高速铁路信号系统联调联试技术的研究与实践

禹志阳

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京 100081）

中国高速铁路信号系统由车站联锁系统、CTC系统、列车运行自动控制系统和微机监测系统等组成，是一个由硬件系统、软件系统、安全数据网和庞大的基础数据构成的复杂系统。在硬件可靠性和安全性日趋完善后，对系统软件的测试与评估、对系统基础数据的验证与校核成为保证信号系统运行安全、可靠、高效的关键技术。我国高速铁路信号系统开通运营前，采用试验列车或综合检测列车，在实际运行状态下对高速铁路信号系统的总体功能、安全性需求以及系统间匹配关系进行的综合测试、调整与优化的过程，即信号系统联调联试。由于信号系统的高安全性完善度等级要求，联调联试应由独立于开发者和用户的第三方专门人员使用规定的标准、方法和工具来进行，并依据测试结果对被测系统的功能符合度、安全性等进行客观评价。

1 国内外联调联试技术

世界各国特别是日本、德国、法国等高速铁路技术先进的国家在新的高速铁路开通运营前，为检验是否达到预期的设计目的，必须将所有的系统技术进行测试，并将各系统作为统一完整的整体，统筹策划、全面协调，使新线各系统技术标准匹配、技术接口完整、技术装备合理。

日本新干线的新线工程完成后，信号系统设备一般均需接受出厂试验、现场试验以及综合试验。出厂试验是指为了测试装置个体的功能和性能在生产商公司内部进行的试验。现场试验是在现场组装后所进行的子系统调节运行试验，主要是地面设备试验。综合试验是整体系统完成后的综合性试验，主要进行实车确认试验，通过综合试验对各子系统进行功能检测、制动试验等。

德国在高速新线的调试工作中趋向将几个系统的装备同时承包给某个集团完成，包括集成调试，但在验收过程仍要进行检测运行、各子系统的鉴定试验、提速运行试验、制动试验等实车试验。在试验过程中会利用各种试验车辆设备，如ETCS试验车、运营车型等进行试验，并对各种重点进行试验（制动试验、交会试验、系统功能试验等），系统试验结束后将进行2个月的运行试验。

法国高速新线在土建和线路施工完成之后，要组织实车运行试验，即动态试验，并委托专业的试验团队测试系统性能，并判定是否需要修改。在正式交付运营之前，要组织运行试验，通过运行试验，检查该线路整个铁路系统是否处于正常工作状态，验证最新技术的可靠性等。

由于高速铁路各系统间既自成体系又相互关联,既有硬件接口又有软件联系,对整体性和系统性要求非常高。我国高速铁路在开通运营前都必须经历联调联试阶段，包括线路、接触网、供变电、信号、通信和综合接地等多个专业，并形成了一整套联调联试的技术标准、方法和流程，包括联调联试内容、测试参数与评价指标、试验数据分析方法等，通过联调联试，实现对各个专业系统及整个铁路系统的总体设计方案、系统集成方案、系统接口关系、总体功能、整体性能的调试、完善与优化。以信号系统为例，可以实现以下目标。

1）按照功能需求规范和系统集成方案、设计方案等对系统的功能进行尽可能完备的测试，发现、纠正和优化系统软件设计、集成方案和数据配置等方面的差错，调整和优化系统内部及信号系统与外部系统间的接口关系，包括不同型号车载设备与地面信号系统间的兼容性测试等。

2）模拟各种可能发生的典型故障条件进行安全性测试，由于故障条件是不可能穷尽的，测试过程中模拟的典型故障应充分结合前期测试和运营维护经验，按照发生频率、概率、现场实施条件等精心挑选和设计。

3）信号系统数据配置一致性测试，包括信号各子系统间的数据配置一致性、室内数据配置与室外设备的一致性、信号配置数据与其他专业数据的一致性、信号主用系统和备用系统间的数据一致性等，包括速度数据、里程数据、特殊区段数据、信号机与轨道区段数据、应答器链接数据等。

