城市軌道交通CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試方法*

王大慶

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試方法*

王大慶

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)是一個安全苛求系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)的可靠性和安全性，直接影響到城市軌道交通運(yùn)營效率和行車安全。研究了在試驗(yàn)室條件下CBTC系統(tǒng)功能驗(yàn)收測試方法。簡要介紹了CBTC系統(tǒng)的組成和各子系統(tǒng)功能，重點(diǎn)闡述了測試案例的設(shè)計原則和方法、實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺的構(gòu)成以及故障-安全功能測試方法。該方法和工具已在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。

城市軌道交通；基于通信的列車運(yùn)行控制；驗(yàn)收測試；測試案例；故障注入

Author＇s address Technique Center of Shanghai Shentong Metro Group Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，簡為CBTC）系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能及系統(tǒng)的可靠性和安全性，直接影響到城市軌道交通運(yùn)營效率和行車安全。信號系統(tǒng)一旦失效，將帶來嚴(yán)重的后果，甚至是災(zāi)難性的損失［1］。

作為一個安全苛求系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)對設(shè)備的質(zhì)量要求非常高。若要保證信號系統(tǒng)設(shè)備的功能完備性、可靠性和安全性，就必須對CBTC系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。系統(tǒng)測試是進(jìn)行系統(tǒng)確認(rèn)、保證系統(tǒng)質(zhì)量的重要手段之一，亦是推進(jìn)CBTC系統(tǒng)工程實(shí)用化，提高運(yùn)營商對系統(tǒng)安全信心的一個重要環(huán)節(jié)。CBTC系統(tǒng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)、功能及運(yùn)營場景非常復(fù)雜，對信號設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)確認(rèn)是國際上公認(rèn)的技術(shù)難點(diǎn)。國內(nèi)尚不具備對CBTC系統(tǒng)進(jìn)行全面測試的手段，特別是第三方的安全性測試和評估。一方面，我國CBTC系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范也在不斷修訂和完善中，相應(yīng)的系統(tǒng)驗(yàn)收測試方法和評估技術(shù)均有許多待研究和改進(jìn)的地方；另一方面，無論是自主知識產(chǎn)權(quán)的CBTC系統(tǒng)研發(fā)，還是對引進(jìn)的國外CBTC系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)收，都無法實(shí)現(xiàn)不同線路環(huán)境下、不同運(yùn)營場景下完備的設(shè)備級、系統(tǒng)級及線路級的功能性測試和安全性測試［2］。

本文主要研究了面向系統(tǒng)級的CBTC系統(tǒng)功能驗(yàn)收測試方法和技術(shù)，探討了CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試需求和內(nèi)容、測試案例的設(shè)計原則以及測試序列生成的方法，給出了實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺的功能和結(jié)構(gòu)以及故障-安全功能測試方法，最后將該方法應(yīng)用到真實(shí)CBTC系統(tǒng)的驗(yàn)收測試當(dāng)中。

1　CBTC系統(tǒng)概述

1.1CBTC系統(tǒng)組成

近年來，城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的主要供應(yīng)商包括阿爾斯通、西門子、龐巴迪和泰雷茲等公司。不同的供應(yīng)商提供的解決方案從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到設(shè)計方法都存在差異，但大多數(shù)方案都為如圖1所示的三層系統(tǒng)構(gòu)成［3］。

圖1　CBTC系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，CBTC系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)、軌旁設(shè)備及車載運(yùn)行控制系統(tǒng)三部分。其中，ATS系統(tǒng)分為中央ATS系統(tǒng)和車站ATS系統(tǒng)；軌旁設(shè)備包括區(qū)域控制器（ZC）、計算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、應(yīng)答器、無線接入點(diǎn)、信號機(jī)、道岔、站臺屏蔽門等地面設(shè)備；車載運(yùn)行控制系統(tǒng)包括1個車載控制器（VOBC），2個移動無線設(shè)備和2個司機(jī)顯示器（TOD），以及速度傳感器、加速度計、應(yīng)答查詢器及其天線等外圍設(shè)備。

