沙特麦加城轨铁路联调联试平台搭建与关键技术

姚建伟，侯福国，晏兆晋，陈源，赵鑫，崔潇

（1. 中国铁道科学研究院，北京 100081；2. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

沙特麦加城轨铁路联调联试平台搭建与关键技术

姚建伟1，侯福国1，晏兆晋1，陈源2，赵鑫1，崔潇1

（1. 中国铁道科学研究院，北京 100081；2. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

阐释城轨铁路联调联试的意义和相关流程，以系统工程的方法对沙特麦加城轨铁路联调联试平台的搭建过程进行系统性分析，对城轨铁路联调联试中的 限界检查、 轨道不平顺动态检测、动力学性能测试、弓网受流性能测试、信号系统测试等关键测试技术以及接口管理、 现场协调、 文档管理、计划安排和 安全管理等关键管控技术进行详细梳理与归纳提炼，系统总结城轨铁路联调联试工程实践经验。

城轨铁路；联调联试；系统工程；接口管理

1 概述

城轨铁路联调联试是城轨铁路建设和运营准备的重要组成部分和必要环节，是在城轨铁路各系统完成内部调试的基础上，采用相关检测设备，对城轨铁路工程整体系统的工作状态、系统功能和系统间匹配关系进行综合测试、调整、优化和验证，使整体系统性能、功能达到设计要求，满足城轨铁路开通运行的条件，为城轨铁路项目验收和安全运营提供数据支持[1]。

沙特麦加城轨铁路是我国企业在海外第一次采用EPC+O&M总承包模式（即设计、采购、施工+运营、维护总承包模式）建设的铁路项目，也是中国铁道科学研究院（简称铁科院）首次单独承担国际项目的联调联试任务。铁科院按照国际惯例完成了融特殊性、复杂性、艰巨性于一身的麦加城轨铁路联调联试工作，不仅是对我国铁路企业测试设备、技术能力、组织协调进行的一次全面检验，也为我国在海外开展轨道交通联调联试工作积累大量宝贵经验。

2 系统工程角度下联调联试平台的搭建

联调联试是一项多学科、跨专业的系统性测试调试工作，采用系统工程方法开展联调联试平台的搭建。按照国际系统工程协会（The International Council on Systems Engineering，INCOSE）的划分，包括系统工程技术流程、技术管理流程、合同流程、组织计划实施流程4个部分，各部分又包含详细的子流程。以技术流程为例，完整的技术流程中包含商业/任务分析、利益相关方分析、需求定义、架构定义、设计定义、系统分析、系统实施、系统集成、验证、部署、确认、运用、维护、报废等流程[2]。

联调联试系统平台的搭建涉及技术流程，技术管理流程、合同流程、组织计划实施流程等系统工程的各个方面，主要涵盖需求分析、架构定义、设计定义、系统分析、系统实施、系统集成等技术流程。2.1 需求分析

需求分析是明确城轨铁路系统性能和功能的验证途径。需要通过联调联试来验证系统接口中待测试和调试的主要参数在性能上能否满足设计要求；也需要通过联调联试来验证系统功能的正确性。

2.2 架构定义

架构定义是确定联调联试采用何种结构形式开展相关测试。沙特麦加城轨铁路联调联试采用性能测试与场景测试相结合的架构形式，不仅考虑各个子系统的测试，而且考虑不同子系统间在不同运营场景下的接口匹配测试（见表1）。

表1 沙特麦加城轨铁路联调联试总体架构

2.3 设计定义

设计定义是确定测试项目，完成各系统以及各子系统间需要调试的参数、提出测试的方案、所需要的设备等。对于沙特麦加城轨铁路联调联试，考虑到工程本身的特点，性能参数类测试主要设计了限界检查试验、热滑试验、综合接地测试、轨道不平顺动态检测、动力学性能测试、受电弓和接触网受流性能测试、车辆牵引温升性能测试、车载空调性能测试等项目；运营场景类测试设计了OCC场景类、车站场景类和区间场景类的11个场景、21个案例；运行参数类测试设计了按图行车测试、追踪测试和供电能力测试3个项目。

