歐洲鐵路EULYNX信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型研究

王懷松，曾科智，王 凌，徐 越

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

由于歐洲各國鐵路運(yùn)營管理模式各異，操作規(guī)程缺乏規(guī)范，存在不同國家間鐵路信號(hào)系統(tǒng)制式不兼容問題。為實(shí)現(xiàn)歐洲列車跨國運(yùn)營和鐵路互聯(lián)互通，歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)（ERTMS，European Railway Transportation Management System）牽頭完成了ETCS 技術(shù)規(guī)范的編制及列控系統(tǒng)的研發(fā)[1～2]。目前，歐洲鐵路初步實(shí)現(xiàn)了新建線路列控系統(tǒng)的互聯(lián)互通，但既有線信號(hào)系統(tǒng)類型繁多，不同廠商設(shè)備接口不統(tǒng)一，信號(hào)設(shè)備互不兼容，使得信號(hào)系統(tǒng)（包括列控系統(tǒng)）升級(jí)改造工程費(fèi)用大幅提高，導(dǎo)致歐洲既有鐵路升級(jí)改造工程進(jìn)展緩慢。

為降低歐洲既有線改造及運(yùn)維成本，提高既有鐵路運(yùn)輸能力，德國、法國、英國、奧地利、瑞士、荷蘭等13 國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商及管理機(jī)構(gòu)發(fā)起組建歐洲鐵路信號(hào)系統(tǒng)接口及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化組織—?dú)W洲鐵路信號(hào)聯(lián)盟（EULYNX，European Imitative to Linking Interlocking Systems）。EULYNX 致力于歐洲鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理的數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化，以加快下一代數(shù)字化信號(hào)系統(tǒng)的研究。2014年，EULYNX 啟動(dòng)了歐洲鐵路信號(hào)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化及數(shù)字化研究，于2017年完成基線3（Baseline 3）的相關(guān)工作，并于2021年12月發(fā)布?xì)W洲鐵路數(shù)據(jù)模型1.0版。該模型采用形式化本體（formalized ontologies）方法，詳細(xì)定義了基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目管理方（Infrastructure Manager）與設(shè)備廠商之間關(guān)于信號(hào)系統(tǒng)接口的標(biāo)椎化內(nèi)容，為歐洲鐵路信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造奠定了良好的數(shù)字化基礎(chǔ)。

近年來，國內(nèi)新建鐵路線路正逐漸減少，未來既有鐵路改造工程將不斷增多。目前國內(nèi)雖已制定了新建鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)互通的技術(shù)要求，但對同一信號(hào)子系統(tǒng)不同廠家設(shè)備（或設(shè)備內(nèi)部模塊）的兼容性及接口規(guī)范尚無具體規(guī)定，造成既有鐵路改造工程面臨改造成本較高、技術(shù)難度大、后期運(yùn)維困難等難題。為此，可借鑒歐洲鐵路建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)，開展國內(nèi)鐵路信號(hào)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化工作，實(shí)現(xiàn)不同廠商信號(hào)系統(tǒng)的接口統(tǒng)一與設(shè)備兼容，減少既有線改造時(shí)信號(hào)設(shè)備安裝或更換的成本與時(shí)間，并降低后期運(yùn)營維護(hù)的難度和工作量。

1 EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成

EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號(hào)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)包括：聯(lián)鎖及列控（Electronic Interlocking）、列車監(jiān)測（Train Detection）、信號(hào)機(jī)（Light Signal）、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)（Point）、運(yùn)維和數(shù)據(jù)管理（Maintenance and Data Management）子系統(tǒng)以及通用系統(tǒng)接口（Generic IO）[3]，如圖1所示。

圖1 EULYNX 鐵路數(shù)據(jù)模型中信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成

該模型以具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化的信號(hào)系統(tǒng)接口為核心，將各核心子系統(tǒng)之間、以及核心子系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)或設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，旨在使信號(hào)子系統(tǒng)或設(shè)備的更新對整個(gè)系統(tǒng)的影響最小化，以節(jié)省既有線改造的成本和時(shí)間。

