城軌列控系統完全自主化關鍵要素分析

劉果 謝勝茂 周在福

摘 要：基于國內外形勢和國內需求，首先分析城市軌道交通實現自主化的可行性和必要性;然后分析城市軌道交通列車運行控制系統完成自主化的關鍵要素，包括工程設計、產品設計、安全與質量管理、項目管理等，并提出完全自主化亟待突破點及建議;最后展望可以利用人工智能、大數據、云計算、物聯網、5G等技術做好全生命周期的智能化建設，以推動城市軌道交通由高速發展向高質量發展轉變。

關鍵詞：城市軌道交通;列控系統;自主化;關鍵要素;突破點;建議

中圖分類號：U213.9

進入21世紀，特別是2010年后，我國城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）飛速發展，據不完全統計，截至2019年12月31日，我國內地共有40座城市建成并投運城軌線路6 730.27 km;2000年—2019年，僅北京地鐵開通的運營新線就有21條，增加運營里程645km，是前30年的12 倍，年客運量也已經增加到38 億人次以上。城軌裝備產業是國家戰略性新興產業高端裝備制造業的重點內容，而控制列車運行的大腦——列車運行控制系統（以下簡稱“列控系統”）是關鍵核心之一。從發展歷程看，我國城軌的快速發展過程也是列控系統自主化程度不斷加深的過程，但在核心裝備自主化方面仍然有很長的路要走;以列控系統為代表的核心裝備完全自主化研制對于支撐行業未來可持續發展及保障信息安全、經濟安全尤為關鍵。

1 自主化可行性和必要性分析

無論是從城軌線路數、總建設里程數還是年客運量來看，我國已經成為當今世界最大的城軌市場，但是與國內其他行業一樣，城軌交通領域也面臨著無法完全自主化的痛點，因此可能會引入潛在的信息安全和經濟安全風險。表1列出了近幾年幾起國外重要基礎設施信息安全事故。

城軌屬于關鍵基礎設施，安全防護至關重要。如果不實現自主化，類似的事故可能會發生在我國的軌道交通行業，而列控系統作為控制列車運行的“大腦”極有可能受到網絡攻擊。

除了受到網絡攻擊的風險外，由于目前我國系統中所用的核心組件大量采用國外的元器件、操作系統等，一旦相應國家對我國實行禁運，很多企業都將面臨“巧婦難為無米之炊”的尷尬境地。近年發生的中美貿易爭端，尤其是“中興事件”和“華為事件”，切切實實給國內各行各業一個教科書式的教訓。如何不被這些國外組件制約，也是列控系統自主化需要解決的問題。

國家一直在鼓勵國內相關單位進行自主創新，2006年中華人民共和國國務院印發實施國發[2006] 6號《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）若干配套政策的通知》;2013年正式提出自主可控概念;從2013年開始，習近平總書記在各種重要場合強調“自主可控”的講話多達7次以上;2020年3月，中國城市軌道交通協會正式發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》。從國家自主化發展歷程看，我國從1999年開始陸續經歷了實驗室可用，勉強能用，能用可用到目前好用愿用的階段;我國城軌建設項目也經歷了從國內企業牽頭，整套引進，到采用國產部分子系統配套集成，再到國內企業能提供完整的列控系統的階段。

城軌的自主創新已經從國產化邁入了自主化階段，無論是在客觀上還是主觀上，我國城軌列控系統都已經具備完全自主化的動力和能力。

2 列控系統自主化的關鍵要素分析

列控系統自主化貫穿于產品設計、產品測試、工程設計、系統集成與項目管理等系統的全生命周期，并與產品的安全、質量與配置管理直接相關，客觀上要求列控系統的供貨方能在全生命周期范圍內持續提供產品和服務，并能抵御來自外部的安全風險。

2.1 產品設計

產品設計是將用戶需求轉變為產品需求，從而傳遞到整個產品的設計開發過程中。產品設計自主化包括系統設計自主化、硬件設計自主化、軟件設計自主化和工具設計自主化，是整個列控系統自主化的最關鍵要素。

