高速鐵路系統(tǒng)集成模式發(fā)展探討

肖 峰

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

至2019年底，中國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)總里程達(dá)到3.5萬(wàn)km，居世界第一。國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)體量幫助高鐵建設(shè)者積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也見(jiàn)證了國(guó)內(nèi)高鐵技術(shù)的高速發(fā)展和先進(jìn)性。其中站后四電系統(tǒng)集成的建設(shè)模式形成了成熟的體系，幫助實(shí)現(xiàn)四電系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合、穩(wěn)定運(yùn)行。隨著高鐵運(yùn)行里程的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)高鐵市場(chǎng)需求發(fā)生變化，同時(shí)國(guó)外高鐵市場(chǎng)也在逐步開(kāi)拓，這些都為系統(tǒng)集成工作帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)集成模式的形成

1.1 系統(tǒng)集成模式的提出

高速鐵路四電系統(tǒng)與一般普速鐵路的不同在于速度更高、自動(dòng)化程度更高、控制系統(tǒng)更復(fù)雜、子系統(tǒng)更多、技術(shù)難度更大，因此需要集中解決各專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)間接口和外部接口問(wèn)題。這個(gè)特點(diǎn)在站后四電系統(tǒng)尤為突出，所以才提出四電系統(tǒng)集成概念，把站后四電專(zhuān)業(yè)的集成工作放在一起做，逐步形成具備解決復(fù)雜系統(tǒng)集成問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)，這種辦法有利于積累豐富的高鐵集成經(jīng)驗(yàn)，更高效安全地建設(shè)高鐵。

1.2 普鐵建設(shè)模式和高鐵系統(tǒng)集成模式的區(qū)別

1.2.1 普速鐵路建設(shè)模式

鐵路建設(shè)項(xiàng)目一般有4種項(xiàng)目角色，建設(shè)方、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理。以信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目為例，建設(shè)方對(duì)項(xiàng)目參建各方進(jìn)行管理使項(xiàng)目按期完工；設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)施工圖設(shè)計(jì)和技術(shù)支持；施工進(jìn)行按圖施工作業(yè)。普速鐵路子系統(tǒng)少，設(shè)備集成度不高，只有CTC和聯(lián)鎖是成套設(shè)備，其他大部分系統(tǒng)（如閉塞系統(tǒng)）基本靠組合電路實(shí)現(xiàn)，內(nèi)外部系統(tǒng)接口很少。針對(duì)普速鐵路的這些項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)計(jì)完成功能設(shè)計(jì)，廠家各自負(fù)責(zé)自身設(shè)備技術(shù)支持，施工按圖布線然后進(jìn)行功能試驗(yàn)就能完成項(xiàng)目。

1.2.2 高鐵系統(tǒng)集成模式

高速鐵路四電系統(tǒng)更復(fù)雜，以信號(hào)系統(tǒng)為例。

1）集成度高的成套設(shè)備增多，例如：CTC、聯(lián)鎖、列控、臨時(shí)限速服務(wù)器、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、RBC以及一些專(zhuān)用接口服務(wù)器等，這些系統(tǒng)之間聯(lián)系緊密，存在較多內(nèi)部接口。

2）信號(hào)系統(tǒng)與其他專(zhuān)業(yè)也存在大量接口，例如：為信號(hào)提供通信通道的通信專(zhuān)業(yè)，需要為信號(hào)系統(tǒng)提供線路數(shù)據(jù)和分相區(qū)數(shù)據(jù)的站前專(zhuān)業(yè)和接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)，還有其他系統(tǒng)如異物監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)接口。

3）車(chē)地接口通信增多，如地面應(yīng)答器信息、軌道電路移頻信息、RBC通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送的控車(chē)信息等，如此多的信息交互、車(chē)地接口，需要進(jìn)行車(chē)地聯(lián)調(diào)聯(lián)試保證行車(chē)安全。

綜上所述，系統(tǒng)成套設(shè)備的選型和功能實(shí)現(xiàn)、實(shí)施方案的編制、內(nèi)外部接口的實(shí)施和聯(lián)調(diào)聯(lián)試等，這些都是高鐵四電系統(tǒng)新增工作，而且這是一項(xiàng)工作量大、技術(shù)難度高的專(zhuān)業(yè)工作。把這項(xiàng)工作劃歸施工、設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)供應(yīng)商和建設(shè)方進(jìn)行兼顧都不具備足夠能力去滿足這項(xiàng)工作的需求，因此需要把這項(xiàng)工作作為獨(dú)立的和施工、設(shè)計(jì)平行的工作。以上這些高鐵四電系統(tǒng)的特殊性促成了高速鐵路系統(tǒng)集成模式的形成。

