高速铁路信号系统联调联试-禹志阳

高速铁路信号系统
联调联试
（讲义）
中国铁道科学研究院
通信信号研究所
2010年8月9日
目录
1 高速铁路信号系统联调联试的基本背景 (3)
1.1联调联试的基本概念与定义 (3)
1.2国外联调联试技术发展现状 (5)
1.2.1 日本新干线 (5)
1.2.2 德国高速线 (6)
1.2.3 法国高速线 (7)
1.2.4 综合分析 (8)
1.3国内联调联试技术发展现状 (10)
1.3.1国内联调联试基本流程 (10)
1.3.2 国内信号系统联调联试的现状 (10)
2 我国高速铁路信号系统联调联试的基本内容 (12)
2.1信号设备状态检测 (12)
2.2 CTCS-3级列控系统功能测试 (13)
2.3 CTCS-2级列控系统功能测试 (13)
2.4车站联锁系统相关功能测试 (14)
2.5 CTC系统测试 (14)
2.6 测试方法 (14)
2.7 联调联试的基本要求（目标） (16)
2.8信号系统动态检测的基本要求 (20)
2.9 信号动态检测数据处理原则 (20)
3 基于黑盒模型的信号系统联调联试技术 (21)
3.1黑盒测试理论 (22)
3.2 黑盒测试技术在列控系统联调联试中的应用 (23)
3.2.1 CTCS-3级列控系统总体构成 (24)
3.2.2 黑盒测试模型 (25)
3.2.3 测试案例的设计 (26)
3.3测试数据与边界条件 (28)
3.4测试环境 (31)
3.5 数据分析与缺陷（bug）的管理 (33)
高速铁路信号系统联调联试
1 高速铁路信号系统联调联试的基本背景
1.1联调联试的基本概念与定义
联调联试定义：联调联试是采用试验列车、检测列车和相关检测设备，对高速铁路各系统的工作状态、性能、功能和系统间匹配关系进行综合测试、调整、优化和验证，使整体系统性能和功能达到设计要求，以设计速度开通运营；
动态检测定义：动态检测是指为检查高速铁路工程在规定速度范围内的工作状态，确定其功能和性能是否达到设计要求和相关技术标准的规定，在检测车或实车运行条件下对客运专线进行的检测工作；
动态验收：动态验收是在高速铁路静态验收合格并经铁道部确认后，由高速铁路或客运专线公司在铁道部工程管理中心和运输局客专技术部组织下进行综合调试，并委托第三方专门机构进行动态检测，对工程质量和系统集成安全运行状态进行全面检查和验收。

高速铁路联调联试的内容主要包括轨道、接触网、供变电、通信、信号、运营调度、客运服务、防灾安全监控系统联调联试和综合接地、电磁兼容、振动噪声、路基状况、路基及过渡段动力性能、桥梁动力性能、隧道内气动效应、列车空气动力学性能测试等。

信号系统联调联试是高速铁路联调联试中的重要内容，由于高速铁路普遍采用以车载信号为行车凭证的列控系统，信号系统联调联
试以列控系统动态场景试验为主，通过对各种典型运营场景的测试，对信号系统的总体设计方案、系统集成方案、系统接口关系、总体功能、整体性能等进行调试、完善与优化，以采用CTCS-3级列控系统为例，信号系统联调联调目的一般应包括以下几个方面：（1）验证CTCS-3级列控系统在正常运行速度运行条件下的功能，能否正确地通过GSM-R网络传输列控信息/命令，能否正确地实现RBC与RBC之间的切换，能否正确地实现CTCS-3级与CTCS-2级之间的转换，能否正确地控制列车运行。

（2）验证CTCS-3级列控系统与既有客运专线CTCS-2级列控系统的兼容性，装载CTCS-2级列控车载设备的动车组能否正确地接受地面发送的列控信息/命令，能否正确控制列车运行，能否满足应答器报文兼容性需求。

（3）验证按照CTCS-3级列控系统之系统需求规范等集成的地面信号系统在车地联动中，能否提供正确的、一致的控车信息，能否满足CTCS-3级、CTCS-2级列控系统高速控车需求。

