数字信号装置及ETCS系统部署优化方法

铁路信号系统的数字化以及新型列车控制系统的广泛应用可提高现有铁路线路网络的运输能力、准点率和可靠性，改善其运输质量，提高其运输效率，从而达到增强铁路竞争力的目标。为此，德国铁路股份公司（DB）于2018年制定了“德国数字铁路”项目计划，希望通过广泛应用数字信号装置和欧洲列车控制系统（ETCS），在不建设新线的情况下，将现有线路网络的运输能力提升20%。根据该计划，DB将在20年内为其整个线路网络配备数字信号装置和ETCS系统。由于投资规模大、技术工人短缺以及技术规范尚未明确等原因，这项庞大的投资计划为铁路部门带来了巨大挑战。目前，DB对铁路信号系统的改造能力为每年最多4 000 个控制单元（包括集中联锁装置、信号机等），按照现有的规范、流程和资源估计，仅完成数字信号装置的替换就需要 12 年时间，因此如果不采用优化方法，则无法实现每年改造10 000个控制单元、5年完成数字信号装置替换、在2040年完成所有部署的目标。因此，本文将提出优化数字信号装置及ETCS系统部署的方法。

1 遵循一步到位原则

达到上述目标的最重要方法是遵循“一步到位”的原则，即从一开始就确保每一项作业（无论规模大小）都具有很高的质量，无需返工。

目前，由于外部条件的限制，DB通常按照尚未成型（即可能发生更改）的技术规范来实施项目，这会为其带来额外的负担。其原因在于，技术规范的更改，一方面会引起项目规划的更改，为制定和审核规划的人员带来额外的工作;另一方面会导致对已安装基础设施的调整，从而在供货、施工监督、安保和验收测试方面产生额外的费用。

要解决上述问题，必须在大规模部署数字信号装置和ETCS系统之前，形成可覆盖所有运营和基础设施条件/要求、经过全面验证和测试、不需调整即可在整个线路网络中应用的技术规范，为项目的规划奠定基础和创造必要的先决条件。为实现此目标，首先必须利用所有可用的资源（包括供应商、DB、德国联邦铁路局（EBA）、评估机构和工程师事务所）在1年之内制定出合理的技术规范;然后，在实验室中对其进行测试;接下来，在5年之内完成在具有代表性线路网络区域的试点;试点成功后再进行大规模部署。如此会使项目的实施更高效、迅速和经济。

2 统一审批/投入使用流程

ETCS系统相关的技术规范和产品必须符合现有的运营规程及其技术实施规范，必须在满足安全系统要求的条件下通过各种审批流程。相关规程和规范可细分为欧洲标准/规范、由其衍生出的具有法律特征的国家规定及EBA颁布的国家审批法规。但这些规范之间存在某种程度的不一致，而且会被不断更改或修正，其更改周期比项目持续时间短得多。因此，首先必须列出相关规范的清单，并以此为依据制定协调的审批流程;然后，将此规范清单纳入行政法规的范畴，并对其进行详细说明，以使欧洲和国家标准中与风险管理流程相关的要求、安全验证管理要求，以及欧洲电工标准化委员会（CENELEC）标准要求等在审批阶段相互协调并达成一致。在理想情况下，还应将投入使用流程（如《铁路投入使用审批条例（EIGV）》）纳入清单中，以便建立从开发、实施到投入使用的一整套角色要求清晰、过程描述详细和结果相互关联的连续流程。由于消除了重复性工作，上述方法可以减少资源消耗，加快项目实施过程。

3 既有基础设施的数字化

获取基础设施的实时精确数据并利用计算机（非工人）对其进行处理和分析，对于项目的有效实施至关重要，因为可由计算机处理的海量基础数据是将现代规划流程集成到软件工具中的前提。然而，在项目实施时，现有的数字化技术往往难以满足所需的质量要求，因此需要进行耗时且花费巨大的重新测量，影响项目的进度;而接口不一致及数据格式未实现标准化也使数字规划流程的统一实施更加困难。

为解决上述问题，德国Nextrail GmbH公司推出了Traximizer?，这是一种移动测图系统，能够以相当高的精度采集铁路基础设施数据。Traximizer?安装在列车车头位置（图 1），可在列车运行过程中采集沿途基础设施和轨道环境的海量数据，如精确的定位数据、有地理参考的三维点云和高分辨率的图像数据等（图 2）。该系统包含以下组件：

