宋冠蕾

摘要：軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化過程的優(yōu)化創(chuàng)新是提升軌道交通車輛產品質量和運行安全性的關鍵?，F(xiàn)有軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化過程的檢驗成本較高，檢驗結果一致性較差，檢驗效率較低，且不能有效保證不同類型的網絡產品之間的互聯(lián)互通。本文對LIMS與PLM、MES、QMS等多信息化系統(tǒng)的融合進行了研究，形成了檢驗信息標識及語義規(guī)范、自動化檢驗過程和試驗驗證數據庫等3項基礎標準和對應的技術線路，實現(xiàn)了產品全生命周期的智能化管控，有效解決了現(xiàn)有產品化過程的各種弊端，構建了一種新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化平臺，并在動車、機車、城軌等項目上大量應用，取得了良好的經濟效益。

Abstract： Optimization and innovation of productization process for the rail transit networked control system is the key for improving the product quality and the operating safety of the train. In productization process of the existing rail transit networked control system， the testing cost is expensive， the consistency of the testing results is poor， the testing efficiency is low， and the interconnection between different type of the networked control system cannot be guaranteed. In this paper， the fusion among the informatization systems of LIMS， PLM， MES， QMS and so on is researched， three standards based on the testing information identifier and semantic specification， the automated testing process， and the verify database are set， the related technical roadmap is also formed， the product life cycle intelligent management is realized， then the drawbacks of the existing productization process are overcome. Finally， a new-type productization platform for the rail transit networked control system is constructed， which is largely used in the programs of bullet train， locomotive and urban rail， and makes the good economic benefits.

關鍵詞：軌道交通;網絡控制系統(tǒng);產品化;檢驗

Key words： rail transit;networked control;productization;test

0? 引言

軌道交通網絡控制系統(tǒng)被稱為列車的“神經系統(tǒng)”，是高速動車、機車、城市軌道交通車輛的核心系統(tǒng)之一[1]，主要用于實現(xiàn)整車的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷等功能，其設計開發(fā)、生產制造、試驗驗證、質量檢測和裝車運維等產品實現(xiàn)全過程的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，對進一步提升系統(tǒng)產品質量和列車運行的安全性至關重要[2]。

根據《國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）》的規(guī)劃和《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中“先進軌道交通裝備及關鍵部件”的創(chuàng)新發(fā)展工程要求[3，4]，按照供給側結構改革的總體部署，堅持問題導向的思路，著力解決和突破軌道交通網絡控制系統(tǒng)產業(yè)高質量發(fā)展中的突出問題和瓶頸。

為此，本文開展基于實驗室信息管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIMS）與產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、質量管理系統(tǒng)（Quality Management System，QMS）等多信息化系統(tǒng)融合的研究，針對軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品實現(xiàn)全過程，提煉設計、制造過程中的關鍵檢驗所需信息，并定義信息的標識及語義規(guī)范;優(yōu)化試驗驗證過程中的檢驗內容、檢驗方法和檢驗判據，提升質量檢驗效率和產品合格率;構建系統(tǒng)產品試驗驗證信息數據庫，升級裝車運維保障，支持基于大數據對同一類系統(tǒng)產品的一致性和互操作性進行智能化評估，形成3項基礎標準，完成LIMS與PLM、MES、QMS等信息化系統(tǒng)的無縫對接，實現(xiàn)產品全生命周期的智能化管控。

1? 現(xiàn)有產品化過程的不足

目前，軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化相關環(huán)節(jié)的流程如圖1所示。