1.3 系統(tǒng)集成模式類(lèi)別

高速鐵路四電系統(tǒng)集成主要是電力、電牽、通信、信號(hào)4個(gè)站后專(zhuān)業(yè)集成，各專(zhuān)業(yè)將不同功能子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)集成，站后各專(zhuān)業(yè)間通過(guò)通信接口方式實(shí)現(xiàn)站后四電系統(tǒng)集成。也可將四電模式分為兩電模式進(jìn)行系統(tǒng)集成，即電力、電牽專(zhuān)業(yè)組成的“強(qiáng)電集成”和通信、信號(hào)專(zhuān)業(yè)組成的“弱電集成”。系統(tǒng)集成模式類(lèi)別如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成模式類(lèi)別示意圖Fig.1 Schematic diagram of system integration mode categories

2 系統(tǒng)集成模式架構(gòu)和當(dāng)前面臨的問(wèn)題

2.1 系統(tǒng)集成模式架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)集成項(xiàng)目特點(diǎn)和高鐵項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)高鐵四電系統(tǒng)集成逐漸形成了一定的模式架構(gòu)，高速鐵路四電系統(tǒng)集成基本由集成管理、集成設(shè)計(jì)和集成測(cè)試3個(gè)工作組成，具體如下。

2.1.1 集成管理

如信號(hào)系統(tǒng)集成項(xiàng)目，需要對(duì)通信、電力、電牽、軌道等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的項(xiàng)目機(jī)構(gòu)建立對(duì)接平臺(tái)和機(jī)制、需要與項(xiàng)目接收單位和建設(shè)單位建立工作對(duì)接機(jī)制，需要建立信號(hào)各子系統(tǒng)供應(yīng)商協(xié)調(diào)工作機(jī)制，以及項(xiàng)目商務(wù)工作和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)管理建設(shè)，涵蓋以上內(nèi)容的工作稱為集成管理。

2.1.2 集成設(shè)計(jì)

鐵路各設(shè)計(jì)院的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)是把本專(zhuān)業(yè)各系統(tǒng)需要達(dá)成的功能、配置進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。集成設(shè)計(jì)是對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的功能、配置進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的深化性、可實(shí)施性設(shè)計(jì)，例如：信號(hào)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)只需按設(shè)計(jì)規(guī)范描述CTC、聯(lián)鎖、列控等子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)條件，集成設(shè)計(jì)需要把CTC、聯(lián)鎖、列控等子系統(tǒng)設(shè)備的產(chǎn)品性能、功能、內(nèi)外部電路和接口、各子系統(tǒng)間接口、接口通信方式、互傳信息內(nèi)容、各子系統(tǒng)兼容匹配性等內(nèi)容進(jìn)行描述，制定集成實(shí)施方案指導(dǎo)施工單位和各子系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。同時(shí)車(chē)地聯(lián)調(diào)聯(lián)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也需要相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)組織各系統(tǒng)技術(shù)人員進(jìn)行問(wèn)題分析和責(zé)任分解，把涵蓋以上內(nèi)容的工作稱為集成設(shè)計(jì)。

2.1.3 集成測(cè)試

因?yàn)楦哞F四電系統(tǒng)的復(fù)雜性，子系統(tǒng)設(shè)備軟件調(diào)試及全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試工作量大，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，受現(xiàn)場(chǎng)線路長(zhǎng)、各站點(diǎn)分散的制約，修改難度大、周期長(zhǎng)。因此需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中模擬試驗(yàn)，例如：信號(hào)系統(tǒng)的CTC、聯(lián)鎖、列控、臨時(shí)限速服務(wù)器及RBC，可以將這些設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室集中搭建成滿足本項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和技術(shù)指標(biāo)的模擬平臺(tái)，模擬各種列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證系統(tǒng)功能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室就能邊修改邊驗(yàn)證，還能通過(guò)以往高鐵建設(shè)積累的不同場(chǎng)景案例進(jìn)行試驗(yàn)分析。模擬試驗(yàn)通過(guò)后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和試驗(yàn)，提高了建設(shè)效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。同時(shí)車(chē)地聯(lián)調(diào)聯(lián)試也需要隨車(chē)測(cè)試人員進(jìn)行實(shí)地跟蹤測(cè)試和測(cè)試數(shù)據(jù)分析，把涵蓋以上內(nèi)容的工作稱為集成測(cè)試。

系統(tǒng)集成模式架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)集成模式架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of system integration mode architecture

