高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試中若干問題的分析與對策

李 浩

（中國鐵建電氣化局集團北方工程有限公司，山西 太原 030053）

0 引 言

中國高速鐵路的信號系統(tǒng)主要有車站聯(lián)鎖、列車集中控制（Centralized Traffic Control，CTC）、列車運行以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)。目前，人們的生命安全意識和生活享受能力等不斷提高，對高速鐵路出行的要求也顯著提高。因此，檢測與評價高速鐵路信號系統(tǒng)軟件，并準確校驗相應的數(shù)據(jù)，既能夠保證高速鐵路信號系統(tǒng)的正常運行，又能夠進一步保證人們的出行需求得到有效滿足[1]。在我國高速鐵路信號系統(tǒng)正式運行前，其總體功能、安全性要求和系統(tǒng)匹配性等都是以綜合測試為主。由于高速鐵路運行高安全性級別要求的影響，高速鐵路信號系統(tǒng)的聯(lián)調聯(lián)試，由獨立于高速鐵路信號系統(tǒng)開發(fā)人員和使用者的第三方專家，基于高速鐵路的規(guī)定標準、方法和工具等，結合高速鐵路信號系統(tǒng)正式運行前的綜合測試結果，對被測的系統(tǒng)進行功能一致性、安全性等的客觀評估[2-5]。

1 中國高鐵信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試基本情況分析

自2008年開通第1條合寧線后，目前的京津、合武、石太、武廣、鄭西、福廈以及溫福等鐵路路線已經(jīng)初步建立起了1套基本的聯(lián)合測試體系。

1.1 聯(lián)調聯(lián)試基本流程

在信號系統(tǒng)的靜態(tài)測試結束后，利用高速鐵路信號系統(tǒng)進行聯(lián)調聯(lián)試，同時驗證信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的連接。系統(tǒng)測試分為設備出廠測試、現(xiàn)場安裝測試、系統(tǒng)集成測試、聯(lián)調聯(lián)試以及試車測試。

1.2 測試方法與手段

就測試方法而言，高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試選用“運行情景+試驗路徑+案例分析”的方法。而案例分析環(huán)節(jié)則從系統(tǒng)需求規(guī)范、功能需求規(guī)范、系統(tǒng)整體技術方案中抽取出相應的試驗實例展開分析，就測試手段而言，則以實車測試和全面測試為主[6]。

1.3 測試理論與關鍵問題

高速鐵路列車的運行與控制在安全要求體系方面具有明顯代表性。目前，國內(nèi)高速鐵路安全需求軟件的等級需求越來越高，相應的應用系統(tǒng)及系統(tǒng)環(huán)境的功能要求也越來越復雜，因此如何保證高速鐵路列車的運行與控制安全是相關行業(yè)領域亟待解決的問題。高速鐵路信號系統(tǒng)在正式運行前作為測試系統(tǒng)，具有復雜、實時、動態(tài)和高安全特性，需要進一步對于后續(xù)正式運行中存在的問題、風險及優(yōu)化點等作出完整的分析、模擬和測試等操作。為了盡可能全面準確地保證后續(xù)列車的運行與管理，展開基于模型軟件的測試應用，可以很好地達到運行前測試的目的[7]。

1.4 具體測試環(huán)節(jié)分析

1.4.1 信號設備狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)

