城市軌道交通車車通信系統(tǒng)室內(nèi)確認(rèn)測試方案研究

李葉 周欣玥 張朝孟 夏蕓

摘? 要：基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）作為新一代城市軌道交通信號系統(tǒng)，引起國內(nèi)業(yè)界高度關(guān)注。TACS系統(tǒng)將軌旁信號設(shè)備（道岔、信號機(jī)）當(dāng)成資源庫，將資源分配到列車，以簡化軌旁控制的列車間協(xié)同為基本原理，提高系統(tǒng)性能和運營的靈活性。對新一代信號系統(tǒng)進(jìn)行測試方案研究的目的是評價TACS系統(tǒng)的功能及性能指標(biāo)，為現(xiàn)場運營提供信心。該文對TACS系統(tǒng)功能、接口、性能的確認(rèn)測試方案進(jìn)行探討。結(jié)果表明，該測試方案能對TACS系統(tǒng)的功能及性能指標(biāo)進(jìn)行評價，為TACS系統(tǒng)的測試提供指導(dǎo)及參考。

關(guān)鍵詞：車車通信；測試平臺；確認(rèn)測試；功能測試；性能測試

中圖分類號：U213.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0151-04

Abstract： As a new generation of urban rail transit signal system， the train autonomous control system（TACS） based on vehicle-to-vehicle communication has attracted great attention in the domestic industry. The TACS system takes the trackside signal equipment as a resource library， and allocates resources to trains. Based on the basic principle of simplifying the coordination between trains in trackside control， the system performance and operation flexibility are improved. The purpose of the research on the test scheme of the new generation signal system is to evaluate the function and performance index of the TACS system and to provide confidence for the field operation. This paper discusses the confirmation test scheme of the function， interface and performance of the TACS system. The results show that the test scheme can evaluate the function and performance index of TACS system， and provide guidance and reference for the test of TACS system.

Keywords： vehicle-to-vehicle communication; test platform; confirmation test; function test; performance test

目前，在我國城市軌道交通領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的列車控制系統(tǒng)是基于通信的列車控制（Communications Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)。在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，采用連續(xù)車-地-車雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)、不依賴軌旁列車占用檢測設(shè)備的列車主動定位技術(shù)，通過地面控制設(shè)備與車載控制設(shè)備協(xié)同配合，為列車提供連續(xù)的自動控制服務(wù)。

近年來，基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)（Train Autonomous Control System，TACS）作為城市軌道交通信號系統(tǒng)的新技術(shù)，得以迅速發(fā)展。TACS系統(tǒng)與目前廣泛應(yīng)用的CBTC系統(tǒng)同屬于移動閉塞制式，但二者在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理等方面均有較大差異，TACS系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的系統(tǒng)性能，逐漸從研發(fā)試驗走向工程應(yīng)用。當(dāng)前，車車通信信號系統(tǒng)在業(yè)界也得到關(guān)注，包括目前已使用TACS系統(tǒng)運營載客的深圳20號線，使用TACS系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試試驗的青島6號線一期及上海3、4號線[1]。

TACS系統(tǒng)具有SIL4的安全等級，其應(yīng)用需要重點關(guān)注系統(tǒng)功能的高可靠性和高安全性，在發(fā)布到現(xiàn)場應(yīng)用之前，需要對系統(tǒng)功能、接口及性能進(jìn)行完整的確認(rèn)測試。傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的測試平臺、測試方法等均不適用于TACS測試，保障TACS系統(tǒng)質(zhì)量的測試方法、測試流程、測試平臺研究卻較少涉及，這在一定程度上制約了TACS系統(tǒng)的安全高效實施應(yīng)用[2]。

因此，本文針對基于車車通信的TACS系統(tǒng)確認(rèn)測試方案進(jìn)行研究，探討基于車車通信的TACS系統(tǒng)的測試平臺及系統(tǒng)測試方案，這對評估TACS系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，在現(xiàn)場穩(wěn)定運行具有重大的意義。

1? TACS系統(tǒng)組成及簡介

典型的基于車車通信的列車自主控制系統(tǒng)TACS信號系統(tǒng)主要由車載控制器（Carbone Controller，CC）、軌旁資源管理器（Wayside Resource Controller，WRC）、軌旁列車控制器（Wayside Train Controller，WTC）、目標(biāo)控制器（Object Controller，OC）、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Traffic Supervision， ATS）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（Data Communication System， DCS）以及智能運維系統(tǒng)（Intelligent Operational& Maintenance System，IOM）子系統(tǒng)組成[3]。TACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各子系統(tǒng)主要功能如下[3]。

