高速鐵路系統集成模式發展探討

肖 峰

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

至2019年底，中國高速鐵路營業總里程達到3.5萬km，居世界第一。國內高鐵建設體量幫助高鐵建設者積累了豐富的建設經驗，同時也見證了國內高鐵技術的高速發展和先進性。其中站后四電系統集成的建設模式形成了成熟的體系，幫助實現四電系統的有機結合、穩定運行。隨著高鐵運行里程的快速增長，國內高鐵市場需求發生變化，同時國外高鐵市場也在逐步開拓，這些都為系統集成工作帶來新的機遇和挑戰。

1 系統集成模式的形成

1.1 系統集成模式的提出

高速鐵路四電系統與一般普速鐵路的不同在于速度更高、自動化程度更高、控制系統更復雜、子系統更多、技術難度更大，因此需要集中解決各專業子系統間接口和外部接口問題。這個特點在站后四電系統尤為突出，所以才提出四電系統集成概念，把站后四電專業的集成工作放在一起做，逐步形成具備解決復雜系統集成問題的專業團隊，這種辦法有利于積累豐富的高鐵集成經驗，更高效安全地建設高鐵。

1.2 普鐵建設模式和高鐵系統集成模式的區別

1.2.1 普速鐵路建設模式

鐵路建設項目一般有4種項目角色，建設方、設計、施工和監理。以信號系統項目為例，建設方對項目參建各方進行管理使項目按期完工；設計負責施工圖設計和技術支持；施工進行按圖施工作業。普速鐵路子系統少，設備集成度不高，只有CTC和聯鎖是成套設備，其他大部分系統（如閉塞系統）基本靠組合電路實現，內外部系統接口很少。針對普速鐵路的這些項目特點，設計完成功能設計，廠家各自負責自身設備技術支持，施工按圖布線然后進行功能試驗就能完成項目。

1.2.2 高鐵系統集成模式

高速鐵路四電系統更復雜，以信號系統為例。

1）集成度高的成套設備增多，例如：CTC、聯鎖、列控、臨時限速服務器、安全數據網、RBC以及一些專用接口服務器等，這些系統之間聯系緊密，存在較多內部接口。

2）信號系統與其他專業也存在大量接口，例如：為信號提供通信通道的通信專業，需要為信號系統提供線路數據和分相區數據的站前專業和接觸網專業，還有其他系統如異物監測、地震監測等系統接口。

3）車地接口通信增多，如地面應答器信息、軌道電路移頻信息、RBC通過無線通信發送的控車信息等，如此多的信息交互、車地接口，需要進行車地聯調聯試保證行車安全。

綜上所述，系統成套設備的選型和功能實現、實施方案的編制、內外部接口的實施和聯調聯試等，這些都是高鐵四電系統新增工作，而且這是一項工作量大、技術難度高的專業工作。把這項工作劃歸施工、設計、子系統供應商和建設方進行兼顧都不具備足夠能力去滿足這項工作的需求，因此需要把這項工作作為獨立的和施工、設計平行的工作。以上這些高鐵四電系統的特殊性促成了高速鐵路系統集成模式的形成。

1.3 系統集成模式類別

高速鐵路四電系統集成主要是電力、電牽、通信、信號4個站后專業集成，各專業將不同功能子系統有機結合，實現本專業系統集成，站后各專業間通過通信接口方式實現站后四電系統集成。也可將四電模式分為兩電模式進行系統集成，即電力、電牽專業組成的“強電集成”和通信、信號專業組成的“弱電集成”。系統集成模式類別如圖1所示。

圖1 系統集成模式類別示意圖Fig.1 Schematic diagram of system integration mode categories

2 系統集成模式架構和當前面臨的問題

2.1 系統集成模式架構

根據系統集成項目特點和高鐵項目建設經驗，我國高鐵四電系統集成逐漸形成了一定的模式架構，高速鐵路四電系統集成基本由集成管理、集成設計和集成測試3個工作組成，具體如下。

