常導高速磁浮交通運營場景文本研究*

陳 光 楚彭子 朱忠英 袁建軍 虞 翊 張仿琪

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢； 2.同濟大學磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；4.上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上海 ∥ 第一作者，工程師)

隨著高速列車的發(fā)展與普及，人們越來越多地依賴這種高效、安全、舒適的交通方式。交通系統(tǒng)的開發(fā)離不開精確的設計，交通系統(tǒng)的運營管理需要合理的分工。作為其中的參考文本，運營場景備受關(guān)注。磁浮列車對大眾而言屬于十分新穎的交通工具，具有很多優(yōu)點，其技術(shù)體系正在不斷完善[1]。

盡管國內(nèi)已具有多年的常導高速磁浮交通運營經(jīng)驗，但其運營場景尚未形成體系，較多研究僅對典型場景進行分析[2-3]，對運營全過程的覆蓋有所不足，難以支撐系統(tǒng)的整體開發(fā)，因此難以滿足運營管理需求。相對而言，輪軌交通的運營場景則較多，尤其是針對CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))的CTCS-3級和CTCS-2級列控系統(tǒng)[4-6]，以及城市軌道交通中CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)[7]和FAO(全自動運行)系統(tǒng)[8-9]的相關(guān)內(nèi)容。實際上，對運營場景的梳理有助于系統(tǒng)開發(fā)與實際運營管理。本文以常導高速磁浮交通為研究對象，探討運營場景的內(nèi)涵、運營場景整體構(gòu)成以及典型場景。

1 軌道交通運營場景及其特征

1.1 運營場景的內(nèi)涵與要素

對于復雜系統(tǒng)的開發(fā)與描述，場景驅(qū)動是一種適用方法。場景驅(qū)動是借助“分鏡”手段將系統(tǒng)行為分解為場景，進而加以語言描述或形式化描述?！胺昼R”較早地出現(xiàn)在電影行業(yè)，是一種將連續(xù)動作分解為若干片段，每個片段作為一個場景的方法。在得到場景后，需要對其內(nèi)容與形式進行詳細描述，而自然語言是常用描述方式[10-11]。由此可見，場景是一類被分解后的片段，該片段需要被準確描述，并具有實質(zhì)內(nèi)容。

結(jié)合場景定義和當前研究現(xiàn)狀，對于某類軌道交通系統(tǒng)，認為運營場景應是針對該系統(tǒng)運營或運行過程全面、準確、細致的描述文本，反映著系統(tǒng)內(nèi)部交互邏輯與功能實現(xiàn)過程，是設施、設備與崗位設置的依據(jù)[12]，能夠作為該系統(tǒng)需求規(guī)范的表達[4]，可有效地指導系統(tǒng)的設計、開發(fā)、驗證與聯(lián)調(diào)聯(lián)試[8,13-14]，以及生產(chǎn)過程的培訓[15]。圖1簡示了軌道交通運營場景常見構(gòu)成要素及其關(guān)系，即可通過以具體運營或運行事件為抓手，以大環(huán)境為背景，通過描述運營/運行事件、事件中工作人員和設施設備三者之間的交互邏輯來描述場景。

圖1 軌道交通運營場景構(gòu)成要素示意圖

1.2 運營場景的特征

考慮到不同制式運營場景之間的差異[2-6]以及相同制式不同技術(shù)層次軌道交通系統(tǒng)的運營場景差異，認為軌道交通運營場景具有以下特征：

1) 運營場景的一般性：一般性體現(xiàn)在運營場景覆蓋內(nèi)容是大致相同的。例如，不同制式軌道交通的運營場景均會涉及從列車起動、開始運營至運營結(jié)束、列車退出正線服務的一系列過程。

2) 運營場景的精確性：針對具體的系統(tǒng)對象，運營場景應能夠體現(xiàn)需求規(guī)范。因此，運營場景應該是精確的，且容易讓人清晰理解。

3) 運營場景的獨特性：獨特性體現(xiàn)在不同制式軌道交通系統(tǒng)的運營場景之間存在典型的差異。例如，高速磁浮采用停車點步進的方式運行(涉及停車點步進場景)[1-2]，輪軌交通則并無此項內(nèi)容。輪軌交通存在自動過分相場景[4,6]，而高速磁浮并無此項場景。

4) 運營場景的演化性：演化性體現(xiàn)在運營場景是隨著大環(huán)境而發(fā)生變化的。例如，站臺門與車門之間的聯(lián)動場景是借助了新技術(shù)實現(xiàn)的自動化功能?；ヂ?lián)互通場景[6]不僅與其實現(xiàn)的技術(shù)手段存在關(guān)系，還與政策有關(guān)。技術(shù)、政策以及乘客等的變化會產(chǎn)生新場景、改變或減少舊場景。

