琚倩茜，骆汉宾

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)



地铁设备系统联合调试平台

琚倩茜，骆汉宾

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

地铁设备系统涉及车辆、轨道、通信、信号、供电、综合监控等众多子系统，各子系统之间的功能联动技术复杂、自动化水平高、接口数量巨大，设备系统联合调试的绩效直接决定了整体工程是否能够按时保质开通运营。然而，国内联合调试通常依靠上万页各类接口文件+纸质联调记录表格+接口协调会，技术落后、效率低、易出错。本文提出了设备联调信息化的实现框架，设计开发了地铁设备系统联合调试平台，有效协助业主构建复杂物理接口体系并集成相关接口参数、关联联调子过程与对应的接口信息、实时追踪接口状态、自动统计联调进度，并基于接口冲突协同机制为各参与方提供了一个联调接口冲突实时修复-接口信息在线沟通的平台。案例分析结果证明，该平台可以有效提高联调效率，改善接口管理绩效，促进整体工程按时、保质验收。

地铁设备系统； 接口； 设备联调； 工程管理平台

地铁设备系统涉及车辆、轨道、通信、信号、供电、照明、环控等众多专业[1]。随着城市地铁设备系统自动化程度的大幅度提升，各集成类控制系统如综合监控系统(ISCS)、环境与设备监控系统(BAS)、火灾报警系统(FAS)等被普遍运用于中国新建地铁项目，大大增强了城市地铁系统整体联动功能和运行效率。与此同时，子系统之间的信息传递逻辑、功能联动等各项协作关系越发复杂，物理接口数量呈指数增长。各子系统的功能、性能各项指标的实现是在整体系统环境良好且各个子系统能够进行良好的信息传递及功能联动基础之上的。反之，各子系统如果不能相互配合就有可能大大增加运营期的系统维护、维修费用，甚至造成车辆和设备不能正常运营或发生事故，给城市地铁的安全、稳定运营带来巨大的隐患[2]。地铁设备系统联合调试(设备联调)是指在各设备子系统完成内部调试的基础上开展的接口功能及性能测试，以检验各子系统是否达到设计要求的协同运作能力。设备联调属于设计验证阶段，是地铁工程由建设阶段向运营服务转变的标志，可确保整体系统的最优匹配，是连接城市轨道交通工程建设阶段和运营阶段的关键环节，其成功与否直接决定了整体工程能否按时保质完成开通运营的总目标。近年来，设备联调越来越受到国内外城市轨道交通工程业界的高度重视，部分城市将其作为一个独立环节单独招标，如深圳地铁1号线和南京地铁1号线。

然而，国内地铁设备联调通常依靠手工调试+上万页接口技术文件+纸质联调记录表格，技术落后、效率低、易出错，已经无法适应现代自动化地铁设备系统的管理需求，业主方联调管理难度巨大：(1)接口信息复杂、信息量巨大：设备子系统之间接口数量众多，类型多样化[3, 4]，单一子系统就有上千个不同类型的物理接口和上万个关联功能点。(2)接口信息分散：联调阶段需要调用的大量设备系统接口数据来自不同参建方、不同子系统、不同建设阶段，分散在各类技术文档或会议纪要中[5]，不同类型接口信息之间的关联需要人工识别，难以沟通交互；(3)接口双方信息不一致、更新不同步：在没有统一联调信息管理平台的条件下，具备接口关系的相关设备子系统依照各自的内部标准分别管理接口信息，同一个物理接口两侧子系统的接口数据内容常常不一致，更难以随着工程的实施进行同步更新，引发了许多不必要的错误和返工；(4)接口沟通方式效率低：当前联调过程中接口信息和接口冲突沟通主要依靠接口协调会、纸质或电子文档、电话和传真等方式，信息沟通路径长、效率低、易出错[6]；(5)各参与方工程目标冲突、责任重叠：联调过程中涉及业主方、设计方、子系统承包商、设备供货商、监理方、咨询方、运营方等众多参与方，各方工程目标不一致、利益冲突、信息沟通不畅、合同责任界定不明确，时间、空间、责任与义务均存在大量重叠区域甚至是冲突点[7～11]，业主方接口协调难度大。(6)联调文件内容遗漏或错误：传统联调大纲及联调细则由相关人员根据工程经验粗略编制，没有统一规范化的指导思想与方法，导致在联调过程中时常出现设备点表的遗漏与信息传递的错误。(7)难以掌控实时联调进度：受总工期的严格限制、土建部分工期的影响，联调工期时常被压缩，对进度控制要求高。