2.4 系统分析

系统分析是对联调联试平台功能的有效性进行分析。采用层次分析方法对各系统的有效性进行分析，即将各个系统按照隶属关系分为若干层次，每一层次确定权重，分别分析有效性，最后将分析结果进行综合。采用接口矩阵的方法对各系统之间接口测试的有效性进行分析。

联调联试设计定义和系统分析环节需要不断进行迭代，确保设计的有效性得到保证。

2.5 系统实施

系统实施即搭建联调联试平台，是将已经定义的联调联试子系统测试内容进行相应组合。完成试验仪器的配置，设备有效性的标定，测试程序的编写，确定子系统内部及接口测试的详细流程，形成技术文档、测试细则和操作手册。

2.6 系统集成

系统集成是将联调联试各个子系统及接口的测试方案、设备按照逻辑顺序有机组合起来，形成整体的联调联试平台。沙特麦加城轨铁路联调联试采用的是增量集成策略，即先进行性能参数类测试，在保证列车上线运行安全的条件下，再逐步进行运营场景类测试、运行参数类测试等。

城轨铁路联调联试是一个复杂庞大的系统工程，其总体方案设计具有多学科、跨专业的特点，无论是性能参数类测试、运营场景类测试还是运行参数类测试，都需要相应的关键测试技术和关键管控技术为联调联试测试的正确性、效率与安全性提供支撑与保障。

3 沙特麦加城轨铁路联调联试关键测试技术

沙特麦加城轨铁路联调联试关键测试技术主要包括限界检查、轨道几何状态动态检测、动力学性能测试、弓网受流性能测试、信号系统联调联试等。

3.1 限界检查

城轨铁路建筑限界是一个垂直于线路中心线的极限横断面轮廓[3]。线路的限界状态是否符合标准是列车安全行驶的前提条件，也是进行信号、屏蔽门、车辆等其他系统动态测试的必要前提条件。

传统的限界检查主要是采用限界检测车/人工测量或数字相机技术[4]。在沙特麦加城轨铁路联调联试中，通过采用二维（2D）激光扫描传感器来实时获取线路横断面的轮廓，同时利用速度传感器获取车辆在前进方向上移动的距离，实现了三维（3D）检测的功能，提高限界检查的速度，而且显著提高测试精度，扩大检测范围，克服传统监测方法精度低、速度慢、工作量大、效率低的缺陷。

在沙特麦加城轨铁路联调联试过程中，限界检查测试人员采用基于2D激光扫描技术的车载式铁路限界检查测试系统，对沙特麦加城轨铁路正线、试车线以及全线9个车站开展限界检查测试，最大限度地消除行车安全隐患，保证城轨铁路的顺利开通运营。

3.2 轨道几何状态动态检测

轨道几何状态是影响城轨铁路运营速度、安全性和舒适性的重要因素。受地形条件和环保要求等方面的限制，城轨铁路轨道曲线半径较小，线路坡度较大、高架桥占线路比例较高、多采用小号码道岔，个别地段采用困难条件下的设计标准。

沙特麦加城轨铁路轨道几何状态动态检测，采用铁科院自主研发的基于惯性基准法的轨道几何状态动态检测系统。检测系统由模拟信号处理和数字信号处理2部分组成。模拟信号处理系统由各路传感器、信号转接及监视装置、信号处理装置和系统电源等构成；数字信号处理系统由数据采集及处理计算机、数据服务器、数据应用及波形显示计算机、打印机等组成。

为更好地对轨道系统进行综合性的动态评价，轨道几何状态动态检测项目，除了考虑包括高低、轨向、水平、扭曲（三角坑）、里程、速度、曲率等参数外，还包括车体横向加速度、车体垂向加速度、转向架横向加速度、轴箱横向加速度、轴箱垂向加速度等检测参数。经过对轨道几何状态的反复检测和多次精调，沙特麦加城轨铁路的轨道几何状态，达到验收评价指标的要求。