（4）验证无线闭塞中心与CTC系统、车站联锁系统、GSM-R无线网络之间的接口关系，临时限速服务器与CTC系统、列控中心之间的接口关系。

（5）验证相关枢纽站、跨线列车上下线和动车组进出动车段列控系统的控车功能和级间转换功能。

（6）验证CTCS-3级列控系统以及后备的CTCS-2级列控系统在各种典型故障模式条件下的故障安全功能。

1.2国外联调联试技术发展现状
世界各国特别是日本、德国、法国等高速铁路技术先进的国家在新的高速铁路开通运营前，为检验是否达到预期的设计目的，必须将所有的系统技术进行测试，而且还要将各系统作为统一完整的整体，统筹策划、全面协调，使新线各系统技术标准匹配、技术接口完整、技术装备合理。

1.2.1 日本新干线
日本新干线的新线工程完成后，建设方（铁路公司）要进行竣工检查，该线铁路管理者（如JR东日本公司）要进行竣工验收。

并且竣工验收与竣工检查同时进行，以便确认工程完工情况，同时国土交通省也需实施检查，为综合试验做准备。

检查合格后，将线路合格证书给予该线的管理者，这就意味着可以实施综合试验了。

综合试验期间建设方同时进行线路各系统的改进，以促使各线路在试验完成后得到优化。

试验完成后，线路的管理权从建设方转交给运营商，运营商继而展开将近两个月的运行营试验。

通过上述试验后，国土交通省将进行10天左右的检查。

最后运营商开展试乘会等活动迎接开业。

各系统设备（例如信号设备、通信设备、电力设备等）一般均需接受出厂试验、现场试验以及综合试验。

出厂试验是指为了测试装置个体的功能和性能在生产商公司内部进行的试验。

现场试验是在现场组装后所进行的子系统调节运行试验，主要是地面设备试验。

综合试验是整体系统完成后的综合性试验，主要进行实车确认试验。

在子系统设备经历了出厂试验、现场试验后，就要进行整体系统
的检测。

整体系统的检测主要通过综合试验来完成，综合试验是对各子系统（例如通信系统、信号系统、轨道系统、电力系统等）进行功能检测、制动试验、速度提升试验、列车运行管理试验等。

日本一般都会采用称为“Easti”或采用称为“黄医生”的电气、轨道综合检测车进行综合试验，或者采用该线即将运营的车辆进行改造（车上配置各种实验设备）后作为移动试验室进行检测。

测定的业务主要委托该线铁路管理者实施，指导、计算分析、评价等业务委托铁道综合技术研究所实施。

除了运行以上提及的列车之外，同时还会运用该线将运营车型进行走行试验、制动试验、舒适性试验等实车走行试验。

在通过了一系列的综合检验后，铁道运输机构将线路的管理权转交给该线运营公司，之后运营公司就开始开展运行试验试验。

运行试验试验中要求对司乘人员进行培训，例如让司机熟悉运营线路，模拟各种情况下的应急处理措施，乘务员应该了解相关事宜等。

运行试验试验需要两个月左右的时间，该阶段结束后若通过了国土交通省的审查，则运营商会开展试乘会等活动迎接开业。

1.2.2 德国高速线
德国在高速新线的调试工作中也有着丰富的经验，德国与日本在技术装备的管理方面有些不同，在集成化管理的趋势下，德国趋向将几个系统的装备同时承包给某个集团完成，包括它们的集成调试。

在2002年正式投入运营的德国科隆—莱茵／美因高速铁路新线的中段（从锡格堡到美因河桥），其所有的系统技术装备由西门子交通技术部（现西门子运输系统部）牵头的技术装备组（AN AT总体组）来
负责。

技术装备组的任务包括协调和监督由ANAT总体组制定的质量管理标准的执行情况；将各公司的单项计划汇总成技术装备安装施工的总体计划，并为各技术装备公司做出框架期限计划、计划期限计划和施工期限总计划；进行工期协调和检查，对技术装备的改进和新发展进行协调，批准和处理与其他工程项目的衔接，参加局部和总验收，将施工资料交给各运营部门等等。

大部分子系统的功能试验需在实际线路试验之前完成，即在系统应用到新线基础设施或该线运营列车之前完成，所进行的试验主要由实验室试验、既有线路/列车试验等组成。

在实施审查鉴定程序时必须提供相关测试的数据。

验收过程要进行检测运行、各子系统的鉴定试验、提速运行试验、制动试验等实车试验——即进行运行试验试验，在试验过程中会利用各种试验车辆设备，如轨道结构试验车、ETCS试验车、SPE检测车以及其它的各种试验车型，同时也会让运营车型进行试验，并对各注重点进行试验（制动试验、交会试验、系统功能试验等），系统试验结束后将进行2个月的运行试验。

