歐洲鐵路EULYNX信號系統數據模型研究

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，操作規程缺乏規范，存在不同國家間鐵路信號系統制式不兼容問題。為實現歐洲列車跨國運營和鐵路互聯互通，歐洲鐵路運輸管理系統（ERTMS，European Railway Transportation Management System）牽頭完成了ETCS 技術規范的編制及列控系統的研發[1～2]。目前，歐洲鐵路初步實現了新建線路列控系統的互聯互通，但既有線信號系統類型繁多，不同廠商設備接口不統一，信號設備互不兼容，使得信號系統（包括列控系統）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起組建歐洲鐵路信號系統接口及設備標準化組織—歐洲鐵路信號聯盟（EULYNX，European Imitative to Linking Interlocking Systems）。EULYNX 致力于歐洲鐵路信號系統設計與運營管理的數字化和標準化，以加快下一代數字化信號系統的研究。2014年，EULYNX 啟動了歐洲鐵路信號系統接口標準化及數字化研究，于2017年完成基線3（Baseline 3）的相關工作，并于2021年12月發布歐洲鐵路數據模型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接口的標椎化內容，為歐洲鐵路信號系統升級改造奠定了良好的數字化基礎。

近年來，國內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。目前國內雖已制定了新建鐵路信號系統設備互聯互通的技術要求，但對同一信號子系統不同廠家設備（或設備內部模塊）的兼容性及接口規范尚無具體規定，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驗，開展國內鐵路信號系統接口標準化工作，實現不同廠商信號系統的接口統一與設備兼容，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 鐵路數據模型中信號系統構成

EULYNX 鐵路數據模型中信號系統的核心子系統包括：聯鎖及列控（Electronic Interlocking）、列車監測（Train Detection）、信號機（Light Signal）、道岔轉轍機（Point）、運維和數據管理（Maintenance and Data Management）子系統以及通用系統接口（Generic IO）[3]，如圖1所示。

圖1 EULYNX 鐵路數據模型中信號系統構成

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

2 EULYNX 數據準備流程

數據準備是EULYNX 鐵路信號數字化的核心內容，數據準備流程如圖2所示，主要包括數據需求定義和UML 建模2 個階段。

圖2 EULYNX 數據準備流程示意圖

（1）數據需求定義階段：數據需求定義是UML 建模的基礎；在數據需求定義階段，首先由鐵路信號領域專家根據業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：主要是基于數據需求，采用UML 形式化建模的方式，將鐵路信號業務交換需求和流程表達出來，形成EULYNX 數據準備模型（EULYNX Data Preparation）；該模型可以通過Enterprise Architect（EA）軟件生成便于網頁瀏覽的HTML 格式文件，也可通過轉換工具抽取可擴展標記語言模式（XSD，XML Schema Definition），用于XML 數據校核；還可通過轉換工具自動生成C#等面向對象語言代碼，便于后續軟件實現等。

3 數據需求定義

數據需求定義主要包括通用領域（Generic domain）和信號領域（Signalling domain）2 部分，其內容和結構如圖3所示。

圖3 EULYNX 數據需求內容和組織結構

其中，通用領域是指具有通用性的基礎數據，包括地理信息、項目信息、數據容器、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或設備數據，包括資產（設備）、自動進路設置、線纜、ETCS 等，對應有11 個工作包；EULYNX 數據需求還納入了國際鐵路聯盟（UIC，International Union of Railways）以及工業基礎類（IFC，Industry Foundation Classes）標準的相關內容。

對各個工作包進行分解，可得到滿足業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所示為數據需求定義中關于信號機的部分描述。

表1 信號機數據需求定義（部分）

4 UML 建模

數據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，且由于數據需求表本身非結構化的特點，導致所定義的數據需求不夠形式化，數據結構存在歧義。

為解決這些問題，EULYNX 數據模型采用UML 類圖描述各個類以及類與類之間的關系，將語義層面的數據需求轉換為UML 概念模型。與非結構化的數據需求描述相比，UML 概念模型具有以下優點：（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據；（5）可方便地轉換為HTML 等格式，便于用戶在網頁上瀏覽數據模型。

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

EULYNX 數據模型采用UML 類圖進行概念模型的形式化建模，對數據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、GUID 等。

（2）（屬性（Property/Attribute）

通過對UML 類附加屬性，可以將屬性信息內嵌入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據類型、可見性、初始值、別名等。其中，“數據類型”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、組合、依賴等。在UML 模型中最常用的是繼承、聚合、關聯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；關聯關系是指一個對象和另一個對象之間的聯系，例如道岔轉轍設備與道岔之間的安裝位置聯系；這3 種關系的強弱順序為：繼承＞聚合＞關聯。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進行概念建模，建模內容基于數據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先級排序，建模時再根據優先級順序依次對各個工作包進行建模[8]，最終以UML 類圖將鐵路信號業務數據交換需求和流程表達出來。

在最新發布的EULYNX 數據模型1.0 版中，定義了信號子系統和設備的UML 模型，并描述了各個類、屬性以及類之間的關系。

5 EULYNX 數據模型的應用

典型的EULYNX 數據模型應用流程圖如圖5所示。

圖5 EULYNX 數據模型的應用流程示意

（1）基礎設施項目管理方（Infrastructure Manager）基于EULYNX 數據模型，將自身需求的功能與接口信息統一轉換為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EULYNX 格式文件中的相關設備和接口標準，生產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 格式的配置數據集中抽取所需的數據，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 模型內的定義和關系。

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

圖6 基于XML 格式的數據交換過程示意

通過規范化的基于XML 格式的數據交換，使得項目規劃階段產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劃階段的管理信息系統中。例如，各階段的工程量和預算信息在執行BIM 項目時，可以實時返回到工程預算信息系統中；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接口不統一、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數據模型。該模型對信號系統各核心子系統之間、以及核心子系統與外圍系統或設備之間的接口進行標準化，旨在使信號子系統或設備的更新對整個系統的影響最小化，以節省既有線改造的成本和時間。本文較為全面地介紹EULYNX 信號系統數據模型，簡述模型中信號系統的構成和數據準備流程，詳細說明數據需求定義過程、UML 建模過程以及EULYNX 數據模型的應用流程。

與非結構化的數據需求描述相比，EULYNX 數據模型將語義層面的數據需求轉換為高度形式化的UML 概念模型，既便于用戶在網頁上瀏覽數據模型，也可使用軟件工具靈活地提取和處理模型中的數據，還支持由工具直接生成高級語言代碼。EULYNX 數據模型具有可視化、規范化的特點，易于被鐵路信號專業人員和BIM 軟件開發人員理解，使得信號系統改造工程的相關方能夠基于同一個數據模型開展合作，有利于保證需求與實現的一致性；此外，該數據模型也便于實現信號系統全生命周期內無縫信息交換，使得項目規劃階段產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劃階段的管理信息系統中。

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