3.3 动力学性能测试

动力学性能测试重点是对线路质量和安全状态进行动态检查。开展动力学性能测试前，在检测列车上安装测力轮对、车体加速度传感器、构架和轴箱加速度传感器。当检测列车通过不同线路区段时，实时采集列车的轮轨作用力和振动加速度数据，通过数据处理系统进行实时分析和评价。

动力学性能测试采用逐级提速的方法开展[5]。考虑到沙特麦加城轨铁路小半径曲线（R600 m）较多、客流变化大的特点，测试速度级为40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、88 km/h。

检测结果表明，沙特麦加城轨铁路的车辆稳定性指标和平稳性指标均满足评判指标要求，全线轨道及线下基础能够满足列车按规定时速安全平稳运行的要求。

3.4 弓网受流性能测试

在列车运行过程中，受电弓的弓头通过与接触网的接触线机械接触，相对于接触线作横向运动，并从接触线上接受电能。列车在运行过程中能否始终保持正常稳定的受流取电，是城轨铁路运营车辆在运行过程中持续保持动力、保证列车运行安全以及为车厢内旅客提供优质服务的重要前提条件。

弓网受流性能测试的主要参数包括燃弧、硬点、接触线动态高度、网压[6-8]等，同时需要对弓网视频图像进行监视和采集存储。

测试人员在沙特麦加城轨铁路正线区段开展了弓网受流性能测试。试验表明，沙特麦加城轨铁路弓网燃弧率很低，在列车运行速度不超过80 km/h时，燃弧率均小于5%。沙特麦加城轨铁路正线区域无高差超限，硬点较少，垂向冲击加速度数值均在490 m/s2以下，无硬点超限。

3.5 信号系统联调联试

城轨铁路信号系统作为保证城轨铁路系统安全、稳定、高效运行的重要部分，其功能和性能直接影响到运营安全和效率[9]。

沙特麦加城轨铁路信号系统按照功能分为列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）和列车自动监控（ATS）3个子系统；按照设备地点分为车载信号设备（列控设备）、区间设备、车站设备、控制中心（OCC）设备、车辆段设备等。

沙特麦加城轨铁路信号系统联调联试主要采用运营场景类测试的方法开展，验证运营列车在沙特麦加城轨铁路的不同运营场景下ATP、ATO和ATS的系统功能，以及信号系统与相关系统接口的功能实现情况。沙特麦加城轨铁路信号系统联调联试方案见表2。

表2 沙特麦加城轨铁路信号系统联调联试方案

信号系统的ATP功能测试包括了信号系统的基本功能，是ATO和ATS功能测试的基础。针对沙特麦加城轨铁路信号系统ATP功能的特点，设计了正线信号系统降级运行测试、屏蔽门状态对列车运行影响测试、车门状态对列车运行影响测试、站台紧急停车按钮对列车运行影响测试、列车运行时系统的安全功能响应测试、车辆段信号系统降级测试等场景类测试案例，来验证ATP功能是否满足设计要求。对于ATO测试，主要通过列车区间正常行车作业测试、列车在站作业和列车出入车辆段测试来验证信号系统的ATO功能是否正常。ATS测试则主要是验证信号系统的扣车和停跳功能、时刻表功能以及与信号系统、电力监控系统、综合监控系统、火警报警系统等接口功能是否正常，包括列车扣车和停跳作业场景测试和OCC监控下的列车运行场景测试。

4 沙特麦加城轨铁路联调联试关键管控技术

联调联试的顺利实施，不仅需要先进、实用的测试技术，同时也需要与其相配套的管控技术，实现对联调联试工作的进度控制、质量 控制和安全控制，从而确保联调联试工作圆满完成。联调联试管控技术主要包括接口管理、现场协调、文档管理、计划安排和安全管理。