1.2各部分功能

ATS系統(tǒng)負(fù)責(zé)對全線的列車和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督和控制，重點(diǎn)監(jiān)督列車運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備工作狀態(tài)等；其控制功能主要是使列車按時刻表運(yùn)行，對列車偏離時刻表的情況做出調(diào)整并記錄列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，以備日后查詢。

ZC是CBTC系統(tǒng)的地面核心設(shè)備，與ATS子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)及車載子系統(tǒng)相互協(xié)作，為在ZC管轄范圍內(nèi)的列車計算并發(fā)送移動授權(quán)（MA），保證列車在ZC管轄范圍內(nèi)安全運(yùn)行。ZC的主要功能包括列車管理、MA計算、ZC切換、進(jìn)路辦理等。

CBI負(fù)責(zé)處理進(jìn)路內(nèi)的道岔、信號機(jī)、軌道區(qū)段之間安全聯(lián)鎖關(guān)系。在正常的工作情況下，所有的進(jìn)路請求都由中央ATS自動發(fā)出。CBI根據(jù)接收到的中央ATS進(jìn)路請求來控制道岔和進(jìn)路。CBI通過控制進(jìn)路的辦理將軌道預(yù)留給經(jīng)過的列車單獨(dú)占用，以保障列車的運(yùn)行安全。

VOBC是實(shí)際的控車設(shè)備，負(fù)責(zé)所有與信號安全有關(guān)的操作，包括列車自動防護(hù)（ATp），列車自動駕駛（ATO），連接車輛接口、軌旁設(shè)備的接口（如線路控制器LC、ZC等）和與其他車載信號設(shè)備接口（如編碼里程計、信標(biāo)天線等）。其中，ATp系統(tǒng)的功能是對列車運(yùn)行進(jìn)行超速防護(hù)，對與安全有關(guān)的設(shè)備實(shí)行監(jiān)控，檢測列車位置，保證列車間的安全間隔及列車在安全速度下運(yùn)行，同時完成信號顯示、故障報警、降級提示，輸入列車參數(shù)和線路參數(shù)，與ATS、ATO及車輛系統(tǒng)接口連接并進(jìn)行信息交換。

1.3CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試

CBTC系統(tǒng)是一種功能復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，對其進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)收測試是系統(tǒng)投入運(yùn)營前的必備環(huán)節(jié)。對CBTC系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)收測試的目的在于驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS），屬于黑盒測試范疇，即基于外部接口進(jìn)行的功能測試。然而，系統(tǒng)的許多功能測試，尤其是與安全相關(guān)和非正常情況下的系統(tǒng)功能測試，無法在現(xiàn)場進(jìn)行或需花費(fèi)大量的資源投入才能進(jìn)行。因此，對系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)收測試，不僅需要大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和測試，還要結(jié)合與實(shí)際線路相符的仿真環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)室測試，才能實(shí)現(xiàn)完備的系統(tǒng)級和線路級功能測試和安全性測試。

試驗(yàn)室仿真測試系統(tǒng)不但能降低資源消耗，而且還能實(shí)現(xiàn)測試場景重現(xiàn)和實(shí)施故障注入。在完全不考慮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的情況下，通過設(shè)備外部接口進(jìn)行充分性測試，以檢查該設(shè)備的實(shí)際功能是否符合系統(tǒng)的功能需求規(guī)范，是否滿足故障或接收到錯誤指令（數(shù)據(jù)）下導(dǎo)向安全側(cè)，即“故障-安全”的安全性要求。這將成為測試和驗(yàn)證CBTC系統(tǒng)功能和安全性能的主要手段。

因此，必須研究基于試驗(yàn)室仿真的系統(tǒng)功能測試方法，針對CBTC系統(tǒng)的功能測試需求，建立仿真支撐環(huán)境以支持系統(tǒng)的完備、高效、可重復(fù)的測試。構(gòu)建CBTC試驗(yàn)室仿真測試平臺，可為系統(tǒng)的設(shè)計研究及設(shè)備集成提供驗(yàn)證平臺，為系統(tǒng)的驗(yàn)收提供測評依據(jù)。