因此，如何利用工程管理信息化手段构建联调接口层次化信息体系、记录更新关联接口信息、动态追踪物理接口状态、控制联调进度并高效协同各参与方之间的联调接口冲突，是理论层面上亟待解决的问题，当前尚未有相关研究能够系统化地解决以上问题。在应用层面上，业主/项目经理更是迫切需要一套科学有效的方法或工具协同管理复杂接口信息[12]，进一步提升设备联调效率。本文提出了设备联调信息化的实现框架，设计并开发了以接口管理(IM)为核心的地铁设备系统联合调试平台，科学构建并维护地铁设备工程物理接口体系，集成责任接口信息和接口技术参数，重点将标准化的联调子过程与所需调用的接口信息关联，实时更新记录最新接口状态，并基于接口冲突协同机制为各参与方提供了接口信息在线沟通平台，提高了联合调试效率，降低了接口管理风险，有助于整体工程按时保质验收。

1 设备联调平台构建技术路线

GB 50722-2011《城市轨道交通项目建设管理规范》将设备联调定义为“轨道交通工程单专业系统调试基础上,两个专业及以上的多专业系统联合调试工作”[13]。具体是指在调试好所有子系统的基础上，启动各子系统，使它们在类似运营的条件下带负荷运行，以检验各子系统间的接口关系是否正确、性能是否达到设计要求、运作是否协调,以及能力是否满足各种可能出现的设计预定情况和运营要求,并从整体上检验城市轨道交通大系统运作的可用性、稳定性、安全性[6]。从GBT 21562-2008《轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》中轨道交通范围内相应系统生命周期图(图1)[14]可以看到，设备联调属于系统确认阶段，是所有城市轨道交通开通运营前的必经阶段，是建设期的最后一个关键环节。

图1 轨道交通系统生命周期

基于IM和信息化相关理论，本文提出了设备联调信息化的实现框架(图2)，并在此基础上设计开发了地铁设备联调平台。框架的核心思想是分别从接口管理和联合调试过程控制两个纵向维度出发，系统化地构建地铁设备系统接口信息体系和联合调试过程信息体系，并关联两个纵向维度的信息，促使联合调试过程中的各参与方能够随着工程进展高效同步调用、分析、沟通、存储和更新所需要的各类接口信息，及时在线协调并修复接口冲突，降低业主方联调协同管理的工作难度，全面提升联调效率，避免项目后期不必要的错误和返工。

2 设备联调信息化实现途径

将接口管理和信息化理论系统性地应用于地铁设备系统联合调试协同管理中，有助于优化传统联调管理方式、提高联调效率、避免不必要的错误和返工。设备联调信息化包括联调接口信息体系的构建、联调标准过程模块的构建、信息关联的识别与构建、接口状态定义与统计以及接口冲突协同/信息更新机制的构建等内容。设备联调信息化在地铁设备联调平台中的具体实现路径如图2所述。

