三、自主创新CBTC系统的核心技术研究过程与内容xpm北京交通大学新闻网

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基于通信的列车自动控制系统是目前国际上先进的轨道交通运行控制系统，该系统摆脱了用地面轨道电路设备判别列车占用闭塞分区与否的束缚，突破了固定闭塞的局限性，为实现90秒间隔的移动闭塞提供可能，在CBTC系统中充分利用先进的通信传输手段，实时地或定时地进行列车与地面间的双向通信联络，使得后续列车可以及时了解前方列车运行实际间隔距离，通过计算后续列车即可给出最佳制动曲线，既提高了区间通行能力，又减少了频繁减速制动操作，改善了旅客乘车舒适度，由于车地间通信信息量的加大，地面可以实时地向车载信号设备传递车辆运行前方线路限速情况，指导列车按线路限制条件运行，提高了列车运行安全性和高效。xpm北京交通大学新闻网

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自主创新的CBTC系统作为一项集控制、通信、网络、集成、运输组织、材料工艺等多学科的综合系统技术，根据国际上发达国家在安全苛求控制系统上的发展历程，以及安全认证的体系要求，从1995年开始就按照全生命周期的要求开展相关的研究工作，其发展历程经历十几年，见图1。xpm北京交通大学新闻网

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图1   自主创新CBTC核心技术体系形成过程(图片来源：北京交通大学)xpm北京交通大学新闻网

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（1）基础理论研究与科学探索xpm北京交通大学新闻网

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从1995年开始，北京交通大学曾经得到国务院、铁道部的批复，组织开展的相关轨道交通移动闭塞的基础研究与论证，随后得到国家及学校各项基础研究基金项目的支持，进行了基于通信的移动闭塞基础理论和科学问题的研究，并开着了相关核心技术的仿真研究与实验，培养了一批研究人才。xpm北京交通大学新闻网

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（2）北京市科委立项第一期：核心技术研发xpm北京交通大学新闻网

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2004年10月，市科委在国内首次立项进行“基于通信的城轨CBTC系统研究”。核心技术主体北京交通大学牵头，负责开展制约我国信号系统发展的ATP/ATO系统研究；北京市地铁运营公司作为现场试验负责单位，负责车辆厂试车线的试验；北京和利时公司参加开展相关系统的研发和配合试验。xpm北京交通大学新闻网

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到2007年底，课题组成员发挥各自优势攻克了CBTC系统的关键技术，完成整个CBTC系统的系统集成测试，并在北京地铁1.3公里的试车线上进行了功能和性能试验，并通过专家验收，各项功能和性能技术指标达到国际先进水平，打破了国外在该领域的技术垄断。xpm北京交通大学新闻网

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（3）国家科技支撑计划第一期：CBTC系统的工程化研发与集成验证xpm北京交通大学新闻网

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2006年，随着北京市科研课题的深入研究，建设部非常重视，将“自主开发的CBTC系统研究与开发”纳入由建设部牵头的国家科技支撑项目“城市轨道交通关键技术研究”，通过该支撑项目，由北京交通大学牵头开展了核心技术的二次设计，完成工程化的样机研制过程，并在实验室的综合测试验证平台上得到了进一步验证，同时由北京地铁、广州地铁、上海地铁、城建设计院等联合开展了CBTC技术规范的研究。xpm北京交通大学新闻网

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（4）北京市科委立项第二期：实际运营线的DCS专项试验xpm北京交通大学新闻网

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2007年12月，北京市科委在完成CBTC系统核心技术研发成功的基础上，组织专家论证，一致认为轨道交通信号系统是一个特殊的安全控制系统，必须通过现场实际运营线路的试验和测试，立项由北京地铁运营公司牵头，北京交通大学、中铁电化局电铁设计院、上海大学等单位参加的方式进行现场试验，重点是开展CBTC系统地车通信三种传输方式（无线自由波、漏泄波导与漏泄电缆）的专项试验与考核。xpm北京交通大学新闻网

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（5）财政部专项：CBTC系统的研发中试与平台建设xpm北京交通大学新闻网