4.1 接口管理

接口管理以系统工程为理论基础，重点解决联调联试子系统功能优化和组织管理中的接口问题，逐步完成接口定义、接口识别、接口控制、接口状态管理，实现闭环管理，达到确保总体功能，有效控制工程进度、质量和成本的总体目标[10]。

（1）接口定义重点确定具有接口的联调联试相关方。沙特麦加城轨铁路联调联试相关方主要包括：联调联试的分包商、联调联试的总承包商、业主、业主代表、监理单位、咨询分包商、设计分包商、系统分包商、测试分包商、运营商以及其他第三方单位。接口定义需要确定各相关方之间是否存在接口，以及接口各种要素的传递方向。

（2）接口识别是对接口定义的功能细化，分别从接口编号、接口主体、接口功能、接口技术要求、接口管理要求、接口数据要求等方面，对每个接口进行识别和跟踪。

（3）接口控制明确接口识别的具体操作过程。接口控制在联调联试的性能参数类调试测试、运营场景类测试、运行参数类测试等各个阶段，对每一个接口的功能及接口起始时间、完成时间、实施过程，责任单位和责任人、配合单位和配合人，接口标准以及最终接口功能实施完毕后，各方确认的信息进行管控。

（4）接口状态管理是根据接口功能的完成情况，实时更新接口状态，便于直观、及时了解接口的闭环管理和控制的进展状态，加强对接口的管理与控制。

4.2 现场协调

联调联试的各项测试工作涵盖了土建、轨道、车辆、通信、信号等多个系统，需要建设单位、系统分包商、运营商等相关单位提供协调配合。现场协调主要需要解决3个方面的问题：（1）联调联试作业在时间上具有交叉性；（2）联调联试作业在空间上有冲突性；（3）联调联试作业在人员、设备、车辆资源占用上存在竞争性。

为了解决现场协调这3个方面的问题，主要采取以下3个措施：

（1）在联调联试现场协调的组织上，建立一个临时性的指挥机构，用以协调各相关单位之间的配合关系，对联调联试期间现场的各项工作进行统一协调。

（2）在联调联试的接管上，采用现场区域封闭管理，实现场地管辖权的接管。统一联调联试的指挥、安排，实现指挥权的接管。强化设备使用授权流程，明确设备使用权，实现设备使用权的接管。

（3）完善现场协调办法，提供完善的现场协调流程。实现现场协调的高效、有序进行，为联调联试的顺利进行提供必要保证。

4.3 文档管理

联调联试文档对于联调联试设计阶段、实施阶段、验收阶段的项目管理都有着非常重要的作用[11]。完善的文档管理不仅可以实现联调联试文档的图形化、编码化、动态化，而且可以确保联调联试期间完成的各项工作具有可追溯性，避免因文档缺失而对联调联试评估造成不利影响。因此，在联调联试文档管理过程中，应注意以下要点：编制和维护文档提交表，文档的格式化和编码化工作，建立文档审核制度，文档妥善保管和多重备份。

针对文档管理的要点，可以采用的具体措施主要包括：

（1）文档提交表中需要明确联调联试文档类型、提交时间、提交单位，确定各类文档负责人。文档提交表一般与联调联试大纲同期编制并一同发布，确保联调联试相关人员明确提交需求，避免提交的混乱与延误。

（2）联调联试文档高度格式化，确保由不同部门、不同人员在不同时期编制的联调联试文档结构一致。文档管理人员应根据工程实际需求，在与工程技术人员充分沟通的基础上，编制联调联试各类文档模板。

（3）为了确保联调联试文档质量，避免纰漏，始终贯彻文档审核制度。文档审核采用编制人—审核人—批准人三级管理制度。文档编制人负责对文档的编制以及根据审核人和批准人的建议对文档进行必要的修改。文档审核人负责对文档使用的数据、信息进行复核确认无误，对文档中不合适的表述提供修改建议。文档批准人在文档编制和审核的基础上，对文档的整体质量进行审核，确保文档满足联调联试合同及测试大纲的要求。