信號設備狀態(tài)檢測是在開展系統(tǒng)功能測試之前，對線路上的設施進行的1種動態(tài)檢測。首先，應答器環(huán)節(jié)。中國高鐵信號系統(tǒng)中應答器的主要內(nèi)容包括應答器實際行程、應答器用戶信息、實際應答器距離以及應答器用戶數(shù)據(jù)內(nèi)容等。使用精確的應答器測試和定位應答器消息，可以分析與評估每個應答器的連接及覆蓋關系是否正確，并使用靜態(tài)數(shù)據(jù)庫來確定線路傾斜度、切線、過境、偏差變換以及應答器的其他信息是否與實際數(shù)據(jù)相符。其次，軌道電路環(huán)節(jié)。中國高鐵信號系統(tǒng)的軌道線路內(nèi)容主要包括高速鐵路運行中的調諧區(qū)定位、線路信號傳輸電壓、載頻、低頻、碼序列分布、鄰區(qū)線路、鄰區(qū)干擾以及軌道線路工頻干擾等。最后，補償電容環(huán)節(jié)。中國高鐵信號系統(tǒng)的補償電容環(huán)節(jié)主要指電容測量，包括補償電容位置、步長、補償電容損耗等。具體要求中國高鐵信號系統(tǒng)在聯(lián)調聯(lián)試前，對信號裝置的工作狀態(tài)進行分析。在此基礎上，對車輛信號探測系統(tǒng)的性能進行進一步的提升，改善牽引回流、電流不平衡等問題[8]。

1.4.2 CTCS-3級列車控制系統(tǒng)功能測試環(huán)節(jié)

中國高鐵信號系統(tǒng)的CTCS-3級列車控制系統(tǒng)功能測試的主要測試項目包括登錄和啟動、取消、駕駛執(zhí)照、時間限制、自動超速、無線承載控制（Radio Bearer Control，RBC）轉換、級聯(lián)轉換、低溫運行、自然災害保護、轉向、重新連接以及手動解鎖。一是，CTCS-3跨線列車控制系統(tǒng)兼容試驗。CTCS-3跨線列車控制系統(tǒng)兼容試驗在CTCS-3級動車組上進行了列車兼容測試，包含登錄、起動、退出、暫定速度、自動超速、RBC切換、級間轉換、降級、災難防范、出入列車、調車、重新連接、拆卸、特種改進以及手動開鎖。二是，CTCS-3型列車控制系統(tǒng)的備用方式性能測試?；谥袊哞F信號系統(tǒng)對CTCS-3型列車控制系統(tǒng)的備用方式性能測試，主要的試驗內(nèi)容包括正線牽引、控制和切換模式、正離線、停車、通行、側線、停車、停車、時間速度、引導、倒車、冒險保護、相位過度、失真、故障仿真、災難保護以及大數(shù)量道岔等場景測試。三是，跨線CTCS-3級列車控制系統(tǒng)兼容測試。此外，研究中還通過中國高鐵信號系統(tǒng)對CTCS-3型列車展開了跨線CTCS-3級列車控制系統(tǒng)的兼容測試，主要的試驗內(nèi)容包括正線牽引、控制模式與轉換、正線發(fā)車、停車、通過、側線發(fā)車、停車、通過、臨時速度、引導、倒車、冒險保護、相位、失相、失頻器、故障仿真、災難防范、大號碼道岔以及等級轉換等。四是，CTCS-3型列車控制系統(tǒng)的性能測試。該環(huán)節(jié)主要的試驗內(nèi)容包括正線牽引、控制和切換模式、前車道、停車、車道、側線、停車、車道、通行、時間、倒車、冒險保護、相位、失聯(lián)、故障仿真、災難保護、大數(shù)量開關以及分級切換等[9,10]。

1.4.3 站臺聯(lián)動裝置性能測試

中國高鐵信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試中站臺聯(lián)動裝置有關性能測試的主要測試內(nèi)容包括電腦聯(lián)鎖系統(tǒng)與地面控制中心、閉塞設備的接口和信息交換功能、電腦聯(lián)鎖系統(tǒng)與CTC終端機設備的連接、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)與RBC（只為CTCS-3級列控系統(tǒng)）以及聯(lián)鎖系統(tǒng)特殊設計測試等。

1.4.4 CTC系統(tǒng)測試

一是，功能測試。此環(huán)節(jié)的主要職能是監(jiān)測列車運行、跟蹤、基本數(shù)據(jù)規(guī)劃、計劃管理、調度員管理、車站管理、數(shù)據(jù)復制、統(tǒng)計分析等。二是，故障模擬測試。此環(huán)節(jié)主要針對模型測試環(huán)節(jié)出現(xiàn)測試失敗問題時的影響范圍，并對解決此此類問題所提供的準備方法是否有效與合理作出進一步的研究分析及完善，主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的通信、CTC設備的故障、CTC系統(tǒng)的通信以及故障的檢測。

