地铁信号系统室内集成测试方案优化

李 叶 崔海刚

（卡斯柯信号有限公司，200070，上海∥第一作者，工程师）

1 地铁信号系统简介

地铁信号系统在为城市轨道交通系统提供充足、准时的交通运输服务及信息的同时，也确保了乘客和设备的安全。目前，市场上大多采用基于通信的列车控制（CBTC）系统作为地铁信号系统，如图1所示。图1中，列车自动监控（ATS）子系统负责地铁时刻表管理以及监控线路信号和列车运营状态；列车自动控制（ATC）子系统负责控制列车和轨旁区域，以优化列车的运营、防护列车的运行及保证乘客的安全。ATC子系统由车载ATP（列车自动防护）、车载ATO（列车自动运行）和轨旁ATC组成。计算机联锁（CI）子系统控制并操作轨旁设备，以形成并保护列车的安全进路。信号维护支持（MSS）子系统监控信号设备状态，为信号系统提供维护。数据通信子系统（DCS）负责各子系统之间的信息传输，且每个子系统均与DCS相连。

图1 地铁信号系统组成

2 地铁信号系统室内集成测试

2.1 室内集成测试目的

地铁运输涉及行车及旅客的生命安全，因此地铁信号控制系统必须具备高度的安全性和可靠性。地铁开通前必须对地铁信号控制系统进行完整测试，及时消除可能存在的隐患。在整个地铁信号系统应用项目中，室内集成测试在项目实施的生命周期模型中起着重要的作用。一方面，将现场联调联试中的大部分测试提前到室内进行，使得现场联调联试的效率得以提高，节约项目成本；另一方面，在室内进行模拟列车运行测试并通过后，再发布到现场测试，为现场调试人员提供了安全保障。

2.2 室内集成测试流程

地铁信号系统作为一个大的集成系统，为确保其安全稳定运行，在交付运营前必须进行深入测试。室内集成测试通常分为多个级别，如各子系统的测试、各子系统之间的集成和确认测试以及现场联调联试。统计表明，后一级的测试与前一级的测试相比，发现和修复一个缺陷的平均成本要提高10倍。因此，室内子系统和系统级的测试应尽量完整覆盖所需测试的功能，尽可能将较少的问题遗留到现场的联调联试中，从而极大降低故障定位及缺陷修复的成本。

图2 地铁信号系统项目流程图

地铁信号系统项目流程如图2所示。由图2可知，项目合同中的通用功能可分配到通用信号系统中，由通用信号系统的需求、设计、开发以及系统测试完成。项目合同中需要特殊设计的部分由项目需求、设计、数据以及项目层面系统测试完成。

图2中的深色区域为系统集成和确认测试阶段，主要包含系统集成和确认测试、系统点对点测试及系统测试。此阶段是将地铁信号发布至现场的最后一个室内把关环节，因此对于项目实施具有重要意义。

3 地铁信号系统室内集成测试方案

地铁信号系统需要正常运行，必须与其他相关设备相连接进行信息交互。在室内进行测试，无法使用真实的轨旁信号设备以及地铁车辆，因此需要搭建地铁信号系统室内集成仿真测试平台。该平台亦称为工厂集成确认测试平台（FIVP）。本文基于此平台对室内集成测试方案进行设计实施。

3.1 室内集成测试现有方案

3.1.1 测试系统结构

地铁信号系统室内集成测试平台结构如图3所示。图3中，SIB表示仿真集成平台，该平台主要模拟车站信号设备（包括隔断门、信号机、道岔及轨道等）、车辆、天线、信标以及编码里程计，并与CC（车载控制器）、轨旁ATC和CI子系统进行信息交互。

图3 地铁信号系统室内集成测试平台结构

本测试系统所使用的信号子系统设备包括CI设备、本地ATS设备、现地工作站（HMI）设备、中心调度台（GPC）设备、维护诊断终端（SDM）、中央ATS设备、区域控制器（ZC）设备、线路控制器（LC）及CC等。该平台所有设备和网络配置均与现场一致。

3.1.2 测试平台硬件结构

FIVP由SIB与真实被测系统共同构成。其中，SIB硬件结构由真实列车SIB、Remote I/O SIB（联锁输入/输出仿真）和sim SIB（运算仿真平台）3部分组成。

