欧洲铁路EULYNX信号系统数据模型研究
王怀松，曾科智，王 凌，徐 越
（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）
由于欧洲各国铁路运营管理模式各异，操作规程缺乏规范，存在不同国家间铁路信号系统制式不兼容问题。为实现欧洲列车跨国运营和铁路互联互通，欧洲铁路运输管理系统（ERTMS，European Railway Transportation Management System）牵头完成了ETCS 技术规范的编制及列控系统的研发[1～2]。目前，欧洲铁路初步实现了新建线路列控系统的互联互通，但既有线信号系统类型繁多，不同厂商设备接口不统一，信号设备互不兼容，使得信号系统（包括列控系统）升级改造工程费用大幅提高，导致欧洲既有铁路升级改造工程进展缓慢。
为降低欧洲既有线改造及运维成本，提高既有铁路运输能力，德国、法国、英国、奥地利、瑞士、荷兰等13 国铁路基础设施运营商及管理机构发起组建欧洲铁路信号系统接口及设备标准化组织—欧洲铁路信号联盟（EULYNX，European Imitative to Linking Interlocking Systems）。EULYNX 致力于欧洲铁路信号系统设计与运营管理的数字化和标准化，以加快下一代数字化信号系统的研究。2014年，EULYNX 启动了欧洲铁路信号系统接口标准化及数字化研究，于2017年完成基线3（Baseline 3）的相关工作，并于2021年12月发布欧洲铁路数据模型1.0版。该模型采用形式化本体（formalized ontologies）方法，详细定义了基础设施项目管理方（Infrastructure Manager）与设备厂商之间关于信号系统接口的标椎化内容，为欧洲铁路信号系统升级改造奠定了良好的数字化基础。
近年来，国内新建铁路线路正逐渐减少，未来既有铁路改造工程将不断增多。目前国内虽已制定了新建铁路信号系统设备互联互通的技术要求，但对同一信号子系统不同厂家设备（或设备内部模块）的兼容性及接口规范尚无具体规定，造成既有铁路改造工程面临改造成本较高、技术难度大、后期运维困难等难题。为此，可借鉴欧洲铁路建设和管理经验，开展国内铁路信号系统接口标准化工作，实现不同厂商信号系统的接口统一与设备兼容，减少既有线改造时信号设备安装或更换的成本与时间，并降低后期运营维护的难度和工作量。
EULYNX 铁路数据模型中信号系统的核心子系统包括：联锁及列控（Electronic Interlocking）、列车监测（Train Detection）、信号机（Light Signal）、道岔转辙机（Point）、运维和数据管理（Maintenance and Data Management）子系统以及通用系统接口（Generic IO）[3]，如图1所示。
图1 EULYNX 铁路数据模型中信号系统构成
该模型以具有通用性、标准化及模块化的信号系统接口为核心，将各核心子系统之间、以及核心子系统与外围系统或设备之间的接口标准化，旨在使信号子系统或设备的更新对整个系统的影响最小化，以节省既有线改造的成本和时间。
数据准备是EULYNX 铁路信号数字化的核心内容，数据准备流程如图2所示，主要包括数据需求定义和UML 建模2 个阶段。
图2 EULYNX 数据准备流程示意图
（1）数据需求定义阶段：数据需求定义是UML 建模的基础；
在数据需求定义阶段，首先由铁路信号领域专家根据业务需求定义应用场景（即用例），然后基于各个用例定义交换场景的构件（或设备）对象类型（Object types）和属性信息[4]（Attributes）。
（2）UML 建模阶段：主要是基于数据需求，采用UML 形式化建模的方式，将铁路信号业务交换需求和流程表达出来，形成EULYNX 数据准备模型（EULYNX Data Preparation）；
该模型可以通过Enterprise Architect（EA）软件生成便于网页浏览的HTML 格式文件，也可通过转换工具抽取可扩展标记语言模式（XSD，XML Schema Definition），用于XML 数据校核；
