地铁信号系统设计验证的研究和应用

曹 然

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

地铁信号系统设计作为整个项目实施阶段的前端整体设计，在实现列车可靠运营，保障列车运行安全，满足业主需求方面有不可替代的重要作用。因此，信号系统设计的质量直接影响了项目的质量与项目的成本。设计验证环节作为项目流程中的一项活动，是通过采用一定的标准，根据客观证据，检查系统设计的相关文档是否满足规则要求。系统设计验证大大减少了设计环节的问题，提高了设计结果与合同的一致性以及相关产品要求的一致性，同时也降低了返工的成本，保证下游活动能够正常有序的进行。

1 系统设计验证

从项目实施的角度，整个项目的流程环节分为7 类，分别是项目立项阶段、需求定义阶段、结构设计阶段、数据制作阶段、集成确认阶段、安装调试阶段以及项目验交阶段。

在项目需求分析结束后就可以开展系统设计工作。设计人员需要先了解项目的需求，在结合土建资料、产品特性的基础上对地铁项目的平面图及其他参数文档进行编写，供流程中的下游环节使用，最终保证列车能够平稳、安全的运营。在系统设计环节告一段落后，设计验证针对设计人员编写的影响数据输入文档进行相应检查。如图1 所示，系统设计验证工作处于整个项目活动的上游，而且从项目成本以及周期来看只有处于上游才能达到各方面最优化。

图1 项目实施模型Fig.1 Flowchart of project implementation

在设计验证环节发现的问题将反馈给设计人员进行整改，重新编制相关文档直至文档内容正确后，数据及后续测试工作方可进行。否则相当于在错误的基础上进行无效工作，既不利于项目成本控制也不利于项目周期缩短，并且使列车运行存在很大安全隐患。

为了能够更全面细致的发现设计中存在的问题，设计验证需与系统设计的出发角度不同，具体体现在如下方面。

系统设计要经历项目设计方案从无到有的过程，设计人员整合利用各种输入资料，结合项目的需求编制出图纸、文档，定义相关系统参数。而设计验证则基于已有的图纸、文档进行检查，并不参与项目的设计环节。从这个角度来说，设计和验证是彼此独立互不影响的两个流程，在设计过程中所考虑的角度并不会影响在验证过程中所检查的思路，所以对于问题的发现和提出更具有客观性。

系统设计在编制图纸文档的过程中，会考虑设计是否影响性能，比如是否影响运营效率，是否符合业主的使用习惯，是否有安全风险等，从而会多次调整设计方案，并且有时会出现牵一发而动全身的情况，所以在设计过程中需要解决很多相关性强的复杂问题，以求在各方面尽可能达到最优化。相比于设计过程考虑功能性需求，验证更多则是关注最终的设计方案是否符合标准，着重利用规则对结果进行判断，以在功能满足的情况下保证系统的可实现性。

系统设计在修改文档问题的时候着眼于解决问题本身，而对于修改结果是否存在其他系统冲突可能关注不到。所以对于验证来说，除了会检查修改内容本身是否按照需求修改，还会根据既定规则检查相关修改内容是否有系统冲突，从多个角度进行检查保证问题被切实有效的解决。

2 系统设计验证的内容和方法

2.1 系统设计验证的策略

设计验证在验证阶段上分为首轮验证和回归验证，不同阶段下的验证采用不同的验证策略，以保证各种情况下都能对设计文档进行完整的检查。

首轮验证即对于项目编制的第一版正式设计文档进行相关验证活动。对于首轮验证来说，验证的要求是全面检查文档内容，包括需要根据线路输入信息、车辆参数、限速信息、项目需求等检查设计文档中定义的数据正确性及有效性，保证文档中出现的数值均有来源且与来源信息一致，计算结果均能符合要求。根据合同要求检查设计文档相关功能的对应性，保证项目要求的功能在设计中均有考虑，且与合同要求保持一致。根据系统要求检查设计文档的一致性，保证设计文档的相关内容与系统要求无偏差。通过这3 个方面的检查，及时发现并纠正相关问题，有效的把控设计文档的质量。

回归验证即对于项目根据变更要求修改的设计文档进行相关验证活动。对于回归验证来说，验证的要求是检查文档的变更内容。需要保证项目已经按照变更要求完整修改相关问题，并且修改内容正确。

项目设计文档经过首轮验证和各轮回归验证，能够发现设计文档中的大量问题，并对文档的修改结果确认检查，提高用于下游环节的文档质量。

2.2 系统设计验证的内容

设计验证需要验证的文档主要包含项目平面图、列车运行规则、后备信标变量等。具体每个文档的验证内容如下。

1）平面图

平面图是一个项目线路信息的直观体现，线路包含站台位置、道岔的设置位置以及信号机、信标、停车点的布置位置，所有设备在平面图上均有各自坐标值。列车运行时根据不同的坐标值判断列车所在的位置，系统也根据设备坐标以及不同列车的位置提供运营指挥，保证各列车间的运行安全。因此，对于平面图的验证，坐标是重点检查内容。

