轨道交通网络控制系统产品化过程创新实践

宋冠蕾

摘要：轨道交通网络控制系统产品化过程的优化创新是提升轨道交通车辆产品质量和运行安全性的关键。现有轨道交通网络控制系统产品化过程的检验成本较高，检验结果一致性较差，检验效率较低，且不能有效保证不同类型的网络产品之间的互联互通。本文对LIMS与PLM、MES、QMS等多信息化系统的融合进行了研究，形成了检验信息标识及语义规范、自动化检验过程和试验验证数据库等3项基础标准和对应的技术线路，实现了产品全生命周期的智能化管控，有效解决了现有产品化过程的各种弊端，构建了一种新型轨道交通网络控制系统产品化平台，并在动车、机车、城轨等项目上大量应用，取得了良好的经济效益。

Abstract： Optimization and innovation of productization process for the rail transit networked control system is the key for improving the product quality and the operating safety of the train. In productization process of the existing rail transit networked control system， the testing cost is expensive， the consistency of the testing results is poor， the testing efficiency is low， and the interconnection between different type of the networked control system cannot be guaranteed. In this paper， the fusion among the informatization systems of LIMS， PLM， MES， QMS and so on is researched， three standards based on the testing information identifier and semantic specification， the automated testing process， and the verify database are set， the related technical roadmap is also formed， the product life cycle intelligent management is realized， then the drawbacks of the existing productization process are overcome. Finally， a new-type productization platform for the rail transit networked control system is constructed， which is largely used in the programs of bullet train， locomotive and urban rail， and makes the good economic benefits.

关键词：轨道交通;网络控制系统;产品化;检验

Key words： rail transit;networked control;productization;test

0  引言

轨道交通网络控制系统被称为列车的“神经系统”，是高速动车、机车、城市轨道交通车辆的核心系统之一[1]，主要用于实现整车的控制、状态监视和故障诊断等功能，其设计开发、生产制造、试验验证、质量检测和装车运维等产品实现全过程的不断优化创新，对进一步提升系统产品质量和列车运行的安全性至关重要[2]。

根据《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》的规划和《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中“先进轨道交通装备及关键部件”的创新发展工程要求[3，4]，按照供给侧结构改革的总体部署，坚持问题导向的思路，着力解决和突破轨道交通网络控制系统产业高质量发展中的突出问题和瓶颈。

为此，本文开展基于实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS）与产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、质量管理系统（Quality Management System，QMS）等多信息化系统融合的研究，针对轨道交通网络控制系统产品实现全过程，提炼设计、制造过程中的关键检验所需信息，并定义信息的标识及语义规范;优化试验验证过程中的检验内容、检验方法和检验判据，提升质量检验效率和产品合格率;构建系统产品试验验证信息数据库，升级装车运维保障，支持基于大数据对同一类系统产品的一致性和互操作性进行智能化评估，形成3项基础标准，完成LIMS與PLM、MES、QMS等信息化系统的无缝对接，实现产品全生命周期的智能化管控。

1  现有产品化过程的不足

目前，轨道交通网络控制系统产品化相关环节的流程如图1所示。

图1中，设计人员首先运用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件完成产品设计后进入制造环节，制造部门根据MES系统的资源调度完成生产制造;设计部门随后根据产品检验需要制定试验大纲并提交至PLM系统审核;审核通过后，将最终的试验大纲打印并提交至检验部门的LIMS系统进行检验业务申请，样品管理员进行产品收样;检验部门将根据收样产品的特征设计接口夹具，制定通信协议，将样品信息手动录入LIMS系统开展试验，每完成一个项目，需进行手动切换线路操作;试验完成后，试验人员整理测试数据，手动出具检验报告;如果检验结果不通过，需将样品故障信息手动录入QMS系统，由QMS系统组织进行失效原因分析，如果检验结果通过，则样品可提交给客户装车使用。

上述轨道交通网络控制系统产品化过程存在以下缺陷：

①未形成一整套规范化的信息化手段将产品设计和制造过程中的关键检验所需信息完整、有效地传递到检验环节，影响检验结果的录入效率;此外，在产品出现故障时，由于检验所需信息的不完整性，不利于产品的故障定位，也不利于后续产品设计和制造的改进升级。

②目前产品的试验大纲主要参照国际标准或国家标准制定，标准只对产品的关键检验项目和通过性判据进行了明确规定，而对各检验项目的具体检验方法未进行详细描述，各厂商在检验实施过程中因存在的个体差异，导致检验通过的产品装车后仍存在互联互通方面的问题。