2　CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試方案

2.1CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試需求和內(nèi)容

CBTC系統(tǒng)功能及系統(tǒng)的可靠性和安全性，直接影響到城市軌道交通運(yùn)營效率和行車安全。為了保證系統(tǒng)功能滿足SRS，必須對其進(jìn)行完備的測試。測試方案的設(shè)計和實(shí)施對驗(yàn)收測試的正確和高效起著決定性作用。

CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試重點(diǎn)內(nèi)容包括：CBTC級系統(tǒng)功能測試，后備級系統(tǒng)功能測試，系統(tǒng)接口關(guān)系測試，“故障-安全”功能測試和系統(tǒng)性能測試（見圖2）。

2.2CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試案例

測試案例是測試的靈魂。其設(shè)計和編制是系統(tǒng)驗(yàn)收測試中最重要的活動之一，是測試工作的指導(dǎo)，能夠有效保障測試的質(zhì)量，也是評價測試結(jié)果的度量準(zhǔn)則［4］。

圖2　CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試內(nèi)容

CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試的主要目的是驗(yàn)證被測系統(tǒng)是否滿足SRS。如果將SRS中的每一個需求都轉(zhuǎn)變成測試案例，則會導(dǎo)致測試案例數(shù)量繁多，增加測試費(fèi)用。因此，必須對CBTC系統(tǒng)功能實(shí)體進(jìn)行歸納和分割，提煉得到最底層的功能特征（不可分割的原子單位）；然后針對每一個功能特征，設(shè)計若干相應(yīng)的測試案例；最后根據(jù)SRS進(jìn)行測試驗(yàn)證。SRS、功能特征和測試案例之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3　SRS、功能特征和測試案例之間的關(guān)系圖

在進(jìn)行測試案例設(shè)計時，應(yīng)兼顧考慮正常和異常情況，特別是異常情況。一個完整的案例模板應(yīng)包括測試案例編號，對應(yīng)的系統(tǒng)功能特征編號，案例的初始條件，案例的操作步驟，預(yù)期結(jié)果，執(zhí)行結(jié)果判定等六個部分。

2.3CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試序列

測試序列是指將若干測試案例有序串聯(lián)起來，形成一個測試場景式的有序測試案例集。在測試過程中，無法對每一個測試案例進(jìn)行孤立的、單獨(dú)的測試。一個完整的功能包含著多個功能特征，而每一個功能都需要在多個測試案例中測試。因此，要實(shí)現(xiàn)一個完整的功能測試，必須將相關(guān)的測試案例有序地串聯(lián)起來，形成一個序列；然后，通過執(zhí)行測試序列完成測試案例的執(zhí)行和系統(tǒng)功能的驗(yàn)收。測試序列與功能特征和測試案例的關(guān)系如圖4所示。

圖4　測試序列與功能特征和測試用例的關(guān)系圖

CBTC系統(tǒng)運(yùn)行過程是通過狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)換來體現(xiàn)的。生成測試序列的關(guān)鍵在于提取系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)集（覆蓋CBTC系統(tǒng)所有可能的工作模式組合）。之后，找到起始狀態(tài)至終點(diǎn)狀態(tài)的所有路徑。每一條路徑即為一個測試序列。測試序列生成過程如圖5所示。其中，測試框架通過聚集測試子序列得到，即將測試案例串連形成測試子序列而得到一個測試框架，通過連接不同測試框架里的子序列生成主序列。

圖5　測試序列生成

3　CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試

3.1構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺

建立實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺的目的在于驗(yàn)證被測試設(shè)備在各種運(yùn)行條件下的協(xié)同工作能力。借助試驗(yàn)室測試結(jié)合真實(shí)設(shè)備和仿真模擬設(shè)備搭建與真實(shí)環(huán)境貼近的運(yùn)行環(huán)境（又稱半實(shí)物仿真環(huán)境），采用黑盒測試手段來測試和驗(yàn)證系統(tǒng)的基本功能。

