★ 北京广利核系统工程有限公司 程聪，石秦，史叶

关键词：铁路行业标准体系；EN50128；高速磁浮；验证与确认技术

1   背景

随着全球经济的快速发展和城市化进程的加速，人们对高效、便捷、安全的交通出行方式的需求日益增长。传统的轮轨高铁技术虽已取得巨大成就，但在速度、能耗、噪音等方面仍存在一定局限。时速600公里级高速磁悬浮系统作为一种革命性的交通方式，凭借其超高速、低能耗、低噪音、高安全性等优势，成为未来交通发展的重要方向。日本、德国等国家在高速磁悬浮技术领域起步较早，已建成多条试验线路，并取得了一系列技术突破。德国是常导电磁悬浮技术的发源地，经过多年的发展，已开发出多代TR系列磁浮列车并投入了商业运营；而日本是超导电动悬浮技术的发源地，拥有多款磁悬浮列车，并在载人运行时速方面刷新了世界纪录。美国、加拿大、荷兰等国则开展了永磁电动悬浮技术的研究，但目前尚处于原理研究及试验验证阶段^[1]。相比之下，我国高速磁悬浮技术研究起步相对较晚，但发展速度迅猛，现已掌握了核心技术，建成了世界首条商业运营高速磁悬浮线路（上海磁悬浮示范线）。

目前，国内研究主要以上海磁浮示范线的运营维护和国产化探索为基础，部分高校和科研院所针对磁浮列车控制与诊断技术开展了仿真研究，在验证与确认（V&V）技术方法论层面，主要借鉴传统轨道交通和航空领域的经验。然而，针对高速磁浮特点、系统性构建涵盖从虚拟到实物全生命周期V&V体系的研究尚处于起步阶段。本文将分析高速磁浮运行控制系统的功能架构与相关的安全标准，明确V&V的目标与约束，提出一个适应高速磁浮特点的、分层次、分阶段的V&V方法学框架。

2   高速磁浮运行控制系统架构与功能分析

运行控制系统（OCS）是铁路系统中的核心部分，负责确保列车运行的安全、高效和可靠，采用三级架构，各层级通过通信网络实现数据交互，完成列车运行的协同控制，其中中央控制系统负责全局调度与运行计划管理；分区控制系统承担速度曲线计算、牵引切断、进路防护等功能；车载控制系统实现安全定位、悬浮控制、制动执行等操作， 如图1所示。其基本功能可以分为九大类，如下图2高亮部分所示。

图1 高速磁浮运行控制系统架构图

图2 高速磁浮运行控制系统九大任务功能

与传统轮轨列车运行控制系统相比，高速磁浮运行控制系统具有显著特殊性：（1）运行速度极高（时速600km及以上）：对系统响应速度、控制精度的要求远超传统轨道交通；（2）系统耦合性强：运行控制系统需与牵引供电系统、车辆系统、轨道系统深度协同，悬浮、导向、牵引等功能的实现依赖多系统联动；

（3）测试环境构建极端困难：建设一条可供实车进行全工况测试的专用高速磁浮线路成本极其高昂，且测试风险巨大；（4）接口限制：在研发初期， 真实车辆与控制设备往往接口固化、不可自由访问，难以进行深度集成测试与故障注入；（5）运行场景复杂：涵盖启动加速、高速巡航、减速制动、分区交接、故障应急等多种场景，对系统的适应性与可靠性提出了严苛要求。

验证与确认（Verification & Validation，V&V）是保障安全关键系统可靠性的核心技术手段，其核心目标是确保系统设计、开发与实现符合预设需求，能够在全生命周期内稳定、安全运行。对于高速磁浮运行控制系统而言，传统的V&V方法已无法适配其高速度、强耦合、高安全要求的特点，即传统方法多采用单一阶段、单一层次的验证模式，难以覆盖系统全生命周期的风险点，也无法充分适配高速磁浮运行控制系统的层级架构与多场景运行需求。因此，探索一套经济、安全、高效且覆盖全面的V&V技术框架，已成为推动高速磁浮技术从实验室走向工程应用的迫切需求。

3   轨道交通信号及控制系统相关标准分析

3.1   中国铁路标准体系

铁路技术标准体系是确保铁路系统安全、高效、可靠运行的关键框架，涵盖了从设计、建设到运营、维护的各个环节。我国铁路领域的标准已经从零散逐步走向完整，形成了基本完善的铁路法规标准体系，将总结为如图3所示四个层次结构：

