城轨列控系统完全自主化关键要素分析

刘果 谢胜茂 周在福

摘 要：基于国内外形势和国内需求，首先分析城市轨道交通实现自主化的可行性和必要性;然后分析城市轨道交通列车运行控制系统完成自主化的关键要素，包括工程设计、产品设计、安全与质量管理、项目管理等，并提出完全自主化亟待突破点及建议;最后展望可以利用人工智能、大数据、云计算、物联网、5G等技术做好全生命周期的智能化建设，以推动城市轨道交通由高速发展向高质量发展转变。

关键词：城市轨道交通;列控系统;自主化;关键要素;突破点;建议

中图分类号：U213.9

进入21世纪，特别是2010年后，我国城市轨道交通（以下简称“城轨”）飞速发展，据不完全统计，截至2019年12月31日，我国内地共有40座城市建成并投运城轨线路6 730.27 km;2000年—2019年，仅北京地铁开通的运营新线就有21条，增加运营里程645km，是前30年的12 倍，年客运量也已经增加到38 亿人次以上。城轨装备产业是国家战略性新兴产业高端装备制造业的重点内容，而控制列车运行的大脑——列车运行控制系统（以下简称“列控系统”）是关键核心之一。从发展历程看，我国城轨的快速发展过程也是列控系统自主化程度不断加深的过程，但在核心装备自主化方面仍然有很长的路要走;以列控系统为代表的核心装备完全自主化研制对于支撑行业未来可持续发展及保障信息安全、经济安全尤为关键。

1 自主化可行性和必要性分析

无论是从城轨线路数、总建设里程数还是年客运量来看，我国已经成为当今世界最大的城轨市场，但是与国内其他行业一样，城轨交通领域也面临着无法完全自主化的痛点，因此可能会引入潜在的信息安全和经济安全风险。表1列出了近几年几起国外重要基础设施信息安全事故。

城轨属于关键基础设施，安全防护至关重要。如果不实现自主化，类似的事故可能会发生在我国的轨道交通行业，而列控系统作为控制列车运行的“大脑”极有可能受到网络攻击。

除了受到网络攻击的风险外，由于目前我国系统中所用的核心组件大量采用国外的元器件、操作系统等，一旦相应国家对我国实行禁运，很多企业都将面临“巧妇难为无米之炊”的尴尬境地。近年发生的中美贸易争端，尤其是“中兴事件”和“华为事件”，切切实实给国内各行各业一个教科书式的教训。如何不被这些国外组件制约，也是列控系统自主化需要解决的问题。

国家一直在鼓励国内相关单位进行自主创新，2006年中华人民共和国国务院印发实施国发[2006] 6号《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）若干配套政策的通知》;2013年正式提出自主可控概念;从2013年开始，习近平总书记在各种重要场合强调“自主可控”的讲话多达7次以上;2020年3月，中国城市轨道交通协会正式发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》。从国家自主化发展历程看，我国从1999年开始陆续经历了实验室可用，勉强能用，能用可用到目前好用愿用的阶段;我国城轨建设项目也经历了从国内企业牵头，整套引进，到采用国产部分子系统配套集成，再到国内企业能提供完整的列控系统的阶段。

城轨的自主创新已经从国产化迈入了自主化阶段，无论是在客观上还是主观上，我国城轨列控系统都已经具备完全自主化的动力和能力。

2 列控系统自主化的关键要素分析

列控系统自主化贯穿于产品设计、产品测试、工程设计、系统集成与项目管理等系统的全生命周期，并与产品的安全、质量与配置管理直接相關，客观上要求列控系统的供货方能在全生命周期范围内持续提供产品和服务，并能抵御来自外部的安全风险。

2.1 产品设计

产品设计是将用户需求转变为产品需求，从而传递到整个产品的设计开发过程中。产品设计自主化包括系统设计自主化、硬件设计自主化、软件设计自主化和工具设计自主化，是整个列控系统自主化的最关键要素。

