高速铁路信号系统联调联试中若干问题的分析与对策

李 浩

（中国铁建电气化局集团北方工程有限公司，山西 太原 030053）

0 引 言

中国高速铁路的信号系统主要有车站联锁、列车集中控制（Centralized Traffic Control，CTC）、列车运行以及计算机监控系统。目前，人们的生命安全意识和生活享受能力等不断提高，对高速铁路出行的要求也显著提高。因此，检测与评价高速铁路信号系统软件，并准确校验相应的数据，既能够保证高速铁路信号系统的正常运行，又能够进一步保证人们的出行需求得到有效满足[1]。在我国高速铁路信号系统正式运行前，其总体功能、安全性要求和系统匹配性等都是以综合测试为主。由于高速铁路运行高安全性级别要求的影响，高速铁路信号系统的联调联试，由独立于高速铁路信号系统开发人员和使用者的第三方专家，基于高速铁路的规定标准、方法和工具等，结合高速铁路信号系统正式运行前的综合测试结果，对被测的系统进行功能一致性、安全性等的客观评估[2-5]。

1 中国高铁信号系统联调联试基本情况分析

自2008年开通第1条合宁线后，目前的京津、合武、石太、武广、郑西、福厦以及温福等铁路路线已经初步建立起了1套基本的联合测试体系。

1.1 联调联试基本流程

在信号系统的静态测试结束后，利用高速铁路信号系统进行联调联试，同时验证信号系统与其他系统的连接。系统测试分为设备出厂测试、现场安装测试、系统集成测试、联调联试以及试车测试。

1.2 测试方法与手段

就测试方法而言，高速铁路信号系统联调联试选用“运行情景+试验路径+案例分析”的方法。而案例分析环节则从系统需求规范、功能需求规范、系统整体技术方案中抽取出相应的试验实例展开分析，就测试手段而言，则以实车测试和全面测试为主[6]。

1.3 测试理论与关键问题

高速铁路列车的运行与控制在安全要求体系方面具有明显代表性。目前，国内高速铁路安全需求软件的等级需求越来越高，相应的应用系统及系统环境的功能要求也越来越复杂，因此如何保证高速铁路列车的运行与控制安全是相关行业领域亟待解决的问题。高速铁路信号系统在正式运行前作为测试系统，具有复杂、实时、动态和高安全特性，需要进一步对于后续正式运行中存在的问题、风险及优化点等作出完整的分析、模拟和测试等操作。为了尽可能全面准确地保证后续列车的运行与管理，展开基于模型软件的测试应用，可以很好地达到运行前测试的目的[7]。

1.4 具体测试环节分析

1.4.1 信号设备状态检测环节

信号设备状态检测是在开展系统功能测试之前，对线路上的设施进行的1种动态检测。首先，应答器环节。中国高铁信号系统中应答器的主要内容包括应答器实际行程、应答器用户信息、实际应答器距离以及应答器用户数据内容等。使用精确的应答器测试和定位应答器消息，可以分析与评估每个应答器的连接及覆盖关系是否正确，并使用静态数据库来确定线路倾斜度、切线、过境、偏差变换以及应答器的其他信息是否与实际数据相符。其次，轨道电路环节。中国高铁信号系统的轨道线路内容主要包括高速铁路运行中的调谐区定位、线路信号传输电压、载频、低频、码序列分布、邻区线路、邻区干扰以及轨道线路工频干扰等。最后，补偿电容环节。中国高铁信号系统的补偿电容环节主要指电容测量，包括补偿电容位置、步长、补偿电容损耗等。具体要求中国高铁信号系统在联调联试前，对信号装置的工作状态进行分析。在此基础上，对车辆信号探测系统的性能进行进一步的提升，改善牵引回流、电流不平衡等问题[8]。

