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        城市軌道交通CBTC系統(tǒng)測試綜述

        2020-10-13 09:44:53
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年9期
        關鍵詞:功能設備系統(tǒng)

        1 概述

        目前,城市的交通需求劇增,城市軌道交通系統(tǒng)已達到或超過其運力極限。解決這些問題的關鍵在于引入基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)。CBTC系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng),具有許多與客戶項目相關的可配置功能。制造商在CBTC系統(tǒng)測試和投入使用方面的經驗可確保該系統(tǒng)更加安全,功能更加完善。

        通常,在CBTC系統(tǒng)測試項目中,制造商所采用的測試策略是將現(xiàn)場測試控制在所需的最小范圍內。然而,現(xiàn)場測試也是必不可少的,其原因如下。

        (1)運營商希望根據(jù)自己的特點和需求對CBTC系統(tǒng)進行改動和調整,尤其是需要將CBTC系統(tǒng)集成到既有車輛中時,對于其功能和可靠性的驗證在制造商的廠房中難以實現(xiàn)。

        (2)有的功能只有在現(xiàn)場測試中才能看到顯著效果,如列車定位和無線數(shù)據(jù)傳輸功能。此外,CBTC系統(tǒng)作為基于無線電通信的系統(tǒng),只有通過列車試運行才能確認無線電是否具有足夠的覆蓋范圍。

        CBTC系統(tǒng)相關的改造與測試必須以對乘客運輸?shù)挠绊懽钚』癁榍疤?。因此,其現(xiàn)場測試一般都在列車停止運營的晚間進行,可利用的時間較短,從而增加了測試項目的復雜性。這就必然要求對測試內容和流程進行優(yōu)化。參與各方共同協(xié)商并制定一致認可的測試計劃,對于項目的成功至關重要。測試計劃工作應包括以下內容:

        (1)制訂全面詳細的測試和投入使用計劃,其中應詳細描述需構建的系統(tǒng)及其接口,并對相關測試進行明確規(guī)定;

        (2)對制造商的測試內容和流程進行協(xié)商,必要時需運營商確認;

        (3)協(xié)調測試時間表,從而使測試所需時間符合整個項目的總體時間規(guī)劃要求;

        (4)與運營商協(xié)商,使其提供所需的設施(特別是車輛)和人員(如安全監(jiān)督員、安保人員等);

        (5)對測試過程和結果進行記錄和存儲,并密切跟蹤測試中出現(xiàn)的偏差。

        本文將介紹制造商在CBTC系統(tǒng)從裝配到投入使用過程中所進行的各種測試。

        2 工廠測試

        為盡可能減少現(xiàn)場測試,制造商需要在其測試中心對CBTC系統(tǒng)進行多項測試,以識別軟件中可能存在的漏洞和缺陷,并證明該系統(tǒng)的各項功能滿足項目合同要求。為此,測試人員需將CBTC系統(tǒng)嵌入到仿真環(huán)境中。具體測試內容如下。

        (1)CBTC系統(tǒng)內部接口測試,即測試列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)與車輛設備、ATS系統(tǒng)與線路設備,以及線路設備與車輛設備之間的通信。測試應在真實或模擬硬件上進行。

        (2)CBTC系統(tǒng)功能測試,即根據(jù)項目合同對CBTC系統(tǒng)功能的要求,對相應的每種功能進行測試。

        (3)外部接口最大覆蓋率測試。必須對線路設備與集中聯(lián)鎖裝置之間的所有接口進行全面測試。此外,還要測試ATS系統(tǒng)接口。接口仿真系統(tǒng)需要制造商自行設置或者由外圍設備的制造商提供。

        (4)故障注入測試。在測試中心可以進行現(xiàn)場無法執(zhí)行的故障注入測試。例如,在無線信道中交換或偽造消息,以證明通信協(xié)議安全機制的有效性。