2 常導高速磁浮交通運營場景文本設計

2.1 常導高速磁浮交通運營場景文本設計過程

考慮到運營場景的內(nèi)涵、要素與特征，借鑒相關(guān)研究現(xiàn)狀，本文對常導高速磁浮運營場景進行了梳理，具體過程如下：

1) 研究已有運營場景內(nèi)容及構(gòu)成結(jié)構(gòu)。分析CTCS-2級及CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)及城市軌道交通FAO系統(tǒng)的相關(guān)場景內(nèi)容，尤其是場景結(jié)構(gòu)的劃分方式；同時，參考已有成果分析高速磁浮列車運行控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的相關(guān)場景。

2) 以上海磁浮示范線為對象，調(diào)研其運營過程涉及的有關(guān)場景。以上海磁浮示范線的運營過程為主要研究內(nèi)容，梳理上海磁浮示范線系統(tǒng)構(gòu)成、正常運營過程以及異常運營過程，并進行運營場景歸納。

3) 分析長大干線及系統(tǒng)進一步升級后可能涉及的運營場景。上海磁浮示范線的運營里程相對較短，未設置站臺門，分區(qū)與車站設置也相對簡單，且一直采用德國TR8型磁浮列車相應系統(tǒng)，然而，長大干線運營及系統(tǒng)拓展后可能會新增一些場景，需要對常導高速磁浮此方面的運營場景進行一定的前瞻性研究。

4) 劃分場景類別，優(yōu)化場景結(jié)構(gòu)，形成運營場景文本。借鑒上海磁浮示范線對運營過程的劃分，并結(jié)合場景特征對常導高速磁浮運營場景的結(jié)構(gòu)進行劃分。

2.2 常導高速磁浮交通運營場景總體概述

常導高速磁浮交通正常運營過程與軌道交通較為一致，反映著運營準備至運營結(jié)束中一系列正常場景，涉及列車出庫、進入正線、進站停車、站臺發(fā)車、區(qū)間運行、分區(qū)切換、正線折返、列車回庫及段內(nèi)作業(yè)等內(nèi)容，如圖2所示。針對正常運營過程，將其類別命名為正常模式運營場景，并納入相應的子場景。

圖2 常導高速磁浮交通運營基本過程示意圖

類似地，進一步考慮可能的異常運行過程，并將其劃分為故障模式運營場景和應急模式運營場景?；诖?，在整體上將常導高速磁浮運營場景劃分為正常模式、故障模式和應急模式3個維度，涉及大類場景23個。其運營場景的分布如圖3所示。同時，根據(jù)具體的內(nèi)容，還需要對23個大類運營場景進行進一步細分。例如，可將正常模式運營場景中運營結(jié)束劃分為列車停止懸浮和列車休眠2個子場景。

圖3 常導高速磁浮交通23個大類運營場景分布

3 常導高速磁浮交通的典型運營場景

由于常導高速磁浮交通運營場景涉及內(nèi)容廣泛，僅以其中的停車點步進、區(qū)間臨時停車以及區(qū)間應急登車3個場景為例對常導高速磁浮運營場景中大類場景分別進行描述。其中，停車點步進為正常模式中列車正線運營大類場景的子場景之一，區(qū)間臨時停車為故障模式中的大類場景之一，區(qū)間應急登車為應急模式中的大類場景之一。

3.1 停車點步進場景

由于工程成本和運行安全需要，常導高速磁浮線路上設有輔助停車區(qū)(見圖2)。只有輔助停車區(qū)和車站安裝有為列車提供電力的供電軌。同時，由于磁浮交通高架線路無路肩，列車環(huán)抱軌道運行，普通線路區(qū)域無法正常上下乘客，因此只在輔助停車區(qū)和車站設有疏散區(qū)域。因此，列車運行需要保持在輔助停車區(qū)或車站順利停車的能力，該能力是故障-安全重要標志[1]，以停車點步進模式來實現(xiàn)。

在磁浮列車運行控制系統(tǒng)中，停車點設置于正線輔助停車區(qū)以及車站，用于列車運行安全防護[1,2,16-17]。磁浮列車停車點步進過程可抽象為圖4的示意圖。步進過程中列車總是以當前停車區(qū)為運行目標點，以最大速度防護曲線、最小速度防護曲線以及區(qū)間限速為防護要求。當列車速度超過下一個停車區(qū)最小速度防護曲線，且未超過當前停車區(qū)最大速度防護曲線時，符合列車步進條件。此時，列車可進行步進，之后列車以下一停車區(qū)為運行目標點。依此類推，最終到達列車實際運行的終點。其中，最大速度防護曲線用于保證列車能夠以制動方式停在輔助停車區(qū)；最小速度防護曲線用于保證列車能夠依據(jù)自身勢能滑行至輔助停車區(qū)；區(qū)間限速則用于滿足線路、噪聲等要求。當列車速度超過上述曲線的限制后，會觸發(fā)渦流制動、牽引切斷等安全行為。

圖4 常導高速磁浮列車停車點步進示意圖

列車步進過程主要由分區(qū)控制子系統(tǒng)中分區(qū)安全計算機(DSC)和車載控制子系統(tǒng)中車載安全計算機(VSC)共同完成。以圖2中A站到B站為例，同時考慮位于A站的加速區(qū)，該運營場景正常過程可表述為：