图2 设备联调信息化的实现框架

2.1 物理接口体系构建与维护

物理接口是各类接口信息的载体。业主通过联调平台同时进行多项目、多子系统的物理接口体系构建。通过项目库、子系统库和接口库三个层次进行接口体系的划分：项目库包括项目名称、项目位置、项目概况等基本项目信息，系统自动进行项目编码；子系统库存储了当前国内已建地铁项目的二十多个集成子系统的中英文名称、编号、系统描述等基本属性，用户可以依据具体项目子系统的分布情况关联项目编码与子系统编号(图3)；业主和设计单位在设备系统的初步设计阶段进行物理接口的识别和接口体系的构建，将物理接口与项目、子系统编号进行关联，同时所有物理接口都关联相关参与方的接口责任(图4)，包括硬件责任、功能责任和联调过程责任。对物理接口体系的构建和维护有效保证了多项目、多子系统接口体系的结构化、层次性与完整性(图5)。相关责任方在合同签订之后，依据合同初始责任划分和系统提供的责任接口框架对众多子系统之间的责任接口进行初始定义，并建立与合同条款编号的关联，以此作为联调过程中接口责任纠纷的处理依据。

图3 子系统库

图4 物理接口库

图5 联调平台数据层次与关联

2.2 物理接口技术参数同步

平台用户在接口深化设计阶段，依据系统提供的接口技术结构框架对物理接口的技术参数信息进行构建，并随着接口的实施过程，清晰记录接口技术参数的变更过程，包括变更内容、变更原因、相关责任方等。用户依据不同的检索字段对任意两个子系统之间的最新技术接口进行实时查询，如物理接口编号、接口位置、接口功能等。因此，同一项目的众多参与方如子系统承包商、供货商、业主代表等，尤其是同一物理接口两侧的承包商能够在同一个平台上在线共享、共同确认最新的接口技术信息，避免了由于接口技术文件版本管理混乱、接口信息散乱引发的接口双方信息不同步、不对称。此外，模块支持权限用户以pdf、word、excel等常用数据格式下载接口信息列表，作为最新版本的接口技术文件。

此外，每一次相关权限用户对技术接口信息库中的接口信息进行变更操作如添加、修改、删除等，系统自动记录变更过程并发送通知给对应接口相关责任方及业主，避免了接口实施后期由于双方接口多次变更，接口信息不对称引发的接口责任纠纷。

2.3 接口状态验收和联调进度控制

平台实现了基于联调过程控制的接口状态验收。接口状态验收是通过系统的接口测试实现的，系统提供了联合调试的标准过程控制模板，各子系统用户在此模板基础上修改完成本项目的联调实施计划(图6)，并在联调子过程上关联对应的物理接口和联调测试用例，随着联调的进行，高效检索、调用物理接口对应的技术参数信息、接口责任信息，作为联合调试的技术支持。

图6 联调流程模块

此外，平台预定义了4个接口状态：调试前、调试中、调试失败、调试完成(表1)。随着联调的进行，由联调子过程的主要责任方负责实时更新接口状态，相关参与方和业主可以在本模块实时查看接口列表中接口验收的最新状态。同时，系统自动依据搜集的实时接口状态统计各子系统和车站当前联调进度(图7)。

表1 接口实时状态表

图7 ISCS联调进度示例

2.4 联调接口冲突协同

联合调试阶段是接口冲突的高发阶段。一旦产生接口冲突，接口责任的鉴别、接口冲突的修复方案以及接口信息的更新都需要相关接口责任方尽快沟通、协调与确认。平台为接口冲突提供了一个多参与方实时沟通的工具，用户可以依据系统提供的接口冲突处理逻辑(图8)，在线沟通协调接口问题，迅速、高效地处理接口纠纷。部分接口冲突可能引发一系列的接口信息变更，平台能够完整、清晰记录每一次接口冲突引发的接口信息变更过程，通过物理接口与技术参数信息、接口责任信息和联调子过程的联动功能，迅速及时更新接口信息，保证了联调过程中接口信息的一致性。