2 我国高速铁路信号系统联调联试的基本内容与方法

2.1 信号设备状态检测

信号设备状态检测是系统功能试验前对信号轨旁设施进行的动态检测，采用电务检查车、综合检测列车或装载有信号检测系统的运营动车组，目前的检测内容包括应答器、轨道电路、补偿电容等。

1）应答器。

主要测试内容包括应答器实际里程位置、应答器用户报文内容。根据应答器高精度实测里程位置及应答器报文，分析判断应答器之间的链接关系、覆盖范围是否正确，根据静态基础数据库，判断应答器报文描述线路坡度、轨道电路区段、过分相、等级转换等信息与实际数据是否一致等。

2）轨道电路。

主要测试内容包括轨道电路调谐区位置，轨道电路主信号传输电压、载频、低频及码序分配，轨道电路邻线路、邻区段干扰，轨道电路工频干扰等信息，并以闭塞分区为单位对轨道电路的传输性能进行分析与评价。

3）补偿电容。

主要测试内容包括补偿电容位置、步长以及是否丢失等信息在内的补偿电容运用状态。

信号设备状态检测是联调联试前对信号基础设施工作状态进行确认的有效手段。随着车载信号检测系统功能的不断完善，检测的内容还可以继续扩展，如牵引回流、不平衡电流等。

2.2 CTCS-3级列控系统功能测试

1）CTCS-3级列控系统功能测试。

测试内容包括注册与启动、注销、行车许可、临时限速、自动过分相、RBC切换、级间转换、降级运行、灾害防护、进出动车段、调车、重联与摘解、特殊进路和人工解锁进路等运营场景。

2）跨线CTCS-3级列控系统兼容性测试。

对跨线运行CTCS-3级动车组进行CTCS-3级列控车载设备兼容性试验，测试内容包括注册与启动、注销、行车许可、临时限速、自动过分相、RBC切换、级间转换、降级运行、灾害防护、进出动车段、调车、重联与摘解、特殊进路和人工解锁进路等运营场景。

3）CTCS-3级列控系统后备模式功能测试。

主要测试内容包括正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔等场景测试。

4）跨线CTCS-2级列控系统兼容性测试。

主要测试内容正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔、等级转换等场景。

2.3 CTCS-2级列控系统功能测试

主要测试内容包括正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔和等级转换等场景。

2.4 车站联锁系统相关功能测试

主要测试内容包括计算机联锁系统与地面列控中心（TCC）、闭塞设备的接口和信息交换功能，计算机联锁系统与CTC车站终端设备的接口，计算机联锁系统与RBC接口（仅针对CTCS-3级列控系统），联锁系统特殊设计测试等。

2.5 CTC系统测试

1）功能测试。

功能测试内容包括列车运行监视、车次追踪、计划编制基础数据管理、列车运行计划编制、计划管理、调度命令管理、集中控制、车站控制、数据回放和统计分析等。

2）接口关系测试。

主要测试CTC与联锁系统、列控中心设备、RBC、临时限速服务器等的接口关系以及CTC与相邻CTC、TDCS系统的接口关系。

3）故障模拟测试。

测试故障的影响范围以及集成商提供的应对该故障的备有手段的有效性和合理性。包括与受控系统通信故障测试，CTC设备故障测试，CTC系统通信故障测试，错误操作故障测试等。

2.6 测试方法

1）信号设备状态检测。

采用装备有信号设备动态检测系统的电务试验车和综合检测列车，通过车载设备实现对信号的解析，进行信号设备状态动态检测。

2）列控系统功能测试。

①列控系统功能测试应根据列控系统等级、功能特征与运营需求，结合高速铁路站场与线路情况，选取相应的测试案例，编制测试序列。

②通过CTC中心控制或车站控制模式，按照测试序列和测试案例要求准备试验进路，包括正常接发车进路与通过进路、引导接发车进路、调车进路以及进路建立、进路解锁与进路取消等。