（1）系統設計自主化。應具備從場景分析、系統需求分析到系統架構設計的能力，并具備系統持續優化和演進的能力。

（2）硬件設計自主化。應具備整機設計、單板設計、元器件選型的能力，原理圖和印制電路板（PCB）可修改優化，產品的可靠性和可制造性可預測。

（3）軟件設計自主化。應具備安全平臺和業務的設計實現能力，尤其是安全機制和安全通信協議;源代碼可改、可審、可測。

（4）工具設計自主化。應具備配套工具的設計實現能力，可根據項目設計和項目交付過程特點進行效率提升和質量提升方面的優化，工具（含軟件和硬件）應可信、可控。

隨著列控系統自主化程度的推進，國內很多企業已經具備系統設計、軟件設計和工具設計完全自主化的能力，但是在關鍵零部件和基礎軟件選用上還無法做到完全自主化。

2.2 產品測試

測試是為了驗證產品設計實現是否符合預期，測試的有效性和充分性可以大大減少后期返工的工作量，測試自主化包括測試設計自主化、自動測試自主化、底層測試自主化和故障注入測試自主化。

（1）測試設計自主化。應具備搭建完整的真實或仿真測試環境，以及完成產品測試、工程測試、型式試驗的設計能力;測試用例應透明、可審。

（2）自動測試自主化。應具備測試環境（含自動化測試）持續優化的能力。

（3）底層測試自主化。應具備白盒/灰盒測試能力，測試覆蓋率應可獲得。

（4）故障注入測試自主化。應具備模擬硬件故障和模擬程序變量突變的能力，通過這種故障模擬注入，獲得系統在異常條件下的反應。

國內信號企業在參與城軌項目建設和自主化過程的同時也積累了大量的測試經驗，這些經驗使得我國很多企業已經具備了列控系統產品測試完全自主化的能力。

2.3 工程設計

工程設計著重解決與運營方、建設方和設計院充分溝通的問題，理解并澄清用戶的原始需求，設計符合用戶需求的列控系統項目，包括合同談判與分析、設計聯絡、場景分析和特定應用設計。

伴隨著國內城軌的高速發展，國內很多企業積累了豐富的工程設計經驗，這些經驗使得我國很多企業已經具備了列控系統工程設計完全自主化的能力。

2.4 系統集成與項目管理

隨著新技術的不斷涌現，列控系統也在不斷地更新發展，各種新的信息技術在列控系統中得到集成應用，如大數據、云計算等。目前，城軌行業內還沒有一個廠家能將這些新的技術全部掌握，也不可能都自己生產與這些新技術相關的產品并應用到列控系統中去，因此要不斷提高列控系統的自主化水平，系統集成與項目管理的能力就尤為重要。

國內的信號企業參與到城軌機電建設基本上都是從系統集成和項目管理開始的。經過大量項目的實施，國內已有很多企業具備系統集成和項目管理完全自主化的能力。

2.5 安全、質量與配置管理

安全管理包括對產品或項目進行危害分析，提出安全需求，進行安全審計和安全分析的過程，一般也包括產品可靠性、可用性和可維護性（RAM）分析的過程。

列控系統是一個關系民生的高安全產品，其自主化需要做到對安全需求的理解、掌握自主化，安全原理設計及安全風險分析自主化，安全審計、安全認證國產化，即列控系統的安全保障要掌握在“自己”手中，不受國外廠家或機構的制約。中國國家認證認可監督管理委員會2019年印發的《城市軌道交通裝備產品認證實施規則》為城軌自主化發展提出了產品認證的要求，也為安全管理自主化提供了認證依據。企業內部應具備通過認證審查的安全管理體系。

質量與配置管理包括對產品或項目進行質量管控與配置項管理。企業內部也應具備經過認證審查的質量管理體系，并配備專門的質量管理團隊。為保證質量和配置管理的完全自主可控，企業的版本管理服務器應部署在國內。

3 完全自主化亟待突破點及建議

雖然我國城軌領域已經度過了國產化階段，正處于自主化階段，但是與國內其他行業面臨的問題一樣，在關鍵零部件和基礎軟件選擇上還無法完全自主可控，還有待突破。

3.1 關鍵零部件

關鍵零部件是整個系統的“心”，如高性能中央處理單元（CPU）/圖形處理單元（GPU）、大規?，F場可編程邏輯陣列（FPGA）。尤其是CPU芯片，它是完全自主化最關鍵的一環，整個軟件生態都建立在底層CPU架構之上。

目前國內產品用的比較多的CPU芯片架構有X86、ARM、PowerPC和MIPS。經過近些年的積累，我國也涌現了一批對應的自主化CPU廠商，根據不同的CPU架構，這些國內代表企業分類如表2所示。

