城軌列控系統(tǒng)完全自主化關鍵要素分析

劉果 謝勝茂 周在福

摘 要：基于國內(nèi)外形勢和國內(nèi)需求，首先分析城市軌道交通實現(xiàn)自主化的可行性和必要性;然后分析城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)完成自主化的關鍵要素，包括工程設計、產(chǎn)品設計、安全與質(zhì)量管理、項目管理等，并提出完全自主化亟待突破點及建議;最后展望可以利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術做好全生命周期的智能化建設，以推動城市軌道交通由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變。

關鍵詞：城市軌道交通;列控系統(tǒng);自主化;關鍵要素;突破點;建議

中圖分類號：U213.9

進入21世紀，特別是2010年后，我國城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）飛速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2019年12月31日，我國內(nèi)地共有40座城市建成并投運城軌線路6 730.27 km;2000年—2019年，僅北京地鐵開通的運營新線就有21條，增加運營里程645km，是前30年的12 倍，年客運量也已經(jīng)增加到38 億人次以上。城軌裝備產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高端裝備制造業(yè)的重點內(nèi)容，而控制列車運行的大腦——列車運行控制系統(tǒng)（以下簡稱“列控系統(tǒng)”）是關鍵核心之一。從發(fā)展歷程看，我國城軌的快速發(fā)展過程也是列控系統(tǒng)自主化程度不斷加深的過程，但在核心裝備自主化方面仍然有很長的路要走;以列控系統(tǒng)為代表的核心裝備完全自主化研制對于支撐行業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展及保障信息安全、經(jīng)濟安全尤為關鍵。

1 自主化可行性和必要性分析

無論是從城軌線路數(shù)、總建設里程數(shù)還是年客運量來看，我國已經(jīng)成為當今世界最大的城軌市場，但是與國內(nèi)其他行業(yè)一樣，城軌交通領域也面臨著無法完全自主化的痛點，因此可能會引入潛在的信息安全和經(jīng)濟安全風險。表1列出了近幾年幾起國外重要基礎設施信息安全事故。

城軌屬于關鍵基礎設施，安全防護至關重要。如果不實現(xiàn)自主化，類似的事故可能會發(fā)生在我國的軌道交通行業(yè)，而列控系統(tǒng)作為控制列車運行的“大腦”極有可能受到網(wǎng)絡攻擊。

除了受到網(wǎng)絡攻擊的風險外，由于目前我國系統(tǒng)中所用的核心組件大量采用國外的元器件、操作系統(tǒng)等，一旦相應國家對我國實行禁運，很多企業(yè)都將面臨“巧婦難為無米之炊”的尷尬境地。近年發(fā)生的中美貿(mào)易爭端，尤其是“中興事件”和“華為事件”，切切實實給國內(nèi)各行各業(yè)一個教科書式的教訓。如何不被這些國外組件制約，也是列控系統(tǒng)自主化需要解決的問題。

國家一直在鼓勵國內(nèi)相關單位進行自主創(chuàng)新，2006年中華人民共和國國務院印發(fā)實施國發(fā)[2006] 6號《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）若干配套政策的通知》;2013年正式提出自主可控概念;從2013年開始，習近平總書記在各種重要場合強調(diào)“自主可控”的講話多達7次以上;2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會正式發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》。從國家自主化發(fā)展歷程看，我國從1999年開始陸續(xù)經(jīng)歷了實驗室可用，勉強能用，能用可用到目前好用愿用的階段;我國城軌建設項目也經(jīng)歷了從國內(nèi)企業(yè)牽頭，整套引進，到采用國產(chǎn)部分子系統(tǒng)配套集成，再到國內(nèi)企業(yè)能提供完整的列控系統(tǒng)的階段。

城軌的自主創(chuàng)新已經(jīng)從國產(chǎn)化邁入了自主化階段，無論是在客觀上還是主觀上，我國城軌列控系統(tǒng)都已經(jīng)具備完全自主化的動力和能力。

2 列控系統(tǒng)自主化的關鍵要素分析

列控系統(tǒng)自主化貫穿于產(chǎn)品設計、產(chǎn)品測試、工程設計、系統(tǒng)集成與項目管理等系統(tǒng)的全生命周期，并與產(chǎn)品的安全、質(zhì)量與配置管理直接相關，客觀上要求列控系統(tǒng)的供貨方能在全生命周期范圍內(nèi)持續(xù)提供產(chǎn)品和服務，并能抵御來自外部的安全風險。