車載控制器（CC）主要負(fù)責(zé)根據(jù)計劃進(jìn)行線路資源申請及釋放，自主計算移動授權(quán)并進(jìn)行列車自動控制。

軌旁資源管理器（WRC）主要負(fù)責(zé)線路資源分配和回收。

軌旁列車控制器（WTC）主要負(fù)責(zé)管理及跟蹤故障列車，接管故障列車進(jìn)行資源申請及釋放，并與相鄰列車進(jìn)行信息交互。

目標(biāo)控制器（OC）主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)軌旁基礎(chǔ)信號設(shè)備的狀態(tài)采集及驅(qū)動。

列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）主要負(fù)責(zé)監(jiān)督和控制列車的運營。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）主要負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。

智能運維系統(tǒng)（IOM）主要負(fù)責(zé)設(shè)備運行狀態(tài)及故障信息監(jiān)測，并進(jìn)行智能分析，提供故障處理建議。

2? TACS系統(tǒng)測試平臺

對于TACS系統(tǒng)室內(nèi)測試，室內(nèi)仿真測試環(huán)境是必備且非常重要的一個環(huán)節(jié)。室內(nèi)仿真測試環(huán)境的結(jié)構(gòu)、仿真功能及故障注入功能的全面性也會影響測試完整性及測試質(zhì)量。

TACS系統(tǒng)測試平臺主要用于執(zhí)行TACS系統(tǒng)集成測試以及系統(tǒng)確認(rèn)測試，包括接口測試、功能測試、性能測試及壓力測試，也用于現(xiàn)場故障場景的模擬和復(fù)現(xiàn)。傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)大多采用真實硬件結(jié)合部分仿真的測試平臺。而TACS系統(tǒng)，由于車車通信的主體是列車，即車載控制器（CC），多輛真實的CC設(shè)備不僅占地較大、成本昂貴，而且僅能滿足部分功能測試，無法滿足車車通信系統(tǒng)的多車功能測試及性能測試。因此，根據(jù)功能和性能的測試需求，TACS測試平臺分為硬件測試平臺和軟件測試平臺。

2.1? 硬件測試平臺

硬件測試平臺主要用于進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部接口集成測試，以及單車及降級列車功能測試，硬件測試平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，左側(cè)虛線框內(nèi)為測試平臺仿真設(shè)備，包括軌旁及車載的測試平臺、OC測試平臺，測試平臺中包含運行在Windows操作系統(tǒng)下的測試環(huán)境、測試平臺以及查看測試變量的工具OMAP，右側(cè)為被測系統(tǒng)設(shè)備，包括WRC、WTC、OC、ATS及IOM。

2.2? 軟件測試平臺

軟件測試平臺主要用于進(jìn)行多車功能測試，以及多車性能測試，軟件測試平臺不使用真實的機(jī)柜和板卡設(shè)備，由純軟件環(huán)境組成，主要用于部分系統(tǒng)確認(rèn)測試用例執(zhí)行以及多車性能測試，如圖3所示：虛線框內(nèi)為車載測試平臺、軌旁測試平臺，車載測試平臺由運行在windows操作系統(tǒng)下的測試環(huán)境、多個仿真CC組成；軌旁測試平臺由運行在windows操作系統(tǒng)下的測試環(huán)境、WRC仿真和WTC仿真組成。右側(cè)為被測系統(tǒng)設(shè)備ATS子系統(tǒng)，組成完整的軟件測試環(huán)境。

3? TACS系統(tǒng)測試方案

車車通信TACS系統(tǒng)是一種功能復(fù)雜的大型系統(tǒng)，對其進(jìn)行系統(tǒng)功能確認(rèn)測試、接口測試及性能測試是系統(tǒng)投入運營前的必備環(huán)節(jié)。目的在于驗證系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)需求規(guī)范，屬于黑盒測試范疇。系統(tǒng)的很多功能測試，尤其是與安全相關(guān)和非正常降級情況下的系統(tǒng)功能測試，無法在現(xiàn)場進(jìn)行或是需要投入大量的時間和人力才能在現(xiàn)場完成。因此，TACS系統(tǒng)的功能測試、性能測試，需要使用與實際線路相符的仿真環(huán)境進(jìn)行實驗室測試，才能保證測試方案完整性和有效性[4]。TACS系統(tǒng)功能及性能測試基于系統(tǒng)需求規(guī)格書及工程應(yīng)用項目需求，將測試方案分為功能測試、接口測試、性能測試及拷機(jī)測試，目的及使用的測試平臺見表1。