（4）文档不仅是联调联试过程的真实记录及评价的主要参考，文档中的各项关键信息也涉及到工程技术的保密问题。联调联试重要文档采用纸质文档与电子文档2种方式保存，按照规定设置文档的可编辑属性与使用权限，并进行多重备份，避免因失窃、病毒感染、电脑损伤造成文档丢失。

4.4 计划安排

联调联试计划是试验组织实施的准绳，也是现场开展各项试验的依据。计划管理遵循科学合理、内容完整、风险可控、时间冗余、闭环控制的原则，确保计划有序实施，具体措施包括：

（1）做好计划编制的准备工作。了解城轨铁路项目整体进程，熟悉联调联试整体思路，明确各项测试工作的测试需求，同时参加相关协调会议，进行实地踏勘，并借鉴其他项目的计划编制经验。

（2）编制总体计划，明确各个阶段主要工作的时间安排和资源配置。制定周计划，明确本周内联调联试里程碑时间、各项测试项目计划开展状况，预警易发事故及对人员、财产危害大的作业，调配测试人员及后勤保障要求等。根据试验进程和试验情况，编制日计划，实现对周计划的细化和加强，精确规定测试区域范围，安排行车作业，详细列出作业前初始准备需求、安全注意事项以及各涉及部门的联系方式。

（3）在进行冲突协调的过程中，优先调整对项目整体进度影响小、资源占用少、不涉及行车、没有平行作业的计划，通过调整作业时间、作业区域和取消冲突作业的方式，实现冲突协调。

4.5 安全管理

安全管理就是运用安全系统工程的原理和方法，对联调联试过程中可能存在的危险及可能产生的后果进行综合分析，并根据可能导致的事故风险的大小，采取相应的安全对策措施，实现工程、系统安全的活动。在联调联试过程中，必须采用必要的手段保证设备和人员安全，否则不仅会造成设备损坏和人员伤亡，也会导致联调联试工作的中断，影响项目整体进度。

（1）落实联调联试安全管理岗位责任制。项目总监对联调联试安全负领导责任，具体负责联调联试相关安全措施的检查落实和资金、设备的投入。项目经理是联调联试安全的第一责任人，对联调联试安全负全面责任，负责对现场安全管理各项措施的审批并领导现场各项安全工作的展开。安全质量组是专职安全管理的部门，负责结合测试工作和现场情况开展安全管理各项活动，进行现场的各项危害识别和风险分析，对参试人员安全装备的配备、使用、保养情况进行监督检查，跟进联调联试期间的各项安全措施的落实情况，并进行记录。各检测项目组设安全责任人，根据各项安全规章制度，开展本测试组内的日常安全管理。安全负责人需要及时掌握和了解本测试组负责的检测现场安全状况，及时发现安全隐患并上报。

（2）为将安全管理落到实处，要求安全管理人员定期到测试现场进行实地踏勘，了解实际情况、排查安全隐患，从而进行更切实际的风险分析及风险控制、制定并实施因地制宜的安全管理措施，从而尽量避免安全事故发生。

（3）借鉴各单位的安全管理方法、手段，完善自身的安全管理。了解其他单位发现的安全隐患，分析其对联调联试测试工作的影响。了解各系统设备运转、故障及故障处理情况，分析其对联调联试的影响。了解各相关方的安全防护措施，避免安全防护死角。针对重大的安全隐患，共同制定应急预案。

（4）在编制联调联试测试方案过程中，安全管理人员应参与其中，对测试方案进行安全优化设计和安全审核。选择安全性高的测试方法开展测试，合理确定测试区域与测试时间。认真审核防护措施有效性和安全管理人员职责的明确性。

5 结束语

通过对沙特麦加城轨铁路开展一系列性能参数类测试、运营场景类测试和运行参数类测试，全面检验了沙特麦加城轨铁路主要系统的联动功能和接口匹配关系，积累了适用于海外城轨铁路联调联试的工程实践经验。

