基于目標和場景的全自動運行系統(tǒng)需求分析

景元廣 時序松 宋明厚 馮康

摘要：全自動運行（FullyAutomatic Operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)是城市軌道交通的重要發(fā)展方向之一，而需求分析是設(shè)計、研制適用于我國城市軌道交通運營特點的全自動運行系統(tǒng)的難點與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹了FAO系統(tǒng)基于場景的需求分析方法，提出了結(jié)合目標和場景的全自動運行系統(tǒng)需求分析方法，以期為我國的全自動運行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：全自動運行;目標;場景;需求分析

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）18-64-5

0引言

截止2021年3月31日，我國已有北京、上海、成都、濟南、廣州、太原和武漢7座城市17條線路開通運營了全自動運行系統(tǒng)，已形成403.39 km以上線網(wǎng)規(guī)模，全自動運行系統(tǒng)城軌網(wǎng)絡(luò)化運營正加快實現(xiàn)。預(yù)計到2028年，全球?qū)⒂? 800 km全自動運行系統(tǒng)線路開通運營，全自動運行系統(tǒng)已成為軌道交通的主要技術(shù)趨勢。

全自動運行系統(tǒng)作為基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)的新一代軌道交通控制系統(tǒng)[1]，核心在于減少系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的人為干預(yù)，實現(xiàn)列車全線自主運行。國外發(fā)達國家早在20世紀80年代就掌握了全自動運行系統(tǒng)技術(shù)，但由于技術(shù)壟斷和封鎖，中國直到2017年才建成首條采用自主化全自動運行技術(shù)的線路。

我國目前對全自動技術(shù)的研究仍處在初級階段，核心技術(shù)仍被少數(shù)國家壟斷。為了達到國際領(lǐng)先水平，必須在關(guān)鍵技術(shù)、主要設(shè)備及系統(tǒng)集成等方面不斷發(fā)展創(chuàng)新[2]。同樣，需求分析也至關(guān)重要，必須采用科學(xué)的方法進行研究。好的需求分析能夠提高效率、降低成本，是系統(tǒng)建設(shè)成功與否的關(guān)鍵。

1全自動運行系統(tǒng)

1.1全自動運行系統(tǒng)

國際標準化組織IEC根據(jù)列車運行基本功能在系統(tǒng)和人之間的分配情況將城市軌道交通劃分為不同的自動化等級（Grade of Automation，GoA），軌道交通不同的自動化等級對應(yīng)不同的列車運行方式，如圖1所示。

自動化等級明確了該等級下軌道交通系統(tǒng)能采用的自動化程度最高的列車運行方式。其中GoA3級和GoA4級下的列車運行系統(tǒng)統(tǒng)稱為全自動運行，在實際運營中，可以根據(jù)客流、線路和系統(tǒng)情況，選擇較低自動化程度的列車運行方式。

全自動運行系統(tǒng)是以無人駕駛功能為基礎(chǔ)，按無人值守列車運行（UTO）進行設(shè)計，以提升全系統(tǒng)安全效率為導(dǎo)向，實現(xiàn)列車運行各相關(guān)系統(tǒng)協(xié)同、人機協(xié)同，保證列車運行全過程安全、高效運行工作的軌道交通新體系，可作為軌道交通向智能化、智慧化發(fā)展的技術(shù)平臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，分為車站、中心和車載3個層面。

1.2全自動運行系統(tǒng)的優(yōu)勢

全自動運行系統(tǒng)的核心是列車運行，為了提升系統(tǒng)整體的自動化水平，將機車車輛、軌道信號、車地通信和綜合監(jiān)控等多個系統(tǒng)進一步集成。全自動運行系統(tǒng)可以從安全、服務(wù)質(zhì)量、運營效率、成本、環(huán)境保護等方面為城市軌道交通帶來全面的改善。

①安全：可減少由于人為錯誤而引發(fā)的安全事故。同時，考慮對乘客、工作人員的防護，保障人和系統(tǒng)設(shè)備的安全。

②服務(wù)質(zhì)量：可為乘客提供靈活、可靠、準點和舒適的服務(wù)，提高乘客滿意度。

③運營效率：通過提高系統(tǒng)運維水平提升整體可用性，針對運能需求提供靈活的運營服務(wù)，提高運營效率。

④成本：通過合理的線路設(shè)計，提高列車利用率等措施，在保證運力的同時，降低車輛和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。同時，運營商可通過優(yōu)化勞動力資源和節(jié)能來降低運營成本。

