是遵循“一步到位”的原則，即從一開始就確保每一項作業（無論規模大小）都具有很高的質量，無需返工。

目前，由于外部條件的限制，DB通常按照尚未成型（即可能發生更改）的技術規范來實施項目，這會為其帶來額外的負擔。其原因在于，技術規范的更改，一方面會引起項目規劃的更改，為制定和審核規劃的人員帶來額外的工作;另一方面會導致對已安裝基礎設施的調整，從而在供貨、施工監督、安保和驗收測試方面產生額外的費用。

要解決上述問題，必須在大規模部署數字信號裝置和ETCS系統之前，形成可覆蓋所有運營和基礎設施條件/要求、經過全面驗證和測試、不需調整即可在整個線路網絡中應用的技術規范，為項目的規劃奠定基礎和創造必要的先決條件。為實現此目標，首先必須利用所有可用的資源（包括供應商、DB、德國聯邦鐵路局（EBA）、評估機構和工程師事務所）在1年之內制定出合理的技術規范;然后，在實驗室中對其進行測試;接下來，在5年之內完成在具有代表性線路網絡區域的試點;試點成功后再進行大規模部署。如此會使項目的實施更高效、迅速和經濟。

2 統一審批/投入使用流程

ETCS系統相關的技術規范和產品必須符合現有的運營規程及其技術實施規范，必須在滿足安全系統要求的條件下通過各種審批流程。相關規程和規范可細分為歐洲標準/規范、由其衍生出的具有法律特征的國家規定及EBA頒布的國家審批法規。但這些規范之間存在某種程度的不一致，而且會被不斷更改或修正，其更改周期比項目持續時間短得多。因此，首先必須列出相關規范的清單，并以此為依據制定協調的審批流程;然后，將此規范清單納入行政法規的范疇，并對其進行詳細說明，以使歐洲和國家標準中與風險管理流程相關的要求、安全驗證管理要求，以及歐洲電工標準化委員會（CENELEC）標準要求等在審批階段相互協調并達成一致。在理想情況下，還應將投入使用流程（如《鐵路投入使用審批條例（EIGV）》）納入清單中，以便建立從開發、實施到投入使用的一整套角色要求清晰、過程描述詳細和結果相互關聯的連續流程。由于消除了重復性工作，上述方法可以減少資源消耗，加快項目實施過程。

3 既有基礎設施的數字化

獲取基礎設施的實時精確數據并利用計算機（非工人）對其進行處理和分析，對于項目的有效實施至關重要，因為可由計算機處理的海量基礎數據是將現代規劃流程集成到軟件工具中的前提。然而，在項目實施時，現有的數字化技術往往難以滿足所需的質量要求，因此需要進行耗時且花費巨大的重新測量，影響項目的進度;而接口不一致及數據格式未實現標準化也使數字規劃流程的統一實施更加困難。

為解決上述問題，德國Nextrail GmbH公司推出了Traximizer?，這是一種移動測圖系統，能夠以相當高的精度采集鐵路基礎設施數據。Traximizer?安裝在列車車頭位置（圖 1），可在列車運行過程中采集沿途基礎設施和軌道環境的海量數據，如精確的定位數據、有地理參考的三維點云和高分辨率的圖像數據等（圖 2）。該系統包含以下組件：

（1）1套基于全球導航衛星系統（GNSS）的慣性導航系統，用于精確定位，即使在隧道和山谷中也能提供準確的定位數據;

（2）1臺經過改裝的激光掃描儀，用于采集三維點云;

（3）1套高分辨率的成像攝相機系統，用于采集圖像。

理想情況下，該系統的測量速度可達80 km/h，這意味著可以在不影響列車正常運營的情況下進行測量操作。其測量結果以標準數據格式導出，以便能夠使用其他數字化工具或直接通過客戶特定的數據接口進行數據處理和分析。