圖1中，設計人員首先運用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件完成產品設計后進入制造環(huán)節(jié)，制造部門根據MES系統(tǒng)的資源調度完成生產制造;設計部門隨后根據產品檢驗需要制定試驗大綱并提交至PLM系統(tǒng)審核;審核通過后，將最終的試驗大綱打印并提交至檢驗部門的LIMS系統(tǒng)進行檢驗業(yè)務申請，樣品管理員進行產品收樣;檢驗部門將根據收樣產品的特征設計接口夾具，制定通信協(xié)議，將樣品信息手動錄入LIMS系統(tǒng)開展試驗，每完成一個項目，需進行手動切換線路操作;試驗完成后，試驗人員整理測試數據，手動出具檢驗報告;如果檢驗結果不通過，需將樣品故障信息手動錄入QMS系統(tǒng)，由QMS系統(tǒng)組織進行失效原因分析，如果檢驗結果通過，則樣品可提交給客戶裝車使用。

上述軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化過程存在以下缺陷：

①未形成一整套規(guī)范化的信息化手段將產品設計和制造過程中的關鍵檢驗所需信息完整、有效地傳遞到檢驗環(huán)節(jié)，影響檢驗結果的錄入效率;此外，在產品出現(xiàn)故障時，由于檢驗所需信息的不完整性，不利于產品的故障定位，也不利于后續(xù)產品設計和制造的改進升級。

②目前產品的試驗大綱主要參照國際標準或國家標準制定，標準只對產品的關鍵檢驗項目和通過性判據進行了明確規(guī)定，而對各檢驗項目的具體檢驗方法未進行詳細描述，各廠商在檢驗實施過程中因存在的個體差異，導致檢驗通過的產品裝車后仍存在互聯(lián)互通方面的問題。

③測試系統(tǒng)與被測產品之間缺乏統(tǒng)一的電氣接口和數據通信接口規(guī)范，對于不同類型的產品，往往需要單獨制定配套的測試夾具和數據通信協(xié)議，檢驗成本較高，檢驗結果的一致性較差。

④產品檢驗過程需要人工進行頻繁的接換線操作，不同檢驗人員的操作差異容易對檢驗結果的準確性產生影響，檢驗數據需要手動整理形成檢驗報告，檢驗效率較低。

⑤裝車運維人員缺少一種有效的方式及時獲取產品的完整檢驗信息，軟硬件版本的可追溯性差;對于同一列車中不同類型網絡產品之間的差異是否會影響互聯(lián)互通也缺乏有效的分析手段。

2? 產品化過程創(chuàng)新設計

基于現(xiàn)有軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化流程的不足，本文提出一種新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)的產品化全生命周期流程，并構建支撐該流程的創(chuàng)新技術線路，形成相關技術基礎標準。

2.1 新型產品化過程

以優(yōu)化現(xiàn)有軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化流程為目標，新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)的產品化流程如圖2所示。

圖2中，預先提煉產品設計過程中的硬件信息（關鍵容器、硬件版本等）和軟件信息（軟件版本、設備類別等）以及制造過程中的生產信息（生產工藝、批次等）等關鍵檢驗所需信息;在試驗驗證過程中套用標準試驗大綱模板，采用統(tǒng)一的測試夾具和數據通信協(xié)議，對樣品信息自動導入，并自動生成測試報告和存入數據庫;在產品裝車維護過程中，支持檢驗信息的查看，可基于大數據對同一類系統(tǒng)產品的一致性和互操作性進行智能化評估，有效提升了軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化過程中的檢驗效率和檢驗結果的一致性，降低了檢驗成本，同時又能快速分析出不同類型的網絡產品之間是否可進行互聯(lián)互通。

2.2 創(chuàng)新技術路線構建與標準形成

以產品化過程中的質量檢測為基礎導向，提高系統(tǒng)產品質量為基本目標，構建的新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)的產品化創(chuàng)新技術線路如圖3所示。

圖3中的創(chuàng)新技術線路具體原理如下：

①對軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化檢驗結果標識需包含的關鍵設計與制造信息進行調研分析和提煉，在其開展試驗驗證前分階段輸入這些關鍵信息，對各信息的標識及語義進行規(guī)范，制定《軌道交通網絡控制系統(tǒng)檢驗通用信息標識規(guī)范》。

