高速铁路信号系统联调联试技术发展新思路

2021-08-13禹志阳陈晓明霍黎明

铁路技术创新 2021年3期

禹志阳，陈晓明，霍黎明

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；2.大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁大连 116024）

0 引言

高速铁路信号系统是一个庞大的分布式交互系统，设备与接口众多，系统功能需求复杂，安全要求苛刻。联调联试是在信号系统集成测试完成后，采用综合检测车或测试动车组，在动态条件下对系统的功能及接口关系进行测试、调整和优化的过程，是信号系统开通运营前的最后一个测试验证环节，意义非常重大。

在充分结合我国铁路建设和运营管理特点的基础上，历经10余年的大规模高速铁路建设，我国高速铁路信号系统联调联试技术体系已初步建成，包括标准体系、测试案例库、测试流程和方法等。截至2020年底，已累计完成了超过3.8万km新建高速铁路信号系统的联调联试工作，联调联试过程中发现并解决了因工程质量导致的诸多问题，也暴露出了我国列控系统在功能需求、系统接口及互联互通等方面的不足，通过及时整治或优化，为我国列控系统的不断完善、高速铁路的安全可靠运营提供了有力支持。

1 联调联试技术现状

信号系统联调联试定位于系统测试和动态检测，是基于动态、大系统和真实场景条件下的功能测试。作为信号系统全生命周期中的一个阶段，联调联试与信号系统单元测试、安装调试、集成测试等有机结合，各有侧重又互为支撑，并具有以下特点。

1.1 “实车实景”测试

信号系统联调联试采用运营单位在用的动车组进行测试，最真实地反映了新开通线路对车载设备的适应性。试验过程中车载设备严格按线路允许速度等地面信息自动生成目标距离速度曲线监控列车运行，地面信号设备全部为真实设备，列控工程数据配置均为拟开通的数据版本；测试场景除了现场运营过程中最基本或使用频率最高的场景，还包括系统运用过程中一些常见的故障场景，最大程度地贴近实车实景测试要求。

1.2 完善的测试案例库

信号系统联调联试是对系统功能的测试，按照国际通用做法，2009年原铁道部制定颁布了《客运专线CTCS-3级测试案例》，将系统功能需求按最小单元划分为470个测试案例；2020年在此基础上进行了补充完善，测试案例达到了1 055个；信号系统联调联试以颁布的测试案例为基础，按照测地面设备、现场可实施等原则进行选取。

1.3 统型与兼容性测试

实现不同厂家、不同型号信号设备的统型是技术发展的目标，但由于不同厂家对规范理解存在偏差以及设计理念、设备构造型式的不同，实现完全统型需要一个长期的过程；信号系统联调联试过程中安排了多种型号车载设备的兼容性测试，并针对不同厂家、不同型号设备的差异设计相应的场景。

1.4 大系统级的功能测试

联调联试侧重于对系统的测试，信号系统联调联试通过功能和场景测试，不但验证信号系统内部的各项功能，同时验证信号系统与牵引供电、站场、通信、防灾、运输调度等多个专业接口关系、数据配置以及整体设计的匹配性和一致性。

2 联调联试技术难点分析

虽然信号系统联调联试成效显著，但随着我国高速铁路规模日渐增大，新建线引入枢纽改造越来越复杂，其存在的不足和弊端愈来愈凸显，主要难点表现在以下几个方面。

2.1 测试广度与有限测试的矛盾

高速铁路信号系统具有很高的集成度，功能需求和数据应用复杂，再综合考虑不同设备型号之间的差异性，以及各种测试案例的组合条件，测试量巨大。按照传统的黑盒测试方法，尽可能穷尽所有的输入输出是不可实现的；对于引入运营线的现场测试，还要受运输天窗点时间的限制，如何通过有限的现场测试，达到测试广度的要求，确保信号系统的安全可靠运行成为联调联试面临的最主要难点。

2.2 测试深度与条件局限的矛盾

近年来的联调联试经验表明，信号系统故障往往发生在多种条件叠加的情况下，这就对信号系统联调联试的质量以及测试深度提出了要求。测试场景的设计应结合测试案例的发生概率、发生频次及组合关系，而由于现场条件的局限，相关的时机、时序和案例组合很难实现。因此，在信号系统安全功能需求越来越复杂的背景下，如何利用相关辅助测试技术，提升测试深度是下一步测试技术发展必须考虑的问题。