實(shí)驗(yàn)室仿真測試采用真實(shí)設(shè)備和仿真模擬設(shè)備相結(jié)合的方式，以功能測試為重點(diǎn)，測試和驗(yàn)證被測系統(tǒng)與IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)的功能符合程度，對系統(tǒng)進(jìn)行全面的功能和接口測試，確保系統(tǒng)的功能和安全性能滿足SRS。參考IEEE Std 1474.1—2004中和2.1節(jié)定義的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立如圖6所示的實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺，包括人機(jī)交互模塊、子系統(tǒng)仿真模塊、被測實(shí)物設(shè)備和仿真接口適配器等［5］。

（1）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊（測試引擎管理器）是測試平臺接收測試人員干預(yù)，通過網(wǎng)絡(luò)下達(dá)測試指令給各仿真子系統(tǒng)，并接收相應(yīng)的執(zhí)行回執(zhí)和信息反饋的模塊。該模塊提供三維視景的仿真工作站、車載模擬駕駛終端、地面模擬操作終端及故障注入操作終端，可實(shí)現(xiàn)模擬駕駛、三維視景顯示、站場和區(qū)間線路平面動態(tài)顯示，可管理測試案例庫，同步執(zhí)行測試腳本，存儲與查詢采集信息，比對與判定測試結(jié)果等。

圖6　CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室仿真測試試驗(yàn)環(huán)境

（2）子系統(tǒng)的仿真模塊。仿真構(gòu)成的CBTC系統(tǒng)主要子系統(tǒng)包括：線路仿真設(shè)備、ZC仿真設(shè)備、CBI仿真設(shè)備、ATS仿真設(shè)備、車載ATp仿真設(shè)備、車輛仿真設(shè)備等。通過該模塊，仿真平臺能夠模擬實(shí)物系統(tǒng)的接口、功能和通信協(xié)議，構(gòu)建被測系統(tǒng)的仿真環(huán)境。通過接收測試引擎管理器的命令（如進(jìn)路信息、臨時限速信息等）來為車載設(shè)備提供外部的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試。

（3）被測實(shí)物設(shè)備。被測實(shí)物設(shè)備在試驗(yàn)室仿真測試試驗(yàn)中是被測試對象，在仿真運(yùn)行環(huán)境中，接收仿真測試平臺的測試指令，執(zhí)行既定功能，并將輸出結(jié)果反饋給仿真測試平臺。

（4）仿真接口適配器。仿真接口適配器是被測實(shí)物設(shè)備與仿真支撐平臺之間的軟硬件接口，用于實(shí)現(xiàn)被測實(shí)物設(shè)備的接入。按照車載ATp設(shè)備和軌旁ATp設(shè)備的真實(shí)物理接口規(guī)范和通信協(xié)議，將被測實(shí)物設(shè)備接入仿真測試平臺，完成仿真測試接口的集成。

仿真測試平臺將整個測試流程分為三個過程（見圖7）：①在測試前期進(jìn)行數(shù)據(jù)配置管理，導(dǎo)入測試案例，生成行車軌跡，初始化仿真系統(tǒng)；②測試中期因手動測試與自動測試是兩個互斥的測試模式，故對子系統(tǒng)在兩種測試模式中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與管理，更新設(shè)備狀態(tài)，存儲測試記錄，生成比對信息；③在測試后期依據(jù)測試記錄結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7　CBTC系統(tǒng)測試平臺測試流程

3.2故障-安全功能測試方法

故障-安全功能測試方法是借助故障注入技術(shù)，按照選定的故障模型，通過某種策略手動或自動地將故障引入特定的被測系統(tǒng)中，促使系統(tǒng)錯誤和失效加速發(fā)生，同時對注入故障后系統(tǒng)的反饋進(jìn)行觀測和檢查，對系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)行分析。該方法旨在通過故障注入工具將故障案例施加到被測系統(tǒng)中，以模擬故障場景的發(fā)生，并獲取故障發(fā)生時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)備安全相關(guān)功能是否滿足故障-安全原則。故障注入工具的工作原理如圖8所示［6］。

