城市轨道交通CBTC系统测试综述

1 概述

目前，城市的交通需求剧增，城市轨道交通系统已达到或超过其运力极限。解决这些问题的关键在于引入基于通信的列车控制系统（CBTC）。CBTC系统是一个复杂的系统，具有许多与客户项目相关的可配置功能。制造商在CBTC系统测试和投入使用方面的经验可确保该系统更加安全，功能更加完善。

通常，在CBTC系统测试项目中，制造商所采用的测试策略是将现场测试控制在所需的最小范围内。然而，现场测试也是必不可少的，其原因如下。

（1）运营商希望根据自己的特点和需求对CBTC系统进行改动和调整，尤其是需要将CBTC系统集成到既有车辆中时，对于其功能和可靠性的验证在制造商的厂房中难以实现。

（2）有的功能只有在现场测试中才能看到显著效果，如列车定位和无线数据传输功能。此外，CBTC系统作为基于无线电通信的系统，只有通过列车试运行才能确认无线电是否具有足够的覆盖范围。

CBTC系统相关的改造与测试必须以对乘客运输的影响最小化为前提。因此，其现场测试一般都在列车停止运营的晚间进行，可利用的时间较短，从而增加了测试项目的复杂性。这就必然要求对测试内容和流程进行优化。参与各方共同协商并制定一致认可的测试计划，对于项目的成功至关重要。测试计划工作应包括以下内容：

（1）制订全面详细的测试和投入使用计划，其中应详细描述需构建的系统及其接口，并对相关测试进行明确规定;

（2）对制造商的测试内容和流程进行协商，必要时需运营商确认;

（3）协调测试时间表，从而使测试所需时间符合整个项目的总体时间规划要求;

（4）与运营商协商，使其提供所需的设施（特别是车辆）和人员（如安全监督员、安保人员等）;

（5）对测试过程和结果进行记录和存储，并密切跟踪测试中出现的偏差。

本文将介绍制造商在CBTC系统从装配到投入使用过程中所进行的各种测试。

2 工厂测试

为尽可能减少现场测试，制造商需要在其测试中心对CBTC系统进行多项测试，以识别软件中可能存在的漏洞和缺陷，并证明该系统的各项功能满足项目合同要求。为此，测试人员需将CBTC系统嵌入到仿真环境中。具体测试内容如下。

（1）CBTC系统内部接口测试，即测试列车自动监控系统（ATS）与车辆设备、ATS系统与线路设备，以及线路设备与车辆设备之间的通信。测试应在真实或模拟硬件上进行。

（2）CBTC系统功能测试，即根据项目合同对CBTC系统功能的要求，对相应的每种功能进行测试。

（3）外部接口最大覆盖率测试。必须对线路设备与集中联锁装置之间的所有接口进行全面测试。此外，还要测试ATS系统接口。接口仿真系统需要制造商自行设置或者由外围设备的制造商提供。

（4）故障注入测试。在测试中心可以进行现场无法执行的故障注入测试。例如，在无线信道中交换或伪造消息，以证明通信协议安全机制的有效性。

（5）故障模拟。测试人员若在现场发现漏洞或故障，应向测试中心报告。测试中心的测试人员会在开发人员的帮助下对漏洞和故障进行模拟和分析。这些漏洞和故障将在软件中得以修补。

3 车辆测试

将CBTC车辆设备集成在运營商的车辆中是实现CBTC功能的重要环节。为此，制造商需要在车辆上进行以下测试。

（1）车辆性能测试。车辆性能测试是应该首先开展的测试项目，旨在获取有关车辆性能（尤其是行驶动力学性能）的信息和数据。例如，为实现列车自动运行（ATO）功能，必须测量列车的强制制动延迟时间、在直线上的最大加速度等。制造商会根据运营商的不同需求将这些信息运用于具体的车载软件配置中。

（2）机械和电气测试。对于新生产的样车，应进行内置部件的机械集成测试，并测试车辆上的电气连接及其与其他电子设备的接口（图1）。通常，对于样车的机械和电气测试会持续数周。

（3）车辆静态和动态调试。车辆的静态和动态调试旨在检查车辆设备是否安装正确，功能是否正常。对于每一辆车都必须进行这项测试。例如，为检测距离和速度传感器的测量功能，必须进行车辆短距离运行测试。

4 测试线路

测试线路上应安装所有与列车运营相关的线路设施和设备元件。为验证CBTC系统的安全保护功能，还应在测试线路上安装CBTC线路设备和相应的无线电装置。在测试线路上可进行以下测试。