GPU和FPGA也有對應的國內代表企業，如紫光國威、安路科技、景嘉微等。

雖然這些自主化關鍵芯片與國外最新芯片還有一些性能差距，但是已經處于好用階段，可以選擇國產化的關鍵零部件進行替代。

3.2 基礎軟件

基礎軟件是整個系統的“魂”，如操作系統、數據庫。它是整個自主可控產品中另一個重要部分，整個應用軟件生態都建立在其架構之上。

對于基礎軟件，可以采用“開源軟件+國產自主”基礎軟件的策略，在選擇合適的授權開源軟件之后可逐步轉為自主可控。國內很多基于開源軟件和國產化基礎軟件的產品已經得到了實質性的驗證，可供選擇的基礎軟件也比較多。其中，國產化操作系統軟件有NeoKylin（Linux）、深度Linux、SylixOS、Reworks、RT-Thread、LiteOS、AliOS等;國產化數據庫軟件有AliSQL、GaussDB等;開源數據庫軟件有Sqlite、MySQL等。另外，部分開源大數據平臺也能替代數據庫軟件。

4 展望

正如《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》提出的，城軌“擔當”的主要工作路徑是智能化和自主化兩手抓。未來中國城軌列控系統將在自主創新的基礎上，通過持續不斷的智能化建設，打造以數字化、網絡化、智能化為特征的新一代中國式智慧型城市軌道交通建設平臺，最終推動城軌由高速發展向高質量發展轉變。

隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網、5G、區塊鏈、衛星通信、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）、機器視覺、生物識別等新興信息技術的應用成熟，城軌列控系統完全可以利用這些技術做好全生命周期的智能化建設：

（1）在產品設計階段，利用人工智能、物聯網、5G、衛星通信、機器視覺、生物識別等新興信息技術，設計出更加智能化的產品，優化列車運行控制、強化運維安全和運輸組織;

（2）在產品測試階段，利用大數據、云計算、物聯網、5G、VR/AR等新興信息技術，探索新的實驗室測試框架，實現“零現場測試”和遠程測試;

（3）在工程設計階段，利用人工智能、大數據、云計算等新興信息技術，形成端到端的一體化自動設計工具、標準化操作規程，簡化驗證和授權流程，提高互操作性。

參考文獻

[1]中國城市軌道交通協會. 中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要[G] .北京：中國城市軌道交通協會，2020.

[2]趙天時，孫超，郎學偉. 城市軌道交通裝備產品認證實施規則特定要求—城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統（CBTC）規則解讀[J].現代城市軌道交通，2019（8）：106-111.

[3]郜洪民，賓海豐，付連著. 我國城市軌道交通信號技術自主化發展策略探討[J].城市軌道交通研究，2012，15（4）：4-7，23.

[4]張曉麗. 城市軌道交通CBTC系統互聯互通的重要性[J].科學咨詢，2019（22）：167.

[5] 張曉清，龔波，田麗韞，等. 國產自主可控應用性能優化研究[J].軟件，2015（2）：5-9.

[6]江明，王建敏. 自主化CTCS-3級列控系統技術創新及裝備研制[J].鐵路通信信號工程技術，2018，15（4）：1-4.

[7]丁樹奎. 建設示范工程，推進北京軌道交通設備核心系統的國產化和自主化[J].現代城市軌道交通，2011（6）：20-24.

[8]孫中嬋. 自主可控系列產品標準正式實施[EB/OL].（2019-04-04）. https：//www.sohu.com/a/305959555_120090618.

[9]杜思遠. 國產化替代究竟“替”什么[EB/OL]. （2019-07-19）. https：//www.sohu.com/a/327994204_120090618.

[10] 丁建隆. 扎實推動城軌交通裝備自主化進程[J].現代城市軌道交通，2010（5）：1-4.

[11] 黎曉. “十二五”時期我國城市軌道交通發展策略探討[J].城市軌道交通研究，2011，14（8）：5-7，12.

[12] 趙志敏. 城軌列控系統仿真平臺中聯鎖站的設計和實現研究[J].電子設計工程，2018，26（14）：72-76，81.

[13] 冷德熙，馬愛平.樹立創新自信，加快推進城市軌道交通自主化[EB/OL].（2013-08-10）. http：//css.stdaily.com/kjrb/content/2013-08/10/content_632559. htm.

[14] 倪光南. 國家自主可控，比你想的要好[EB/OL].（2019-03-01）. https：//www.sohu.com/a/298509800_115479.

[15] 中華人民共和國國務院. 國發[2006] 6號 ?國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）若干配套政策的通知[G]. 2006.

[16] CNCA-CURC：2019 城市軌道交通裝備產品認證實施規則[S]. 2019.

收稿日期 2020-04-23

責任編輯 黨選麗