基于GOA4级全自动运行城轨列车正线功能场景测试研究

基于GOA4级全自动运行城轨列车正线功能场景测试研究

王群

中车唐山机车车辆有限公司  河北唐山  064000

一、系统技术介绍：

目前国内城市轨道交通运营使用CBTC系统，在CBTC技术基础上发展出的升级产品被称为全自动运行系统，据统计，到2023年年初，我国城市轨道交通运营里程已突破6500公里，有48个城市开通了地铁，其中19座城市开通全自动运行系统线路。

列车运行等级分为5种：GOAs（s=0.1.2.3.4），全自动运行系统为最高的GOA4级，在GOA4等级下的列车安全运行、牵引与制动、脱轨检测、门控制、投入或退出运营、监视列车状态、紧急工况处理等均可由技术系统自动控制，列车在无人值守条件下可实现的功能场景有自动唤醒、条件停车、自动折返、自动休眠等几十项。

本文以福建某地铁项目全自动运行系统为对象进行研究，重点分析车地网络通信技术及功能场景测试内容。

主要通过全自动运行系统的信号系统和通信系统实现，整体车地信号和通信场景框图见下图1。

图1 全自动运行系统结构图

在全自动运行模式下，列车通过信号系统与地面控制中心的保持联络。地面控制中心发出控制指令、状态信息或事件信息，经中心内光纤连接的交换机到达无线数据发送终端，再经LTE无线网络发送给轨旁设备、站厅设备及车载信号系统，到达列车上的车载信号系统设备后，控制指令、状态信息或事件信息转化为列车的硬线控制命令和网络控制命令，列车接收这些命令来控制车辆各个子系统按照不同功能场景的要求进行动作，实现正常功能，功能状态反方向回传给地面控制中心。

此外，通过通信系统实现的功能场景：地面控制中心发出人工广播、播放预录紧急广播和调取监控视频等远程功能的控制指令，经无线通信网络发送给轨旁设备、站厅设备及车载通信系统，车载通信系统与车辆乘客信息系统直接连接，列车接收这些命令来控制车辆乘客信息系统各功能场景下的集成电路动作，最终再将功能状态和结果反方向回传给地面运营控制中心。

在全自动运行系统的设计过程中，信号系统、通信系统、车辆系统分别制定本系统的功能范围，且各个系统分属不同的供货商，各系统功能范围最终集成为全自动运行系统的整体结构，各个系统的供货商负责自己系统的设计、安装及调试工作。而主机厂重点关注车辆系统本身，车辆与信号系统和通信系统的接口、功能及功能调试验证。对于整体功能场景的实现与验证工作，一般在产品合同和产品设计联络过程中确定，包含功能实现和验证工作的分工和协同。

二、网络传输技术：

全自动运行系统列车与CBTC列车的主要区别之一就是车地通信使用的网络传输技术和方式。全自动运行系统使用除了使用CBTC所用的MVB、以太网外，还涉及透传网络技术和DCS网络传输技术，下面依次介绍。

2.1 MVB

MVB (Multifunction vehicle bus) 为多功能车辆总线，是列车通信网TCN（Train Communication Network）的一部分，在本项目中承担列车网络控制功能。信号系统车载设备部分与列车TCMS网络通过MVB实现网络连接。车辆网络TCMS系统与各子系统主机也通过MVB实现连接控制。

2.2以太网

以太网 (Ethernet)指的是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网采用组播方式进行通讯。组播是一种主机间一对多的通信模式，允许一个或多个组播源发送同一报文到多个接收者的技术。组播源将一份报文发送到特定的组播地址，组播地址不同于单播地址，它并不属于特定某个主机，而是属于一组主机。一个组播地址表示一个群组，需要接收组播报文的接收者都加入这个群组。组播的优势在于不仅解决了单播重复发送数据的问题，而且解决了广播接收泛滥的问题，实现了精准传输。

本项目信号系统车载设备内部模块间通信、车地间的音频广播和显示信息，以及列车数据诊断系统均采用以太网通信。

2.3透传

透传（Transparent）是一种通过网络将数据从一个设备透明地传输到另一个设备的技术。它允许不同设备之间的数据交换，而无需了解数据的含义或格式。在透传网络技术中，采用的数据传输方式是分时复用，通过该方式可以实现多个数据流在同一通信信道上进行交替传输，从而提高通信信道的利用率。信号系统与列车网络系统接口通过透传数据通道TDC（transparent data channel）实现信号系统与列车网络系统的数据传输。TDC是ATS子系统和车辆子系统TCMS之间的逻辑数据连接，并由ATC子系统提供通道。ATC提供TCMS至ATS的透传数据通道和ATS至TCMS的透传数据通道，每个透传通道大小为1个MVB端口（32个字节）。