（1）按照系统工程方法搭建了沙特麦加城轨铁路联调联试平台，重点考虑了需求定义、架构定义、设计定义、系统分析、系统实施、系统集成等技术环节，确定了采用性能参数类测试、运营场景类测试和运行参数类测试的架构形式。

（2）采用成熟、可靠的先进测试仪器和测试手段，在沙特麦加城轨铁路开展了包括限界检查、轨道不平顺动态检测、动力学性能测试、弓网受流性能测试、信号系统测试等多个系统以及系统间的联调联试，保证了测试数据的精度和准确性，降低了人力成本，提高了联调联试的效率。

（3）沙特麦加城轨铁路联调联试采用多种管控技术，包括接口管理、现场协调、文档管理、计划安排和安全管理等关键管控技术。明确联调联试各个接口关系，实现合理的进度控制，提升各项工作的可追溯性，完善安全防控措施，确保联调联试的有序、高效开展。

在现场全体测试人员的共同努力下，在各相关单位的大力配合下，有序开展沙特麦加城轨铁路联调联试，成功完成对沙特麦加城轨铁路整体系统的主要性能和功能的总体评价，为运营单位开展沙特麦加城轨铁路的试运营和正式运营工作提供了充分的技术支持，也为更好地开展国内外轨道交通联调联试工作，提供了有益的参考和借鉴。

[1] 王澜，姚建伟，陈源，等．城市轨道交通联调联试技术与工程应用[M]．北京：中国铁道出版社，2013.

[2] WALDEN D D, ROEDLER G J, FORSBERG K J, et al. INCOSE systems engineering handbook: a guide for system life cycle processes and activities[M]. New Jersey：John Wiley & Sons，2015.

[3] GB 146.2—1983 标准轨距铁路建筑限界[S]．

[4] 刘永中．地铁设备限界的检测方法[J]．隧道建设，2005，25(4)：70-71.

[5] GB/T 5599—1985 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S]．

[6] GB/T 21561.2—2008 轨道交通：机车车辆受电弓特性和试验：第2部分：地铁与城轨车辆受电弓[S]．

[7] EN 50317 轨道应用：集电系统受电弓和接触网的动力交互作用的测量要求及确认方法[S]．

[8] EN 50367 轨道应用：集电系统受电弓和接触网的动力交互作用的技术标准[S]．

[9] 林瑜筠．城市轨道交通信号[M]．北京：中国铁道出版社，2008.

[10] 侯卫星，王祖峰，姚建伟，等．高速铁路系统集成接口管理方法研究及工程实践[J]．中国铁路，2009(7)：7-13.

[11] 马章．麦加城轨铁路项目设计管理[J]．中国铁路，2012(2)：73-76.

责任编辑 李葳

Construction of Integrated Commissioning and Test Platform and Key Technologies for Mecca’s Urban Rail in Saudi Arabia

YAO Jianwei1，HOU Fuguo1，YAN Zhaojin1，CHEN Yuan2，ZHAO Xin1，CUI Xiao1
（1. China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Science and Technology Management Department，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

This paper presents the importance of integrated commissioning and test of urban rail and conducts a systematic analysis on the platform building process of the integrated commissioning and test platform for Mecca’s urban rail in Saudi Arabia, and offers a detailed summary of not only key test technologies such as clearance inspection,dynamic detection of track irregularity, dynamics performance test, current collection performance of pantograph and OCS and signal system test, but also key control technologies including interface management, on-site coordination, document management, plan arrangement and safety management. It also summarizes, in a systematic way, the experience of integrated commissioning and test for urban rail transit projects.

urban rail；integrated commissioning and test；system engineering；interface management

U239.5

A

1001-683X（2017）02-0026-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.026

2017-01-19

姚建伟（1958—），男，研究员。E-mail：yaojw@rails.cn