（1）真实列车SIB：在该平台中，信号系统的CC安装在地铁列车上（2个车头各安装1个）。与CC接口的设备包括驾驶台及继电器、编码里程计、信标天线、串口网络、模拟量输出等。真实列车机柜内包含128位离散RX卡、128位离散TX卡、编码里程计和天线卡、PMC（外设部件互联标准夹层卡）及其他板卡等。

（2）Remote I/O SIB：在实际应用中，联锁机柜的输入变量采集板卡和输出变量驱动板卡需要与继电器机柜连接。继电器处理的信号有：信号机、道岔转辙机、计轴、站台屏蔽门、防淹门、LEU（轨旁电子单元）、IBP（应急后备操作盘）等。

（3）sim SIB：主要由RTFE（实时前端运算设备）、RTS（实时监控设备）、SC（控制台计算机）、GCMC(主配置管理控制台)、I/O boards(输入/输出板)、Conditioning rack（输入/输出机笼）以及 IRIGB synchronization（串行时间同步）等设备组成。

FIVP通过以太网将以上设备连接在一起，其数量可配。sim SIB使用了1个真实列车机柜实现了以上设备与CC接口的I/O boards信号的模拟。SIB通过Remote I/O机柜模拟联锁码位的输入/输出。Remote I/O机柜包含128位离散RX卡和128位离散TX卡。真实列车机柜和Remote I/O机柜处理以上所有的变量信息，再作为一个同步节点将所有信息同步到整个平台网络中。

目前，卡斯柯Urbalis 888地铁信号系统中，sim SIB使用了4块用于运算的RTFE（实时前段计算设备），该平台通过I/O boards与Conditioning rack相连，并通过IRIG-B synchronization进行时钟同步；另外，该平台还包括4个SC和1个RTS（亦称GCMC），以上设备可用于查看和操作变量。sim SIB通过内部的同步机制将各个子设备的状态通过网络实时同步，一个RTFE设备可以获取其他RTFE上的模型变量，也可以修改模型变量并实时同步给其他设备。在SC和GCMC设备上也有实时运行的应用程序和应用脚本，可以获取RTFE上的变量状态，也可以修改相应的变量状态。SIB在以上3部分的协同下完成了地铁轨旁设备、真实车辆接口的模拟以及相关运算。因此，地铁信号系统与SIB协同即可模拟真实地铁运行场景。

3.1.3 测试平台软件结构

在以上FIVP硬件结构的基础上，测试平台通过模拟设备的形式处理联锁和CC的输入输出。其中，SD（模拟设备分配）定义了测试平台中所有的模拟设备，如信号机、轨旁信标、道岔转辙机、计轴、站台屏蔽门、紧急停车按钮及车辆等；ICD（接口定义）针对每一类设备定义了其所包含的输入/输出变量码位及码位的类型；Association File（针脚文件）定义了具体码位在测试平台中的具体针脚；Lua脚本（脚本编写）负责编写码位的逻辑，即模拟具体设备处理变量的逻辑，如车辆电路逻辑、信号机点灯逻辑、站台屏蔽门开关门逻辑及编码里程计速度变化逻辑等，其涉及的逻辑较通用。此外，亦可使用动态库文件进行批量处理。

3.1.4 测试内容

地铁信号系统FIVP的测试内容包括：

（1）系统集成和确认测试。在通用信号系统发布之前，需进行系统集成和确认测试。本测试可确保各子系统之间各接口协议的正确性，以及各子系统集成后的系统功能、性能及冗余性均满足通用系统需求。

（2）系统点对点测试。本测试可确保项目各子系统之间数据网络接口的正确性。测试内容包括ATS-CI、ATS-LC、ATS-ZC、CC-CI、ZC-CI以及MSS-ATS、MSS-ATC、MSS-CI等。根据系统点对点测试规程，通过触发网络码位的发送条件来测试相应的接口数据。

（3）系统测试。本测试主要使用项目特定配置对系统的基本功能以及与配置相关的功能进行测试，确保在项目特定配置下系统可以满足功能、性能以及冗余要求。系统测试内容包括项目配置的CBTC进路、后备模式进路、折返、扣车和跳停等一系列功能的遍历测试，以及部分降级测试和项目特殊功能测试，如带通信的后备模式、测试站台屏蔽门和紧急停车按钮的特殊处理等。