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2008年1月-2009年10月，随着CBTC核心技术、工程化样机的研制成功，以及在实验室仿真测试验证、现场的专项测试的深入验证，特向国家财政部申请了“基于通信的CBTC研发中试与平台建设”专项，在大连快轨3号线上建成了首条国产、自主知识产权的CBTC的中试线，试验线路长度达到8.9公里，试验时间为期一年半，实现并验证了多列车的移动闭塞ATP/ATO功能。验收专家评价到：首次采用了自主设计的包含基于无线自由波/波导管的CBTC控制、基于应答器的点式控制及基于计轴的站间联锁控制等三级控制方式的系统方案，完成了区域控制中心（ZC）、数据通信系统（DCS）、车载设备等CBTC系统核心设备的工程化样机研制；首次在前期研究成果的基础上，按照工程化标准，在大连快轨三号实际运营线建立的全长8.9公里城轨CBTC系统中试试验线；首次实现了CBTC系统ATO控制下移动闭塞多车追踪运行、区域控制中心切换、无线自由波与波导管结合车地信息传输、屏蔽门控制等ATP/ATO系统的各项功能，系统性地进行了自主研发CBTC系统的静态、动态试验与系统稳定性测试等；试验表明CBTC系统各项技术指标达到中试预期的目标和要求，达到国际先进水平，为北京亦庄线示范工程的成功实施奠定了坚实基础；xpm北京交通大学新闻网

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另外，为了现场测试与验证，在实验室建成了一批CBTC系统设计、核心技术研发、集成测试、系统验证各类平台。xpm北京交通大学新闻网

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（6）北京市科委立项第三期：亦庄线示范工程的实施xpm北京交通大学新闻网

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2009年初，为落实刘淇书记“狠抓科技创新和自主创新，努力攻克地铁高端和核心技术”的指示，进一步扩大国产化研究成果，决定将“北京轨道交通核心技术研发及示范工程”列为北京市重大专项，以企业兼用户为牵头单位，真正实现在科技创新平台下，利用国家“首台套政策”，集中北京乃至全国的优势人才和相关单位，加强专项和示范工程管理，“精心设计、积极稳妥”，依托一条示范线和一个实际工程，在3-5年内能够掌握轨道交通ATC（AutomaticTrainControl）系统（信号系统）高端和核心技术，形成完全自主知识产权的系统或设备，建成一个安全认证体系，培养一批高水平、经验丰富的专业建设、运营和维护人才，同时在北京形成一个高附加值的高新技术产业链，完全摆脱国外的技术垄断。xpm北京交通大学新闻网

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该专项由北京市交通委主持，北京市轨道交通建设管理有限公司承担实施，北京交通大学、北京市地铁运营有限公司、北京市基础设施投资有限公司等单位参加。xpm北京交通大学新闻网

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（7）国家科技支撑计划第二期：CBTC系统的工程化研发与集成验证xpm北京交通大学新闻网

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2009年，国家科技部配套支持“北京轨道交通核心技术研发及示范工程”北京市重大专项，将该项目纳入国家科技支撑项目，通过该支撑项目，由北京市轨道交通建设管理公司牵头，联合北京及其示范工程相关单位在亦庄线上实施具有完全自主知识产权的CBTC系统。xpm北京交通大学新闻网

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四、亦庄线示范工程的实施内容xpm北京交通大学新闻网

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在整个示范工程中，基于已经攻克的核心技术，从系统设计、测试验证与安全认证三个方面重点突破与把关，采取三条国产化线集中办公的策略来落实该三项难点。通过系统设计来满足用户的需求，通过测试来验证系统是否满足需求，通过安全认证来保证工程的里程碑投入进度、质量与安全。xpm北京交通大学新闻网

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1）系统设计xpm北京交通大学新闻网

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为加强设计标准化工作，提高设计质量和效率，规范了信号设备平面布置图、系统结构配置图和联锁表设计标准，保证设计图纸图例、格式、设备名称、设计内容、联锁及进路设计原则一致。主要内容包括：由设计院牵头，各方参与共同完成了信号系统结构配置图、信号设备平面布置图的设计标准规定；由集成商卡斯柯公司牵头，在设计院和运营公司专家指导下，统一联锁设计原则及联锁表设计说明。xpm北京交通大学新闻网

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整个系统设计阶段，形成了各类设计文档369份，包括：系统设备结构配置图、轨旁设备平面设备布置图、牵引计算、联锁表及说明书；信号系统与车辆、通信、PIS、ISCS等其他专业的接口设计文件；ATS系统、计算机联锁CI系统、ATP/ATO子系统、DCS子系统等技术规格书及安装手册。通过设计周例会、专题讨论会和专家咨询会等多种形式的技术研讨，从提高信号系统可靠性、可用性以及运营行车组织效率的角度出发，对信号系统的初步设计进行了多项改进，达到3大类79条目。xpm北京交通大学新闻网