2.1.1 集成管理

如信號系統集成項目，需要對通信、電力、電牽、軌道等多個專業的項目機構建立對接平臺和機制、需要與項目接收單位和建設單位建立工作對接機制，需要建立信號各子系統供應商協調工作機制，以及項目商務工作和項目團隊管理建設，涵蓋以上內容的工作稱為集成管理。

2.1.2 集成設計

鐵路各設計院的專業設計是把本專業各系統需要達成的功能、配置進行的標準化設計，依據設計規范進行設計。集成設計是對專業設計的功能、配置進一步實現的深化性、可實施性設計，例如：信號專業設計只需按設計規范描述CTC、聯鎖、列控等子系統實現的功能和技術條件，集成設計需要把CTC、聯鎖、列控等子系統設備的產品性能、功能、內外部電路和接口、各子系統間接口、接口通信方式、互傳信息內容、各子系統兼容匹配性等內容進行描述，制定集成實施方案指導施工單位和各子系統供應商進行現場實施。同時車地聯調聯試發現問題也需要相關技術人員及時組織各系統技術人員進行問題分析和責任分解，把涵蓋以上內容的工作稱為集成設計。

2.1.3 集成測試

因為高鐵四電系統的復雜性，子系統設備軟件調試及全系統聯動調試工作量大，發現問題后，受現場線路長、各站點分散的制約，修改難度大、周期長。因此需要在實驗室進行集中模擬試驗，例如：信號系統的CTC、聯鎖、列控、臨時限速服務器及RBC，可以將這些設備在實驗室集中搭建成滿足本項目運營場景和技術指標的模擬平臺，模擬各種列車運行狀態，驗證系統功能，發現問題在實驗室就能邊修改邊驗證，還能通過以往高鐵建設積累的不同場景案例進行試驗分析。模擬試驗通過后再進行現場實施和試驗，提高了建設效率和系統的穩定安全。同時車地聯調聯試也需要隨車測試人員進行實地跟蹤測試和測試數據分析，把涵蓋以上內容的工作稱為集成測試。

系統集成模式架構如圖2所示。

圖2 系統集成模式架構示意圖Fig.2 Schematic diagram of system integration mode architecture

2.2 系統集成工作當前面臨的問題

在高鐵建設起步階段，系統集成工作處于探索和集成模式成型階段，做這項工作時產品供應商少，子系統產品技術參數和接口還不夠穩定，需要系統集成做大量細致的調查研究和技術分析，因此高鐵建設起步階段系統集成工作繁瑣充實，項目建設對系統集成工作的依賴程度高。

隨著國內建設高鐵里程的增多和系統集成工作的成熟穩定，使當前系統集成工作面臨以下新的問題：

1）產品應用的成熟穩定和參與建設各方配合的協調統一，使協調對接工作對集成管理的依賴程度降低；

2）系統集成方案、子系統功能和內外部接口的標準化，使集成設計不需要再進行繁瑣的研究分析；

3）產品缺點和系統軟件缺陷逐漸克服完善，集成測試中發現的問題變少，不需要再進行反復修改測試。

當前系統集成的這些特點使集成工作內容逐漸簡化。這種狀況讓集成人員對這項工作的投入狀態減弱，也使集成商對集成工作投入的人力、物力逐漸減少。

3 系統集成模式的發展方向

系統集成工作當前面臨的這些問題并不意味著高鐵四電項目建設不再需要系統集成，國內高鐵發展帶來的新形勢和國外高鐵市場的開拓對系統集成工作帶來新的機遇和挑戰，集成工作人員需要認清形勢，把握未來發展方向。

3.1 國內高鐵發展的新形勢

鐵路運營對系統功能的需求增多，線路交叉和多種制式動車運行下系統集成難度增加，具體如下：

1）高速鐵路運營中出現的特殊場景逐漸增多，需要對系統做進一步優化以滿足運營需求；

2）操作和維護人員對系統輔助功能的需求增多，如人性化設計、便捷性操作、智能化分析報警等；

3）隨著高鐵線路增多，新舊線路交叉的樞紐站場增多，樞紐站場的復雜程度包括多個層面，如復雜列車進路增多，不同列控等級的控車模式切換頻繁、不同列控等級的系統設備接口兼容，不同制式車載和地面控制系統的兼容等；

