王懷松，曾科智，王 凌，徐 越

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

由于歐洲各國鐵路運營管理模式各異，操作規(guī)程缺乏規(guī)范，存在不同國家間鐵路信號系統(tǒng)制式不兼容問題。為實現(xiàn)歐洲列車跨國運營和鐵路互聯(lián)互通，歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)（ERTMS，European Railway Transportation Management System）牽頭完成了ETCS 技術規(guī)范的編制及列控系統(tǒng)的研發(fā)[1～2]。目前，歐洲鐵路初步實現(xiàn)了新建線路列控系統(tǒng)的互聯(lián)互通，但既有線信號系統(tǒng)類型繁多，不同廠商設備接口不統(tǒng)一，信號設備互不兼容，使得信號系統(tǒng)（包括列控系統(tǒng)）升級改造工程費用大幅提高，導致歐洲既有鐵路升級改造工程進展緩慢。

為降低歐洲既有線改造及運維成本，提高既有鐵路運輸能力，德國、法國、英國、奧地利、瑞士、荷蘭等13 國鐵路基礎設施運營商及管理機構發(fā)起組建歐洲鐵路信號系統(tǒng)接口及設備標準化組織—歐洲鐵路信號聯(lián)盟（EULYNX，European Imitative to Linking Interlocking Systems）。EULYNX 致力于歐洲鐵路信號系統(tǒng)設計與運營管理的數(shù)字化和標準化，以加快下一代數(shù)字化信號系統(tǒng)的研究。2014年，EULYNX 啟動了歐洲鐵路信號系統(tǒng)接口標準化及數(shù)字化研究，于2017年完成基線3（Baseline 3）的相關工作，并于2021年12月發(fā)布歐洲鐵路數(shù)據(jù)模型1.0版。該模型采用形式化本體（formalized ontologies）方法，詳細定義了基礎設施項目管理方（Infrastructure Manager）與設備廠商之間關于信號系統(tǒng)接口的標椎化內(nèi)容，為歐洲鐵路信號系統(tǒng)升級改造奠定了良好的數(shù)字化基礎。

近年來，國內(nèi)新建鐵路線路正逐漸減少，未來既有鐵路改造工程將不斷增多。目前國內(nèi)雖已制定了新建鐵路信號系統(tǒng)設備互聯(lián)互通的技術要求，但對同一信號子系統(tǒng)不同廠家設備（或設備內(nèi)部模塊）的兼容性及接口規(guī)范尚無具體規(guī)定，造成既有鐵路改造工程面臨改造成本較高、技術難度大、后期運維困難等難題。為此，可借鑒歐洲鐵路建設和管理經(jīng)驗，開展國內(nèi)鐵路信號系統(tǒng)接口標準化工作，實現(xiàn)不同廠商信號系統(tǒng)的接口統(tǒng)一與設備兼容，減少既有線改造時信號設備安裝或更換的成本與時間，并降低后期運營維護的難度和工作量。

1 EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號系統(tǒng)構成

EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)包括：聯(lián)鎖及列控（Electronic Interlocking）、列車監(jiān)測（Train Detection）、信號機（Light Signal）、道岔轉(zhuǎn)轍機（Point）、運維和數(shù)據(jù)管理（Maintenance and Data Management）子系統(tǒng)以及通用系統(tǒng)接口（Generic IO）[3]，如圖1所示。

圖1 EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號系統(tǒng)構成

該模型以具有通用性、標準化及模塊化的信號系統(tǒng)接口為核心，將各核心子系統(tǒng)之間、以及核心子系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)或設備之間的接口標準化，旨在使信號子系統(tǒng)或設備的更新對整個系統(tǒng)的影響最小化，以節(jié)省既有線改造的成本和時間。

2 EULYNX 數(shù)據(jù)準備流程

數(shù)據(jù)準備是EULYNX 鐵路信號數(shù)字化的核心內(nèi)容，數(shù)據(jù)準備流程如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)需求定義和UML 建模2 個階段。

圖2 EULYNX 數(shù)據(jù)準備流程示意圖

（1）數(shù)據(jù)需求定義階段：數(shù)據(jù)需求定義是UML 建模的基礎；在數(shù)據(jù)需求定義階段，首先由鐵路信號領域?qū)＜腋鶕?jù)業(yè)務需求定義應用場景（即用例），然后基于各個用例定義交換場景的構件（或設備）對象類型（Object types）和屬性信息[4]（Attributes）。

（2）UML 建模階段：主要是基于數(shù)據(jù)需求，采用UML 形式化建模的方式，將鐵路信號業(yè)務交換需求和流程表達出來，形成EULYNX 數(shù)據(jù)準備模型（EULYNX Data Preparation）；該模型可以通過Enterprise Architect（EA）軟件生成便于網(wǎng)頁瀏覽的HTML 格式文件，也可通過轉(zhuǎn)換工具抽取可擴展標記語言模式（XSD，XML Schema Definition），用于XML 數(shù)據(jù)校核；還可通過轉(zhuǎn)換工具自動生成C#等面向?qū)ο笳Z言代碼，便于后續(xù)軟件實現(xiàn)等。