        (5)故障模擬。測試人員若在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)漏洞或故障,應向測試中心報告。測試中心的測試人員會在開發(fā)人員的幫助下對漏洞和故障進行模擬和分析。這些漏洞和故障將在軟件中得以修補。

        3 車輛測試

        將CBTC車輛設備集成在運營商的車輛中是實現(xiàn)CBTC功能的重要環(huán)節(jié)。為此,制造商需要在車輛上進行以下測試。

        (1)車輛性能測試。車輛性能測試是應該首先開展的測試項目,旨在獲取有關車輛性能(尤其是行駛動力學性能)的信息和數(shù)據(jù)。例如,為實現(xiàn)列車自動運行(ATO)功能,必須測量列車的強制制動延遲時間、在直線上的最大加速度等。制造商會根據(jù)運營商的不同需求將這些信息運用于具體的車載軟件配置中。

        (2)機械和電氣測試。對于新生產的樣車,應進行內置部件的機械集成測試,并測試車輛上的電氣連接及其與其他電子設備的接口(圖1)。通常,對于樣車的機械和電氣測試會持續(xù)數(shù)周。

        (3)車輛靜態(tài)和動態(tài)調試。車輛的靜態(tài)和動態(tài)調試旨在檢查車輛設備是否安裝正確,功能是否正常。對于每一輛車都必須進行這項測試。例如,為檢測距離和速度傳感器的測量功能,必須進行車輛短距離運行測試。

        4 測試線路

        測試線路上應安裝所有與列車運營相關的線路設施和設備元件。為驗證CBTC系統(tǒng)的安全保護功能,還應在測試線路上安裝CBTC線路設備和相應的無線電裝置。在測試線路上可進行以下測試。

        (1)車輛設備測試,用于驗證車輛設備與列車控制系統(tǒng)之間接口的功能是否正常。

        (2)CBTC系統(tǒng)功能測試。

        (3)車輛靜態(tài)和動態(tài)調試,即測試每輛車上安裝的CBTC車輛設備功能是否正常。

        (4)回歸測試,即在試驗線路上驗證,針對漏洞與故障所進行的軟件修補是否具有合理性和有效性。這也適用于列車載客運營后的軟件修補與改動。

        5 現(xiàn)場測試

        現(xiàn)場測試需要按照圖2中的流程進行。

        5.1 符合試驗

        在進行功能測試前,必須對各設備是否正確安裝進行測試。測試人員除檢查電纜和接地線是否正確敷設外,還應檢查外部設備元件在CBTC線路設備軟件和ATS系統(tǒng)軟件中是否有正確的邏輯對應關系。該測試的完成標志著系統(tǒng)從安裝階段進入測試階段。

        5.2 集成測試

        集成測試是指測試制造商所提供的CBTC系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的交互情況,以及運營商系統(tǒng)環(huán)境中CBTC系統(tǒng)外部接口的交互情況(圖3)。例如,測試CBTC系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)、樓宇自動化系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng),以及其他信令系統(tǒng)的接口。

        5.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試

        數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試是現(xiàn)場測試的重要組成部分,旨在測試線路沿線的光纖電纜和網絡元件。測試人員會通過網絡監(jiān)控系統(tǒng)(NMS)收集有關網絡配置、數(shù)據(jù)傳輸速率和延遲時間的數(shù)據(jù);并在此基礎上,檢測線路沿線的無線電覆蓋范圍,此檢測需要使用裝配CBTC車輛設備、可測量無線電信號場強的車輛。測試中,測試人員通過無線信道連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組,以監(jiān)視分組丟失率。此外,測試人員還要測試每列車兩端的2臺冗余設備,測試需要在最不利工況(如遠離接入點AP或信號傳輸被中間車輛遮蔽)下進行。無線電鏈路測試對于進行下一步測試至關重要。如果無線電覆蓋范圍不足,則無法進行功能測試(如列車定位等)。