2.1 產(chǎn)品設計

產(chǎn)品設計是將用戶需求轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品需求，從而傳遞到整個產(chǎn)品的設計開發(fā)過程中。產(chǎn)品設計自主化包括系統(tǒng)設計自主化、硬件設計自主化、軟件設計自主化和工具設計自主化，是整個列控系統(tǒng)自主化的最關鍵要素。

（1）系統(tǒng)設計自主化。應具備從場景分析、系統(tǒng)需求分析到系統(tǒng)架構(gòu)設計的能力，并具備系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化和演進的能力。

（2）硬件設計自主化。應具備整機設計、單板設計、元器件選型的能力，原理圖和印制電路板（PCB）可修改優(yōu)化，產(chǎn)品的可靠性和可制造性可預測。

（3）軟件設計自主化。應具備安全平臺和業(yè)務的設計實現(xiàn)能力，尤其是安全機制和安全通信協(xié)議;源代碼可改、可審、可測。

（4）工具設計自主化。應具備配套工具的設計實現(xiàn)能力，可根據(jù)項目設計和項目交付過程特點進行效率提升和質(zhì)量提升方面的優(yōu)化，工具（含軟件和硬件）應可信、可控。

隨著列控系統(tǒng)自主化程度的推進，國內(nèi)很多企業(yè)已經(jīng)具備系統(tǒng)設計、軟件設計和工具設計完全自主化的能力，但是在關鍵零部件和基礎軟件選用上還無法做到完全自主化。

2.2 產(chǎn)品測試

測試是為了驗證產(chǎn)品設計實現(xiàn)是否符合預期，測試的有效性和充分性可以大大減少后期返工的工作量，測試自主化包括測試設計自主化、自動測試自主化、底層測試自主化和故障注入測試自主化。

（1）測試設計自主化。應具備搭建完整的真實或仿真測試環(huán)境，以及完成產(chǎn)品測試、工程測試、型式試驗的設計能力;測試用例應透明、可審。

（2）自動測試自主化。應具備測試環(huán)境（含自動化測試）持續(xù)優(yōu)化的能力。

（3）底層測試自主化。應具備白盒/灰盒測試能力，測試覆蓋率應可獲得。

（4）故障注入測試自主化。應具備模擬硬件故障和模擬程序變量突變的能力，通過這種故障模擬注入，獲得系統(tǒng)在異常條件下的反應。

國內(nèi)信號企業(yè)在參與城軌項目建設和自主化過程的同時也積累了大量的測試經(jīng)驗，這些經(jīng)驗使得我國很多企業(yè)已經(jīng)具備了列控系統(tǒng)產(chǎn)品測試完全自主化的能力。

2.3 工程設計

工程設計著重解決與運營方、建設方和設計院充分溝通的問題，理解并澄清用戶的原始需求，設計符合用戶需求的列控系統(tǒng)項目，包括合同談判與分析、設計聯(lián)絡、場景分析和特定應用設計。

伴隨著國內(nèi)城軌的高速發(fā)展，國內(nèi)很多企業(yè)積累了豐富的工程設計經(jīng)驗，這些經(jīng)驗使得我國很多企業(yè)已經(jīng)具備了列控系統(tǒng)工程設計完全自主化的能力。

2.4 系統(tǒng)集成與項目管理

隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，列控系統(tǒng)也在不斷地更新發(fā)展，各種新的信息技術在列控系統(tǒng)中得到集成應用，如大數(shù)據(jù)、云計算等。目前，城軌行業(yè)內(nèi)還沒有一個廠家能將這些新的技術全部掌握，也不可能都自己生產(chǎn)與這些新技術相關的產(chǎn)品并應用到列控系統(tǒng)中去，因此要不斷提高列控系統(tǒng)的自主化水平，系統(tǒng)集成與項目管理的能力就尤為重要。

國內(nèi)的信號企業(yè)參與到城軌機電建設基本上都是從系統(tǒng)集成和項目管理開始的。經(jīng)過大量項目的實施，國內(nèi)已有很多企業(yè)具備系統(tǒng)集成和項目管理完全自主化的能力。

2.5 安全、質(zhì)量與配置管理

安全管理包括對產(chǎn)品或項目進行危害分析，提出安全需求，進行安全審計和安全分析的過程，一般也包括產(chǎn)品可靠性、可用性和可維護性（RAM）分析的過程。