图8 接口冲突协同机制

3 平台应用过程及效果验证

3.1 案例背景

某地铁项目总长22.262 km，设备工程共有22个子系统，包括车辆系统、轨道系统、远程通信系统、信号系统、电力系统、屏蔽门系统、安全门系统、电力监控系统、火灾报警系统、电扶梯系统、照明系统、综合监控系统(ISCS)、环境与设备监控系统(BAS)等。与国内地铁设备工程集成度水平一致，除了少量出于行车安全考虑独立控制运行的子系统如车辆、轨道和信号等，作为整个设备工程的集成化数据监控中心平台，综合监控系统(ISCS)与大部分设备子系统存在工程接口(图9)。

图9 综合监控系统接口体系

ISCS和其他相关子系统之间的数千个物理接口是联合调试的重点和难点。在建设过程中，由于缺乏必要的接口管理经验和领域知识，多子系统之间的复杂接口信息增加了业主方的联调管理工作难度，联调过程中出现的接口问题可能会导致不必要的成本损失和浪费。因此，在业主的协调下，ISCS的承包商和它的其余12个子系统接口方共同加入联合调试平台的试运行工作中，以更好地协同业主进行联调管理活动。

3.2 平台应用过程

传统设备联调过程中，来自于设备工程各参建方、各子系统、各建设阶段的大量接口信息以“信息碎片”的形式分散于各类技术文档和会议纪要中，难以及时准确获取特定信息、建立信息关联并以工程知识的形式指导工程实践和决策过程。 Lin Yucheng提出了工程项目层-子系统层-接口层的“三层接口体系架构”[15]。

首先，在项目层，业主录入基本项目信息(项目名称、项目位置和项目描述等)。而后，平台自动赋予一个唯一的项目编号。对于子系统层，平台提供了一个包含基于国内已建地铁项目知识构建而成的标准子系统信息数据库。新建地铁项目业主可以参照数据库勾选子系统信息，并在此基础上进行个性化编辑。业主将13个子系统编码与唯一的项目编码进行关联，项目数据库初始化完毕，平台提供13个子系统承包商用户接口和13个子系统监理方用户接口。基于项目层和子系统层信息，综合监控承包商和其他12个接口子系统的承包商分别从各自的用户入口，基于设计文件识别并构建物理接口列表，最终完成平台接口体系的初始化。截止至平台试运行工作结束，ISCS子系统数据库里总共有2867个物理接口。平台的应用使所有接口信息都能被正确关联到相关子系统和项目数据库中，保证了整个建设期工程接口体系的完整性和层次性。为了协同子系统承包商识别物理接口关键技术参数，平台提供统一格式的技术参数标准并允许用户针对某些特定参数补充上传相关技术参数文件或图纸，如子系统协议文件和子系统设备点表文件等。针对责任接口信息，相关接口责任方将物理接口对应的硬件责任和联调责任与物理接口编号进行关联，最终系统内构建完成集成完整技术参数和接口责任信息的物理接口体系，为接口信息标准化、共享交互和联调过程控制提供了数据基础。在此基础上，各参与方依据系统嵌入的联调接口冲突协调机制及时在线沟通修复联调中失效的物理接口(图10)，并随着联合调试的进行，更新物理接口状态，平台自动统计生成分别以子系统和车站为单位的联调进度报告(图11)，以百分比表示完成度(0～100%)，使业主能够第一时间清晰直观地掌控当前项目联调接口总体状态。

图11 分子系统与分车站联调进度报告

3.3 应用效果验证

为了验证联调平台是否正确执行了预先设定的系统功能，并保证其系统质量和可靠性，我们在试运行阶段结束之后，进行了软件检验与确认测试(V&V TEST)。在测试期间，平台全程部署于业主方服务器。