2.2 系統(tǒng)集成工作當(dāng)前面臨的問(wèn)題

在高鐵建設(shè)起步階段，系統(tǒng)集成工作處于探索和集成模式成型階段，做這項(xiàng)工作時(shí)產(chǎn)品供應(yīng)商少，子系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)和接口還不夠穩(wěn)定，需要系統(tǒng)集成做大量細(xì)致的調(diào)查研究和技術(shù)分析，因此高鐵建設(shè)起步階段系統(tǒng)集成工作繁瑣充實(shí)，項(xiàng)目建設(shè)對(duì)系統(tǒng)集成工作的依賴程度高。

隨著國(guó)內(nèi)建設(shè)高鐵里程的增多和系統(tǒng)集成工作的成熟穩(wěn)定，使當(dāng)前系統(tǒng)集成工作面臨以下新的問(wèn)題：

1）產(chǎn)品應(yīng)用的成熟穩(wěn)定和參與建設(shè)各方配合的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使協(xié)調(diào)對(duì)接工作對(duì)集成管理的依賴程度降低；

2）系統(tǒng)集成方案、子系統(tǒng)功能和內(nèi)外部接口的標(biāo)準(zhǔn)化，使集成設(shè)計(jì)不需要再進(jìn)行繁瑣的研究分析；

3）產(chǎn)品缺點(diǎn)和系統(tǒng)軟件缺陷逐漸克服完善，集成測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題變少，不需要再進(jìn)行反復(fù)修改測(cè)試。

當(dāng)前系統(tǒng)集成的這些特點(diǎn)使集成工作內(nèi)容逐漸簡(jiǎn)化。這種狀況讓集成人員對(duì)這項(xiàng)工作的投入狀態(tài)減弱，也使集成商對(duì)集成工作投入的人力、物力逐漸減少。

3 系統(tǒng)集成模式的發(fā)展方向

系統(tǒng)集成工作當(dāng)前面臨的這些問(wèn)題并不意味著高鐵四電項(xiàng)目建設(shè)不再需要系統(tǒng)集成，國(guó)內(nèi)高鐵發(fā)展帶來(lái)的新形勢(shì)和國(guó)外高鐵市場(chǎng)的開(kāi)拓對(duì)系統(tǒng)集成工作帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，集成工作人員需要認(rèn)清形勢(shì)，把握未來(lái)發(fā)展方向。

3.1 國(guó)內(nèi)高鐵發(fā)展的新形勢(shì)

鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)系統(tǒng)功能的需求增多，線路交叉和多種制式動(dòng)車(chē)運(yùn)行下系統(tǒng)集成難度增加，具體如下：

1）高速鐵路運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的特殊場(chǎng)景逐漸增多，需要對(duì)系統(tǒng)做進(jìn)一步優(yōu)化以滿足運(yùn)營(yíng)需求；

2）操作和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)輔助功能的需求增多，如人性化設(shè)計(jì)、便捷性操作、智能化分析報(bào)警等；

3）隨著高鐵線路增多，新舊線路交叉的樞紐站場(chǎng)增多，樞紐站場(chǎng)的復(fù)雜程度包括多個(gè)層面，如復(fù)雜列車(chē)進(jìn)路增多，不同列控等級(jí)的控車(chē)模式切換頻繁、不同列控等級(jí)的系統(tǒng)設(shè)備接口兼容，不同制式車(chē)載和地面控制系統(tǒng)的兼容等；

4）鐵路市場(chǎng)的發(fā)展促使子系統(tǒng)供應(yīng)商快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)更多公司和資金投入到四電系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)制造，滿足統(tǒng)一技術(shù)條件和功能要求、采用不同技術(shù)手段的產(chǎn)品種類(lèi)增多，研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造商增多；

5）高鐵系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)條件和規(guī)范正在逐步更新；

6）建設(shè)方對(duì)工程造價(jià)和投資控制越來(lái)越精細(xì)和嚴(yán)格。

3.2 國(guó)外高鐵市場(chǎng)的開(kāi)拓

隨著國(guó)內(nèi)高鐵行業(yè)快速發(fā)展，高速鐵路建設(shè)成果受到更多國(guó)家的關(guān)注和青睞。中國(guó)高鐵開(kāi)始參與國(guó)際高鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)隨著“一帶一路”的發(fā)展，我國(guó)鐵路企業(yè)參與國(guó)外高鐵項(xiàng)目也逐漸增多。

通過(guò)研究國(guó)外高鐵建設(shè)招標(biāo)要求，分析得出國(guó)外高鐵建設(shè)市場(chǎng)需求基本從技術(shù)先進(jìn)性、安全穩(wěn)定性和性價(jià)比3個(gè)方面考慮。國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)技術(shù)的先進(jìn)性、產(chǎn)業(yè)鏈的完整性、項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉和安全穩(wěn)定運(yùn)行使中國(guó)高鐵具備國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)參與國(guó)際高鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有利于學(xué)習(xí)其他高鐵集成商的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，了解國(guó)外高鐵技術(shù)裝備的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)水平，推動(dòng)國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)科學(xué)持續(xù)發(fā)展。