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2）测试验证xpm北京交通大学新闻网

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对于一个安全控制系统，详细、合理、科学的测试是必须的，一般意义上讲，信号系统只需要10%到20%的精力解决好在正常情况下的列车自动控制的基本功能，而需要80%，甚至90%的经理处理与测试好故障下和异常运行情况下特殊保障功能。xpm北京交通大学新闻网

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在整个示范工程中，从设计与编制测试计划和大纲开始，搭建实验室的综合测试平台，到现场的验证测试。xpm北京交通大学新闻网

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测试大纲部分主要包括以下内容：静态测试、工程数据符合性测试、点式ATP系统测试、点式ATO相关功能测试、点式综合能力测试（多车测试）、CBTC系统测试、CBTC系统ATO相关功能测试、各种故障模式的测试、CBTC综合能力测试（多车测试）等等。xpm北京交通大学新闻网

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实验室测试平台集成测试分子系统测试、接口协议测试、点对点功能测试以及全功能验证测试多个阶段，测试主要内容包括：VOBC子系统测试、ZC子系统测试、CI与LEU集成测试、CI与VOBC集成测试、CI与地面ATP集成测试、ATS与LEU集成测试、ATS与VOBC集成测试、ATS与地面ATP集成测试等等，测试案例达到十几万多条。xpm北京交通大学新闻网

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现场验证测试主要完成CBTC系统在试车线、正线上的功能验证，以及各项技术的单向测试，主要对车辆车载VOBC的静动态测试，以及正线上每个进路和场景的验证测试，其中包括：DCS系统的性能测试、应答器的性能测试、点式功能确认测试、基本CBTC功能测试、完整CBTC功能测试、线路能力测试、各种故障下的测试等，需要验证的测试案例达到2000多项。xpm北京交通大学新闻网

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3）安全认证xpm北京交通大学新闻网

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作为保证行车安全的列车自动控制系统，安全是第一位的，如何保证研发与应用示范的系统达到规定的安全等级，参照国际CENELEC的安全规范与标准进行相关产品与工程的安全认证与报障，具体的流程见图2。xpm北京交通大学新闻网

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图2 安全控制系统的生命周期(图片来源：北京交通大学)xpm北京交通大学新闻网

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 从2007年底开始，由英国劳氏公司对应用于亦庄示范工程的LCF-300列车控制系统产品进行“一般产品”安全认证，到2010年4月为止，已经提交所有要求的文档，经过了劳氏公司4次现场ISA审核，2010年5月底劳氏英国总部批准颁发一般产品安全证书，证书上写明LCF-300列车控制系统研发过程满足EN50128、50129要求，主要安全功能满足最高安全等级SIL4要求。xpm北京交通大学新闻网

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从2009年8月开始，通过招投标方式，选择了英国劳氏公司作为亦庄线、昌平线、房山线三线的信号工程安全评估独立第三方，一年多的时间，劳氏公司组织多次的国内外安全培训与专题会议，对上千份设计、测试、变更文档及流程进行审计与抽测，并对设计单位、集成商、核心技术供应商等单位进行安全管理的审计工作，提出了许多有建设性和针对性的问题与建议，并紧紧跟踪保证最后的关闭。xpm北京交通大学新闻网

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在整个安全认证过程中，涉及到的安全文档体系包括：xpm北京交通大学新闻网

危险源分析：用于系统设计初期的危险查找，包括特定危险到中间阶段危险的演变，同样还需要查找与系统建立流程相关的危险。危险分析报告就是一种首要通过的危险识别与分析报告，用于确定：①风险的作用域以及广度；②初步设计活动中的可以消除或者控制的潜在危险。xpm北京交通大学新闻网

风险评估报告：风险的定性与定量分析结果需要汇总到风险认证报告中，以便于审查和签署。xpm北京交通大学新闻网

危险日志：记录危险细节，以及系统、产品安全分析过程中辨识出的，以及变更和安全日志文档中生成的潜在事故，是危险得以控制的主要证据源。xpm北京交通大学新闻网

安全需求规范：用于记录系统级、子系统级以及组件需要实现的功能安全需求，以及系统应该体现出的安全特性的文档说明。xpm北京交通大学新闻网

安全证明文件：论述产品符合规定安全要求的证明文挡。xpm北京交通大学新闻网

设计规范、测试报告等等。xpm北京交通大学新闻网

回顾整个过程，感受到从风险的角度评价和衡量一个系统或是产品的安全性，抓住产品研发和工程实施的整个生命周期中的每一个阶段和步骤对于保证系统安全性是至关重要的。xpm北京交通大学新闻网

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凤凰网：城轨CBTC系统研究与示范自主创新模式探索（三）xpm北京交通大学新闻网