③测试系统与被测产品之间缺乏统一的电气接口和数据通信接口规范，对于不同类型的产品，往往需要单独制定配套的测试夹具和数据通信协议，检验成本较高，检验结果的一致性较差。

④产品检验过程需要人工进行频繁的接换线操作，不同检验人员的操作差异容易对检验结果的准确性产生影响，检验数据需要手动整理形成检验报告，检验效率较低。

⑤装车运维人员缺少一种有效的方式及时获取产品的完整检验信息，软硬件版本的可追溯性差;对于同一列车中不同类型网络产品之间的差异是否会影响互联互通也缺乏有效的分析手段。

2  产品化过程创新设计

基于现有轨道交通网络控制系统产品化流程的不足，本文提出一种新型轨道交通网络控制系统的产品化全生命周期流程，并构建支撑该流程的创新技术线路，形成相关技术基础标准。

2.1 新型产品化过程

以优化现有轨道交通网络控制系统产品化流程为目标，新型轨道交通网络控制系统的产品化流程如图2所示。

图2中，预先提炼产品设计过程中的硬件信息（关键容器、硬件版本等）和软件信息（软件版本、设备类别等）以及制造过程中的生产信息（生产工艺、批次等）等关键检验所需信息;在试验验证过程中套用标准试验大纲模板，采用统一的测试夹具和数据通信协议，对样品信息自动导入，并自动生成测试报告和存入数据库;在产品装车维护过程中，支持检验信息的查看，可基于大数据对同一类系统产品的一致性和互操作性进行智能化评估，有效提升了轨道交通网络控制系统产品化过程中的检验效率和检验结果的一致性，降低了检验成本，同时又能快速分析出不同类型的网络产品之间是否可进行互联互通。

2.2 创新技术路线构建与标准形成

以产品化过程中的质量检测为基础导向，提高系统产品质量为基本目标，构建的新型轨道交通网络控制系统的产品化创新技术线路如图3所示。

图3中的创新技术线路具体原理如下：

①对轨道交通网络控制系统产品化检验结果标识需包含的关键设计与制造信息进行调研分析和提炼，在其开展试验验证前分阶段输入这些关键信息，对各信息的标识及语义进行规范，制定《轨道交通网络控制系统检验通用信息标识规范》。

②分析研究现有列车网络通信标准，对MVB、WTB、ECN、ETB、网络终端设备的试验内容、试验方法、判决条件进行优化，制定《轨道交通网络控制系统智能制造质量保证通用技术条件》。

③对轨道交通网络控制系统产品与自动化检验系统之间的物理接口与数据通信接口进行调研分析，制定《轨道交通网络控制系统自动化检验通用接口和数据规范》。

④依据《轨道交通网络控制系统智能制造质量保证通用技术条件》的检验要求，对新型产品化平台进行需求分析、方案设计、平台建设，采用模块化协议分析仪、示波器、网分仪等完成平台的搭建。

1）通过设计通用测试夹具，分路被测样品网络中的信号，实现满负荷数据包捕获及分析，并采用防闪断设计，设备操作不会对被测网络造成影响;

2）利用FPGA模块实时解码MVB/WTB数据帧并检测样品网络中的错误帧;

3）基于虚拟仪器技术完成控制逻辑设计，实现电气特性测试及诊断;

4）通过开展Wireshark二次开发研究，实现对ETB（以太列车骨干网）、ECN（以太编组网）等铁路专有以太网协议的实时解析;

5）开展LabVIEW软件开发研究，实现仪器的自动控制、按照标准要求制定并执行测试计划、自动采集测试数据并出具报告等功能。

⑤通过持续产品化的标准验证和平台验证，构建轨道交通网络控制系统理论体系和关键技术平台，进行系统级数学建模和仿真分析，促进标准的国际化应用和产品化技术的升级换代。

3  实践结果

为实现新型轨道交通网络控制系统产品化过程的工程化应用，构建对应平台可达到的技术指标为：

①波形测量带宽：≥1GHz;

②波形存储深度：≥8M;

③波形测量时基精度：≤1ns;

④波形测量电压测量范围：≥5V;

⑤网络分析仪频率：≥4GHz;

⑥網络分析仪频率准确度：≥1%;

⑦网络分析仪输出电平平坦度误差：≤1dB;

⑧网络分析仪输出电平线性度误差：≤1dB;