2 EULYNX 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是EULYNX 鐵路信號(hào)數(shù)字化的核心內(nèi)容，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)需求定義和UML 建模2 個(gè)階段。

圖2 EULYNX 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程示意圖

（1）數(shù)據(jù)需求定義階段：數(shù)據(jù)需求定義是UML 建模的基礎(chǔ)；在數(shù)據(jù)需求定義階段，首先由鐵路信號(hào)領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)業(yè)務(wù)需求定義應(yīng)用場景（即用例），然后基于各個(gè)用例定義交換場景的構(gòu)件（或設(shè)備）對象類型（Object types）和屬性信息[4]（Attributes）。

（2）UML 建模階段：主要是基于數(shù)據(jù)需求，采用UML 形式化建模的方式，將鐵路信號(hào)業(yè)務(wù)交換需求和流程表達(dá)出來，形成EULYNX 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模型（EULYNX Data Preparation）；該模型可以通過Enterprise Architect（EA）軟件生成便于網(wǎng)頁瀏覽的HTML 格式文件，也可通過轉(zhuǎn)換工具抽取可擴(kuò)展標(biāo)記語言模式（XSD，XML Schema Definition），用于XML 數(shù)據(jù)校核；還可通過轉(zhuǎn)換工具自動(dòng)生成C#等面向?qū)ο笳Z言代碼，便于后續(xù)軟件實(shí)現(xiàn)等。

3 數(shù)據(jù)需求定義

數(shù)據(jù)需求定義主要包括通用領(lǐng)域（Generic domain）和信號(hào)領(lǐng)域（Signalling domain）2 部分，其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EULYNX 數(shù)據(jù)需求內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)

其中，通用領(lǐng)域是指具有通用性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括地理信息、項(xiàng)目信息、數(shù)據(jù)容器、通用類，對應(yīng)有4 個(gè)工作包（Work Package）；信號(hào)領(lǐng)域是指與鐵路信號(hào)領(lǐng)域相關(guān)的各類系統(tǒng)或設(shè)備數(shù)據(jù)，包括資產(chǎn)（設(shè)備）、自動(dòng)進(jìn)路設(shè)置、線纜、ETCS 等，對應(yīng)有11 個(gè)工作包；EULYNX 數(shù)據(jù)需求還納入了國際鐵路聯(lián)盟（UIC，International Union of Railways）以及工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC，Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。

對各個(gè)工作包進(jìn)行分解，可得到滿足業(yè)務(wù)需求的最小化設(shè)備實(shí)體（或構(gòu)件）對象類型（Object Type），再定義各個(gè)構(gòu)件的對象名稱（Object name）和屬性名稱（Attribute name）；為方便鐵路信號(hào)技術(shù)人員理解，還需對屬性含義加以適當(dāng)描述；這一過程可以在Excel 表格中完成。表1所示為數(shù)據(jù)需求定義中關(guān)于信號(hào)機(jī)的部分描述。

表1 信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)需求定義（部分）

4 UML 建模

數(shù)據(jù)需求中對各個(gè)構(gòu)件對象及其屬性進(jìn)行了定義，但未表達(dá)構(gòu)件與構(gòu)件（或類與類）之間的關(guān)系，且由于數(shù)據(jù)需求表本身非結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，導(dǎo)致所定義的數(shù)據(jù)需求不夠形式化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在歧義。

為解決這些問題，EULYNX 數(shù)據(jù)模型采用UML 類圖描述各個(gè)類以及類與類之間的關(guān)系，將語義層面的數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)換為UML 概念模型。與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)需求描述相比，UML 概念模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）計(jì)算機(jī)可讀（Machine-readable）；（2）可以在一個(gè)類圖上整合類、屬性、關(guān)系等所有信息；（3）更為形式化，能夠使用專門的工具直接生成高級(jí)語言代碼[5]；（4）可使用軟件工具靈活地提取和處理模型中的數(shù)據(jù)；（5）可方便地轉(zhuǎn)換為HTML 等格式，便于用戶在網(wǎng)頁上瀏覽數(shù)據(jù)模型。