检验测试是验证软件是否满足早期设定的用户需求，而确认测试是在系统开发结束之后评估系统有用性的过程[12]。对于确认测试，在软件开发的整个周期中实施了测试计划，逐步将系统功能点与设计方案进行对比，识别缺陷并及时修复失效点，尽可能降低开发成本。在检验测试中，选取了平台用户中的21人，他们都有至少3年的工程经验，其中包括2个业主方工程师，2个综合监控系统工程师，1个综合监控系统监理方，12个综合监控接口方子系统承包商工程师以及4个监理工程师(负责12个接口子系统)。从早期基础接口数据录入开始，所有用户连续使用设备联调平台共计4个月。我们设计了检验测试调查问卷， 由21个调查对象匿名填写并提交，将回收的21份有效调查问卷统计结果作为V&V测试评估的依据。为了定量分析用户满意度，问卷采用里克特量表设计了五级定量满意度体系，被调查者依据实际使用效果从1(完全不同意)到5(完全同意)递增的满意度选项中做出评分。系统应用效果评价指标体系包括系统易用性、系统功能性和系统性能三个方面，每个方面设有对应的具体评价指标，被调查用户通过对比传统IM模式下的联调效果和联调平台的应用效果为每个评价指标打分(表2)。

表2 联调平台应用效果

调查结果显示，从系统的易用性、功能性和系统性能三个方面综合评估，设备联调平台基本满足了设计要求和用户需求，联调平台的应用提升了联调效率，且越来越多的项目参与方开始逐渐意识到接口信息管理在联调中的重要意义。此外，对比分析不同工程角色上的被调查用户满意度发现：业主、ISCS承包商和其他接口子系统承包商对平台的态度有所不同。与其他子系统承包商相比，业主和ISCS承包商对平台的满意度显然更高。其原因可能是ISCS与12个子系统都存在工程接口，联调管理绩效与ISCS子系统本身功能的实现密切相关，因此，ISCS子系统承包商的联调管理目标与业主趋于一致(业主需要考虑所有具备接口关系的子系统之间的协调性以保证整体地铁设备系统的功能和性能的完备性)。而部分子系统功能相对独立，与其他子系统之间的接口较少，接口管理和设备联调的绩效对其子系统本身的影响力较为有限。可见，接口冲突的本质上源于各方工程目标的不一致性。因此，除ISCS之外的其他子系统承包商的配合度对平台的运行效果和整体工程的总联调效率起着关键性的影响。

此外，在调查问卷中搜集整理了用户对系统应用的反馈与建议：(1)联调平台的高效实施需要地铁设备工程涉及的所有子系统共同参与，但是平台试运行阶段尚未涵盖几个涉及安全运行的核心子系统，如车辆系统和信号系统。(2)平台现阶段尚处于半自动化状态，前期人工数据输入工作量较大。(3)部分接口关系较为独立的子系统承包商内部工程目标与项目整体目标不一致，只关注内部接口，不重视与其他子系统的接口协调和联调配合。然而，这部分接口协调工作往往是整个接口管理的薄弱环节，直接关系总体联调效率。(4)平台应用中的部分工作流程与用户原有的部分传统工作流程冲突。例如，项目参与方原本是通过各类技术文件管理联调过程和相关接口信息，且每个参与方的管理标准都不一致。不调整原有的工作流程，新应用的系统会产生冗余工作量。(5)设备联调平台没有与其他项目管理软件联合应用的接口，然而，联调中所需要调用的接口信息与项目管理其他管理要素紧密关联，例如项目计划、合同管理和文档管理等。因此，有必要将联调与其他项目管理要素进行概念集成、工作流集成以至于平台集成，设立与其他项目管理类软件的接口，方便用户同时操作和应用，以综合提升整体项目管理绩效。