⑨网络分析仪轨迹噪声：<0.006dB rms;

⑩信号输出频率：1kHz～20MHz;

{11}信号输出电压：≥5Vrms;

{12}信号生成存储深度：≥64kbits;

{13}以太网性能测试：10M/100M/1000M带宽，可进行吞吐量测试、丢包率测试、时延测试、背靠背测试等。

4  社会经济效益

4.1 提升试验验证效率

本项目消化吸收智能制造相关技术及理念，通过打造“三个标准、两个平台、一个应用”，实现轨道交通网络控制系统智能制造检验评价环节检验效率的提升。经过技术研究及试验论证，本产品化平台全面完成，并于2017年底获得验收通过。

驗证试验平台完善了原有TCN一致性测试平台的检验能力，提升了平台智能化程度。支持样品信息扫码导入、试验过程自动执行、试验结果短信实时通知，原始记录和报告自动生成等功能。基于检验完成后自动打印的二维码信息，支持授权用户利用LIMS检验业务APP在移动端扫码查看报告详情的功能，极大地缩减了检验人员整理原始记录和报告的时间。使检验人员可以将更多的精力从执行例行试验任务中解放出来，人员将能够专注于创新、增值的活动，提高服务效率和智能化水平。项目搭建的出厂试验平台提升出厂检验效率提升30%-60%，在生产线上推广运用后，预计可节约生产检验成本约20000元/月。

4.2 示范推广效应

项目根据《轨道交通电子设备列车通信网络（TCN）》系列标准提出了试验方法、试验条件和判定准则，应用新建成的轨道交通网络控制系统试验验证平台，对新研发的轨道交通网络控制系统进行测试、试验与验证，并开展对验证平台和试验标准技术进行应用推广工作，确保我国轨道交通列车网络控制系统的技术、质量与可靠性达到国际先进水平。

通过本项目提出的试验方法、试验条件和判定准则，应用新建成的轨道交通网络控制系统试验验证平台，对新研发的轨道交通网络控制系统进行测试、试验与验证，并开展对验证平台和试验标准技术进行应用推广工作，可确保我国轨道交通列车网络控制系统的技术、质量与可靠性达到国际先进水平。

本项目提出的系列试验方法、试验条件和判定准则，可有效提升轨道交通网络控制系统检验效率和产品质量，提高各厂商生产的轨道交通网络控制系统的一致性、互操作性，规范轨道交通网络控制系统检验信息输入、质量考核方式、网络控制系统与自动化检验系统之间的物理接口、数据通信接口等信息，指导各厂商遵循统一规范完成完整的网络产品性能考核，有效提升检验效率。

综合以上，轨道交通网络控制系统应用标准试验验证对于我国轨道交通网络控制产业的提升具有重大的里程碑意义。

5  结论

针对现有轨道交通网络控制系统产品化流程的不足，本文对各信息化系统间复杂的业务流和数据流进行梳理，依据现有系统功能进行匹配，对业务范围进行界定，在此基础上进行整体信息化规划和顶层设计，使得各信息化系统接口良好对接，形成了3项创新基础标准，构建了一套新型轨道交通网络控制系统的产品化平台，实现产品设计开发、生产制造、试验验证、质量检测和装车运维的全生命周期智能化管控，满足了列车网络控制系统产品批量生产的要求，实现了显著的经济效益。

然而，新型产品化平台对如何减小自动化测试系统引入误差，如何保证自动化测试软件的准确性，如何分析系统不确定度评定的准确性及有效性等需要进一步改进;此外，影响轨道交通不同类型网络控制系统之间互联互通的因素非常多，对所有可能的影响因子进行收集罗列有一定的难度，各影响因子的互操作性权重设定也是一大难点，也需要进一步突破。

参考文献：

[1]唐献康.列车网络控制系统RAMS协同设计方法研究[D]. 大连：大连理工大学，2017.

[2]卢海林，吴泰峰.轨道交通综合监控系统实验验证平台设计方案及测试[J].数字技术与应用，2017（6）：176-178.

[3]工业和信息化部，国家标准化管理委员会. 国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）[R].工信部联科[2018]154号， [2020-01-09].www.gov.cn/xinwen/2018-10/16/content_5331149.htm.

[4]国务院.“十三五”国家战略性新兴产业发展规划[R].国发[2016]67号， [2020-01-09].www.moe.gov.cn/jyb_sy/sy_gwywj/201612/t20161220_292496.htm.