1.2.3 法国高速线
法国高速新线的管理主要由SNCF（法国国营铁路公司）负责。

为实现运营和基础设施两大部门的分离，1997年基础设施部门从SNCF分离出来成立独立的公司称为RFF（法国铁路网公司）。

RFF 成为基础设施的产权所有者，正式负责国有铁路基础设施的建设和维修，以及线路的分配。

根据商务代理合同，RFF的大部分工作仍然委
托SNCF完成。

SNCF在建设新线时设立法国新线项目管理分局，该组织及其分支机构在土建和线路施工完成之后，要组织实车运行试验，即动态试验，委托专业的试验团队测试系统性能，并判定是否需要修改。

在正式交付运营之前，要组织运行试验试验，办理设备移交，对未来的新线运营人员组织培训，以便这些人员熟悉新设备。

动态试验一般分为两阶段，第一阶段是预先试验，也称为首次试车，主要目的是检查该线路整个铁路系统是否处于正常工作的状态，第二阶段的试验是超高速试验。

该阶段主要是在超高速度下对动车组、轨道、接触网等设备的材料、结构等性能及可靠性等指标进行评价，验证最新技术的可靠性。

在动态试验后，需要进行至少2-3个月的运行试验试验，内容与日本、德国基本类似。

运行试验试验合格后该线就可以正式运营了。

1.2.4 综合分析
高速铁路各系统间既自成体系又相互关联,既有硬件接口又有软件联系,对整体性和系统性的要求非常高。

采取系统集成的模式，可确保技术体系的完整性和各系统之间紧密衔接，以利于建设统一、协调管理。

系统的联调联试，是从设计之初就开始涉及的，从设计、制造到调试，需要有具体完备的计划来实施。

在新线交付过程中，日本、法国、德国等国家有着成功的经验。

由于各国国情不同，设备不同，会有一些细节上的不同，但整体过程大同小异。

这些过程大体如下：
（1）出厂试验
子系统的装备在现场装配之前，会由各装备厂家进行厂级测试，各装备会利用仿真模拟方式模拟现场或者在其它线路上来测试，合格后的装备方可出厂。

此试验由各厂家负责，出厂后提供相应的合格证书，有时需提供相应的试验数据。

（2）现场试验
在出厂试验后，各装备将被运至现场（此处现场不仅是新线现场，它还包括各式实验室、试验线、既有线等地），先进行各系统实际或类似环境下的试验，然后才安装在新线上对整个子系统进行集成调试试验。

（3）联调联试阶段
该阶段等同于日本的综合试验以及法国的动态试验，由国铁部门组织实施，专门项目组进行工作协调，运营部门参与，相关研究部门进行评估，承包商负责评估后的整改。

该过程主要是进行试验车的检测运行、各子系统的鉴定试验、提速运行试验、制动试验、整体系统评估等，在试验过程中会运用各种试验车辆设备，如轨道结构试验车、综合检测车，以及通过运营车改造的试验车型。

并且该阶段会运用运营车型进行试验，对各注重点进行测试（制动试验、交会试验、系统功能试验等等），以及综合性调试。

试验期间会预留时间进行系统的研究及改进。

试验结束且检测合格后，管理权将从建设部门转交给运营部门。

（4）运行试验阶段
联调联试结束后，会得到国铁部门的临时运营许可，运营部门
要在正常运营条件下进行为期两至三个月的运行试验，主要由运营部门实施，国铁部门检查。

1.3国内联调联试技术发展现状
1.3.1国内联调联试基本流程
国内联调联试从2008年我国第一条客运专线合宁线开始，历经京津城际、合武、石太、武广、郑西、福厦、温福等线，已基本形成了一套联调联试的基本方法和流程，包括出厂测试、现场测试、联调联试和试运行四个阶段。

1.3.2 国内信号系统联调联试的现状
1）基本流程
在信号系统静态验收完成后，通过动车试验来进行联调联试，并在试运行过程中对信号系统与其他系统的接口关系进行验证。

系统测试包括设备出厂测试、现场安装测试、系统集成测试、现场联调联试和试运行等阶段。

2）测试方法
运营场景+测试进路+测试案例=测试序列，测试案例根据系统需求规范、功能需求规范和系统总体技术方案提取。

3）测试手段
实车/综合检测列车。

4）测试理论与关键问题
高速铁路列车运行控制系统是一种典型的安全苛求系统。

目前，在国内外随着安全苛求软件规模越来越大，应用环境与系统功能越来
越复杂，实时性与安全性要求越来越高，一个亟待解决的关键问题是怎样保证安全苛求软件系统的质量，如何有效保证系统的安全性。