③通过CTC中心统一下达、更新与取消临时限速，临时限速的设置以及轨道故障占用、道岔表示故障、应答器故障等地面条件的设置应符合测试案例的要求。

④测试序列应覆盖与动车组运行相关的所有基本进路。

⑤根据需要，可进行列控系统性能方面的专项测试或运行试验。

⑥通过车载ATP的反应、DMI显示判断列控系统功能测试结果，并可结合车载司法记录单元、RBC设备监测记录单元、GSM-R网核心机房监测记录设备、信号集中监测系统等，对列控系统功能测试过程中的实时监测数据进行分析。

⑦列控系统功能测试过程中应保持被测试系统软件版本和列控工程数据的相对一致性，并做好记录。

3）联锁系统相关功能测试结合列控系统功能测试，在进路建立、取消、解锁、站内临时限速、信号关闭、站内轨道电路区段故障占用等条件下，对联锁关系相关功能及接口进行测试。

4）CTC系统功能测试主要在CTC中心进行，结合列控系统功能测试，由CTC中心排列进路、下达临时限速等，对CTC系统控制模式转换、列车运行监视、车次追踪、临时限速下达等功能和接口关系进行测试。

5）结合信号集中监测设备的监测数据对动态测试结果进行分析。

3 基于黑盒模型的信号系统联调联试技术

3.1 黑盒测试理论

黑盒测试是在开发方及用户以外的第三方测试中，基于需求和功能，对系统行为检验和确认而不涉及内部结构的常用方法。黑盒测试从最终用户的角度出发，通过观察测试系统输入及其相应的输出，对功能正确与否进行判断，可以发现不正确功能、接口问题和数据库错误等缺陷。

按照黑盒测试理论，无论是系统级或单元级的测试，都应在可用资源下尽可能生成详尽的测试案例集，包括较高的功能覆盖度、系统可靠性和安全性检验覆盖度等，以能够发现尽可能多的错误；可用资源包括功能需求文档、需求规格说明、测试人员在领域内的知识和经验、缺陷分析数据等。测试案例应能覆盖规格说明文档中的每一个入口、功能需求规范中的每一个功能需求以及每个入口或需求的不同边界条件。

黑盒测试的根本在于选择合适的数据集，合适的数据集是评价测试案例执行结果是否正确或满足需求的关键。为了检测软件的正常和异常行为，必要有一个功能规格说明，数据集的选择应包括以下内容。

1）采用随机方式产生输入，测试人员必须消除任何臆测。

2）对规定输入范围之外的输入数据进行测试，并检查程序的健壮性。

3）对边界情况进行测试，以保证允许的最大和最小输入能产生正确的输出。

4）使用测试监控工具跟踪测试执行，以避免重复并有助于系统维护。

执行黑盒测试前应制定完整的测试计划，包括确定测试内容、测试环境、测试案例、测试方案和测试缺陷的管理等，测试方案一般按照以下顺序执行。

1）针对需求执行净测试。

2）根据需要，针对分支覆盖增加结构化测试。

3）根据需要增加数据流覆盖测试。

4）执行未覆盖到的域测试。

5）根据需要进一步进行特殊的测试。

3.2 黑盒测试技术在信号系统联调联试中的应用

高速铁路信号系统联调联试的核心内容之一就是对CTCS-3级列控系统所具备的功能进行测试，对列控工程数据进行验证，评判列控系统是否满足规定需求或识别实际结果与预期之间差异的过程，是典型的系统级的黑盒类型测试。

在实际的测试过程中，一般将列控车载系统看作是一个黑盒，列控地面系统的输出作为车载设备的输入，输入的数据包括应答器报文信息、机车信号信息、无线报文消息等，试验人员根据车载设备输出的结果对系统行为进行评价，联调联试阶段测试模型如图1所示。

3.2.1 测试案例的选取与生成策略

1）测试案例的提取。

信号系统联调联试以功能测试为主，测试案例的提取应能充分覆盖系统的功能需求，同时还必须具备一定的可操作性，满足现场测试需求。

为满足测试充分性的需求，信号系统联调联试中引用了功能特征的概念，功能特征是一组需求的集合，是从系统需求规范提炼出的精简后的必要功能实体，集中反映了CTCS-3级列控系统系统需求规范（SRS）中的特定需求。SRS中的每一个需求，至少能在一个功能特征中得到反映，每一个功能特征都来自于SRS中的需求[1]。测试案例、功能特征与系统需求规范的关系如图2所示。《CTCS-3级列控系统系统测试案例》以列控系统总体技术方案和系统功能需求为基础，确定了470个测试案例，包括正常功能性测试案例和安全性能测试案例，信号系统联调联试根据可操作性要求、站场设计、运营需求等从中选取。