第一层《中华人民共和国铁路法》，是铁路行业的基本法律，规定了铁路建设、运营、管理等方面的基本原则和要求。

第二层《国务院第639号令》，条例详细规定了铁路安全管理的各个方面，包括铁路设施的保护、列车运行的安全管理等，对铁路控制系统的设计和运行提出了具体的要求。

第三层由国家铁路局（原铁道部）制定的相关规章，如《铁路技术管理规程》《铁路信号设计规范》等，对铁路控制系统的技术要求、运行标准、维护管理等进行了详细规定。

第四层国家标准和行业标准在法律法规的基础上，对铁路控制系统的技术要求、运行标准等进行了详细规定。国家标准具有强制性，行业标准则更加贴近实际需求。

图3 中国铁路行业标准体系图

3.2   国外铁路标准体系

在铁路行业系统安全标准方面，存在着层层递进的关系。欧洲电工标准化委员会（CENELEC）标准发布最早，是该领域系统安全相关要求的首批系列标准，为后续发展奠定了基础。之后，国际电工委员会（IEC）以CENELEC标准为蓝本，将其相继转化为国际标准，且为等同采用，使标准适用范围扩大至国际。中国国家标准则紧跟国际步伐， 把IEC标准转化为国家标准，同样采用等同方式，让国内铁路系统安全标准与国际接轨，推动行业规范发展 ^[2]。轨道交通信号及控制系统相关标准范围及对应关系如表1所列。

表1 轨道交通信号及控制系统相关标准范围及对应关系

上述标准的应用范围和相互关系，如图4所示。

图4 轨道交通信号与控制系统标准应用范围及相互关系

以上四个标准，从概念上是兼容、自洽的，EN50126是整体性方法指导和流程管理，而其余三个标准是从不同方面和不同的工作维度，对EN50126的具体实现。其中， EN50126适用于大范围的系统问题，从整体角度为上至铁路管理机关、运营商，下至设计单位、设备供应商提供系统性的要求和指导；EN50129适用于整个铁路控制和防护系统中某单个系统的批准过程，强调安全管理；而EN50128关注于系统研制过程中需要使用的方法，以使软件能满足经全面考虑后，从上游设计分配下来的安全完整性要求；EN50159适用于在轨交的SIL认证中涉及到安全通信的内容^[3]。

3.3   分析结论

EN50126-1和-2标准，分别是RAMS在轨道交通信号与控制系统领域的过程管理要求和实现技术要求，适用于轨道交通信号与控制系统领域安全系统及安全产品的研发工作以及全生命周期过程管理，涵盖了信号与控制系统从轨道交通管理单位、轨道交通运营责任单位、工程总包单位、系统设计单位、工程分包单位一直到设备供应商所担负的安全责任、安全管理过程和技术要求，是一个整体性的，层次相对较高的标准。

EN50129是用于轨道交通信号与控制系统的验收和审查批准，更适用于运营责任单位和管理单位的审查和验收，对设备供应商的意义主要在于配合上游单位，按要求组织安全论据文档。

EN50128在EN50126规定的RAMS过程管理框架和方法框架基础上，进一步对单个信号与控制系统的开发生命周期模型，开发生命周期过程活动管理，开发生命周期过程技术要求进行了明确，是高速磁浮运行控制系统开发主要依据的标准之一，也是验证与确认工作主要依据的标准。

EN50159主要是介绍轨交安全系统中有关安全数据输出的要求，标准中对安全传输系统进行了分类，对常见的传输方式进行了介绍，给出了常见的传输错误和防御措施，适用于铁路传输系统相连的安全相关设备之间的通信。

因此，本次研究工作主要围绕EN50128展开，同时兼顾EN50126和EN50129中与设备供应商开发过程，尤其是与过程中验证与确认相关的内容，提出一个“三层三维”的V&V综合技术框架。

4   面向高速磁浮的V&V综合技术框架

4.1   框架设计原则

本框架的构建遵循以下核心原则：

• 全生命周期覆盖原则：基于EN50128给出的生命周期参考，V&V活动必须贯穿于系统需求分析、架构设计、软硬件实现、集成测试、运营维护直至退役的整个生命周期^[4]。