（1）车辆设备测试，用于验证车辆设备与列车控制系统之间接口的功能是否正常。

（2）CBTC系统功能测试。

（3）车辆静态和动态调试，即测试每辆车上安装的CBTC车辆设备功能是否正常。

（4）回归测试，即在试验线路上验证，针对漏洞与故障所进行的软件修补是否具有合理性和有效性。这也适用于列车载客运营后的软件修补与改动。

5 现场测试

现场测试需要按照图2中的流程进行。

5.1 符合试验

在进行功能测试前，必须对各设备是否正确安装进行测试。测试人员除检查电缆和接地线是否正确敷设外，还应检查外部设备元件在CBTC线路设备软件和ATS系统软件中是否有正确的逻辑对应关系。该测试的完成标志着系统从安装阶段进入测试阶段。

5.2 集成测试

集成测试是指测试制造商所提供的CBTC系统各个子系统的交互情况，以及运营商系统环境中CBTC系统外部接口的交互情况（图3）。例如，测试CBTC系统与乘客信息系统（PIS）、楼宇自动化系统、牵引供电系统，以及其他信令系统的接口。

5.3 数据通信系统测试

数据通信系统测试是现场测试的重要组成部分，旨在测试线路沿线的光纤电缆和网络元件。测试人员会通过网络监控系统（NMS）收集有关网络配置、数据传输速率和延迟时间的数据;并在此基础上，检测线路沿线的无线电覆盖范围，此检测需要使用装配CBTC车辆设备、可测量无线电信号场强的车辆。测试中，测试人员通过无线信道连续发送数据分组，以监视分组丢失率。此外，测试人员还要测试每列车两端的2台冗余设备，测试需要在最不利工况（如远离接入点AP或信号传输被中间车辆遮蔽）下进行。无线电链路测试对于进行下一步测试至关重要。如果无线电覆盖范围不足，则无法进行功能测试（如列车定位等）。

5.4 定位功能测试

定位功能测试是现场测试的另一重要环节，主要测试列车能否以足够的精度确定其位置。定位功能测试的前提是：CBTC线路设备中包含有关道岔位置的信息，并且在线路设备和车辆设备之间存在无线电链路。数据通信系统测试与定位功能测试是CBTC系统正常运行的基础。这2种测试必须在线路的双方向上进行。

5.5 ATP 系统功能测试

在进行系统集成测试、数据通信系统测试和定位功能测试之后，应开展ATP系统功能测试。通常是重复工厂测试的内容。首先，应测试列车运行跟踪系统功能;然后，测试特定的保护功能，例如防止列车违反信号灯指示行驶（越过红灯）的功能。

5.6 ATO 功能测试

此测试旨在验证列车根据现行速度规定进行自动运行控制的能力。测试中，列车将以静态速度曲线中的各种速度运行，并进行速度转换，从而证明列车运行符合现行的速度规定。此外，测试人员还要测试列车在车站区域的停车精度。这些测试都必须在线路的双方向上进行。

5.7 ATS 系统功能测试

ATS系统的大部分功能测试都可在制造商的测试中心完成，但有少量的复杂功能需要进行现场测试，如列车运行跟踪系统与行车时刻表管理系统之间的交互，以及冲突检测和解决功能。

5.8 现场验收测试（SAT）

运营商可全程参与测试活动，也可仅对测试结果进行确认。通常，在SAT中，测试人员需要对项目合同中所涉及的所有内容进行测试。然而，为保证按规定日期将CBTC系统投入使用，测试人员可能首先测试特定的功能;而对于某些复杂功能（如控制系统功能），则在与运营商协商后推迟补做。

5.9 运行测试

运行测试是针对改造项目的测试。测试中，由原有的列车运行控制系统负责保障列车安全;新列車运行控制系统（即CBTC系统）同时运行，并接收所有相关的控制参数，但若其检测到有偏差，也不会干预控制过程。这个过程会持续数月。然后，进行不载客的常规运行测试，测试中由CBTC系统进行列车运行控制。如果测试成功，则可载客运行。

5.10 可靠性测试

此测试旨在验证CBTC系统能否满足合同中规定的性能参数要求（即可靠性、可用性、可维护性、安全性、信息安全性，RAMSS）。为此，应在制造商与运营商签署合同时确定测试的具体方式，包括相关参数（如平均故障间隔里程MTBF）、测试周期、测试方法的统计边界条件（如具有特定置信区间的卡方检验）。若测试结果不符合可靠性参数的规定，则制造商可能会遭受违约处罚。

6 结语

目前，全球许多运营商都在自有列车中引入了CBTC系统，以实现提高运输能力和安全运营的目标。CBTC系统测试是一项复杂的工作，虽然大部分测试可在制造商的测试中心完成，但是在现场进行各种功能测试也必不可少;而且某些错误在系统投入使用后才会暴露出来。因此，制造商和运营商需要协同合作，共同解决CBTC系统的故障和不兼容问题，使该系统不断完善。

参考文献

[1]Lars Schnieder. Erfolgsfaktoren für Test und Inbetriebnahme von Communications-Based Train Control（CBTC）[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2020（1+2）：24-27.

苏靖棋 编译

收稿日期 2020-05-23