⑤環(huán)境保護：全線列車的自動運行使得多列車協(xié)同優(yōu)化駕駛利用再生能成為可能，可以降低全線的能耗，減少軌道交通線路的碳排放。

因此全自動運行系統(tǒng)具有安全性高、可靠性高、靈活性高、服務(wù)質(zhì)量好、人力配置優(yōu)以及運營成本低等諸多優(yōu)勢。

2基于場景的需求分析方法

軌道交通全自動運行系統(tǒng)的研究重點是通過車輛、信號、通信、綜合監(jiān)控、站臺門多專業(yè)協(xié)同控制，實現(xiàn)運行全過程最佳化、自動化控制以及安全防護。為了使其滿足我國城軌高密度運營、服務(wù)質(zhì)量要求高的需求，需要設(shè)計涵蓋各種工況的全自動運行系統(tǒng)運營場景、運營規(guī)則、危險源檔案及應(yīng)急處置方案等。

全自動運行系統(tǒng)由相關(guān)設(shè)備代替了傳統(tǒng)的人員操作。列車的全自動運行過程包括列車上電、自動檢查、正線服務(wù)、進站停車、站臺發(fā)車、回庫、清掃、列車休眠等場景均可以根據(jù)計劃自動控制。整個過程遵循IEC—62267/62290等標準。目前，全自動運行場景共有300余項，包括正常場景18類、異常場景23類以及69類運用規(guī)則，如圖3所示。而基于這些場景對我國城市軌道交通運營需求進行分析，對于自主設(shè)計和研制全自動運行系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1需求分析

根據(jù)國際數(shù)據(jù)中心（International Data Corporation，IDC）的統(tǒng)計，80%的失敗項目是由于需求分析沒有真正反映用戶的需求而導(dǎo)致，包括：不完整或過于抽象的需求、缺乏用戶介入、不實際的客戶期望、忽略某類用戶、估算不準確、提供不必要的功能及需求規(guī)范的變更等。

需求分析是系統(tǒng)工程中最復(fù)雜和最難處理的過程，難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①問題的復(fù)雜性：用戶需求涉及的因素繁多導(dǎo)致了問題的復(fù)雜化。

②涉眾交流的障礙：系統(tǒng)需求的涉眾較多，包括用戶、不同專業(yè)的工程師、項目管理人員等，人員的知識背景和扮演角色各不相同，造成人員間交流的障礙。

③需求的不完整性和不一致性：用戶對問題的陳述往往是不完整的，且包括隱含信息，各方面的需求還不可避免地存在著矛盾。

④需求的易變性：用戶需求的變化難以避免，對需求定義的影響范圍大，可能會導(dǎo)致需求的不完整性和不一致性。

鑒于需求分析的重要性和復(fù)雜性，20世紀70年代以來，研究人員提出了一系列需求分析技術(shù)，如面向過程和面向?qū)ο蟮姆椒?，以及面向控制和面向?shù)據(jù)的方法。1992年，Jackson提出了用例驅(qū)動的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法。在已有的研究成果中，場景和用例這2個屬性有時是一致的，有時則把場景定義為用例的一個特定實現(xiàn)[3]。

2.2場景的定義

Rolland將場景定義為由一個或多個動作組成，且動作的組合產(chǎn)生了代理狀態(tài)轉(zhuǎn)變的全過程[4]。Rolland場景元模型如圖4所示。

Rolland場景元模型包含的元素如表1所示。

場景是描述代理或?qū)ο笾g交互行為的概念。代理或?qū)ο笾g的一次交互行為被稱作一次動作，一系列的動作組合被稱作一條路徑。場景所描述的行為是有目的的，利用初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)的概念可以區(qū)別不同的場景?？梢杂贸跏紶顟B(tài)和終止?fàn)顟B(tài)作為其區(qū)別特征。場景被觸發(fā)啟動時的狀態(tài)是起始狀態(tài)，場景被中止結(jié)束時的狀態(tài)是終止?fàn)顟B(tài)。場景描述可分為2種：正常場景和異常場景，前者可以實現(xiàn)既定的目標，而后者則表示了特定的異常情況。