还可通过转换工具自动生成C#等面向对象语言代码，便于后续软件实现等。
数据需求定义主要包括通用领域（Generic domain）和信号领域（Signalling domain）2 部分，其内容和结构如图3所示。
图3 EULYNX 数据需求内容和组织结构
其中，通用领域是指具有通用性的基础数据，包括地理信息、项目信息、数据容器、通用类，对应有4 个工作包（Work Package）；
信号领域是指与铁路信号领域相关的各类系统或设备数据，包括资产（设备）、自动进路设置、线缆、ETCS 等，对应有11 个工作包；
EULYNX 数据需求还纳入了国际铁路联盟（UIC，International Union of Railways）以及工业基础类（IFC，Industry Foundation Classes）标准的相关内容。
对各个工作包进行分解，可得到满足业务需求的最小化设备实体（或构件）对象类型（Object Type），再定义各个构件的对象名称（Object name）和属性名称（Attribute name）；
为方便铁路信号技术人员理解，还需对属性含义加以适当描述；
这一过程可以在Excel 表格中完成。表1所示为数据需求定义中关于信号机的部分描述。
表1 信号机数据需求定义（部分）
数据需求中对各个构件对象及其属性进行了定义，但未表达构件与构件（或类与类）之间的关系，且由于数据需求表本身非结构化的特点，导致所定义的数据需求不够形式化，数据结构存在歧义。
为解决这些问题，EULYNX 数据模型采用UML 类图描述各个类以及类与类之间的关系，将语义层面的数据需求转换为UML 概念模型。与非结构化的数据需求描述相比，UML 概念模型具有以下优点：（1）计算机可读（Machine-readable）；
（2）可以在一个类图上整合类、属性、关系等所有信息；
（3）更为形式化，能够使用专门的工具直接生成高级语言代码[5]；
（4）可使用软件工具灵活地提取和处理模型中的数据；
（5）可方便地转换为HTML 等格式，便于用户在网页上浏览数据模型。
UML 是一种开放的、可扩展的、通用的系统可视化建模语言[6]，在面向对象设计中应用广泛。UML 模型具有可视化、规范化的特点，不仅描述了铁路信号BIM 业务需求功能，同时还描述了如何去实现这些功能，UML 模型易于被铁路信号专业人员和BIM 软件开发人员理解。UML 模型被视作软件实现的蓝图，是一种平台无关模型（PIM，Platform Independent Model），但没有规定需要使用何种计算机语言进行编码实现[7]。
EULYNX 数据模型采用UML 类图进行概念模型的形式化建模，对数据需求进行合理的抽象和描述。UML 类图主要包含3 种要素：类、属性、关系。以信号机为例，UML 类图如图4所示。
图4 信号机（Signal）UML 类图
（1）类（Class）
类是构成类图的基础，对于每一类实体构件分别用一个类来表达。在UML 建模中，还可以对每个类的基本信息进行设置，如名称、别名、版本号、状态、GUID 等。
（2）（属性（Property/Attribute）
通过对UML 类附加属性，可以将属性信息内嵌入UML 各个类中；
如图4所示，“isFixed”是类“SignalFrame”的属性。可以在UML 类中指定每个属性的数据类型、可见性、初始值、别名等。其中，“数据类型”包括string、real、boolean、enumeration等常见类型，也支持自定义；
“可见性”包括public（公有）、private（私有）、protected（受保护）等访问类型。一般将公有属性设置为“public”，将各类构件设备的专有属性设置为“private”；
其次，为进一步解释说明属性的具体含义，方便用户更好地理解属性，可以添加相应注释；
此外，在类图中还可以用多重性定义类与类或类与属性间的数量对应关系。例如，1 个“Signal”类可以对应0 个或 1 个“ Signal Frame”，则“ Signal” 和“Signal Frame”的多重性分别用“1”和“0..1”表示。