在處理和評估測量數據時，項目人員可從點云中檢測出所有基礎設施元件，對其進行精確定位和記錄，并創建實時線路拓撲;然后利用位置參考，推算出該元件與軌道邊緣的距離，并確定與線路相關的公里數。除獲取元件數據之外，項目人員還可利用測量數據創建其他數字化成果，如3D模型（可通過建筑信息模型（BIM）技術進行進一步處理）。整個數據分析過程可確保數據在安全完整性等級4級（SIL4）環境中的可用性，并滿足ETCS系統部署對數據精確性的要求。

4 規劃及其審查的數字化

由于缺乏足夠的、高質量的規劃及規劃審查資源，許多數字化鐵路項目目前難以快速實施。如何加快規劃速度已成為亟待解決的問題。在大規模部署數字信號裝置和ETCS系統時，其規劃內容是重復出現且大致相同的，所以可通過使用經過驗證的規劃軟件系統在很大程度上實現規劃的自動化，從而將規劃人員從大量重復性勞動中解放出來，集中精力解決軟件系統無法處理的特殊規劃問題。而且鑒于ETCS系統可在既有信號系統上疊加使用，因此特別適合采用自動化的規劃方法。

在自動化規劃的過程中，規劃軟件系統的基本輸入變量是設施的現狀數據（可由Traximizer?提供）和根據所需規范建立的完整模型。在此基礎上，系統會自動進行規劃，并顯示其無法處理的內容。如果系統未生成預期的結果，則必須確定出現偏差的原因，并據此調整軟件程序，或在必要時對規范進行修改。

規劃審查軟件系統（獨立于規劃軟件系統存在）可以在規劃審查機構審查ETCS系統規劃時減少其工作量。與規劃軟件系統相同，該系統可以對一般規劃內容進行審查，并顯示其無法審查的部分。

DB與達姆施塔特工業大學（TU Darmstadt）合作開發了FormETCS規劃審查系統。FormETCS系統旨在通過將規范形式化，實現規劃和規劃審查的自動化。為開發FormETCS系統，項目人員首先詳細分析了各種相關規范，識別規范文本中的規則、條件、表格、圖片和公式，并對其進行分類;然后，使用偽代碼（即if - then公式）對規范進行描述，并將其轉換為流程圖，這是開發審查算法的基礎。

FormETCS系統的開發基于ETCS系統規劃者和規劃審查者的經驗和知識。形式化的規范及配置、審查算法，除可以加快規劃和規劃審查的速度之外，還能夠明顯減少人為錯誤，提高規劃質量。

5 資源使用的優化和專家資源池的建立

實施德國數字鐵路計劃的一大瓶頸在于，相對于如此龐大的投資額而言，相關資源及有資質、經驗豐富的專業人員相對匱乏。因此，應該組織來自DB、EBA、鐵路公司、評估機構和工程師事務所的專家，聯合開發一個標準工具套件，該工具套件應包含用于加速和統一項目實施的一系列優化流程、工具和軟件解決方案。這樣可以避免不必要的重復勞動，并且由于采用了統一的方法，不同參與者之間的協調變得更加容易。此外，還應對工程師統一進行相關培訓，這樣做有2個優點：① 為經驗豐富的工程師減輕負擔，使其無需對其他員工進行指導;②使工程師全面掌握標準工具套件的相關知識和技能，成為這方面的專家。

此外，還應整合整個鐵路行業的專家資源，建立專家資源池，用于制定行業規范并提供與項目成敗密切相關的關鍵資源。為此，應成立一個獨立的協調機構，負責根據不同項目的不同需求推薦適合的專家，以確保將稀缺的關鍵資源使用在最合適的地方，從而為“德國數字鐵路”計劃帶來最大的收益。

參考文獻

[1]Robert Sch?tzle， Frank A. Werner， Alexander Wolf， et al. Herausforderungen bei der ETCS-Realisierung sowie Ans?tze zur Optimierung[J]. Signal+Draht，2020，112（5）：6-12.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-08-20