4）鐵路市場的發展促使子系統供應商快速發展，國內更多公司和資金投入到四電系統設備的研發制造，滿足統一技術條件和功能要求、采用不同技術手段的產品種類增多，研發機構和制造商增多；

5）高鐵系統設備的技術條件和規范正在逐步更新；

6）建設方對工程造價和投資控制越來越精細和嚴格。

3.2 國外高鐵市場的開拓

隨著國內高鐵行業快速發展，高速鐵路建設成果受到更多國家的關注和青睞。中國高鐵開始參與國際高鐵市場競爭。同時隨著“一帶一路”的發展，我國鐵路企業參與國外高鐵項目也逐漸增多。

通過研究國外高鐵建設招標要求，分析得出國外高鐵建設市場需求基本從技術先進性、安全穩定性和性價比3個方面考慮。國內高鐵建設技術的先進性、產業鏈的完整性、項目建設的質優價廉和安全穩定運行使中國高鐵具備國際領先優勢和競爭優勢。

通過參與國際高鐵市場競爭，有利于學習其他高鐵集成商的先進經驗，了解國外高鐵技術裝備的優勢和發展趨勢，進一步提高國內高鐵建設水平，推動國內高鐵建設科學持續發展。

高速鐵路系統集成市場形勢及需求如圖3所示。

圖3 高速鐵路系統集成市場形勢及需求示意圖Fig.3 Schematic diagram of system integration market situation and demand for high speed railway

3.3 高鐵發展新形勢下系統集成工作建議

3.3.1 國內高鐵系統集成工作建議

根據以往國內集成模式發展中的優勢和當前存在的問題，集成工作團隊和人員應針對國內市場需求做好以下幾方面。

1）集成管理人員與高鐵運維部門要充分對接，了解運維部門需求，組織集成設計人員和子系統供貨商研究解決方案。

與建設方充分對接，了解建設方對工程造價的控制辦法，及時調研集成設備市場情況，研究集成設備采購辦法和項目實施成本管理辦法，為建設方提供質優價廉的項目成品和集成服務。

2）集成設計人員應認真研究各研發機構和制造商投入市場的新產品的技術指標、功能實現方法、產品質量等，對產品進行RAMS分析，并結合項目特點、運維習慣和建設方要求，為集成設備選型、招標提供技術服務。

加強對各子系統不同產品的接口研究，提高對不同運營場景和復雜樞紐分析研究能力，提供詳實、可靠和可行性強的集成實施方案。

積極參與、實時跟蹤高鐵系統設備技術條件和規范的制訂更新，更好地為系統集成工作提供技術支持。加強對以往聯調聯試問題的研究，更好地在聯調聯試中組織技術人員進行問題分析、責任確定和任務分解。

3）集成測試人員應加強對各系統應用場景和運營習慣研究，并參考其他行業的系統測試方法，不斷更新改進集成測試體系，為各系統測試提供更貼近系統實際運行的模擬條件和環境，提高測試效率。

加強對特殊應用場景和復雜樞紐模擬條件的研究，提供針對性強和更加全面的測試方案。

加深對以往聯調聯試問題的研究學習，不斷積累數據分析和問題分析經驗，為聯調聯試中發現問題、解決問題提供更好的幫助。

3.3.2 國外高鐵系統集成工作建議

1）面對國外市場的開拓，集成商應認真研究學習國外集成商經驗，更好地發揮中方高鐵建設優勢，盡快補齊短板。

2）充分調查研究項目所在國高鐵建設、運營情況，不能生搬硬套國內集成模式、經驗和慣例；在國外開展市場開拓和項目實施，既要做到和國外高鐵參建各方友好互信，又要加強風險管控。

3）充分了解業主需求，認真研究競爭對象產品、服務的優缺點，發揮中方高鐵系統集成優勢，做好針對性研究開發，提供滿足業主需求的技術、產品和集成服務。

4 結束語

以上內容對高鐵系統集成模式的形成、發展和當前形勢下國內外高鐵發展趨勢進行了分析研究，并給出了相關建議方案，希望對高鐵系統集成團隊和人員有所幫助和啟示，為國內外高鐵建設提供更多助力。