（3）关系（Relationship）
UML 类与类之间常见的关系包括：继承、聚合、关联、组合、依赖等。在UML 模型中最常用的是继承、聚合、关联3 种关系类型。其中，继承关系表示一个对象是另一个对象的特例，例如有源应答器属于应答器的一个特例；
聚合关系描述的是部分与整体的关系，例如电缆井是电缆路径整体中的一部分；
关联关系是指一个对象和另一个对象之间的联系，例如道岔转辙设备与道岔之间的安装位置联系；
这3 种关系的强弱顺序为：继承＞聚合＞关联。每种关系都对应一种特殊的连接符号，如表2所示。
表2 UML 建模中常见关系类型
按照以上方法，利用UML 类图对铁路信号系统进行概念建模，建模内容基于数据需求定义中的工作包，一般在建模前先对各个工作包进行优先级排序，建模时再根据优先级顺序依次对各个工作包进行建模[8]，最终以UML 类图将铁路信号业务数据交换需求和流程表达出来。
在最新发布的EULYNX 数据模型1.0 版中，定义了信号子系统和设备的UML 模型，并描述了各个类、属性以及类之间的关系。
典型的EULYNX 数据模型应用流程图如图5所示。
图5 EULYNX 数据模型的应用流程示意
（1）基础设施项目管理方（Infrastructure Manager）基于EULYNX 数据模型，将自身需求的功能与接口信息统一转换为EULYNX 格式文件（即如XML 文件），然后使用专门的工具软件对配置的EULYNX 格式文件进行自动的合规性验证；
验证通过后，将EULYNX 格式文件提供给信号设备供应商。
（2）信号设备供应商根据EULYNX 格式文件中的相关设备和接口标准，生产和提供满足要求的信号设备；
这种方式可消除以往由于接口不统一而导致的设备供应垄断问题，也能够减少设备更新改造的时间和成本。
（3）软件供应商利用工具，从由UML 模型生成的XML 格式的配置数据集中抽取所需的数据，将其实例化为铁路信号领域的各类对象，最终被实例化的各类对象会保持着UML 模型内的定义和关系。
如图6所示，这种基于XML 标准数据格式的信息交换可以实现计算机—计算机（Machine-to-Machine）的无缝信息交换。
图6 基于XML 格式的数据交换过程示意
通过规范化的基于XML 格式的数据交换，使得项目规划阶段产生的信息能够与设计、施工、运维各阶段进行双向信息交换，设计、施工、运维各阶段的信息也可以随时返回到规划阶段的管理信息系统中。例如，各阶段的工程量和预算信息在执行BIM 项目时，可以实时返回到工程预算信息系统中；
同时，如果改变最初UML 中定义的对象和关系，则在各阶段产生的工程量和预算结果也会随之改变。
针对欧洲铁路信号系统接口不统一、设备不兼容等问题，EULYNX 建立了基于UML 形式化方法的信号系统数据模型。该模型对信号系统各核心子系统之间、以及核心子系统与外围系统或设备之间的接口进行标准化，旨在使信号子系统或设备的更新对整个系统的影响最小化，以节省既有线改造的成本和时间。本文较为全面地介绍EULYNX 信号系统数据模型，简述模型中信号系统的构成和数据准备流程，详细说明数据需求定义过程、UML 建模过程以及EULYNX 数据模型的应用流程。
与非结构化的数据需求描述相比，EULYNX 数据模型将语义层面的数据需求转换为高度形式化的UML 概念模型，既便于用户在网页上浏览数据模型，也可使用软件工具灵活地提取和处理模型中的数据，还支持由工具直接生成高级语言代码。EULYNX 数据模型具有可视化、规范化的特点，易于被铁路信号专业人员和BIM 软件开发人员理解，使得信号系统改造工程的相关方能够基于同一个数据模型开展合作，有利于保证需求与实现的一致性；
此外，该数据模型也便于实现信号系统全生命周期内无缝信息交换，使得项目规划阶段产生的信息能够与设计、施工、运维各阶段进行双向信息交换，设计、施工、运维各阶段的信息也可以随时返回到规划阶段的管理信息系统中。
EULYNX 建立的这一套信号系统接口标准化方法，可为今后国内铁路信号系统接口标准化研究工作提供重要参考。
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