2）测试案例的分级。

为满足现场测试需求，应根据各类输入在信号系统运行中的概率大小以及系统运行失效后果的严重程度，对相应的测试案例进行分级。

根据铁路安全软件安全性完善度等级划分依据和标准[2]，结合故障后的严重程度及出现概率大小，可将CTCS-3级列控系统联调联试测试案例集分为4类。

A类：常用功能测试案例集，主要是完全符合系统正常运行需求的测试案例，也是实际运行中出现概率最大的情况。

B类：不常用功能测试案例集，属于系统正常运行需求，但出现的概率不大。

C类：常见故障测试案例集，故障后如果系统失效导致的后果较严重，故障出现的概率较大。

D类：不常见故障测试案例集，故障后如果系统失效导致的后果较严重，但故障出现的概率较小。

A类和C类测试案例联调联试应全覆盖测试，B类和D类可根据情况进行抽测。

3）测试序列的自动生成策略。

为提高试验效率，实际测试过程中往往采用测试序列的方式。测试序列是一组与运营场景相对应的测试案例的集合。为满足测试充分性原则，测试序列必须覆盖所有与列车运行相关的进路，由于站场拓扑结构的复杂性，各种进路组合条件非常多，测试序列中必须考虑插入可能的错误操作或设备故障，给测试序列的自动生成带来了很多困难。

测试序列的自动生成与进路条件和特定的输入条件相关，因此，测试序列的自动生成应包括以下3个步骤。

步骤1：建立测试案例基础库，确定各个测试案例的输入与输出映射关系。

步骤2：根据功能特征或运营场景，确定测试案例子集或子序列，相近的测试案例子集或子序列构成测试单元，如侧线发车、临时限速、等级转换测试单元等。

步骤3：根据测试序列中设定的进路条件和特定的输入条件，自动选择或搜索相应的测试子序列。

3.2.2 测试数据集的选取原则[3]

信号系统联调联试结果必须依据测试案例的执行情况来评判，测试案例执行过程中必须采用合适的数据集，以实现对测试案例执行结果的准确评价。

1）基本列控工程数据的全覆盖测试。

基本列控工程数据的全覆盖测试是在正常运行状态下，通过办理各种典型接车、发车、通过等进路，结合列控系统运营场景，包括注册与启动、注销、级间转换、RBC-RBC切换、行车许可、重联与摘解、调车作业、进出动车段、自动过分相、临时限速、灾害防护、特殊进路、人工解锁进路、降级运行共14个运营场景，对列控工程数据验证。测试进路覆盖各个车站的基本进路，验证的列控系统工程数据包括线路数据（线路长度、坡度、里程、桥梁、隧道等）、特殊区段数据（分相区、RBC切换点、等级转换点等）、应答器编号及链接数据、轨道区段及绝缘节数据、RBC呼叫号码信息、引导/调车区段的设置信息等。

2）测试数据的随机抽取。

对于不可能全覆盖的测试数据应采用随机抽取的方式确定数据集，主要包括行车许可调整、临时限速、降级运行等数据的验证。

CTCS-3级列控系统由车站联锁系统根据进路办理和前方区段占用/空闲状态生成信号授权，并提供给RBC，RBC结合SA状态、临时限速信息、列控工程数据等生成行车许可，对行车许可调整数据的抽测主要包括如下内容。

* MA数据的生成与传送；

* MA数据与SA数据、列控工程数据、临时限速数据的一致性；

*危险点信息；

*紧急停车消息；

* MA数据的调整（延长、缩短、更新）；

*低频码序与码序突变；

*应答器报文信息。

临时限速信息由CTC下达，通过临时限速服务器进行拆分、校验、下达、更新与撤消等，CTCS-3级列控系统在每个有源应答器管辖范围内可以同时设置3处临时限速，限速区段的长度和限速值可以任意组合，对临时限速数据的抽测主要包括以下内容。