1.4.2 CTCS-3级列车控制系统功能测试环节

中国高铁信号系统的CTCS-3级列车控制系统功能测试的主要测试项目包括登录和启动、取消、驾驶执照、时间限制、自动超速、无线承载控制（Radio Bearer Control，RBC）转换、级联转换、低温运行、自然灾害保护、转向、重新连接以及手动解锁。一是，CTCS-3跨线列车控制系统兼容试验。CTCS-3跨线列车控制系统兼容试验在CTCS-3级动车组上进行了列车兼容测试，包含登录、起动、退出、暂定速度、自动超速、RBC切换、级间转换、降级、灾难防范、出入列车、调车、重新连接、拆卸、特种改进以及手动开锁。二是，CTCS-3型列车控制系统的备用方式性能测试。基于中国高铁信号系统对CTCS-3型列车控制系统的备用方式性能测试，主要的试验内容包括正线牵引、控制和切换模式、正离线、停车、通行、侧线、停车、停车、时间速度、引导、倒车、冒险保护、相位过度、失真、故障仿真、灾难保护以及大数量道岔等场景测试。三是，跨线CTCS-3级列车控制系统兼容测试。此外，研究中还通过中国高铁信号系统对CTCS-3型列车展开了跨线CTCS-3级列车控制系统的兼容测试，主要的试验内容包括正线牵引、控制模式与转换、正线发车、停车、通过、侧线发车、停车、通过、临时速度、引导、倒车、冒险保护、相位、失相、失频器、故障仿真、灾难防范、大号码道岔以及等级转换等。四是，CTCS-3型列车控制系统的性能测试。该环节主要的试验内容包括正线牵引、控制和切换模式、前车道、停车、车道、侧线、停车、车道、通行、时间、倒车、冒险保护、相位、失联、故障仿真、灾难保护、大数量开关以及分级切换等[9,10]。

1.4.3 站台联动装置性能测试

中国高铁信号系统联调联试中站台联动装置有关性能测试的主要测试内容包括电脑联锁系统与地面控制中心、闭塞设备的接口和信息交换功能、电脑联锁系统与CTC终端机设备的连接、计算机联锁系统与RBC（只为CTCS-3级列控系统）以及联锁系统特殊设计测试等。

1.4.4 CTC系统测试

一是，功能测试。此环节的主要职能是监测列车运行、跟踪、基本数据规划、计划管理、调度员管理、车站管理、数据复制、统计分析等。二是，故障模拟测试。此环节主要针对模型测试环节出现测试失败问题时的影响范围，并对解决此此类问题所提供的准备方法是否有效与合理作出进一步的研究分析及完善，主要内容包括控制系统的通信、CTC设备的故障、CTC系统的通信以及故障的检测。

2 联调联试常见典型案例分析

为了便于对比分析，以京广、哈大2条铁路路线为例，针对CTCS-3型列车控制系统的功能联调和测试中存在的问题进行了统计与归类。

2.1 京广专线联调联试

京广高速铁路武广段是国内首条采用CTCS-3型列车控制系统的铁路，全长1 068 km。本路段有广播站17个、中继台53个、无线屏蔽中心设备9个、临时服务器4个以及监控中心72个。2009年8月—11月，武汉—广州铁路联合测试中发现了不少问题，其中包括机载设备、列车控制系统功能、系统接口和列车调度系统的兼容问题。

2.2 哈大客运专线联调联试

除了京广高速铁路武广段外，哈大高速铁路也采用了CTCS-3型列车控制系统，这条线路的总长度为921 km，由22个车站、3个直拨办公室和46个中继站组成。该线路上共安装了8个LKR-T RBC设备，除邻近的直拨线路外，信号系统及设备与京广专线相同。

3 联调联试常见问题原因分析

通过对京广、哈大客运专线联调联试的研究不难发现，中国高铁信号系统随着不断的调试与完善，很大程度上让列车运行的整体效率和综合性能得以有效提高。

3.1 常用制动曲线异常下降

问题说明：当高速铁路启动CTCS3-300T车辆备用控制模式，MRSP的最大车速曲线达到了最大的设计车速时，中国高铁信号系统的常用制动曲线会出现异常下降情况，很容易造成火车无法以正常运行速度行驶，这将对列车的效率和运行安全产生负面影响。而这个问题在北京市、上海市等许多地区的中国高铁信号系统运行中都存在。

理由：在CTCS-3型列控车辆控制状态下，车辆接收轨道电路发送的正常运行指令难以发送，造成前封锁区功能启动，堵塞分区造成车辆运行的长度、速度、坡度和其他信息无法及时传递给应答器联锁区，系统难以有效对速度进行实时计算，也就无法准确获得列车刹车速度和斜率特性线等，从而导致列车的刹车间隙增加，进而会缩短列车起模时间，使列车出现提前减速的稳态。反之，则会导致列车运行中的常规刹车间距比前面的目标间距更大，使列车起模点的起模时间提前，列车提前放慢。