UML 是一種開放的、可擴(kuò)展的、通用的系統(tǒng)可視化建模語言[6]，在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。UML 模型具有可視化、規(guī)范化的特點(diǎn)，不僅描述了鐵路信號(hào)BIM 業(yè)務(wù)需求功能，同時(shí)還描述了如何去實(shí)現(xiàn)這些功能，UML 模型易于被鐵路信號(hào)專業(yè)人員和BIM 軟件開發(fā)人員理解。UML 模型被視作軟件實(shí)現(xiàn)的藍(lán)圖，是一種平臺(tái)無關(guān)模型（PIM，Platform Independent Model），但沒有規(guī)定需要使用何種計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)[7]。

EULYNX 數(shù)據(jù)模型采用UML 類圖進(jìn)行概念模型的形式化建模，對數(shù)據(jù)需求進(jìn)行合理的抽象和描述。UML 類圖主要包含3 種要素：類、屬性、關(guān)系。以信號(hào)機(jī)為例，UML 類圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)機(jī)（Signal）UML 類圖

（1）類（Class）

類是構(gòu)成類圖的基礎(chǔ)，對于每一類實(shí)體構(gòu)件分別用一個(gè)類來表達(dá)。在UML 建模中，還可以對每個(gè)類的基本信息進(jìn)行設(shè)置，如名稱、別名、版本號(hào)、狀態(tài)、GUID 等。

（2）（屬性（Property/Attribute）

通過對UML 類附加屬性，可以將屬性信息內(nèi)嵌入U(xiǎn)ML 各個(gè)類中；如圖4所示，“isFixed”是類“SignalFrame”的屬性。可以在UML 類中指定每個(gè)屬性的數(shù)據(jù)類型、可見性、初始值、別名等。其中，“數(shù)據(jù)類型”包括string、real、boolean、enumeration等常見類型，也支持自定義；“可見性”包括public（公有）、private（私有）、protected（受保護(hù)）等訪問類型。一般將公有屬性設(shè)置為“public”，將各類構(gòu)件設(shè)備的專有屬性設(shè)置為“private”；

其次，為進(jìn)一步解釋說明屬性的具體含義，方便用戶更好地理解屬性，可以添加相應(yīng)注釋；此外，在類圖中還可以用多重性定義類與類或類與屬性間的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系。例如，1 個(gè)“Signal”類可以對應(yīng)0 個(gè)或 1 個(gè)“ Signal Frame”，則“ Signal” 和“Signal Frame”的多重性分別用“1”和“0..1”表示。

（3）關(guān)系（Relationship）

UML 類與類之間常見的關(guān)系包括：繼承、聚合、關(guān)聯(lián)、組合、依賴等。在UML 模型中最常用的是繼承、聚合、關(guān)聯(lián)3 種關(guān)系類型。其中，繼承關(guān)系表示一個(gè)對象是另一個(gè)對象的特例，例如有源應(yīng)答器屬于應(yīng)答器的一個(gè)特例；聚合關(guān)系描述的是部分與整體的關(guān)系，例如電纜井是電纜路徑整體中的一部分；關(guān)聯(lián)關(guān)系是指一個(gè)對象和另一個(gè)對象之間的聯(lián)系，例如道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備與道岔之間的安裝位置聯(lián)系；這3 種關(guān)系的強(qiáng)弱順序?yàn)椋豪^承＞聚合＞關(guān)聯(lián)。每種關(guān)系都對應(yīng)一種特殊的連接符號(hào)，如表2所示。

表2 UML 建模中常見關(guān)系類型

按照以上方法，利用UML 類圖對鐵路信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行概念建模，建模內(nèi)容基于數(shù)據(jù)需求定義中的工作包，一般在建模前先對各個(gè)工作包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，建模時(shí)再根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序依次對各個(gè)工作包進(jìn)行建模[8]，最終以UML 類圖將鐵路信號(hào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交換需求和流程表達(dá)出來。

在最新發(fā)布的EULYNX 數(shù)據(jù)模型1.0 版中，定義了信號(hào)子系統(tǒng)和設(shè)備的UML 模型，并描述了各個(gè)類、屬性以及類之間的關(guān)系。