3 數(shù)據(jù)需求定義

數(shù)據(jù)需求定義主要包括通用領域（Generic domain）和信號領域（Signalling domain）2 部分，其內(nèi)容和結構如圖3所示。

圖3 EULYNX 數(shù)據(jù)需求內(nèi)容和組織結構

其中，通用領域是指具有通用性的基礎數(shù)據(jù)，包括地理信息、項目信息、數(shù)據(jù)容器、通用類，對應有4 個工作包（Work Package）；信號領域是指與鐵路信號領域相關的各類系統(tǒng)或設備數(shù)據(jù)，包括資產(chǎn)（設備）、自動進路設置、線纜、ETCS 等，對應有11 個工作包；EULYNX 數(shù)據(jù)需求還納入了國際鐵路聯(lián)盟（UIC，International Union of Railways）以及工業(yè)基礎類（IFC，Industry Foundation Classes）標準的相關內(nèi)容。

對各個工作包進行分解，可得到滿足業(yè)務需求的最小化設備實體（或構件）對象類型（Object Type），再定義各個構件的對象名稱（Object name）和屬性名稱（Attribute name）；為方便鐵路信號技術人員理解，還需對屬性含義加以適當描述；這一過程可以在Excel 表格中完成。表1所示為數(shù)據(jù)需求定義中關于信號機的部分描述。

表1 信號機數(shù)據(jù)需求定義（部分）

4 UML 建模

數(shù)據(jù)需求中對各個構件對象及其屬性進行了定義，但未表達構件與構件（或類與類）之間的關系，且由于數(shù)據(jù)需求表本身非結構化的特點，導致所定義的數(shù)據(jù)需求不夠形式化，數(shù)據(jù)結構存在歧義。

為解決這些問題，EULYNX 數(shù)據(jù)模型采用UML 類圖描述各個類以及類與類之間的關系，將語義層面的數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)換為UML 概念模型。與非結構化的數(shù)據(jù)需求描述相比，UML 概念模型具有以下優(yōu)點：（1）計算機可讀（Machine-readable）；（2）可以在一個類圖上整合類、屬性、關系等所有信息；（3）更為形式化，能夠使用專門的工具直接生成高級語言代碼[5]；（4）可使用軟件工具靈活地提取和處理模型中的數(shù)據(jù)；（5）可方便地轉(zhuǎn)換為HTML 等格式，便于用戶在網(wǎng)頁上瀏覽數(shù)據(jù)模型。

UML 是一種開放的、可擴展的、通用的系統(tǒng)可視化建模語言[6]，在面向?qū)ο笤O計中應用廣泛。UML 模型具有可視化、規(guī)范化的特點，不僅描述了鐵路信號BIM 業(yè)務需求功能，同時還描述了如何去實現(xiàn)這些功能，UML 模型易于被鐵路信號專業(yè)人員和BIM 軟件開發(fā)人員理解。UML 模型被視作軟件實現(xiàn)的藍圖，是一種平臺無關模型（PIM，Platform Independent Model），但沒有規(guī)定需要使用何種計算機語言進行編碼實現(xiàn)[7]。

EULYNX 數(shù)據(jù)模型采用UML 類圖進行概念模型的形式化建模，對數(shù)據(jù)需求進行合理的抽象和描述。UML 類圖主要包含3 種要素：類、屬性、關系。以信號機為例，UML 類圖如圖4所示。

圖4 信號機（Signal）UML 類圖

（1）類（Class）

類是構成類圖的基礎，對于每一類實體構件分別用一個類來表達。在UML 建模中，還可以對每個類的基本信息進行設置，如名稱、別名、版本號、狀態(tài)、GUID 等。

（2）（屬性（Property/Attribute）

通過對UML 類附加屬性，可以將屬性信息內(nèi)嵌入UML 各個類中；如圖4所示，“isFixed”是類“SignalFrame”的屬性?？梢栽赨ML 類中指定每個屬性的數(shù)據(jù)類型、可見性、初始值、別名等。其中，“數(shù)據(jù)類型”包括string、real、boolean、enumeration等常見類型，也支持自定義；“可見性”包括public（公有）、private（私有）、protected（受保護）等訪問類型。一般將公有屬性設置為“public”，將各類構件設備的專有屬性設置為“private”；

其次，為進一步解釋說明屬性的具體含義，方便用戶更好地理解屬性，可以添加相應注釋；此外，在類圖中還可以用多重性定義類與類或類與屬性間的數(shù)量對應關系。例如，1 個“Signal”類可以對應0 個或 1 個“ Signal Frame”，則“ Signal” 和“Signal Frame”的多重性分別用“1”和“0..1”表示。