2.3 认知水平与高安全性的矛盾

我国信号系统尚处于不断发展和完善过程中，系统功能需求在不断完善，安全逻辑也在不断增强。由于信号系统的高安全性，联调联试人员对系统的安全架构、安全处理逻辑以及应用经验方面的认知非常重要，尤其是在场景设计方面，认知水平的深入需要一个长期过程。

2.4 测试手段与海量数据的矛盾

列控工程数据是列控系统正常工作的基础，其准确性和正确性至关重要，且数据量十分庞大；联调联试测试方案编制过程中运用的测试案例非常多，联调联试过程中车载、联锁、列控、调度集中、集中监测等设备实时产生的监测记录数据更是海量。目前，现场测试数据分析主要依靠人工手段，分析深度难以满足高质量的测试要求。

3 联调联试技术发展新思路

目前的联调联试方法，主要基于传统黑盒测试理论，强调输入和输出，现场测试以联锁进路表为主要依据，对其中的列车进路进行逐一测试，并结合进路条件设置若干个案例。此时，列车进路、地面信号、线路速度、轨道区段状态等作为信号系统的输入，车载设备的反应作为系统的输出，由于各种输入之间的组合结果无穷多，且难以精确区分各种组合关系的权重和发生概率，测试缺乏针对性，现场测试工作量庞大但效果却不太理想。也就是说，由于现场测试条件的不足，完全按照黑盒测试理论，现存弊端永远无法消除，在联调联试过程中，适度引进基于模型的测试方法、充分运用大数据和云平台等新技术突出针对性十分必要。

3.1 基于模型与形式化验证的测试技术

基于模型的测试是针对被测系统进行模型提取，并基于该模型自动生成测试用例以及运用于系统测试的过程。模型即被测系统的行为预期，将测试结果与预期结果进行对比，来判断系统需求的一致性[1]。测试过程及测试结果的对比通过可进行交互的测试平台自动实现，该方法能够增强测试平台的重用性和互操作性，具有更加完备、自动化率更高的优点，在目前的高铁列控系统测试中备受关注[2-3]。例如，佛罗伦萨大学通过使用数学模型与动力学方程模拟应用场景，模拟了现场很难设置的特殊故障环境。

基于模型的测试通常使用形式化验证方法，形式化验证是针对模型用数学语言来设定断言，并寻找反例来证明断言正确或者错误的测试方法。近10年来，形式化方法逐渐被引入高铁列控系统的验证与测试工作中。例如，使用基于有色Petri网、时间自动机、UML、EVENT-B和Prover等建模方法和建模语言，对列控系统、计算机联锁、ATP以及安全通信系统等进行分析验证。建立模型的过程，是黑盒变白盒的过程，针对特定模型的特定功能，可以实现全覆盖测试。

3.2 基于仿真平台的测试技术

基于仿真平台的测试技术采用仿真模拟设备与真实设备相结合的方式，以功能测试为重点，测试和验证系统的基本功能。测试环境包括被测实物设备、仿真支撑平台、仿真测试接口及人机界面等，通过计算机模拟线路、列车运行等条件，测试和验证无线闭塞中心（RBC）、列控中心（TCC）等地面设备，发现数据配置、软件设计等方面的缺陷。该技术可以缩短现场试验周期，提高试验效率[4]。

欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）的UNISIG工作组最早搭建了分布式交互仿真测试系统，利用场景发生器产生仿真场景和测试序列，通过这些仿真场景和测试序列加载各仿真测试节点、控制仿真测试过程并进行实时监控。阿尔斯通、西门子、安萨尔多等欧洲信号厂商跟随ERTMS共同发布了适用于ETCS-2车载设备的测试案例、测试序列、测试规范等相关技术文档，并建立了适用于ETCS-2级车载设备的第三方仿真测试平台与辅助工具，逐渐确立了行业标准。

虽然我国针对CTCS-2、CTCS-3级列控系统以及列控中心、车载、计算机联锁等设备开展了仿真测试工作，但对于设备互联，主要关注各系统间正确交互以及传递信息的能力，缺乏全面的、综合性的联调联试仿真测试平台。因此，结合仿真工具、脚本语言以及虚拟环境搭建的仿真平台可作为重要的联调联试补充手段。

3.3 基于云平台的远程测试技术

云平台可最大程度地利用硬件平台资源，整合多个操作系统，并根据需求进行重新分割独立运行，可构建资源集中、共享和远程互相调用的新服务器模式[5]。对于传统联调联试工作中无法进行资源整合、高效管理和快速部署等问题，云平台测试技术有望提出新的解决方案。

