地鐵信號系統設計驗證的研究和應用

曹 然

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

地鐵信號系統設計作為整個項目實施階段的前端整體設計，在實現列車可靠運營，保障列車運行安全，滿足業主需求方面有不可替代的重要作用。因此，信號系統設計的質量直接影響了項目的質量與項目的成本。設計驗證環節作為項目流程中的一項活動，是通過采用一定的標準，根據客觀證據，檢查系統設計的相關文檔是否滿足規則要求。系統設計驗證大大減少了設計環節的問題，提高了設計結果與合同的一致性以及相關產品要求的一致性，同時也降低了返工的成本，保證下游活動能夠正常有序的進行。

1 系統設計驗證

從項目實施的角度，整個項目的流程環節分為7 類，分別是項目立項階段、需求定義階段、結構設計階段、數據制作階段、集成確認階段、安裝調試階段以及項目驗交階段。

在項目需求分析結束后就可以開展系統設計工作。設計人員需要先了解項目的需求，在結合土建資料、產品特性的基礎上對地鐵項目的平面圖及其他參數文檔進行編寫，供流程中的下游環節使用，最終保證列車能夠平穩、安全的運營。在系統設計環節告一段落后，設計驗證針對設計人員編寫的影響數據輸入文檔進行相應檢查。如圖1 所示，系統設計驗證工作處于整個項目活動的上游，而且從項目成本以及周期來看只有處于上游才能達到各方面最優化。

圖1 項目實施模型Fig.1 Flowchart of project implementation

在設計驗證環節發現的問題將反饋給設計人員進行整改，重新編制相關文檔直至文檔內容正確后，數據及后續測試工作方可進行。否則相當于在錯誤的基礎上進行無效工作，既不利于項目成本控制也不利于項目周期縮短，并且使列車運行存在很大安全隱患。

為了能夠更全面細致的發現設計中存在的問題，設計驗證需與系統設計的出發角度不同，具體體現在如下方面。

系統設計要經歷項目設計方案從無到有的過程，設計人員整合利用各種輸入資料，結合項目的需求編制出圖紙、文檔，定義相關系統參數。而設計驗證則基于已有的圖紙、文檔進行檢查，并不參與項目的設計環節。從這個角度來說，設計和驗證是彼此獨立互不影響的兩個流程，在設計過程中所考慮的角度并不會影響在驗證過程中所檢查的思路，所以對于問題的發現和提出更具有客觀性。

系統設計在編制圖紙文檔的過程中，會考慮設計是否影響性能，比如是否影響運營效率，是否符合業主的使用習慣，是否有安全風險等，從而會多次調整設計方案，并且有時會出現牽一發而動全身的情況，所以在設計過程中需要解決很多相關性強的復雜問題，以求在各方面盡可能達到最優化。相比于設計過程考慮功能性需求，驗證更多則是關注最終的設計方案是否符合標準，著重利用規則對結果進行判斷，以在功能滿足的情況下保證系統的可實現性。

系統設計在修改文檔問題的時候著眼于解決問題本身，而對于修改結果是否存在其他系統沖突可能關注不到。所以對于驗證來說，除了會檢查修改內容本身是否按照需求修改，還會根據既定規則檢查相關修改內容是否有系統沖突，從多個角度進行檢查保證問題被切實有效的解決。

2 系統設計驗證的內容和方法

2.1 系統設計驗證的策略

設計驗證在驗證階段上分為首輪驗證和回歸驗證，不同階段下的驗證采用不同的驗證策略，以保證各種情況下都能對設計文檔進行完整的檢查。

首輪驗證即對于項目編制的第一版正式設計文檔進行相關驗證活動。對于首輪驗證來說，驗證的要求是全面檢查文檔內容，包括需要根據線路輸入信息、車輛參數、限速信息、項目需求等檢查設計文檔中定義的數據正確性及有效性，保證文檔中出現的數值均有來源且與來源信息一致，計算結果均能符合要求。根據合同要求檢查設計文檔相關功能的對應性，保證項目要求的功能在設計中均有考慮，且與合同要求保持一致。根據系統要求檢查設計文檔的一致性，保證設計文檔的相關內容與系統要求無偏差。通過這3 個方面的檢查，及時發現并糾正相關問題，有效的把控設計文檔的質量。

回歸驗證即對于項目根據變更要求修改的設計文檔進行相關驗證活動。對于回歸驗證來說，驗證的要求是檢查文檔的變更內容。需要保證項目已經按照變更要求完整修改相關問題，并且修改內容正確。

項目設計文檔經過首輪驗證和各輪回歸驗證，能夠發現設計文檔中的大量問題，并對文檔的修改結果確認檢查，提高用于下游環節的文檔質量。

2.2 系統設計驗證的內容

設計驗證需要驗證的文檔主要包含項目平面圖、列車運行規則、后備信標變量等。具體每個文檔的驗證內容如下。

1）平面圖

平面圖是一個項目線路信息的直觀體現，線路包含站臺位置、道岔的設置位置以及信號機、信標、停車點的布置位置，所有設備在平面圖上均有各自坐標值。列車運行時根據不同的坐標值判斷列車所在的位置，系統也根據設備坐標以及不同列車的位置提供運營指揮，保證各列車間的運行安全。因此，對于平面圖的驗證，坐標是重點檢查內容。