两个透传通道数据结构是一致的。以TCMS至ATS的透传通道为例，1个32字节大小的数据，其数据帧头占用13个字节，留给TCMS到ATS的数据传输字节大小为19个字节。由于采用分页方式，因此，每帧数据需要1个字节用于分页标识和2个字节的CRC校验值，每帧数据真正可以利用的数据大小为16个字节。

TCMS通过透传通道每发送一帧数据，需要等待ATS把接收到信号的确认信号发送给TCMS，TCMS收到确认信号后，才能发送第二帧数据，如果没有收到，则TCMS需要再次发送，最多重复发送3次。

2.4 DCS

数据通信系统（DCS）用于实现信号系统安全子系统及信号非安全子系统之间的通信流量传输，本项目的车地通信主要依靠此系统。数据通信系统由骨干网和网管设备构成，使用LTE-M技术的网络带宽能达到1000Mbps。LTE(Long Term Evolution)长期演进,是移动通信系统中使用的创新高性能空中接口的项目名称,是第三代移动通信向第四代过渡升级过程中的演进标准。LTE技术旨在提供更高的数据传输速度、更低的延迟和更好的系统容量，以满足日益增长的移动通信需求。

DCS子系统的组成有：

DCS有线传输系统，将实现设备集中站与车站之间的设备连线，主要由工业以太网交换机组成；

DCS无线通信系统，包括车载无线设备和轨旁无线基站，LTE无线传输方式建立车载和轨旁设备间可靠的通信连接。

DCS管理系统：监控IP及LTE设备。DCS系统配置的网络管理软件基于SNMP协议管理全线所有的网络设备，为系统运营和维护提供全方位的网络管理。

其中，DCS骨干网包含ATC网、ATS网和LTE-M承载网。

在DCS骨干网中：

ATC网承载ATP、ATO、TAU与CI子系统的数据通信流量，主要布设在列车和轨旁；

ATS网承载ATS子系统的数据通信流量；

LTE-M承载网承载LTE-M网络核心网与室内基带处理单元（BBU）之间的数据通信流量，分布在轨旁和控制中心。远端射频模块（RRU）设备用于扩展和增强无线信号覆盖，通常安装于无线基站或天线附近。

三、功能场景测试说明

为了高效配合全自动运行系统的功能场景测试，同时为公司做好全自动运行系统测试技术沉淀。

功能场景测试文件内容的设计首先应该满足功能场景说明书中各场景测试内容的要求，然后应该基于软件逻辑、软件操作、硬线电路、控制环路、部件动作及状态分析得到的详细操作和结果，用于指导现场作业人员进行测试。

本项目功能场景说明书设计正常场景38项，故障场景共计49项，其中车辆占29项，应急场景20项，根据经验首次列车测试的错误率应低于30%，过高的错误率证明功能场景测试文件的编制要么缺少可靠的技术资料支撑，要么对技术资料的梳理不到位。为了确保技术资料梳理的可靠性，按照经验至少在测试前3个月组织按照梳理顺序对技术资料进行梳理，编制初版后进行至少两轮的专业评审。对于缺失内容应做好确认，可以设计表格清单进行记录开口项，对于有措施在未来测试过程中可能弥补的应做好说明，并在测试阶段设计计划。

全自动运行系统功能场景测试是一项各专业高度协同配合完成的工作，分工明确，交互替代的难度高，但车辆专业作为系统运行的核心载体，逐步掌握其他系统的运行原理，对不断优化全自动运行系统车辆的设计生产有重要意义。

基于公司在全自动运行系统项目技术实际需求，为做好全自动运行系统功能场景测试和技术积累，在测试过程中应对所有功能场景关键实测信息进行图片记录，特别是条件停车、休眠唤醒、门系统测试等涉及的重要场景记录应该更加细致，并与编制初版时所留开口项进行比对、修正，做好记录。对于测试环路中涉及的其他专业的缺失项应与开口项进行比对、修正，基于测试实际情况整理获得可靠的缺陷记录，以备为未来项目生产投标、设计、生产时提供技术依据。以上更新的测试文件和开口项记录在功能场景测试结束前应组织专业评审，并应该至少有技术主管参加，以确保测试文件和开口项记录的可靠性。