②分析研究現(xiàn)有列車網絡通信標準，對MVB、WTB、ECN、ETB、網絡終端設備的試驗內容、試驗方法、判決條件進行優(yōu)化，制定《軌道交通網絡控制系統(tǒng)智能制造質量保證通用技術條件》。

③對軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品與自動化檢驗系統(tǒng)之間的物理接口與數據通信接口進行調研分析，制定《軌道交通網絡控制系統(tǒng)自動化檢驗通用接口和數據規(guī)范》。

④依據《軌道交通網絡控制系統(tǒng)智能制造質量保證通用技術條件》的檢驗要求，對新型產品化平臺進行需求分析、方案設計、平臺建設，采用模塊化協(xié)議分析儀、示波器、網分儀等完成平臺的搭建。

1）通過設計通用測試夾具，分路被測樣品網絡中的信號，實現(xiàn)滿負荷數據包捕獲及分析，并采用防閃斷設計，設備操作不會對被測網絡造成影響;

2）利用FPGA模塊實時解碼MVB/WTB數據幀并檢測樣品網絡中的錯誤幀;

3）基于虛擬儀器技術完成控制邏輯設計，實現(xiàn)電氣特性測試及診斷;

4）通過開展Wireshark二次開發(fā)研究，實現(xiàn)對ETB（以太列車骨干網）、ECN（以太編組網）等鐵路專有以太網協(xié)議的實時解析;

5）開展LabVIEW軟件開發(fā)研究，實現(xiàn)儀器的自動控制、按照標準要求制定并執(zhí)行測試計劃、自動采集測試數據并出具報告等功能。

⑤通過持續(xù)產品化的標準驗證和平臺驗證，構建軌道交通網絡控制系統(tǒng)理論體系和關鍵技術平臺，進行系統(tǒng)級數學建模和仿真分析，促進標準的國際化應用和產品化技術的升級換代。

3? 實踐結果

為實現(xiàn)新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化過程的工程化應用，構建對應平臺可達到的技術指標為：

①波形測量帶寬：≥1GHz;

②波形存儲深度：≥8M;

③波形測量時基精度：≤1ns;

④波形測量電壓測量范圍：≥5V;

⑤網絡分析儀頻率：≥4GHz;

⑥網絡分析儀頻率準確度：≥1%;

⑦網絡分析儀輸出電平平坦度誤差：≤1dB;

⑧網絡分析儀輸出電平線性度誤差：≤1dB;

⑨網絡分析儀軌跡噪聲：<0.006dB rms;

⑩信號輸出頻率：1kHz～20MHz;

{11}信號輸出電壓：≥5Vrms;

{12}信號生成存儲深度：≥64kbits;

{13}以太網性能測試：10M/100M/1000M帶寬，可進行吞吐量測試、丟包率測試、時延測試、背靠背測試等。

4? 社會經濟效益

4.1 提升試驗驗證效率

本項目消化吸收智能制造相關技術及理念，通過打造“三個標準、兩個平臺、一個應用”，實現(xiàn)軌道交通網絡控制系統(tǒng)智能制造檢驗評價環(huán)節(jié)檢驗效率的提升。經過技術研究及試驗論證，本產品化平臺全面完成，并于2017年底獲得驗收通過。

驗證試驗平臺完善了原有TCN一致性測試平臺的檢驗能力，提升了平臺智能化程度。支持樣品信息掃碼導入、試驗過程自動執(zhí)行、試驗結果短信實時通知，原始記錄和報告自動生成等功能。基于檢驗完成后自動打印的二維碼信息，支持授權用戶利用LIMS檢驗業(yè)務APP在移動端掃碼查看報告詳情的功能，極大地縮減了檢驗人員整理原始記錄和報告的時間。使檢驗人員可以將更多的精力從執(zhí)行例行試驗任務中解放出來，人員將能夠專注于創(chuàng)新、增值的活動，提高服務效率和智能化水平。項目搭建的出廠試驗平臺提升出廠檢驗效率提升30%-60%，在生產線上推廣運用后，預計可節(jié)約生產檢驗成本約20000元/月。