2 聯(lián)調聯(lián)試常見典型案例分析

為了便于對比分析，以京廣、哈大2條鐵路路線為例，針對CTCS-3型列車控制系統(tǒng)的功能聯(lián)調和測試中存在的問題進行了統(tǒng)計與歸類。

2.1 京廣專線聯(lián)調聯(lián)試

京廣高速鐵路武廣段是國內(nèi)首條采用CTCS-3型列車控制系統(tǒng)的鐵路，全長1 068 km。本路段有廣播站17個、中繼臺53個、無線屏蔽中心設備9個、臨時服務器4個以及監(jiān)控中心72個。2009年8月—11月，武漢—廣州鐵路聯(lián)合測試中發(fā)現(xiàn)了不少問題，其中包括機載設備、列車控制系統(tǒng)功能、系統(tǒng)接口和列車調度系統(tǒng)的兼容問題。

2.2 哈大客運專線聯(lián)調聯(lián)試

除了京廣高速鐵路武廣段外，哈大高速鐵路也采用了CTCS-3型列車控制系統(tǒng)，這條線路的總長度為921 km，由22個車站、3個直撥辦公室和46個中繼站組成。該線路上共安裝了8個LKR-T RBC設備，除鄰近的直撥線路外，信號系統(tǒng)及設備與京廣專線相同。

3 聯(lián)調聯(lián)試常見問題原因分析

通過對京廣、哈大客運專線聯(lián)調聯(lián)試的研究不難發(fā)現(xiàn)，中國高鐵信號系統(tǒng)隨著不斷的調試與完善，很大程度上讓列車運行的整體效率和綜合性能得以有效提高。

3.1 常用制動曲線異常下降

問題說明：當高速鐵路啟動CTCS3-300T車輛備用控制模式，MRSP的最大車速曲線達到了最大的設計車速時，中國高鐵信號系統(tǒng)的常用制動曲線會出現(xiàn)異常下降情況，很容易造成火車無法以正常運行速度行駛，這將對列車的效率和運行安全產(chǎn)生負面影響。而這個問題在北京市、上海市等許多地區(qū)的中國高鐵信號系統(tǒng)運行中都存在。

理由：在CTCS-3型列控車輛控制狀態(tài)下，車輛接收軌道電路發(fā)送的正常運行指令難以發(fā)送，造成前封鎖區(qū)功能啟動，堵塞分區(qū)造成車輛運行的長度、速度、坡度和其他信息無法及時傳遞給應答器聯(lián)鎖區(qū)，系統(tǒng)難以有效對速度進行實時計算，也就無法準確獲得列車剎車速度和斜率特性線等，從而導致列車的剎車間隙增加，進而會縮短列車起模時間，使列車出現(xiàn)提前減速的穩(wěn)態(tài)。反之，則會導致列車運行中的常規(guī)剎車間距比前面的目標間距更大，使列車起模點的起模時間提前，列車提前放慢。

3.2 RBC邊界“飛車”

問題說明：CTCS-3型列控系統(tǒng)具有定位與存取的功能，可以實時了解列車的具體運行位置。但是，如果列車運行中鄰近的RBC出現(xiàn)不規(guī)則連接，那么前面的火車會通過這個鄰近的RBC出現(xiàn)移動邊界，從而出現(xiàn)列車運行中線路不太好分流的情況。另外，列車運行中由RBC向后行列車傳輸?shù)腗A將會覆蓋前一列車的相應信息，如果列車繼續(xù)跟蹤信號，則會造成后車碰撞，從而產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象。

理由：在前方車輛的尾部（最小安全終端）越過RBC轉移邊界之后，交接RBC將經(jīng)由與RBC相連的車上電臺指令車載裝置切斷與轉送RBC的無線電連接，并將其從被轉送RBC的列車清單中刪除，但是由于鄰近RBC使用非直接通信方法，極可能造成列車轉移RBC，從而無法及時定位RBC轄區(qū)內(nèi)的列車位置，進而造成RBC交接邊界附近接收RBC轄區(qū)內(nèi)發(fā)生的軌道線路分流時出現(xiàn)信息不準確問題，移交RBC根據(jù)軌道區(qū)間空閑處理，造成后車MA延長。