3.1? 功能測試

TACS系統(tǒng)功能完備性、可靠性和安全性，直接影響到軌道交通運行效率和行車安全[4]。為了保證系統(tǒng)滿足系統(tǒng)需求規(guī)范中的安全需求、非安全需求及性能需求，必須對其進(jìn)行完整的測試。測試場景的設(shè)計、測試用例編寫及測試執(zhí)行對功能測試的正確性和完整性起著重要作用[5]。

TACS系統(tǒng)的功能測試內(nèi)容包括：正常運行模式下功能測試、降級運行模式下功能測試，多車防護(hù)場景測試等，具體對應(yīng)的功能點及測試平臺舉例見表2。

3.2? 接口測試

接口測試也叫集成測試，是測試系統(tǒng)組件間接口的一種測試，主要用于測試系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)之間的接口，以及系統(tǒng)內(nèi)部各個子模塊之間的接口。測試的重點是要檢查接口協(xié)議的一致性，數(shù)據(jù)傳遞的正確性，接口功能實現(xiàn)的正確性。

TACS系統(tǒng)的接口測試，包括通信屬性測試，協(xié)議一致性測試以及數(shù)據(jù)接口測試，目的是驗證子系統(tǒng)之間的接口滿足接口定義文件的需求定義。TACS子系統(tǒng)接口測試需在硬件測試平臺進(jìn)行，包含的接口及所需設(shè)備見表3。

3.3? 性能測試

性能測試是通過自動化的測試工具模擬多種正常、峰值以及異常負(fù)載條件來對系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

TACS系統(tǒng)的性能測試，以工程項目合同中要求的性能指標(biāo)，如兌現(xiàn)率、正點率及故障率為驗證目標(biāo)，使用軟件測試平臺模擬現(xiàn)場高峰時期的進(jìn)行多車跑運行圖測試，城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范中要求不少于20 d，最后通過測試情況給出性能指標(biāo)是否滿足的結(jié)論。表4中列出了城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范中的性能指標(biāo)要求[6]。

3.4? 測試評估

測試結(jié)論作為產(chǎn)品質(zhì)量評估的重要輸入，一般從版本通過率、測試用例通過率、開放缺陷比例等指標(biāo)來衡量。

版本通過率是指本輪測試版本的通過次數(shù)除以總測試版本數(shù)的比率，用于評估本輪新增及變更的功能質(zhì)量。版本通過的標(biāo)準(zhǔn)為本版測試未提交一般以上等級的缺陷，并且本輪驗證的缺陷全都通過。

測試用例通過率是指通過的測試用例數(shù)除以總用例數(shù)的比率，結(jié)合開放缺陷數(shù)比例，共同用于評估產(chǎn)品整體功能質(zhì)量。

當(dāng)版本通過率和測試用例通過率達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求時，才允許發(fā)布現(xiàn)場應(yīng)用。

4? 結(jié)束語

基于車車通信的TACS是目前國際軌道交通業(yè)內(nèi)應(yīng)用于載客的城市軌道交通信號系統(tǒng)最前沿的技術(shù)，TACS系統(tǒng)測試方案的完整性、測試設(shè)計的合理性顯得尤為重要，對相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的測試結(jié)論將為TACS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐。本文探討基于車車通信的TACS系統(tǒng)功能、接口及性能測試平臺測試方案及測試評估，該方案已成功應(yīng)用于深圳20號線的系統(tǒng)測試。在該系統(tǒng)的后續(xù)測試方案優(yōu)化中，可考慮增加場景測試及故障測試，結(jié)合更多現(xiàn)場運營場景進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪小勇.城市軌道交通基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)探討[J].中國鐵路，2020（9）：77-81.

[2] 徐海貴，汪小勇，陸怡然.基于車車通信的列車自主控制系統(tǒng)：CN212500426U[P].2021-02-09.

[3] 歐陽玲萍，熊坤鵬，朱程輝，等.城市軌道交通TACS系統(tǒng)測試探討[J].電子技術(shù)與軟件工程，2023（3）：143-147.

[4] 王大慶.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)驗收測試方法[J].城市軌道交通研究，2016（3）：21-26.

[5] 王學(xué)浩，劉瑞娟.基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2022（11）：134-139.

[6] 城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范 第1部分：地鐵和輕軌（交辦運〔2019〕17號）[Z].