1) 操作員終端系統(tǒng)(OTS)人工或自動預訂A站到B站的進路，DSC計算輔助停車區(qū)1最小速度防護曲線。列車從A站出發(fā)后，VSC把加速區(qū)作為目標點進行防護，計算加速區(qū)最大速度防護曲線，并通知DSC申請停車點步進。

2) 當列車運行速度超過輔助停車區(qū)1的最小速度曲線時，DSC即可同意停車點步進，VSC把輔助停車區(qū)1作為目標點進行防護。

3) DSC計算輔助停車區(qū)2最小速度防護曲線。同時，VSC計算輔助停車區(qū)2的最大速度防護曲線，計算完畢后向DSC申請停車點步進。

4) 當列車運行速度超過輔助停車區(qū)2的最小速度曲線時，DSC即可同意停車點步進，VSC把輔助停車區(qū)2作為目標點進行防護。

5) 重復上述停車點步進過程至當前輔助停車區(qū)被設置為輔助停車區(qū)20時，VSC計算B站的最大速度防護曲線，計算完畢后向DSC申請停車點步進。當列車運行速度超過B站的最小速度曲線時，DSC同意停車點步進，VSC把B站作為目標點進行防護。

VSC檢查停車點步進的條件主要有：①接收到DSC發(fā)送的線路數(shù)據(jù)；②計算出到新的停車區(qū)的最大速度曲線；③列車當前位置報告準確；④無強制停車請求。DSC檢查停車點步進的條件主要有：①列車到停車區(qū)之間的軌道已預定了連續(xù)的進路；②列車當前速度高于新的停車區(qū)的最小速度曲線；③最大速度曲線和最小速度曲線之間沒有沖突；④無強制停車請求；⑤無DSC禁止步進原因。

3.2 區(qū)間臨時停車場景

區(qū)間臨時停車又稱正線輔助停車區(qū)停車，是指運營列車臨時停到正線輔助停車區(qū)。當前，有2種情況會進入該場景：一是故障情況下系統(tǒng)自動引導的列車停到當前輔助停車區(qū)；二是在正線調(diào)度員(TOM)發(fā)現(xiàn)運營異常情況后，主動設置并引導列車停到當前或特定輔助停車區(qū)，并重新安排進路。對于第二種事件下的運營場景可表述為：

1) TOM發(fā)現(xiàn)運營異常，通過操作員終端系統(tǒng)(OTS)發(fā)出強制停車到特定正線輔助停車區(qū)指令；

2) 列車自動運行到指定正線輔助停車區(qū)后，自動停車降落；

3) TOM刪除列車進路；

4) TOM通知相應系統(tǒng)工作人員檢查并處理故障；

5) TOM確認故障消除后，通過OTS重新為該列車設定進路，并臨時關(guān)閉列車最小速度曲線防護，以保證列車運行速度；

6) TOM通過OTS發(fā)出指令，列車重新懸浮并運行。

7) 列車到達指定地點(通常為下一站)后，TOM必須通過OTS為該列車啟用最小速度曲線監(jiān)控功能。

如果運營異?；蚬收祥L時間未能恢復，則該場景可進一步表述為應急模式場景，即需要啟動相應的應急預案。

3.3 區(qū)間應急登車場景

區(qū)間應急登車場景針對的是列車因故在正線輔助停車區(qū)迫停，并需要應急救援人員登車的場景。在考慮該運營事件及其涉及的工作人員和設施設備后，可將該場景描述為：

1) 列車因故迫停在正線區(qū)間的輔助停車區(qū)，根據(jù)TOM應急救援指令，應急救援人員(如多職能隊員或?qū)I(yè)工程師等)需要登車。

2) 如列車迫停位置在開放的高架線路區(qū)段，則采用可移動升降車經(jīng)維修便道進入救援點，將應急救援人員抬升到列車車門處；如列車迫停在隧道內(nèi)的輔助停車區(qū)，則應急救援人員通過維修便道及逃生通道達到救援點，使用臨時梯到達列車車門。

3) TOM釋放救援側(cè)車門鎖閉條件，由司機或乘務員在車門內(nèi)側(cè)打開車門；也可在得到TOM授權(quán)的前提下，由司機或乘務員在車門內(nèi)側(cè)強制打開車門。

4) 應急救援人員進入客室。

打開車門必須得到TOM的授權(quán)或TOM對車門鎖閉控制的條件釋放。同時，登車過程中要確保應急救援人員的人身安全。

4 結(jié)語

運營場景常作為系統(tǒng)開發(fā)與運維的參考文本。在剖析了運營場景內(nèi)涵、要素及特征之后，對常導高速磁浮交通運營場景文本的設計過程與整體內(nèi)容進行了探討，并概述了其中3項典型的運營場景。所述場景總體及典型場景內(nèi)容對相關(guān)場景的研究或規(guī)范的制定有著一定的借鑒意義。