（1）1套基于全球导航卫星系统（GNSS）的惯性导航系统，用于精确定位，即使在隧道和山谷中也能提供准确的定位数据;

（2）1台经过改装的激光扫描仪，用于采集三维点云;

（3）1套高分辨率的成像摄相机系统，用于采集图像。

理想情况下，该系统的测量速度可达80 km/h，这意味着可以在不影响列车正常运营的情况下进行测量操作。其测量结果以标准数据格式导出，以便能够使用其他数字化工具或直接通过客户特定的数据接口进行数据处理和分析。

在处理和评估测量数据时，项目人员可从点云中检测出所有基础设施元件，对其进行精确定位和记录，并创建实时线路拓扑;然后利用位置参考，推算出该元件与轨道边缘的距离，并确定与线路相关的公里数。除获取元件数据之外，项目人员还可利用测量数据创建其他数字化成果，如3D模型（可通过建筑信息模型（BIM）技术进行进一步处理）。整个数据分析过程可确保数据在安全完整性等级4级（SIL4）环境中的可用性，并满足ETCS系统部署对数据精确性的要求。

4 规划及其审查的数字化

由于缺乏足够的、高质量的规划及规划审查资源，许多数字化铁路项目目前难以快速实施。如何加快规划速度已成为亟待解決的问题。在大规模部署数字信号装置和ETCS系统时，其规划内容是重复出现且大致相同的，所以可通过使用经过验证的规划软件系统在很大程度上实现规划的自动化，从而将规划人员从大量重复性劳动中解放出来，集中精力解决软件系统无法处理的特殊规划问题。而且鉴于ETCS系统可在既有信号系统上叠加使用，因此特别适合采用自动化的规划方法。

在自动化规划的过程中，规划软件系统的基本输入变量是设施的现状数据（可由Traximizer?提供）和根据所需规范建立的完整模型。在此基础上，系统会自动进行规划，并显示其无法处理的内容。如果系统未生成预期的结果，则必须确定出现偏差的原因，并据此调整软件程序，或在必要时对规范进行修改。

规划审查软件系统（独立于规划软件系统存在）可以在规划审查机构审查ETCS系统规划时减少其工作量。与规划软件系统相同，该系统可以对一般规划内容进行审查，并显示其无法审查的部分。

DB与达姆施塔特工业大学（TU Darmstadt）合作开发了FormETCS规划审查系统。FormETCS系统旨在通过将规范形式化，实现规划和规划审查的自动化。为开发FormETCS系统，项目人员首先详细分析了各种相关规范，识别规范文本中的规则、条件、表格、图片和公式，并对其进行分类;然后，使用伪代码（即if - then公式）对规范进行描述，并将其转换为流程图，这是开发审查算法的基础。

FormETCS系统的开发基于ETCS系统规划者和规划审查者的经验和知识。形式化的规范及配置、审查算法，除可以加快规划和规划审查的速度之外，还能够明显减少人为错误，提高规划质量。

5 资源使用的优化和专家资源池的建立

实施德国数字铁路计划的一大瓶颈在于，相对于如此庞大的投资额而言，相关资源及有资质、经验丰富的专业人员相对匮乏。因此，应该组织来自DB、EBA、铁路公司、评估机构和工程师事务所的专家，联合开发一个标准工具套件，该工具套件应包含用于加速和统一项目实施的一系列优化流程、工具和软件解决方案。这样可以避免不必要的重复劳动，并且由于采用了统一的方法，不同参与者之间的协调变得更加容易。此外，还应对工程师统一进行相关培训，这样做有2个优点：① 为经验丰富的工程师减轻负担，使其无需对其他员工进行指导;②使工程师全面掌握标准工具套件的相关知识和技能，成为这方面的专家。

此外，还应整合整个铁路行业的专家资源，建立专家资源池，用于制定行业规范并提供与项目成败密切相关的关键资源。为此，应成立一个独立的协调机构，负责根据不同项目的不同需求推荐适合的专家，以确保将稀缺的关键资源使用在最合适的地方，从而为“德国数字铁路”计划带来最大的收益。

参考文献

[1]Robert Sch?tzle， Frank A. Werner， Alexander Wolf， et al. Herausforderungen bei der ETCS-Realisierung sowie Ans?tze zur Optimierung[J]. Signal+Draht，2020，112（5）：6-12.

蘇靖棋 编译

收稿日期 2020-08-20