4 整改措施與防治對策

對聯(lián)調聯(lián)試中出現(xiàn)的一些簡單工程質量問題，可以及時糾正，但也有一些問題，涉及信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口，導致軟件、工程數(shù)據(jù)的調整、維修及復查都比較困難。為此，在聯(lián)調聯(lián)試前，要盡可能地制定相應整改和防治方案，并根據(jù)以往的聯(lián)調聯(lián)試經(jīng)驗提出問題相應的優(yōu)化措施。

4.1 進一步優(yōu)化車載制動模型

CTCS-3級列車控制系統(tǒng)利用前方的空閑區(qū)域來獲得目標的距離，單具體操作控制中受信號編碼影響，當前的目標最多只能提供7個區(qū)域的距離。為了克服控制車輛時常用制動曲線的下降，提出了在確保車輛安全制動的情況下，合理地縮短列車自動保護系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）控制制動距離的方法。2011年完成的京滬先導段綜合測試中，CTCS-300T列車控制系統(tǒng)支持國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways，UIC）標準中的制動百分數(shù)和6段參數(shù)配置優(yōu)化模型，該模塊根據(jù)機車主機廠提供的數(shù)據(jù)，設定各限速不超過對應廠家的要求，以確保監(jiān)測曲線的安全。

4.2 強化接口設計

高速鐵路信號系統(tǒng)的接口關系非常復雜，在設計信號系統(tǒng)時，應充分考慮與線路、接觸網(wǎng)、站場等的聯(lián)系。在接口設計階段，以下問題應該得到足夠的關注。

4.2.1 線路數(shù)據(jù)

線路數(shù)據(jù)是列車運行的重要依據(jù)，因此相關的數(shù)據(jù)獲取和校準專業(yè)人員必須為列車運行提供精確的軌道長度數(shù)據(jù)、絕緣接頭位置信息、信號機里程數(shù)據(jù)。尤其是在車站的咽喉區(qū)域以及某些變化的進路，在應答機或控制中心的控制數(shù)據(jù)必須與現(xiàn)場的實際情況相符合。

4.2.2 優(yōu)化電分相區(qū)的設置位置

《高速鐵路設計規(guī)范》中規(guī)定，在進線500 m處，應避開坡道、大電流、加速路段以及6以上坡度的路段。新建高鐵在一離開段和二離開段之間布置電分相區(qū)，并保證斜率為20%，在特殊模式（OS模式、PS模式等）下，如果車速小于45 km/h，那么列車不能通過電分相區(qū)。

4.3 完善集成測試

集成測試是指在第3方動態(tài)檢測之前，由集成商或設備供應商牽頭完成的集成測試和調試過程，包括系統(tǒng)內(nèi)部的仿真和動態(tài)集成過程，整合測試重在及早發(fā)現(xiàn)潛在的問題，優(yōu)化系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)管理與系統(tǒng)兼容等。因此，通過整合測試能夠發(fā)現(xiàn)和彌補很多因設計、技術等造成的問題，也能夠盡可能地確保專欄1期工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和軟件版本維持相對穩(wěn)定。目前，國內(nèi)外尚無針對集成者或設備廠商進行現(xiàn)場動態(tài)試驗的明確標準和規(guī)范，在互聯(lián)互通試驗領域尚未形成1個完整的模擬測試平臺。

5 結 論

中國高速鐵路系統(tǒng)的設計、開發(fā)、測試及深入分析和運行問題完善等是1個需要不斷去總結、改進和優(yōu)化的過程性建設活動。因此，加強中國高速鐵路系統(tǒng)的整體設計，展開行之有效的運行前測試，對于改善和優(yōu)化高速列車運行中的安全問題，保障人們安全出行具有積極意義，是高速列車管理系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的重要保證。