面向安全性的轨道交通软硬件协同开发体系优化路径

引言：

随着城市化进程加快和交通需求增长，轨道交通作为城市公共交通的骨干，其安全性问题日益受到关注。软硬件协同开发体系作为轨道交通系统设计与实现的核心环节，直接影响着系统整体的安全性和可靠性。然而，当前开发流程中仍存在安全性需求滞后、软硬件协同不足、测试验证不充分等问题，给系统安全带来潜在风险。因此，探索面向安全性的优化路径具有重要意义。

1 协同开发流程的重构

1.1 需求分析阶段的安全性前置

传统开发流程中，安全性需求常在后期补充，导致系统架构难以有效支持安全功能。应将安全性需求分析前置到项目启动阶段，与功能需求同步开展。通过建立安全性需求模板，明确轨道交通系统在硬件可靠性、软件容错性、数据保密性等方面的具体指标。同时，采用故障模式与影响分析（FMEA）方法，对潜在安全风险进行预判，将风险控制措施转化为具体需求，确保安全性从源头融入开发过程。

1.2 设计阶段的软硬件协同规划

设计阶段需打破软硬件分离的传统模式，建立统一的系统架构设计方法。硬件设计应考虑软件运行环境需求，如处理器性能、内存容量、接口协议等，确保硬件资源能够支持安全关键软件的实时运行。软件设计则需根据硬件特性进行优化，例如利用硬件冗余设计实现软件容错，通过硬件加密模块提升数据安全性。采用模型驱动的设计方法，构建软硬件联合模型，通过仿真验证设计方案的可行性与安全性。

1.3 开发阶段的并行工程实施

推行软硬件并行开发模式，缩短开发周期并减少接口错误。建立统一的版本管理系统，对软硬件代码、文档进行集中管理，确保开发过程中的数据一致性。通过每日构建与持续集成，及时发现并解决软硬件集成问题。引入敏捷开发方法，将大型项目分解为多个迭代周期，每个周期内同步完成软硬件功能开发与安全验证，提高开发过程的灵活性与响应速度。

2 安全标准的深度融合

2.1 国际标准与行业规范的本地化适配

轨道交通系统需符合 IEC 62278（EN 50126）、IEC 62279（EN 50128）、IEC 62280（EN 50129）等国际安全标准，同时满足国内《城市轨道交通信号系统安全技术规范》等行业要求。应建立标准解读与转化机制，将国际标准中的抽象要求转化为具体可执行的开发规范。例如，将 SIL4 级安全完整性等级要求分解为硬件故障率指标、软件测试覆盖率指标等，确保开发过程符合标准要求。

2.2 企业标准与项目标准的动态更新

企业应建立自身的安全标准体系，结合项目经验与技术发展持续优化。设立标准评审委员会，定期评估现有标准的适用性，及时纳入新技术、新方法。例如，随着人工智能技术在轨道交通中的应用，需制定相应的算法安全标准，明确训练数据质量、模型可解释性、抗干扰能力等要求。项目启动时，基于企业标准制定项目专用规范，确保标准在具体项目中的有效落地。

2.3 标准执行的全过程监督

建立独立的安全审计机制，对开发过程进行全程监督。审计内容包括需求分析是否覆盖所有安全要点、设计是否符合安全架构要求、代码实现是否遵循安全编码规范等。采用自动化审计工具与人工审查相结合的方式，提高审计效率与准确性。对审计发现的问题建立闭环管理机制，确保问题得到彻底整改，避免安全标准执行流于形式。

3 测试验证体系的完善

3.1 测试环境的真实性构建

测试环境应尽可能模拟实际运行场景，包括硬件在环测试（HIL）、软件在环测试（SIL）等。硬件在环测试中，使用真实硬件设备与仿真模型结合，验证软硬件交互的正确性与安全性。软件在环测试则通过构建虚拟运

行环境，对软件功能进行全面测试。同时，引入故障注入技术，模拟硬件故障、网络攻击等异常情况，检验系统的容错能力与恢复机制。

3.2 测试方法的多元化组合

采用黑盒测试、白盒测试、灰盒测试相结合的方法，全面覆盖软件功能与性能。黑盒测试从用户角度验证系统是否满足需求，白盒测试基于代码结构检查逻辑错误，灰盒测试则结合两者优势，关注接口与数据交互。对于安全关键软件，增加形式化验证方法，通过数学证明确保软件行为的正确性。硬件测试则包括环境适应性测试、电磁兼容性测试等，确保硬件在各种条件下稳定运行。

3.3 测试数据的充分性保障

测试数据应具有代表性与覆盖性，涵盖正常操作、边界条件、异常情况等多种场景。建立测试数据管理平台，对测试用例进行分类管理与动态更新。采用组合测试方法，通过少量测试用例覆盖更多输入组合，提高测试效率。同时，利用历史故障数据与风险分析结果，针对性地设计测试场景，确保关键安全功能得到充分验证。

4 人员能力的系统性提升

4.1 安全意识的常态化培养

安全意识的常态化培养是提升轨道交通软硬件协同开发体系安全性的重要基础。在开发过程中，人员的安全意识直接影响其行为决策与操作规范，进而影响系统整体安全性。因此，应将安全意识培训系统化纳入员工入职教育与年度培训计划，确保安全理念贯穿于职业生涯全过程。培训形式应多样化，涵盖案例分析、安全演练等实践性内容，以增强对安全风险的认知与应对能力。

4.2 专业技能的分层级培训

专业技能的分层级培训是提升轨道交通软硬件协同开发体系技术能力的关键环节。不同岗位在开发流程中承担的职责各异，所需掌握的安全知识与技能也存在差异，因此培训内容应根据岗位特性进行分层设计。开发人员需重点掌握安全编码规范与安全设计方法，确保在系统实现阶段能够有效规避常见安全漏洞；测试人员则应熟悉各类测试工具与方法，具备故障定位与分析能力，以提升测试的深度与广度；管理人员需理解安全管理体系与标准要求，能够在项目组织与资源配置中体现安全优先原则。

4.3 跨学科团队的协同建设

跨学科团队的协同建设是实现轨道交通软硬件协同开发体系高效运作与安全提升的重要保障。由于轨道交通系统涉及电子工程、计算机科学、自动化控制等多个学科领域，单一学科背景的人员难以全面掌握系统开发的复杂性与安全性要求。因此，需组建具备多学科背景的协同开发团队，确保各专业领域在系统设计与实现过程中实现深度融合。团队建设应以明确职责与接口为基础，通过建立规范化的协作流程与高效的沟通机制，确保信息在团队成员之间高效流转与准确传递。联合设计与联合测试等活动的开展，有助于促进不同专业人员之间的协同配合与知识互补，提升整体开发效率与质量。

结语

面向安全性的轨道交通软硬件协同开发体系优化是一个系统工程，需从流程、标准、测试、人员等多个维度协同推进。通过重构协同开发流程，实现安全性需求的前置与全程融入；深度融合安全标准，确保开发过程符合规范要求；完善测试验证体系，全面检验系统安全性；系统性提升人员能力，为开发活动提供智力支持。这些优化路径的实施将有助于构建更加安全可靠的轨道交通系统，保障公众出行安全与行业健康发展。

参考文献：

[1]CTCS2-200K 型列控车载设备掉码原因分析[J].黄春生,张愿宁.铁道通信信号,2023(10).

[2]城市轨道交通信号与车辆融合控制技术研究[J].刘小龙,朱今朝,龙飞.铁路通信信号工程技术,2023(09).