4 结 论

本文将接口管理和信息化理论系统性地应用于地铁设备系统联合调试协同管理中，初步实现了地铁设备联调信息化管控。在理论层面上，创新性地将接口管理基本理论和信息化理论相结合，提出了设备联调信息化的实现框架，包括联调接口信息体系的构建、联调标准过程模块的构建、信息关联的识别与构建、接口状态定义与统计以及接口冲突协同/信息更新机制的构建等内容，丰富了接口管理及联合调试的理论体系；在应用层面上，通过地铁设备联调平台的设计和开发验证了设备联调信息化实现框架的可行性和应用效果。地铁设备联调平台能够协助业主和各参建方构建设备系统复杂物理接口体系，基于复杂联合调试过程标准化的流程框架构建设备系统联合调试计划(联调细则)，并基于联合调试与接口管理的内在联系，将联调过程中需要调用的结构化、标准化、集成化的物理接口及其附加接口信息与联合调试子过程相互关联，实时记录接口状态、自动统计实时联调进度，并高效协同修复联调过程中产生的接口冲突。联调平台在案例中的应用效果证明，该平台实现了地铁设备系统联合调试过程中的技术指导、信息共享与决策支持，加强了联合调试的过程控制，有效避免了联调中不必要的错误和返工，强化了各参建方对接口管理的重视程度，促进了整体工程按时、保质验收。

[1] 李海川. 城轨交通工程系统总联调及运营演练的探讨[J]. 都市快轨交通, 2005, 18 (4): 101-104.

[2] 杨捍东. 城市轨道交通机电系统联合调试研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2007.

[3] Harrison P. An Overview of Interface Management[C]//ASME/IEEE 2004 Joint Rail Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2004: 89-99.

[4] 郭 杰. 城市轨道交通工程接口管理研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2011.

[5] Ju Q Q, Ding L Y. A web-based system for interface management of metro equipment engineering[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2015, 79(3-4): 577-590.

[6] 茆佳能. 城市轨道交通总联调接口管理研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[7] Tian X. Influencing Factors for Project Interface Management[C]//ICCREM 2013: Construction and Operation in the Context of Sustainability. ASCE, 2013: 448-456.

[8] Nooteboom U. Interface management improves on-time, on-budget delivery of megaprojects[J]. Journal of Petroleum Technology, 2004, 56(8): 32-34.

[9] Al-Hammad A M, Al-Hammad I. Interface problems between building owners and designers[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 1996, 10(3): 123-126.

[10]Al-Hammad A M. Common interface problems among various construction parties[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2000, 14(2): 71-74.

[11]Al-Hammad A M. Interface problems between owners and maintenance contractors in Saudi Arabia[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 1995, 9(3): 194-205.

[12]Siao F C, Lin Y C. Enhancing construction interface management using multilevel interface matrix approach[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2012, 18(1): 133-144.

[13]GB 50722-2011, 城市轨道交通项目建设管理规范[S].

[14]GB/T 21562-2008, 轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例[S].

[15]Lin Y C. Construction network-based interface management system[J]. Automation in Construction, 2013, 30: 228-241.

Integrated Testing Management System of Metro Equipment Engineering

JUQian-qian,LUOHan-bin

(School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Metro equipment engineering consists of multiple subsystems like Vehicle system, Rail system, Telecommunication system, Signal system, Power system, Integrated supervisory control system etc. The improvement of automation in metro equipment systems has led to the complexity of functional linkages of multiple subsystems and increasing number of physical interfaces. Integrated testing plays an important role in the system final acceptance. However, traditional integrated testing approaches include scattered interface documents, large amount of testing records in paper and frequent interface meetings which result in low efficiency and unnecessary failures. This paper develops an interface-based integrated testing management system, helps the owner to establish the complex physical interface framework and integrate related interface attributes. It links the sub-processes of integrated testing with relating interface information, tracks real-time interface status and reveals integrated testing schedules. Besides, the system also provides an interface conflicts coordination mechanism for the multi-discipline participants. The result of pilot test proves that the system can improve efficiency of integrated testing as well as the performance of interface management and further promotes the quality of system final acceptance.

metro equipment engineering; interface; integrated testing; project management system

2015-12-29

2016-03-13

琚倩茜(1987-)，女，河南郑州人，博士研究生，研究方向为地铁设备系统接口管理及联合调试(Email: juqianqian800@126.com)

U455.1; TP399

A

2095-0985(2016)05-0091-07