4.2 示范推廣效應

項目根據《軌道交通電子設備列車通信網絡（TCN）》系列標準提出了試驗方法、試驗條件和判定準則，應用新建成的軌道交通網絡控制系統(tǒng)試驗驗證平臺，對新研發(fā)的軌道交通網絡控制系統(tǒng)進行測試、試驗與驗證，并開展對驗證平臺和試驗標準技術進行應用推廣工作，確保我國軌道交通列車網絡控制系統(tǒng)的技術、質量與可靠性達到國際先進水平。

通過本項目提出的試驗方法、試驗條件和判定準則，應用新建成的軌道交通網絡控制系統(tǒng)試驗驗證平臺，對新研發(fā)的軌道交通網絡控制系統(tǒng)進行測試、試驗與驗證，并開展對驗證平臺和試驗標準技術進行應用推廣工作，可確保我國軌道交通列車網絡控制系統(tǒng)的技術、質量與可靠性達到國際先進水平。

本項目提出的系列試驗方法、試驗條件和判定準則，可有效提升軌道交通網絡控制系統(tǒng)檢驗效率和產品質量，提高各廠商生產的軌道交通網絡控制系統(tǒng)的一致性、互操作性，規(guī)范軌道交通網絡控制系統(tǒng)檢驗信息輸入、質量考核方式、網絡控制系統(tǒng)與自動化檢驗系統(tǒng)之間的物理接口、數據通信接口等信息，指導各廠商遵循統(tǒng)一規(guī)范完成完整的網絡產品性能考核，有效提升檢驗效率。

綜合以上，軌道交通網絡控制系統(tǒng)應用標準試驗驗證對于我國軌道交通網絡控制產業(yè)的提升具有重大的里程碑意義。

5? 結論

針對現(xiàn)有軌道交通網絡控制系統(tǒng)產品化流程的不足，本文對各信息化系統(tǒng)間復雜的業(yè)務流和數據流進行梳理，依據現(xiàn)有系統(tǒng)功能進行匹配，對業(yè)務范圍進行界定，在此基礎上進行整體信息化規(guī)劃和頂層設計，使得各信息化系統(tǒng)接口良好對接，形成了3項創(chuàng)新基礎標準，構建了一套新型軌道交通網絡控制系統(tǒng)的產品化平臺，實現(xiàn)產品設計開發(fā)、生產制造、試驗驗證、質量檢測和裝車運維的全生命周期智能化管控，滿足了列車網絡控制系統(tǒng)產品批量生產的要求，實現(xiàn)了顯著的經濟效益。

然而，新型產品化平臺對如何減小自動化測試系統(tǒng)引入誤差，如何保證自動化測試軟件的準確性，如何分析系統(tǒng)不確定度評定的準確性及有效性等需要進一步改進;此外，影響軌道交通不同類型網絡控制系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的因素非常多，對所有可能的影響因子進行收集羅列有一定的難度，各影響因子的互操作性權重設定也是一大難點，也需要進一步突破。

參考文獻：

[1]唐獻康.列車網絡控制系統(tǒng)RAMS協(xié)同設計方法研究[D]. 大連：大連理工大學，2017.

[2]盧海林，吳泰峰.軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實驗驗證平臺設計方案及測試[J].數字技術與應用，2017（6）：176-178.

[3]工業(yè)和信息化部，國家標準化管理委員會. 國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）[R].工信部聯(lián)科[2018]154號， [2020-01-09].www.gov.cn/xinwen/2018-10/16/content_5331149.htm.

[4]國務院.“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃[R].國發(fā)[2016]67號， [2020-01-09].www.moe.gov.cn/jyb_sy/sy_gwywj/201612/t20161220_292496.htm.