平面圖的坐標涉及兩類，一類為設計院提供的土建設備坐標，一類為項目基于線路情況布置的設備坐標。對于土建設備坐標，驗證需要比對輸入資料中的數值和平面圖中的數值，并且在有必要的時候需要換算坐標系計算數值，確保毫無差錯一一對應。對于項目設置的坐標，系統要求會限制相鄰或相關設備間的距離，以確保系統功能可以正常進行，驗證需要根據系統要求計算設備間距離并判斷是否滿足系統要求。在對線路上所有設備都檢查完成后，驗證人員將出具報告，記錄不滿足要求的設備及坐標，提供設計人員進行修改。

2）列車運行規則

列車運行規則主要用來描述列車的運行情況，包括交路信息、進路信息、折返信息、存車出車信息、轉線信息、信號機信息、緊急停車以及屏蔽門信息等。由于列車運行規則涉及的內容較多，不同的內容需要有不同的檢查輸入和檢查標準，因此對于驗證來說，也是相對比較繁瑣的活動。運行交路需要覆蓋線路上的每個站，組合不同的運行交路情況，驗證人員需要檢查每種可能的情況是否都被列入，以免運營時有缺漏。進路表將線路上所有進路信號機組成的進路列出來，以及定義進路中的始終端信號機，所經過的道岔位置，驗證人員需要比對平面圖，確定始終端信號機的名稱正確，進路的名稱正確，進路中道岔所在的位置正確以及防護道岔的防護位置正確。折返列表列出項目中可進行換端的區域以及自動折返的區域，驗證人員需要檢查設置折返的區域是否具備設置條件，折返后運行模式是否定義正確，以及區域的長度是否滿足停放一列或多列車。存車出車信息定義線路上可以在結束運營之后用于停放車輛的位置，驗證需要根據平面圖檢查存車出車作業的設置位置是否合理，運行模式是否定義正確。當項目與其他線路有聯絡線時，需要將運行至其他線路的情況定義出來，驗證人員需要注意項目定義的轉線位置，轉線運行的模式是否合理。信號機列表將項目中信號機的屬性列出，包括是否配置引導功能，是否設置保護區段，是否用于后備模式等，而驗證人員也需要針對每個屬性，根據系統要求檢查信號機的屬性是否正確設置。緊急停車以及屏蔽門信息，用于線路中出現緊急事件時的防護功能，對于需要防護的區段，驗證人員需要檢查是否所有導向該區段的信號機已設置為禁止狀態，對于可能造成危險的情況及時提出。

3）后備信標變量

對于大部分項目，除了設置自動控制系統，還兼備通過信標傳遞變量的點式后備控制系統。信標用于傳遞前方進路的信號機道岔狀態，以提供列車運行的依據。對于這類項目，設計人員需要對信標傳遞的信息逐一列出，而驗證人員需要根據線路站型，進路情況綜合檢查，是否有遺漏的信號機道岔狀態，是否超過信標的容量，是否符合冗余要求。

綜上，根據列出的部分驗證內容，可以看出設計驗證檢查的范圍廣、檢查的內容全、檢查的著手點細致，同時會結合各個文檔對項目的整體情況做判斷。經過驗證環節的檢查，能夠發現大部分項目不符合系統要求以及項目要求的問題，規避了在設計階段專注于功能實現而忽略的系統要求問題。

3 設計驗證實踐

以列車運行規則中折返區段的檢查為例，如表1所示，說明驗證在項目中如何進行檢查。

表1 列車運行規則中折返表格Tab.1 Table of the turn-back section in compliance with rules of train operation

區段T4107 定義為折返區段，如圖2 所示，該折返區段的邊界為兩側的計軸。首先，驗證人員需要檢查列車運行規則中折返區段的定義是否為區段T4107，即區段名稱是否與平面圖中一致。其次，驗證人員需要檢查折返區段所位于的軌道名稱是否正確，即檢查表格中列出的軌道與平面圖中的區段是否一致。再次，驗證人員需要保證區段設置為折返區域可以正常停放一列車，同時列車在調頭后能夠正常觀察到信號機的狀態，即停車點與信號機S4110 之間的距離需要大于一列車的長度，根據平面圖獲取兩點坐標差值（145.7 m），并與車長比較（140.4 m），滿足能正確停放一輛車的要求。

圖2 折返區段平面Fig.2 Layout of the turn-back section

基于以上幾點，驗證對區段T4107 上的折返，檢查結論為OK，項目設置正確無問題。

4 結束語

通過對設計驗證的必要性分析、對驗證檢查內容的說明，結合在項目中的實際應用，可以看出設計驗證在客觀獨立性、多角度性、全面性上彌補了系統設計可能存在的缺陷。在提高項目質量，節約項目成本，縮短項目工期上有著不可替代的作用。因此，設計驗證對于整個項目實施流程是一個必不可少的環節。