高速铁路信号系统的联调联试，其核心是复杂系统的软件测试，由于信号系统的复杂性高，实时性与动态性强，安全性高的特点，给安全苛求软件系统的分析、建模和测试提出了新的挑战。

为了尽可能全面、准确地对列控系统进行测试，基于模型的软件测试为高速铁路运行控制软件测试的自动化提供一种非常有效的解决方案。

在基于模型的软件测试中，测试模型模型可以用于描述系统的静态属性，同时可以描述系统各部分之间存在的交互的动态行为，测试模型和基于测试模型生成的测试案例都是抽象的、独立于平台的，从而是可重用的，测试执行时通过对测试执行环境的动态配置自动产生实例化的可执行的测试包。

测试案例的自动生成是软件自动化测试的前提与关键，除此以外，测试案例的优化也是提高基于模型的软件自动化测试效率的重要手段。

测试案例的数量和质量将直接决定软件测试的成本和有效性，即使在安全苛求软件的功能测试中，穷举测试也是不可行的，所以在通过模型测试产生测试案例时，还需要对测试案例集进行有效的约简和优化，使软件测试案例能够充分反映测试需求的同时，还要保证测试的效率和可行性。

测试优化的方法目前有很多种，但在铁路列控为代表的安全苛求系统中，测试优化的方案必须要保证其测试案例能够充分覆盖系统的功能需求和安全性需求，给测试优化的方法带来了极大的难度。

铁道
部已颁发的CTCS3级列控系统总体技术方案中，系统的功能需求和安全性需求是通过14个运营场景类、470个测试案例给出的，这些测试场景构成产生功能测试案例和安全测试案例的测试需求，如果CTCS3级列控系统的测试案例只是根据这些测试场景生成，则其测试案例是否充分和完备将无法论证。

2 我国高速铁路信号系统联调联试的基本内容
2.1信号设备状态检测
（1）应答器
主要测试内容包括：应答器实际里程位置、应答器用户报文内容。

根据应答器高精度实测里程位置及应答器报文，分析判断应答器之间的链接关系、覆盖范围是否正确，根据静态基础数据库判断应答器报文描述线路坡度、轨道电路区段、过分相、等级转换等信息与实际数据是否一致等。

（2）轨道电路
主要测试内容包括：轨道电路调谐区位置，轨道电路主信号传输电压、载频、低频及码序分配，轨道电路邻线路、邻区段干扰，轨道电路工频干扰等信息，并以闭塞分区为单位对轨道电路的传输性能进行分析与评价。

（3）补偿电容
主要测试内容包括：补偿电容位置、步长以及包括是否丢失等信息在内的补偿电容运用状态等。

2.2 CTCS-3级列控系统功能测试
（1）CTCS-3级列控系统功能测试
测试内容包括：注册与启动、注销、行车许可、临时限速、自动过分相、RBC切换、级间转换、降级运行、灾害防护、进出动车段、调车、重联与摘解、特殊进路、人工解锁进路等运营场景。

（2）跨线CTCS-3级列控系统兼容性测试
对跨线运行CTCS-3级动车组进行CTCS-3级列控车载设备兼容性试验，测试内容包括注册与启动、注销、行车许可、临时限速、自动过分相、RBC切换、级间转换、降级运行、灾害防护、进出动车段、调车、重联与摘解、特殊进路、人工解锁进路等运营场景。

（3）CTCS-3级列控系统后备模式功能测试
主要测试内容包括：正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔等场景测试。

（4）跨线CTCS-2级列控系统兼容性测试
主要测试内容包括：正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔、等级转换等场景。

2.3 CTCS-2级列控系统功能测试
主要测试内容包括：正线拉通，控车模式及模式转换，正线发车、
停车、通过，侧线发车、停车、通过，临时限速，引导接发车，反向运行，冒进防护，自动过分相，应答器信息丢失，故障模拟，灾害防护，大号码道岔、等级转换等场景。

2.4车站联锁系统相关功能测试
主要测试内容包括：计算机联锁系统与地面列控中心（TCC）、闭塞设备的的接口和信息交换功能的测试，计算机联锁系统与CTC 车站终端设备的接口测试；计算机联锁系统与RBC接口测试（仅针对CTCS-3级列控系统）；联锁系统特殊设计测试等。