平面图的坐标涉及两类，一类为设计院提供的土建设备坐标，一类为项目基于线路情况布置的设备坐标。对于土建设备坐标，验证需要比对输入资料中的数值和平面图中的数值，并且在有必要的时候需要换算坐标系计算数值，确保毫无差错一一对应。对于项目设置的坐标，系统要求会限制相邻或相关设备间的距离，以确保系统功能可以正常进行，验证需要根据系统要求计算设备间距离并判断是否满足系统要求。在对线路上所有设备都检查完成后，验证人员将出具报告，记录不满足要求的设备及坐标，提供设计人员进行修改。

2）列车运行规则

列车运行规则主要用来描述列车的运行情况，包括交路信息、进路信息、折返信息、存车出车信息、转线信息、信号机信息、紧急停车以及屏蔽门信息等。由于列车运行规则涉及的内容较多，不同的内容需要有不同的检查输入和检查标准，因此对于验证来说，也是相对比较繁琐的活动。运行交路需要覆盖线路上的每个站，组合不同的运行交路情况，验证人员需要检查每种可能的情况是否都被列入，以免运营时有缺漏。进路表将线路上所有进路信号机组成的进路列出来，以及定义进路中的始终端信号机，所经过的道岔位置，验证人员需要比对平面图，确定始终端信号机的名称正确，进路的名称正确，进路中道岔所在的位置正确以及防护道岔的防护位置正确。折返列表列出项目中可进行换端的区域以及自动折返的区域，验证人员需要检查设置折返的区域是否具备设置条件，折返后运行模式是否定义正确，以及区域的长度是否满足停放一列或多列车。存车出车信息定义线路上可以在结束运营之后用于停放车辆的位置，验证需要根据平面图检查存车出车作业的设置位置是否合理，运行模式是否定义正确。当项目与其他线路有联络线时，需要将运行至其他线路的情况定义出来，验证人员需要注意项目定义的转线位置，转线运行的模式是否合理。信号机列表将项目中信号机的属性列出，包括是否配置引导功能，是否设置保护区段，是否用于后备模式等，而验证人员也需要针对每个属性，根据系统要求检查信号机的属性是否正确设置。紧急停车以及屏蔽门信息，用于线路中出现紧急事件时的防护功能，对于需要防护的区段，验证人员需要检查是否所有导向该区段的信号机已设置为禁止状态，对于可能造成危险的情况及时提出。

3）后备信标变量

对于大部分项目，除了设置自动控制系统，还兼备通过信标传递变量的点式后备控制系统。信标用于传递前方进路的信号机道岔状态，以提供列车运行的依据。对于这类项目，设计人员需要对信标传递的信息逐一列出，而验证人员需要根据线路站型，进路情况综合检查，是否有遗漏的信号机道岔状态，是否超过信标的容量，是否符合冗余要求。

综上，根据列出的部分验证内容，可以看出设计验证检查的范围广、检查的内容全、检查的着手点细致，同时会结合各个文档对项目的整体情况做判断。经过验证环节的检查，能够发现大部分项目不符合系统要求以及项目要求的问题，规避了在设计阶段专注于功能实现而忽略的系统要求问题。

3 设计验证实践

以列车运行规则中折返区段的检查为例，如表1所示，说明验证在项目中如何进行检查。

表1 列车运行规则中折返表格Tab.1 Table of the turn-back section in compliance with rules of train operation

区段T4107 定义为折返区段，如图2 所示，该折返区段的边界为两侧的计轴。首先，验证人员需要检查列车运行规则中折返区段的定义是否为区段T4107，即区段名称是否与平面图中一致。其次，验证人员需要检查折返区段所位于的轨道名称是否正确，即检查表格中列出的轨道与平面图中的区段是否一致。再次，验证人员需要保证区段设置为折返区域可以正常停放一列车，同时列车在调头后能够正常观察到信号机的状态，即停车点与信号机S4110 之间的距离需要大于一列车的长度，根据平面图获取两点坐标差值（145.7 m），并与车长比较（140.4 m），满足能正确停放一辆车的要求。

图2 折返区段平面Fig.2 Layout of the turn-back section

基于以上几点，验证对区段T4107 上的折返，检查结论为OK，项目设置正确无问题。

4 结束语

通过对设计验证的必要性分析、对验证检查内容的说明，结合在项目中的实际应用，可以看出设计验证在客观独立性、多角度性、全面性上弥补了系统设计可能存在的缺陷。在提高项目质量，节约项目成本，缩短项目工期上有着不可替代的作用。因此，设计验证对于整个项目实施流程是一个必不可少的环节。