（3）關系（Relationship）

UML 類與類之間常見的關系包括：繼承、聚合、關聯(lián)、組合、依賴等。在UML 模型中最常用的是繼承、聚合、關聯(lián)3 種關系類型。其中，繼承關系表示一個對象是另一個對象的特例，例如有源應答器屬于應答器的一個特例；聚合關系描述的是部分與整體的關系，例如電纜井是電纜路徑整體中的一部分；關聯(lián)關系是指一個對象和另一個對象之間的聯(lián)系，例如道岔轉(zhuǎn)轍設備與道岔之間的安裝位置聯(lián)系；這3 種關系的強弱順序為：繼承＞聚合＞關聯(lián)。每種關系都對應一種特殊的連接符號，如表2所示。

表2 UML 建模中常見關系類型

按照以上方法，利用UML 類圖對鐵路信號系統(tǒng)進行概念建模，建模內(nèi)容基于數(shù)據(jù)需求定義中的工作包，一般在建模前先對各個工作包進行優(yōu)先級排序，建模時再根據(jù)優(yōu)先級順序依次對各個工作包進行建模[8]，最終以UML 類圖將鐵路信號業(yè)務數(shù)據(jù)交換需求和流程表達出來。

在最新發(fā)布的EULYNX 數(shù)據(jù)模型1.0 版中，定義了信號子系統(tǒng)和設備的UML 模型，并描述了各個類、屬性以及類之間的關系。

5 EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應用

典型的EULYNX 數(shù)據(jù)模型應用流程圖如圖5所示。

圖5 EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應用流程示意

（1）基礎設施項目管理方（Infrastructure Manager）基于EULYNX 數(shù)據(jù)模型，將自身需求的功能與接口信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為EULYNX 格式文件（即如XML 文件），然后使用專門的工具軟件對配置的EULYNX 格式文件進行自動的合規(guī)性驗證；驗證通過后，將EULYNX 格式文件提供給信號設備供應商。

（2）信號設備供應商根據(jù)EULYNX 格式文件中的相關設備和接口標準，生產(chǎn)和提供滿足要求的信號設備；這種方式可消除以往由于接口不統(tǒng)一而導致的設備供應壟斷問題，也能夠減少設備更新改造的時間和成本。

（3）軟件供應商利用工具，從由UML 模型生成的XML 格式的配置數(shù)據(jù)集中抽取所需的數(shù)據(jù)，將其實例化為鐵路信號領域的各類對象，最終被實例化的各類對象會保持著UML 模型內(nèi)的定義和關系。

如圖6所示，這種基于XML 標準數(shù)據(jù)格式的信息交換可以實現(xiàn)計算機—計算機（Machine-to-Machine）的無縫信息交換。

圖6 基于XML 格式的數(shù)據(jù)交換過程示意

通過規(guī)范化的基于XML 格式的數(shù)據(jù)交換，使得項目規(guī)劃階段產(chǎn)生的信息能夠與設計、施工、運維各階段進行雙向信息交換，設計、施工、運維各階段的信息也可以隨時返回到規(guī)劃階段的管理信息系統(tǒng)中。例如，各階段的工程量和預算信息在執(zhí)行BIM 項目時，可以實時返回到工程預算信息系統(tǒng)中；同時，如果改變最初UML 中定義的對象和關系，則在各階段產(chǎn)生的工程量和預算結果也會隨之改變。

6 結束語

針對歐洲鐵路信號系統(tǒng)接口不統(tǒng)一、設備不兼容等問題，EULYNX 建立了基于UML 形式化方法的信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。該模型對信號系統(tǒng)各核心子系統(tǒng)之間、以及核心子系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)或設備之間的接口進行標準化，旨在使信號子系統(tǒng)或設備的更新對整個系統(tǒng)的影響最小化，以節(jié)省既有線改造的成本和時間。本文較為全面地介紹EULYNX 信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，簡述模型中信號系統(tǒng)的構成和數(shù)據(jù)準備流程，詳細說明數(shù)據(jù)需求定義過程、UML 建模過程以及EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應用流程。

與非結構化的數(shù)據(jù)需求描述相比，EULYNX 數(shù)據(jù)模型將語義層面的數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)換為高度形式化的UML 概念模型，既便于用戶在網(wǎng)頁上瀏覽數(shù)據(jù)模型，也可使用軟件工具靈活地提取和處理模型中的數(shù)據(jù)，還支持由工具直接生成高級語言代碼。EULYNX 數(shù)據(jù)模型具有可視化、規(guī)范化的特點，易于被鐵路信號專業(yè)人員和BIM 軟件開發(fā)人員理解，使得信號系統(tǒng)改造工程的相關方能夠基于同一個數(shù)據(jù)模型開展合作，有利于保證需求與實現(xiàn)的一致性；此外，該數(shù)據(jù)模型也便于實現(xiàn)信號系統(tǒng)全生命周期內(nèi)無縫信息交換，使得項目規(guī)劃階段產(chǎn)生的信息能夠與設計、施工、運維各階段進行雙向信息交換，設計、施工、運維各階段的信息也可以隨時返回到規(guī)劃階段的管理信息系統(tǒng)中。

EULYNX 建立的這一套信號系統(tǒng)接口標準化方法，可為今后國內(nèi)鐵路信號系統(tǒng)接口標準化研究工作提供重要參考。