2.5 CTC系统测试
（1）功能测试
功能测试包括：列车运行监视、车次追踪、计划编制基础数据管理、列车运行计划编制、计划管理、调度命令管理、集中控制、车站控制、数据回放、统计分析等。

（2）接口关系测试
主要测试CTC与联锁系统、列控中心设备、RBC、临时限速服务器等的接口关系，以及CTC与相邻CTC、TDCS系统的接口关系。

（3）故障模拟测试
测试故障的影响范围，以及集成商提供的应对该故障的备有手段的有效性和合理性。

包括与受控系统通信故障测试，CTC设备故障测试，CTC系统通信故障测试，错误操作故障测试等。

2.6 测试方法
1. 信号设备状态检测
采用装备有信号设备动态检测系统的电务试验车和综合检测列车，通过车载设备实现对信号的解析，进行信号设备状态动态检测。

2. 列控系统功能测试
（1）列控系统功能测试应根据列控系统等级、功能特征与运营需求，结合高速铁路站场与线路情况，选取相应的测试案例，编制测试序列；
（2）通过CTC中心控制或车站控制模式，按照测试序列和测试案例要求准备试验进路，包括正常接发车进路与通过进路、引导接发车进路、调车进路以及进路建立、进路解锁与进路取消等；
（3）通过CTC中心统一下达、更新与取消临时限速，临时限速的设置以及轨道故障占用、道岔表示故障、应答器故障等地面条件的设置应符合测试案例的要求；
（4）测试序列应覆盖与动车组运行相关的所有基本进路；
（5）根据需要，可进行列控系统性能方面的专项测试或运行试验；
（6）通过车载ATP的反应、DMI显示判断列控系统功能测试结果，并可结合车载司法记录单元、RBC设备监测记录单元、GSM-R 网核心机房监测记录设备、信号集中监测系统等对列控系统功能测试过程中的实时监测数据进行分析；
（7）列控系统功能测试过程中应保持被测试系统软件版本和列控工程数据的相对一致性，并做好记录。

3. 联锁系统相关功能测试结合列控系统功能测试，在进路建立、
取消、解锁、站内临时限速、信号关闭、站内轨道电路区段故障占用等条件下对联锁关系相关功能及接口进行测试。

4. CTC系统功能测试主要在CTC中心进行，结合列控系统功能测试，由CTC中心排列进路、下达临时限速等，对CTC系统控制模式转换、列车运行监视、车次追踪、临时限速下达等功能和接口关系进行测试。

5. 结合信号集中监测设备的监测数据对动态测试结果进行分析。

2.7 联调联试的基本要求（目标）
信号动态检测项目和有关指标应符合下列要求：
1 CTCS-3级列控系统
1）车载设备应工作正常，可靠接收相关列控数据，正确计算速度监控曲线，控制列车安全运行；
2）无线闭塞中心根据联锁进路信息、列车位置信息、临时限速信息及车地交互信息，自动生成并通过GSM-R网络向车载设备发送正确的行车许可及线路参数等信息；
3）列控中心根据进路状态和列车位置控制轨道电路正确编码，控制有源应答器选择/实时组帧报文，通过联锁向RBC传送信息；车载设备应可靠接收机车信号连续信息；
4）地面应答器报文信息正确，车载设备可靠接收并译码；
5）停车位置及停车精度符合设计要求；
6）车载设备工作模式及模式转换正确；
7）不同运行方向、不同速度条件下CTCS-2/CTCS-3级间转换功能正确，无线通信中断条件下CTCS-3转CTCS-2功能正确，CTCS-2控车车载设备接收到等级转换命令后CTCS-2转CTCS-3功能正确；
8）单电台、双电台条件下RBC移交功能正确；
9）与防灾等其他系统接口关系正确，具备灾害报警防护功能；
10）调车功能正确；
11）临时限速下达、执行与撤消时机正确；
12）自动过分相功能正确；
13）列车注册与注销功能正确；
14）测速、测距、列车位置报告与位置校正功能符合铁路行业相关技术标准要求；
15）显示与故障报警功能正确；
16）记录单元功能正确;
17）列控系统、临时限速服务器及无线闭塞中心等设备冗余功能正常，可实现系统或设备主备机的正常切换；
18）在轨道电路非正常占用、道岔失去表示、人工取消进路或车载设备、联锁设备故障、无线链接中断等降级运行条件下，系统具备故障导向安全功能；
CTCS-3级列控系统后备模式功能应符合CTCS-2级列控系统的相应规定。

2 CTCS-2级列控系统
1）车载设备应工作正常，可靠接收地面应答器、轨道电路信息，。