高速鐵路系統(tǒng)集成市場(chǎng)形勢(shì)及需求如圖3所示。

圖3 高速鐵路系統(tǒng)集成市場(chǎng)形勢(shì)及需求示意圖Fig.3 Schematic diagram of system integration market situation and demand for high speed railway

3.3 高鐵發(fā)展新形勢(shì)下系統(tǒng)集成工作建議

3.3.1 國(guó)內(nèi)高鐵系統(tǒng)集成工作建議

根據(jù)以往國(guó)內(nèi)集成模式發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)和當(dāng)前存在的問(wèn)題，集成工作團(tuán)隊(duì)和人員應(yīng)針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求做好以下幾方面。

1）集成管理人員與高鐵運(yùn)維部門(mén)要充分對(duì)接，了解運(yùn)維部門(mén)需求，組織集成設(shè)計(jì)人員和子系統(tǒng)供貨商研究解決方案。

與建設(shè)方充分對(duì)接，了解建設(shè)方對(duì)工程造價(jià)的控制辦法，及時(shí)調(diào)研集成設(shè)備市場(chǎng)情況，研究集成設(shè)備采購(gòu)辦法和項(xiàng)目實(shí)施成本管理辦法，為建設(shè)方提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的項(xiàng)目成品和集成服務(wù)。

2）集成設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真研究各研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造商投入市場(chǎng)的新產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、功能實(shí)現(xiàn)方法、產(chǎn)品質(zhì)量等，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行RAMS分析，并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、運(yùn)維習(xí)慣和建設(shè)方要求，為集成設(shè)備選型、招標(biāo)提供技術(shù)服務(wù)。

加強(qiáng)對(duì)各子系統(tǒng)不同產(chǎn)品的接口研究，提高對(duì)不同運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和復(fù)雜樞紐分析研究能力，提供詳實(shí)、可靠和可行性強(qiáng)的集成實(shí)施方案。

積極參與、實(shí)時(shí)跟蹤高鐵系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)條件和規(guī)范的制訂更新，更好地為系統(tǒng)集成工作提供技術(shù)支持。加強(qiáng)對(duì)以往聯(lián)調(diào)聯(lián)試問(wèn)題的研究，更好地在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中組織技術(shù)人員進(jìn)行問(wèn)題分析、責(zé)任確定和任務(wù)分解。

3）集成測(cè)試人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)營(yíng)習(xí)慣研究，并參考其他行業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試方法，不斷更新改進(jìn)集成測(cè)試體系，為各系統(tǒng)測(cè)試提供更貼近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的模擬條件和環(huán)境，提高測(cè)試效率。

加強(qiáng)對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)景和復(fù)雜樞紐模擬條件的研究，提供針對(duì)性強(qiáng)和更加全面的測(cè)試方案。

加深對(duì)以往聯(lián)調(diào)聯(lián)試問(wèn)題的研究學(xué)習(xí)，不斷積累數(shù)據(jù)分析和問(wèn)題分析經(jīng)驗(yàn)，為聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題提供更好的幫助。

3.3.2 國(guó)外高鐵系統(tǒng)集成工作建議

1）面對(duì)國(guó)外市場(chǎng)的開(kāi)拓，集成商應(yīng)認(rèn)真研究學(xué)習(xí)國(guó)外集成商經(jīng)驗(yàn)，更好地發(fā)揮中方高鐵建設(shè)優(yōu)勢(shì)，盡快補(bǔ)齊短板。

2）充分調(diào)查研究項(xiàng)目所在國(guó)高鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)情況，不能生搬硬套國(guó)內(nèi)集成模式、經(jīng)驗(yàn)和慣例；在國(guó)外開(kāi)展市場(chǎng)開(kāi)拓和項(xiàng)目實(shí)施，既要做到和國(guó)外高鐵參建各方友好互信，又要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控。

3）充分了解業(yè)主需求，認(rèn)真研究競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象產(chǎn)品、服務(wù)的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)揮中方高鐵系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)，做好針對(duì)性研究開(kāi)發(fā)，提供滿足業(yè)主需求的技術(shù)、產(chǎn)品和集成服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上內(nèi)容對(duì)高鐵系統(tǒng)集成模式的形成、發(fā)展和當(dāng)前形勢(shì)下國(guó)內(nèi)外高鐵發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析研究，并給出了相關(guān)建議方案，希望對(duì)高鐵系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)和人員有所幫助和啟示，為國(guó)內(nèi)外高鐵建設(shè)提供更多助力。