（1）系统设计自主化。应具备从场景分析、系统需求分析到系统架构设计的能力，并具备系统持续优化和演进的能力。

（2）硬件设计自主化。应具备整机设计、单板设计、元器件选型的能力，原理图和印制电路板（PCB）可修改优化，产品的可靠性和可制造性可预测。

（3）软件设计自主化。应具备安全平台和业务的设计实现能力，尤其是安全机制和安全通信协议;源代码可改、可审、可测。

（4）工具设计自主化。应具备配套工具的设计实现能力，可根据项目设计和项目交付过程特点进行效率提升和质量提升方面的优化，工具（含软件和硬件）应可信、可控。

随着列控系统自主化程度的推进，国内很多企业已经具备系统设计、软件设计和工具设计完全自主化的能力，但是在关键零部件和基础软件选用上还无法做到完全自主化。

2.2 产品测试

测试是为了验证产品设计实现是否符合预期，测试的有效性和充分性可以大大减少后期返工的工作量，测试自主化包括测试设计自主化、自动测试自主化、底层测试自主化和故障注入测试自主化。

（1）测试设计自主化。应具备搭建完整的真实或仿真测试环境，以及完成产品测试、工程测试、型式试验的设计能力;测试用例应透明、可审。

（2）自动测试自主化。应具备测试环境（含自动化测试）持续优化的能力。

（3）底层测试自主化。应具备白盒/灰盒测试能力，测试覆盖率应可获得。

（4）故障注入测试自主化。应具备模拟硬件故障和模拟程序变量突变的能力，通过这种故障模拟注入，获得系统在异常条件下的反应。

国内信号企业在参与城轨项目建设和自主化过程的同时也积累了大量的测试经验，这些经验使得我国很多企业已经具备了列控系统产品测试完全自主化的能力。

2.3 工程设计

工程设计着重解决与运营方、建设方和设计院充分沟通的问题，理解并澄清用户的原始需求，设计符合用户需求的列控系统项目，包括合同谈判与分析、设计联络、场景分析和特定应用设计。

伴随着国内城轨的高速发展，国内很多企业积累了丰富的工程设计经验，这些经验使得我国很多企业已经具备了列控系统工程设计完全自主化的能力。

2.4 系统集成与项目管理

随着新技术的不断涌现，列控系统也在不断地更新发展，各种新的信息技术在列控系统中得到集成应用，如大数据、云计算等。目前，城轨行业内还没有一个厂家能将这些新的技术全部掌握，也不可能都自己生产与这些新技术相关的产品并应用到列控系统中去，因此要不断提高列控系统的自主化水平，系统集成与项目管理的能力就尤为重要。

国内的信号企业参与到城轨机电建设基本上都是从系统集成和项目管理开始的。经过大量项目的实施，国内已有很多企业具备系统集成和项目管理完全自主化的能力。

2.5 安全、质量与配置管理

安全管理包括对产品或项目进行危害分析，提出安全需求，进行安全审计和安全分析的过程，一般也包括产品可靠性、可用性和可维护性（RAM）分析的过程。

列控系统是一个关系民生的高安全产品，其自主化需要做到对安全需求的理解、掌握自主化，安全原理设计及安全风险分析自主化，安全审计、安全认证国产化，即列控系统的安全保障要掌握在“自己”手中，不受国外厂家或机构的制约。中国国家认证认可监督管理委员会2019年印发的《城市轨道交通装备产品认证实施规则》为城轨自主化发展提出了产品认证的要求，也为安全管理自主化提供了认证依据。企业内部应具备通过认证审查的安全管理体系。

质量与配置管理包括对产品或项目进行质量管控与配置项管理。企业内部也应具备经过认证审查的质量管理体系，并配备专门的质量管理团队。为保证质量和配置管理的完全自主可控，企业的版本管理服务器应部署在国内。

3 完全自主化亟待突破点及建议

虽然我国城轨领域已经度过了国产化阶段，正处于自主化阶段，但是与国内其他行业面临的问题一样，在关键零部件和基础软件选择上还无法完全自主可控，还有待突破。

3.1 关键零部件

关键零部件是整个系统的“心”，如高性能中央处理单元（CPU）/图形处理单元（GPU）、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）。尤其是CPU芯片，它是完全自主化最关键的一环，整个软件生态都建立在底层CPU架构之上。

目前国内产品用的比较多的CPU芯片架构有X86、ARM、PowerPC和MIPS。经过近些年的积累，我国也涌现了一批对应的自主化CPU厂商，根据不同的CPU架构，这些国内代表企业分类如表2所示。