列控系統(tǒng)是一個關系民生的高安全產(chǎn)品，其自主化需要做到對安全需求的理解、掌握自主化，安全原理設計及安全風險分析自主化，安全審計、安全認證國產(chǎn)化，即列控系統(tǒng)的安全保障要掌握在“自己”手中，不受國外廠家或機構(gòu)的制約。中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會2019年印發(fā)的《城市軌道交通裝備產(chǎn)品認證實施規(guī)則》為城軌自主化發(fā)展提出了產(chǎn)品認證的要求，也為安全管理自主化提供了認證依據(jù)。企業(yè)內(nèi)部應具備通過認證審查的安全管理體系。

質(zhì)量與配置管理包括對產(chǎn)品或項目進行質(zhì)量管控與配置項管理。企業(yè)內(nèi)部也應具備經(jīng)過認證審查的質(zhì)量管理體系，并配備專門的質(zhì)量管理團隊。為保證質(zhì)量和配置管理的完全自主可控，企業(yè)的版本管理服務器應部署在國內(nèi)。

3 完全自主化亟待突破點及建議

雖然我國城軌領域已經(jīng)度過了國產(chǎn)化階段，正處于自主化階段，但是與國內(nèi)其他行業(yè)面臨的問題一樣，在關鍵零部件和基礎軟件選擇上還無法完全自主可控，還有待突破。

3.1 關鍵零部件

關鍵零部件是整個系統(tǒng)的“心”，如高性能中央處理單元（CPU）/圖形處理單元（GPU）、大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）。尤其是CPU芯片，它是完全自主化最關鍵的一環(huán)，整個軟件生態(tài)都建立在底層CPU架構(gòu)之上。

目前國內(nèi)產(chǎn)品用的比較多的CPU芯片架構(gòu)有X86、ARM、PowerPC和MIPS。經(jīng)過近些年的積累，我國也涌現(xiàn)了一批對應的自主化CPU廠商，根據(jù)不同的CPU架構(gòu)，這些國內(nèi)代表企業(yè)分類如表2所示。

GPU和FPGA也有對應的國內(nèi)代表企業(yè)，如紫光國威、安路科技、景嘉微等。

雖然這些自主化關鍵芯片與國外最新芯片還有一些性能差距，但是已經(jīng)處于好用階段，可以選擇國產(chǎn)化的關鍵零部件進行替代。

3.2 基礎軟件

基礎軟件是整個系統(tǒng)的“魂”，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫。它是整個自主可控產(chǎn)品中另一個重要部分，整個應用軟件生態(tài)都建立在其架構(gòu)之上。

對于基礎軟件，可以采用“開源軟件+國產(chǎn)自主”基礎軟件的策略，在選擇合適的授權開源軟件之后可逐步轉(zhuǎn)為自主可控。國內(nèi)很多基于開源軟件和國產(chǎn)化基礎軟件的產(chǎn)品已經(jīng)得到了實質(zhì)性的驗證，可供選擇的基礎軟件也比較多。其中，國產(chǎn)化操作系統(tǒng)軟件有NeoKylin（Linux）、深度Linux、SylixOS、Reworks、RT-Thread、LiteOS、AliOS等;國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫軟件有AliSQL、GaussDB等;開源數(shù)據(jù)庫軟件有Sqlite、MySQL等。另外，部分開源大數(shù)據(jù)平臺也能替代數(shù)據(jù)庫軟件。

4 展望

正如《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出的，城軌“擔當”的主要工作路徑是智能化和自主化兩手抓。未來中國城軌列控系統(tǒng)將在自主創(chuàng)新的基礎上，通過持續(xù)不斷的智能化建設，打造以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為特征的新一代中國式智慧型城市軌道交通建設平臺，最終推動城軌由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、區(qū)塊鏈、衛(wèi)星通信、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）、機器視覺、生物識別等新興信息技術的應用成熟，城軌列控系統(tǒng)完全可以利用這些技術做好全生命周期的智能化建設：

（1）在產(chǎn)品設計階段，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星通信、機器視覺、生物識別等新興信息技術，設計出更加智能化的產(chǎn)品，優(yōu)化列車運行控制、強化運維安全和運輸組織;

（2）在產(chǎn)品測試階段，利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、VR/AR等新興信息技術，探索新的實驗室測試框架，實現(xiàn)“零現(xiàn)場測試”和遠程測試;

（3）在工程設計階段，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興信息技術，形成端到端的一體化自動設計工具、標準化操作規(guī)程，簡化驗證和授權流程，提高互操作性。

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收稿日期 2020-04-23

責任編輯 黨選麗