云平台的关键技术是资源虚拟化，可将多台物理服务器的计算、存储、网络进行聚合管理，构建高铁仿真测试私有云[6]，再使用虚拟化软件的方法将其分割为多个虚拟云服务器，为联调联试中的TCC仿真、RBC仿真、CBI仿真、TSRS仿真和线路仿真等提供独立的测试环境并可进行分布式管理。

基于云的远程测试及分析系统主要由3部分组成：信号采集端、云服务器和远程客户端[7]。信号采集端负责将真实设备与测试仪器连接并进行数据实时采集、数据存储和定期将收集数据推送到云服务器，然后调用独立运行的虚拟机进行仿真测试。远程客户端可进行用户界面管理，根据不同的测试需求进行相应的网络配置、测试环境配置、仿真文件管理等，实现自动化处理。在基于软硬件的联调联试中引入云技术，利用并行自动测试系统，通过组件进行测试任务分发并创建一个内部数据库，生成和存储大量随机测试用例，这样可根据实际需求动态调整硬件和软件资源[8]。

3.4 基于大数据的融合辅助分析技术

大数据融合辅助分析技术利用统计、分析、深度挖掘和人工智能等手段实现对高铁固定设施、移动装备、内外部环境信息及相关测试数据的全面感知、融合分析和智能诊断[9]。大数据融合分析技术可以实现联调联试中多源异构数据标准化、资源总体架构、数据资源分布及全生命周期的数据管理[10]，实现各种监测、检测以及维护数据的系统性整合，实现集中实时监控以及故障自动定位功能，为联调联试场景设计、故障分析等提供数据支持[11]。

基于海量历史数据和多源数据的高铁联调联试大数据平台主要由数据管理、数据服务、数据分析等平台构成。一般采取由数据仓库、MPP和Hadoop构成的复合架构技术，主要负责数据加工与分析、长周期历史数据存储与深度分析以及非结构化数据存储、批处理与探索挖掘分析[12]，从而满足联调联试中的数据分析需求。该技术需要实现HDFS、HBase、Redis和MySQL等数据库在存储框架中的融合，并通过无损数据压缩与快速数据还原来提高数据利用效率[13]。

4 新技术应用解决方案

按照中国国家铁路集团有限公司对联调联试的新要求，中国铁道科学研究院集团有限公司基于云平台架构、仿真测试技术以及形式化测试理论的仿真测试平台建设已初具规模，并结合京张、徐连等高铁项目进行了演练测试，各项功能得到了很好的验证。

4.1 平台总体架构设计

仿真测试平台由车载设备、地面设备、无线通信设备和仿真系统4部分组成（见图1）。其中，仿真系统是整个仿真测试平台的核心，由线路仿真子系统、车载设备接口仿真子系统、地面设备接口仿真子系统、综合测试子系统组成。线路仿真子系统用于实现列车在仿真平台线路条件下的模拟运行；车载设备接口仿真子系统和地面设备接口仿真子系统用于提供车载和地面设备与仿真测试平台间的接口，为车载设备和地面设备在仿真环境下的运行提供必要条件，并实时监控和采集车载和地面设备的运行状态；综合测试子系统用于实现测试人员与仿真平台的人机交互、数据配置、测试管理和自动测试等，全部仿真环境基于云平台架构进行开发。

图1 仿真测试平台总体架构

4.2 云平台技术架构设计

虚拟化云平台为运行在虚拟机上的软件如线路仿真系统、接口仿真软件、工程化仿真器、数据库等提供基础运行环境。

虚拟化云平台采用超融合架构虚拟化平台，将多台物理服务器的计算、网络和存储进行聚合管理，可以横向/纵向扩展，形成统一的资源池，具有高安全性、高灵活性和高可扩展性的特点。平台通过资源池为各测试环境分配使用的虚拟机，其平台架构见图2。

图2 虚拟化云平台架构

4.3 系统功能实现

系统采用半实物半仿真的形式，模拟现场实际线路环境，可实现对列控系统功能、列控数据和接口的动态仿真测试。为适应工程测试的需要，仿真平台开发了测试环境快速切换、数据快速配置以及基于场景的自动测试等功能，利用虚拟云服务器平台，建立了测试案例库和场景库，可实现基于模型的案例自动测试。并开发了测试流程全覆盖的管理系统，实现对测试需求、测试案例、测试场景、测试记录等配置项的全过程管理和问题追踪。

通过配置京张、徐连等项目实际数据进行验证，系统各项基本功能达到设计预期，基于大数据融合分析技术、云平台架构、仿真测试技术以及形式化验证的仿真测试系统初具雏形，与现场联调联试相比，测试手段更加丰富，测试效率大大提升，测试覆盖度得到有效提高。