3.2 RBC边界“飞车”

问题说明：CTCS-3型列控系统具有定位与存取的功能，可以实时了解列车的具体运行位置。但是，如果列车运行中邻近的RBC出现不规则连接，那么前面的火车会通过这个邻近的RBC出现移动边界，从而出现列车运行中线路不太好分流的情况。另外，列车运行中由RBC向后行列车传输的MA将会覆盖前一列车的相应信息，如果列车继续跟踪信号，则会造成后车碰撞，从而产生“飞车”现象。

理由：在前方车辆的尾部（最小安全终端）越过RBC转移边界之后，交接RBC将经由与RBC相连的车上电台指令车载装置切断与转送RBC的无线电连接，并将其从被转送RBC的列车清单中删除，但是由于邻近RBC使用非直接通信方法，极可能造成列车转移RBC，从而无法及时定位RBC辖区内的列车位置，进而造成RBC交接边界附近接收RBC辖区内发生的轨道线路分流时出现信息不准确问题，移交RBC根据轨道区间空闲处理，造成后车MA延长。

4 整改措施与防治对策

对联调联试中出现的一些简单工程质量问题，可以及时纠正，但也有一些问题，涉及信号系统与其他系统的接口，导致软件、工程数据的调整、维修及复查都比较困难。为此，在联调联试前，要尽可能地制定相应整改和防治方案，并根据以往的联调联试经验提出问题相应的优化措施。

4.1 进一步优化车载制动模型

CTCS-3级列车控制系统利用前方的空闲区域来获得目标的距离，单具体操作控制中受信号编码影响，当前的目标最多只能提供7个区域的距离。为了克服控制车辆时常用制动曲线的下降，提出了在确保车辆安全制动的情况下，合理地缩短列车自动保护系统（Automatic Train Protection，ATP）控制制动距离的方法。2011年完成的京沪先导段综合测试中，CTCS-300T列车控制系统支持国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）标准中的制动百分数和6段参数配置优化模型，该模块根据机车主机厂提供的数据，设定各限速不超过对应厂家的要求，以确保监测曲线的安全。

4.2 强化接口设计

高速铁路信号系统的接口关系非常复杂，在设计信号系统时，应充分考虑与线路、接触网、站场等的联系。在接口设计阶段，以下问题应该得到足够的关注。

4.2.1 线路数据

线路数据是列车运行的重要依据，因此相关的数据获取和校准专业人员必须为列车运行提供精确的轨道长度数据、绝缘接头位置信息、信号机里程数据。尤其是在车站的咽喉区域以及某些变化的进路，在应答机或控制中心的控制数据必须与现场的实际情况相符合。

4.2.2 优化电分相区的设置位置

《高速铁路设计规范》中规定，在进线500 m处，应避开坡道、大电流、加速路段以及6以上坡度的路段。新建高铁在一离开段和二离开段之间布置电分相区，并保证斜率为20%，在特殊模式（OS模式、PS模式等）下，如果车速小于45 km/h，那么列车不能通过电分相区。

4.3 完善集成测试

集成测试是指在第3方动态检测之前，由集成商或设备供应商牵头完成的集成测试和调试过程，包括系统内部的仿真和动态集成过程，整合测试重在及早发现潜在的问题，优化系统集成、数据管理与系统兼容等。因此，通过整合测试能够发现和弥补很多因设计、技术等造成的问题，也能够尽可能地确保专栏1期工程数据管理系统和软件版本维持相对稳定。目前，国内外尚无针对集成者或设备厂商进行现场动态试验的明确标准和规范，在互联互通试验领域尚未形成1个完整的模拟测试平台。

5 结 论

中国高速铁路系统的设计、开发、测试及深入分析和运行问题完善等是1个需要不断去总结、改进和优化的过程性建设活动。因此，加强中国高速铁路系统的整体设计，展开行之有效的运行前测试，对于改善和优化高速列车运行中的安全问题，保障人们安全出行具有积极意义，是高速列车管理系统安全和稳定的重要保证。