城市軌道交通CBTC系統測試綜述

1 概述

目前，城市的交通需求劇增，城市軌道交通系統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（CBTC）。CBTC系統是一個復雜的系統，具有許多與客戶項目相關的可配置功能。制造商在CBTC系統測試和投入使用方面的經驗可確保該系統更加安全，功能更加完善。

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

（1）運營商希望根據自己的特點和需求對CBTC系統進行改動和調整，尤其是需要將CBTC系統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。

（2）有的功能只有在現場測試中才能看到顯著效果，如列車定位和無線數據傳輸功能。此外，CBTC系統作為基于無線電通信的系統，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系統相關的改造與測試必須以對乘客運輸的影響最小化為前提。因此，其現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化。參與各方共同協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及其接口，并對相關測試進行明確規定;

（2）對制造商的測試內容和流程進行協商，必要時需運營商確認;

（3）協調測試時間表，從而使測試所需時間符合整個項目的總體時間規劃要求;

（4）與運營商協商，使其提供所需的設施（特別是車輛）和人員（如安全監督員、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的偏差。

本文將介紹制造商在CBTC系統從裝配到投入使用過程中所進行的各種測試。

2 工廠測試

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

（1）CBTC系統內部接口測試，即測試列車自動監控系統（ATS）與車輛設備、ATS系統與線路設備，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系統功能測試，即根據項目合同對CBTC系統功能的要求，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系統接口。接口仿真系統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場無法執行的故障注入測試。例如，在無線信道中交換或偽造消息，以證明通信協議安全機制的有效性。

（5）故障模擬。測試人員若在現場發現漏洞或故障，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CBTC功能的重要環節。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）的信息和數據。例如，為實現列車自動運行（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數周。

（3）車輛靜態和動態調試。車輛的靜態和動態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之間接口的功能是否正常。

（2）CBTC系統功能測試。

（3）車輛靜態和動態調試，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 現場測試

現場測試需要按照圖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系統各個子系統的交互情況，以及運營商系統環境中CBTC系統外部接口的交互情況（圖3）。例如，測試CBTC系統與乘客信息系統（PIS）、樓宇自動化系統、牽引供電系統，以及其他信令系統的接口。

5.3 數據通信系統測試

數據通信系統測試是現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控系統（NMS）收集有關網絡配置、數據傳輸速率和延遲時間的數據;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發送數據分組，以監視分組丟失率。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

定位功能測試是現場測試的另一重要環節，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。數據通信系統測試與定位功能測試是CBTC系統正常運行的基礎。這2種測試必須在線路的雙方向上進行。

5.5 ATP 系統功能測試

在進行系統集成測試、數據通信系統測試和定位功能測試之后，應開展ATP系統功能測試。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現行速度規定進行自動運行控制的能力。測試中，列車將以靜態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行的速度規定。此外，測試人員還要測試列車在車站區域的停車精度。這些測試都必須在線路的雙方向上進行。

5.7 ATS 系統功能測試

ATS系統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場測試，如列車運行跟蹤系統與行車時刻表管理系統之間的交互，以及沖突檢測和解決功能。

5.8 現場驗收測試（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，為保證按規定日期將CBTC系統投入使用，測試人員可能首先測試特定的功能;而對于某些復雜功能（如控制系統功能），則在與運營商協商后推遲補做。

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負責保障列車安全;新列車運行控制系統（即CBTC系統）同時運行，并接收所有相關的控制參數，但若其檢測到有偏差，也不會干預控制過程。這個過程會持續數月。然后，進行不載客的常規運行測試，測試中由CBTC系統進行列車運行控制。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系統能否滿足合同中規定的性能參數要求（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（如平均故障間隔里程MTBF）、測試周期、測試方法的統計邊界條件（如具有特定置信區間的卡方檢驗）。若測試結果不符合可靠性參數的規定，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，以實現提高運輸能力和安全運營的目標。CBTC系統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，但是在現場進行各種功能測試也必不可少;而且某些錯誤在系統投入使用后才會暴露出來。因此，制造商和運營商需要協同合作，共同解決CBTC系統的故障和不兼容問題，使該系統不斷完善。

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