• 独立性原则：V&V活动在组织、流程和技术上应尽可能独立于开发活动，以保证评估的客观性和公正性。

• 风险导向原则：资源应优先集中于安全影响最严重、失效概率相对较高的功能和组件（即高SIL等级部分）。

• 前移与连续反馈原则：尽可能将缺陷发现和修复的节点前移，尤其是在需求和设计阶段，并通过持续反馈机制将后期测试发现的问题逆向追溯到前期模型，形成闭环改进。

• 证据完整性原则：所有V&V活动都应产生结构化的、可审计的证据，最终服务于构建完整的安全案例。

4.2   纵向V&V三层体系

从底层到顶层、从局部到整体的逻辑划分，层层把关、逐级验证，形成部件级、系统级、工程级三级验证闭环，覆盖研发、测试、上线全阶段，具体验证对象及核心活动如表2所示。第一层部件/模块级V&V：本层为V&V的基础环节，聚焦单个硬件模块、软件模块、子系统部件的合规性与基础性能，杜绝底层单元缺陷传导至上层系统。第二层系统/集成级V&V：聚焦多模块联动、子系统集成、全系统功能闭环，验证中央控制、分区控制、车载控制、通信四大子系统的协同运行能力，以及系统整体功能、性能、安全防护能力。第三层工程/上线级V&V：聚焦真实工况下的系统运行表现，验证系统满足现场运营、安全行车、长期稳定运行要求，完成上线验收与工程化确认。

表2 “纵向三层”递进式V&V体系

4.3   横向V&V三维验证

三维验证维度从功能合规、性能达标、安全可控三个核心维度，对系统进行全方位、无死角验证，弥补单一维度测试的漏洞，实现V&V全覆盖，验证要点如表3所示。

表3 “横向三层”V&V验证维度

4.4   三层三维架构闭环管控流程

三层三维架构如图5所示。本架构采用“验证—发现—整改—复核—确认”闭环管控流程，实现缺陷全闭环、指标全达标，流程贯穿全生命周期。

图5 三层三维V&V综合技术框架

（1）需求拆解与V&V计划：依据系统需求、标准规范，拆解三层验证任务、三维验证要点，制定测试大纲、测试规格书，明确验证方法、判定准则。

（2）分层分步实施验证：先开展部件级V&V，合格后进入系统级V&V，最终完成工程级V&V；同步覆盖功能、性能、安全三维度，同步测试、同步记录。

（3）缺陷记录与整改：全程记录测试缺陷，分级分类管理，督促整改，形成缺陷整改台账，做到可追溯、可复核。

（4）复核与闭环确认：整改完成后，重新开展对应层级、对应维度的验证，确认缺陷彻底消除，指标恢复达标。

（5）报告编制与验收：汇总全流程V&V数据、测试记录、整改结果，编制完整V&V报告，支撑系统验收与安全认证。

5   结论

本文针对高速磁浮系统V&V工作存在的层级划分模糊、维度覆盖不全、协同不足等问题，结合高速磁浮系统的多学科耦合、高安全完整性等级、动态响应实时性强等特征，提出了一种高速磁浮V&V三层三维综合技术架构，主要研究结论如下：

（1）构建了“部件级-系统级-工程级”的三层架构，明确了各层级的核心验证对象、内容与技术方法，形成了自下而上、层层递进的层级化验证体系，同时遵循EN 50128标准的独立性原则，确保验证结果客观可信，为高速磁浮V&V工作提供了清晰的层级框架。该架构解决了传统V&V工作层级模糊的问题，实现了全层级覆盖的验证。

（2）界定了“功能—性能—安全”的三个维度，明确了各维度的验证指标与方法，实现了对高速磁浮系统的多维度、全方位验证，尤其强化了预期功能安全的验证，有效覆盖了高速磁浮系统的核心V&V需求，提升了验证工作的针对性与全面性。该维度设计解决了传统V&V工作维度单一的问题，确保了验证工作的全面性与针对性。

（3）整合了欧洲标准体系与中国高速磁浮技术标准体系，构建了贯穿系统全生命周期的V&V协同架构。通过建立“层级—维度—环节”的协同机制，实现了各层级、各维度、各环节的深度协同，提升了V&V工作的标准化、高效化水平，有效降低了高速磁浮系统的安全风险。该协同机制解决了传统V&V工作各环节脱节的问题，提升了验证工作的效率与质量。

作者简介：

程   聪（1991-），女，吉林人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事系统验证与确认工作。

参考文献：

[1] 尚迪, 朱梅, 陈源, 等. 国际铁路联盟标准《高速铁路实施定义和特点》主要内容分析[J]. 铁道技术监督, 2020, 48 (11) : 1 - 6.

[2] 杨思博. 欧盟铁路标准体系研究[J]. 铁路工程技术与经济, 2021, 36 (2) : 15 - 18.

[3] 于长洪, 吴炳昊, 刘刚. 中欧铁路标准体系差异及海外铁路项目对策分析[J]. 铁路通信信号工程技术, 2021, 18 (4) : 89 - 99.

[4] 欧洲电工标准化委员会. BS EN 50128 Railway applications-Communication, signalling and processing systems-Software for railway control and protection systems[S]. 2020.

摘自《自动化博览》2026年9月刊