        5.4 定位功能測試

        定位功能測試是現(xiàn)場測試的另一重要環(huán)節(jié),主要測試列車能否以足夠的精度確定其位置。定位功能測試的前提是:CBTC線路設備中包含有關道岔位置的信息,并且在線路設備和車輛設備之間存在無線電鏈路。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試與定位功能測試是CBTC系統(tǒng)正常運行的基礎。這2種測試必須在線路的雙方向上進行。

        5.5 ATP 系統(tǒng)功能測試

        在進行系統(tǒng)集成測試、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)測試和定位功能測試之后,應開展ATP系統(tǒng)功能測試。通常是重復工廠測試的內容。首先,應測試列車運行跟蹤系統(tǒng)功能;然后,測試特定的保護功能,例如防止列車違反信號燈指示行駛(越過紅燈)的功能。

        5.6 ATO 功能測試

        此測試旨在驗證列車根據(jù)現(xiàn)行速度規(guī)定進行自動運行控制的能力。測試中,列車將以靜態(tài)速度曲線中的各種速度運行,并進行速度轉換,從而證明列車運行符合現(xiàn)行的速度規(guī)定。此外,測試人員還要測試列車在車站區(qū)域的停車精度。這些測試都必須在線路的雙方向上進行。

        5.7 ATS 系統(tǒng)功能測試

        ATS系統(tǒng)的大部分功能測試都可在制造商的測試中心完成,但有少量的復雜功能需要進行現(xiàn)場測試,如列車運行跟蹤系統(tǒng)與行車時刻表管理系統(tǒng)之間的交互,以及沖突檢測和解決功能。

        5.8 現(xiàn)場驗收測試(SAT)

        運營商可全程參與測試活動,也可僅對測試結果進行確認。通常,在SAT中,測試人員需要對項目合同中所涉及的所有內容進行測試。然而,為保證按規(guī)定日期將CBTC系統(tǒng)投入使用,測試人員可能首先測試特定的功能;而對于某些復雜功能(如控制系統(tǒng)功能),則在與運營商協(xié)商后推遲補做。

        5.9 運行測試

        運行測試是針對改造項目的測試。測試中,由原有的列車運行控制系統(tǒng)負責保障列車安全;新列車運行控制系統(tǒng)(即CBTC系統(tǒng))同時運行,并接收所有相關的控制參數(shù),但若其檢測到有偏差,也不會干預控制過程。這個過程會持續(xù)數(shù)月。然后,進行不載客的常規(guī)運行測試,測試中由CBTC系統(tǒng)進行列車運行控制。如果測試成功,則可載客運行。

        5.10 可靠性測試

        此測試旨在驗證CBTC系統(tǒng)能否滿足合同中規(guī)定的性能參數(shù)要求(即可靠性、可用性、可維護性、安全性、信息安全性,RAMSS)。為此,應在制造商與運營商簽署合同時確定測試的具體方式,包括相關參數(shù)(如平均故障間隔里程MTBF)、測試周期、測試方法的統(tǒng)計邊界條件(如具有特定置信區(qū)間的卡方檢驗)。若測試結果不符合可靠性參數(shù)的規(guī)定,則制造商可能會遭受違約處罰。

        6 結語

        目前,全球許多運營商都在自有列車中引入了CBTC系統(tǒng),以實現(xiàn)提高運輸能力和安全運營的目標。CBTC系統(tǒng)測試是一項復雜的工作,雖然大部分測試可在制造商的測試中心完成,但是在現(xiàn)場進行各種功能測試也必不可少;而且某些錯誤在系統(tǒng)投入使用后才會暴露出來。因此,制造商和運營商需要協(xié)同合作,共同解決CBTC系統(tǒng)的故障和不兼容問題,使該系統(tǒng)不斷完善。

        參考文獻

        [1]Lars Schnieder. Erfolgsfaktoren für Test und Inbetriebnahme von Communications-Based Train Control(CBTC)[J]. Eisenbahntechnische Rundschau,2020(1+2):24-27.

        蘇靖棋 編譯

        收稿日期 2020-05-23

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