GPU和FPGA也有对应的国内代表企业，如紫光国威、安路科技、景嘉微等。

虽然这些自主化关键芯片与国外最新芯片还有一些性能差距，但是已经处于好用阶段，可以选择国产化的关键零部件进行替代。

3.2 基础软件

基础软件是整个系统的“魂”，如操作系统、数据库。它是整个自主可控产品中另一个重要部分，整个应用软件生态都建立在其架构之上。

对于基础软件，可以采用“开源软件+国产自主”基础软件的策略，在选择合适的授权开源软件之后可逐步转为自主可控。国内很多基于开源软件和国产化基础软件的产品已经得到了实质性的验证，可供选择的基础软件也比较多。其中，国产化操作系统软件有NeoKylin（Linux）、深度Linux、SylixOS、Reworks、RT-Thread、LiteOS、AliOS等;国产化数据库软件有AliSQL、GaussDB等;开源数据库软件有Sqlite、MySQL等。另外，部分开源大数据平台也能替代数据库软件。

4 展望

正如《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》提出的，城轨“担当”的主要工作路径是智能化和自主化两手抓。未来中国城轨列控系统将在自主创新的基础上，通过持续不断的智能化建设，打造以数字化、网络化、智能化为特征的新一代中国式智慧型城市轨道交通建设平台，最终推动城轨由高速发展向高质量发展转变。

随着人工智能、大数据、云计算、物联网、5G、区块链、卫星通信、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、机器视觉、生物识别等新兴信息技术的应用成熟，城轨列控系统完全可以利用这些技术做好全生命周期的智能化建设：

（1）在产品设计阶段，利用人工智能、物联网、5G、卫星通信、机器视觉、生物识别等新兴信息技术，设计出更加智能化的产品，优化列车运行控制、强化运维安全和运输组织;

（2）在产品测试阶段，利用大数据、云计算、物联网、5G、VR/AR等新兴信息技术，探索新的实验室测试框架，实现“零現场测试”和远程测试;

（3）在工程设计阶段，利用人工智能、大数据、云计算等新兴信息技术，形成端到端的一体化自动设计工具、标准化操作规程，简化验证和授权流程，提高互操作性。

参考文献

[1]中国城市轨道交通协会. 中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[G] .北京：中国城市轨道交通协会，2020.

[2]赵天时，孙超，郎学伟. 城市轨道交通装备产品认证实施规则特定要求—城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）规则解读[J].现代城市轨道交通，2019（8）：106-111.

[3]郜洪民，宾海丰，付连著. 我国城市轨道交通信号技术自主化发展策略探讨[J].城市轨道交通研究，2012，15（4）：4-7，23.

[4]张晓丽. 城市轨道交通CBTC系统互联互通的重要性[J].科学咨询，2019（22）：167.

[5] 张晓清，龚波，田丽韫，等. 国产自主可控应用性能优化研究[J].软件，2015（2）：5-9.

[6]江明，王建敏. 自主化CTCS-3级列控系统技术创新及装备研制[J].铁路通信信号工程技术，2018，15（4）：1-4.

[7]丁树奎. 建设示范工程，推进北京轨道交通设备核心系统的国产化和自主化[J].现代城市轨道交通，2011（6）：20-24.

[8]孙中婵. 自主可控系列产品标准正式实施[EB/OL].（2019-04-04）. https：//www.sohu.com/a/305959555_120090618.

[9]杜思远. 国产化替代究竟“替”什么[EB/OL]. （2019-07-19）. https：//www.sohu.com/a/327994204_120090618.

[10] 丁建隆. 扎实推动城轨交通装备自主化进程[J].现代城市轨道交通，2010（5）：1-4.

[11] 黎晓. “十二五”时期我国城市轨道交通发展策略探讨[J].城市轨道交通研究，2011，14（8）：5-7，12.

[12] 赵志敏. 城轨列控系统仿真平台中联锁站的设计和实现研究[J].电子设计工程，2018，26（14）：72-76，81.

[13] 冷德熙，马爱平.树立创新自信，加快推进城市轨道交通自主化[EB/OL].（2013-08-10）. http：//css.stdaily.com/kjrb/content/2013-08/10/content_632559. htm.

[14] 倪光南. 国家自主可控，比你想的要好[EB/OL].（2019-03-01）. https：//www.sohu.com/a/298509800_115479.

[15] 中华人民共和国国务院. 国发[2006] 6号  国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）若干配套政策的通知[G]. 2006.

[16] CNCA-CURC：2019 城市轨道交通装备产品认证实施规则[S]. 2019.

收稿日期 2020-04-23

责任编辑 党选丽