*一个有源应答器管辖范围内一处临时限速；

*一个有源应答器管辖范围内多处临时限速；

*不同长度和限速值的组合测试；

*不同地点临时限速数据的随机测试。

降级运行是在地面系统或传输通道故障条件下，对系统配置数据和功能的测试，主要包括以下内容。

*联锁与RBC通信中断；

*联锁与列控中心通信中断；

*相邻站间联锁系统或列控中心通信中断；

* RBC设备故障；

*应答器设备故障；

*轨道电路故障占用；

*道岔表示故障。

3）接口关系及边界条件的测试。

边界值分析法是黑盒测试关键技术之一，其方法是尽可能针对系统设计或应用的边缘区设计专门的测试案例，以验证系统在各种边界输入条件（最大或最小）以及各种边界范围系统数据和功能的正确性。对CTCS-3级列控系统边界条件的测试，主要验证3个方面的内容：一是相邻边界点数据配置的一致性，二是验证相邻设备之间的接口关系，三是验证相关运用条件的边界。

CTCS-3级列控系统地面系统的边界条件主要包括以下内容。

*相邻RBC、车站联锁、列控中心、临时限速服务器管辖范围边界；

* CTC系统调度台管理范围边界；

* CTC与TDCS或其他CTC中心管理范围边界；

* GSM-R网络核心机房管理范围边界；

* CTCS-3级线路与其他等级客运专线边界；

*运用条件的边界，如参数值设置、运用范围等。

对于边界条件的测试，可通过行车许可、行车许可调整、临时限速、临时限速更新、模拟故障等进行验证。

3.2.3 测试数据的分析与管理

对试验过程中的动态数据进行监测、记录与分析，是评价测试案例执行状态及执行结果、验证系统功能特征、子系统间信息交换过程与内容、系统间接口关系是否正确的重要手段。数据分析必须依赖于相应的监测设备，条件具备时，应配备实验室仿真测试条件，以实现故障的再现分析。

数据分析以测试案例、系统功能需求和系统总体技术方案为依据，通过比较车载ATP输入数据与输出结果的关系一致性，判断和发现系统集成方案、工程数据配置、系统接口等方面的缺陷，通过数据分析可以发现以下类型的错误。

1）不正确或遗漏的功能；

2）接口错误；

3）数据结构或外部数据库访问错误；

4）性能错误；

5）初始化或终止错误。

在高速铁路信号系统联调联试过程中，数据分析包括以DMI显示为主的输出数据的分析和以JRU数据、RBC监测记录数据、GSM-R核心机房监测数据为主的输入数据的分析，根据数据分析结果，确定缺陷的类型，实现对缺陷的分类管理，如表1所示。

表1 联调联试中发现缺陷的分类管理

4 我国高速铁路信号系统联调联试技术的实践

我国高速铁路信号系统联调联试从2008年国内第一条客运专线合宁线开始，历经京津城际、合武、石太、武广、郑西、福厦、温福、沪宁等线，包括CTCS-3级列控系统、CTCS-2级列控系统、CTCS-3D列控系统等，联调联试方法与技术日趋成熟，联调联试数据及动态检测结果为新建高速铁路的开通运营提供了有力的支持。

高速铁路信号系统集成度非常高，功能需求和数据应用非常复杂，无论是室内仿真测试、现场集成测试以及联调联试，都不可能实现测试案例的穷尽测试。因此，在信号系统联调联试不可能穷尽测试的前提下，如何通过技术手段尽可能充分、准确地完成信号系统的测试；如何在前期测试基础上，不断丰富和完善测试案例库；如何实现测试与评估的有机结合，都是信号系统联调联试中还需要重点研究的内容。

[1]科技运[2009]59号 CTCS-3级列控系统测试案例[S].

[2]吴芳美．铁路安全软件测试评估[M]．北京:中国铁道出版社，2001．

[3]禹志阳，赵阳．基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试研究[J]．铁道通信信号，2010（5）：1-5．