以上所有的测试内容均可以覆盖现场调试内容的70%。既有数据和软件内存在的问题需在现场实际调试的过程中发现。测试一个简单的码位通常需要多名工作人员在列车上、车站设备室、中心调度工作室进行通力合作、反复检查才能够确认。在室内执行的系统测试一方面可以减少人力成本，另一方面可以缩短测试所需时间，同时测试中发现的问题在室内即可得到解决，也保证了现场调试的安全。

3.2 室内集成测试优化方案

现有室内集成测试平台及方案虽可以满足室内功能测试要求，但随着近年来项目的增多以及测试平台的需求增加，测试平台需要多台硬件机柜搭建组成，因此一方面需要巨大成本，另一方面对空间的要求亦日益增大。另外，测试平台一次仅能测试两个联锁集中站，对于每个都有十几个联锁区的项目而言，每次更换测试平台的软硬件环境将花费大量时间，同时由于缺乏相邻的联锁区环境，大部分测试场景无法执行，导致测试场景单一、测试效率不高。因此，针对测试平台的虚拟化改进亟待解决。

3.2.1 优化测试系统结构

虚拟化系统集成测试平台将原先运行在板卡中的RTFE运行在工控机和虚拟机内，通过配置Vsphere（多虚拟机）管理系统，将所需的虚拟机全部运行在同一台服务器中。同时各个子系统的模拟亦都尽量实现虚拟化。虚拟化系统集成测试平台结构如图4所示。

图4 虚拟测试平台结构

（1）原有的CC不仅占用大量空间，同时需要一个真实列车机柜来处理CC的输入/输出码位。虚拟化的CC使用Host（主机）技术，将运行在Linux系统板卡中的ATP和ATO软件运行在Windows XP虚拟机内，且将实体的DMI（人机界面）亦运行在Windows XP虚拟机的DMI模拟软件中，同时通过平台定义与Host CC通信的输入/输出网络通信协议来处理CC与测试平台输入/输出接口问题。

（2）ZC/LC通过运行在虚拟机服务器中的Windows XP上的Host ZC/LC软件调用项目的ZC/LC数据，实现ZC/LC的模拟，以代替实际的2003机柜。

（3）ATS设备可运行在虚拟机内，统一由vSphere服务器管理。

（4）CI的虚拟化实现方式比较复杂，采用联锁子系统测试的CITB（CI测试平台）技术，即使用1块VLE（联锁运算）板卡模拟整个联锁软件的数据逻辑，用CITB上位机软件处理与联锁下位机的输入/输出通信，同时开发了联锁上位机与测试平台通信的接口协议，这样CITB上位机就可以与测试平台交互联锁的输入输出信息。由于CITB上位机软件支持多站同时使用，故其在实际使用中可以搭建多个站的CITB环境。

虚拟化系统集成测试平台极大地节省了测试平台的费用及所占用的空间，同时多站的测试环境亦可以节省搭建环境的时间。该测试平台系统环境较齐全，可实现较多场景的测试，在丰富测试场景的同时亦可以提升测试效率。

3.2.2 其他可优化的测试内容

（1）点对点测试。ZC-CI、CC-CI等点对点测试可以在虚拟化测试平台自动化执行，通过日志的自动记录和自动比对，实现大量点对点码位的自动化测试，可以提升30%的效率。

（2）系统测试。FIVP系统测试平台引入了多站的虚拟联锁环境，大大提升了测试效率。在多站环境的支持下，完成首轮系统测试的时间比原来缩短了30%。同时自动进路触发、计划车及全线跳停等功能亦可在同一个场景下直接完成。

4 结语

本文介绍了目前地铁信号系统室内集成测试方案的硬件平台以及测试内容，并在此基础上提出了虚拟测试平台的优化方案。FIVP测试平台通过模拟轨旁设备和车载设备的码位变量以及动作行为，补足了室内信号系统测试缺少的设备，使得室内的测试环境尽可能接近现场的真实环境，这样室内针对信号系统软件数据的测试就能代替现场调试相当大一部分内容。这套方案在已投入运营的地铁线路上得到了验证，大大减少了现场联调联试的成本，为地铁的高质量、高效开通打下良好基础。

［1］ 杨金让.高速铁路通信、信号系统联调联试方案的探讨［J］.价值工程，2015（9）：91.

［2］ 李启翮.一种信号设备功能测试系统方案的研究［J］.铁路通信信号工程技术，2010（8）：29.