故障注入工具能根據(jù)選定的故障模型，向被測系統(tǒng)（目標(biāo)系統(tǒng)）進(jìn)行故障注入，然后采集所注入故障對被測系統(tǒng)帶來的影響信息，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存。故障注入工具一般包含故障模型庫、故障注入器和數(shù)據(jù)采集分析器等。

圖8　故障注入工具工作原理

故障模型庫是故障注入工作的導(dǎo)向，用于存儲系統(tǒng)故障模式，包括單一故障庫和多故障優(yōu)化組合庫等。故障案例可以由人工設(shè)計。故障案例庫由多條故障案例組成。

故障注入器讀取包含故障注入測試案例的配置文件，根據(jù)測試案例中的故障觸發(fā)條件，控制測試案例的執(zhí)行，通過調(diào)用相應(yīng)的故障注入接口執(zhí)行故障注入操作。

數(shù)據(jù)采集分析器對測試過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，通過獲取仿真系統(tǒng)的故障狀態(tài)參數(shù)，對測試輸出結(jié)果和預(yù)期結(jié)果的一致性進(jìn)行分析比較，進(jìn)而評價此次故障注入的充分性和合理性，最后形成完整的測試報告文件。

結(jié)合仿真測試平臺的特點(diǎn)，CBTC系統(tǒng)故障-安全功能的故障注入流程如圖9所示。

圖9　故障-安全功能的故障注入流程圖

4　仿真測試平臺應(yīng)用效果

該仿真測試平臺已與某品牌的被測CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對接。經(jīng)分析統(tǒng)計，該CBTC系統(tǒng)功能試驗(yàn)共提取功能特征點(diǎn)179個，設(shè)計并生成基礎(chǔ)測試案例602個。其中，153個案例（占25.4%）需要試驗(yàn)室仿真條件支持，18個案例（3%）需要試驗(yàn)線現(xiàn)場驗(yàn)證，其余431個案例（71.6%）在試驗(yàn)室和現(xiàn)場均可進(jìn)行測試。所提取的功能特征點(diǎn)100%覆蓋該CBTC系統(tǒng)功能需求，生成的測試案例和測試序列能覆蓋95%以上的系統(tǒng)運(yùn)營場景。該CBTC系統(tǒng)典型ATp功能測試內(nèi)容如表1所示。

表1　CBTC系統(tǒng)典型ATP功能測試內(nèi)容

本測試采用成都軌道交通1號線的線路數(shù)據(jù)來模擬各種運(yùn)行場景，執(zhí)行了按時刻表運(yùn)行、多車追蹤以及故障注入等與測試相關(guān)的活動。圖10為模擬生成的某日按時刻表運(yùn)行的運(yùn)行圖。

5　結(jié)論

本文闡述了一種CBTC系統(tǒng)驗(yàn)收測試方法，設(shè)計一套CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺，配套了100%覆蓋CBTC系統(tǒng)完整功能需求和安全性要求的基礎(chǔ)案例庫，并利用故障-安全功能的故障注入工具實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)安全性需求的測試與驗(yàn)證。實(shí)際應(yīng)用表明，將該方法應(yīng)用到自主化CBTC系統(tǒng)的研發(fā)過程中是可行且非常有效的。實(shí)驗(yàn)室仿真測試平臺將為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)提供良好的發(fā)展平臺和技術(shù)支撐。

圖10　成都軌道交通1號線CBTC系統(tǒng)模擬運(yùn)行圖

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Acceptance Testing for Urban Rail Transit CBTC System

Wang Daqing

CBTC system is a complex giant system with strict demands.Its functional reliability and safety directly affect the efficiency and safety of urban rail transit operation.In this paper，the functional acceptance testing method for CBTC in laboratory conditions is mainly studied，the constitution of the system and the function of each subsystem are briefly introduced.By focusing on the design principles and testing methods，the composition of laboratory simulation test platform and test method of“Fail-Safe”function are described.These research methods and tools have been applied to practical uses.

urban rail transit；communication based train control（CBTC）；acceptance testing；test case；fault injection

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.03.005

*上海軌道交通運(yùn)行安全工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（14DZ2252700）

（2015-06-17）