5 EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用

典型的EULYNX 數(shù)據(jù)模型應(yīng)用流程圖如圖5所示。

圖5 EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用流程示意

（1）基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目管理方（Infrastructure Manager）基于EULYNX 數(shù)據(jù)模型，將自身需求的功能與接口信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為EULYNX 格式文件（即如XML 文件），然后使用專門的工具軟件對配置的EULYNX 格式文件進(jìn)行自動(dòng)的合規(guī)性驗(yàn)證；驗(yàn)證通過后，將EULYNX 格式文件提供給信號(hào)設(shè)備供應(yīng)商。

（2）信號(hào)設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)EULYNX 格式文件中的相關(guān)設(shè)備和接口標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)和提供滿足要求的信號(hào)設(shè)備；這種方式可消除以往由于接口不統(tǒng)一而導(dǎo)致的設(shè)備供應(yīng)壟斷問題，也能夠減少設(shè)備更新改造的時(shí)間和成本。

（3）軟件供應(yīng)商利用工具，從由UML 模型生成的XML 格式的配置數(shù)據(jù)集中抽取所需的數(shù)據(jù)，將其實(shí)例化為鐵路信號(hào)領(lǐng)域的各類對象，最終被實(shí)例化的各類對象會(huì)保持著UML 模型內(nèi)的定義和關(guān)系。

如圖6所示，這種基于XML 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的信息交換可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)—計(jì)算機(jī)（Machine-to-Machine）的無縫信息交換。

圖6 基于XML 格式的數(shù)據(jù)交換過程示意

通過規(guī)范化的基于XML 格式的數(shù)據(jù)交換，使得項(xiàng)目規(guī)劃階段產(chǎn)生的信息能夠與設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段進(jìn)行雙向信息交換，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的信息也可以隨時(shí)返回到規(guī)劃階段的管理信息系統(tǒng)中。例如，各階段的工程量和預(yù)算信息在執(zhí)行BIM 項(xiàng)目時(shí)，可以實(shí)時(shí)返回到工程預(yù)算信息系統(tǒng)中；同時(shí)，如果改變最初UML 中定義的對象和關(guān)系，則在各階段產(chǎn)生的工程量和預(yù)算結(jié)果也會(huì)隨之改變。

6 結(jié)束語

針對歐洲鐵路信號(hào)系統(tǒng)接口不統(tǒng)一、設(shè)備不兼容等問題，EULYNX 建立了基于UML 形式化方法的信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。該模型對信號(hào)系統(tǒng)各核心子系統(tǒng)之間、以及核心子系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)或設(shè)備之間的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，旨在使信號(hào)子系統(tǒng)或設(shè)備的更新對整個(gè)系統(tǒng)的影響最小化，以節(jié)省既有線改造的成本和時(shí)間。本文較為全面地介紹EULYNX 信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，簡述模型中信號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程，詳細(xì)說明數(shù)據(jù)需求定義過程、UML 建模過程以及EULYNX 數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用流程。

與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)需求描述相比，EULYNX 數(shù)據(jù)模型將語義層面的數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)換為高度形式化的UML 概念模型，既便于用戶在網(wǎng)頁上瀏覽數(shù)據(jù)模型，也可使用軟件工具靈活地提取和處理模型中的數(shù)據(jù)，還支持由工具直接生成高級(jí)語言代碼。EULYNX 數(shù)據(jù)模型具有可視化、規(guī)范化的特點(diǎn)，易于被鐵路信號(hào)專業(yè)人員和BIM 軟件開發(fā)人員理解，使得信號(hào)系統(tǒng)改造工程的相關(guān)方能夠基于同一個(gè)數(shù)據(jù)模型開展合作，有利于保證需求與實(shí)現(xiàn)的一致性；此外，該數(shù)據(jù)模型也便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)全生命周期內(nèi)無縫信息交換，使得項(xiàng)目規(guī)劃階段產(chǎn)生的信息能夠與設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段進(jìn)行雙向信息交換，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的信息也可以隨時(shí)返回到規(guī)劃階段的管理信息系統(tǒng)中。

EULYNX 建立的這一套信號(hào)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化方法，可為今后國內(nèi)鐵路信號(hào)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化研究工作提供重要參考。