場景可以用不同的符號語言表示，包括形式化、半形式化和非形式化的語言。形式化語言是指狀態(tài)機等建模語言，半形式化語言是指結(jié)構(gòu)化的符號，非形式化語言是指自然語言或圖像。

2.3基于場景的需求分析方法

已有的基于場景的需求分析方法有很多種類型，如結(jié)合場景與視點[5]、結(jié)合場景與目標，以及結(jié)合場景與認知科學(xué)。結(jié)合場景與目標的方法可以實現(xiàn)場景與目標的一一對應(yīng)，具體實現(xiàn)過程如下：首先將目標分層，接著利用不同層次的目標產(chǎn)生不同的場景[6]。結(jié)合場景與認知科學(xué)的方法是指將場景用形式化的建模語言表示，如表示為起點、終點、路徑的組合。

LEcritoire方法是一種結(jié)合場景和目標的方法，由Rolland等人提出[7]。該方法將需求抽象為上下文層、交互層和內(nèi)部層3個層面。上下文層是一個連接高層目標與底層需求的紐帶，可以提供目標所需的服務(wù)。交互層為上下文層中的底層服務(wù)提供支持，可以實現(xiàn)不同的交互行為。內(nèi)部層為交互層提供支持，可以實現(xiàn)交互中具體動作的執(zhí)行。

結(jié)合場景和目標的方法離不開需求塊（Requirement Chunk）這一基本組件，需求塊用來描述目標與場景的耦合，即< ，>，其中，是目標，是場景。這種耦合關(guān)系是指為了達到意圖目標，需要執(zhí)行場景中的哪些操作。因此，需求塊被定義為實現(xiàn)目標的方法，具體表現(xiàn)如下：

首先，由于目標與場景之間存在相互對應(yīng)的關(guān)系，即目標能夠產(chǎn)生場景，場景也能發(fā)現(xiàn)目標。因此需求塊獲取需求的過程包括生成場景與發(fā)現(xiàn)目標2個方面，如圖5所示。每個目標被挖掘后就可以為該目標設(shè)置一個場景，這是從目標到場景的前向耦合。同時，一旦一個場景被設(shè)定，就被用于產(chǎn)生目標，這是從場景到目標的反向耦合。生成場景和發(fā)現(xiàn)目標需要不斷循環(huán)與迭代，最終實現(xiàn)獲取系統(tǒng)所有的目標以及實例。

其次，區(qū)分目標之間的精煉、和、或關(guān)系。通過目標精煉從模糊的目標發(fā)現(xiàn)具體的目標。每一個具體的目標都有自己的和/或目標層級。通過傳統(tǒng)的和/或目標結(jié)構(gòu)可以對目標進行縮減。通過目標關(guān)系的區(qū)分和梳理，將需求集合組織為通過和、或、精煉關(guān)系關(guān)聯(lián)的需求塊的層次結(jié)構(gòu)。

最后，該方法有完整的方法論支持，可由工具軟件提供規(guī)則，指導(dǎo)目標建模和場景設(shè)置交互的需求提取過程[8]。

3全自動運行系統(tǒng)需求分析方法

全自動運行系統(tǒng)是新一代的城市軌道交通系統(tǒng)，核心是減少系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的人為干預(yù)，實現(xiàn)列車在全線的自主運行，是下一代城市軌道交通的主要發(fā)展方向。

全自動運行系統(tǒng)涉及軌道交通的眾多專業(yè)系統(tǒng)、設(shè)備和工作人員，包括：車輛、信號、綜合監(jiān)控、廣播、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、中心調(diào)度員、車站值班員、站臺工作人員等。全自動運行系統(tǒng)旨在打破不同專業(yè)間的壁壘，實現(xiàn)不同系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動，減少系統(tǒng)正常工作時的人為干預(yù)，提高軌道交通系統(tǒng)整體的自動化和智能化水平。

基于上述系統(tǒng)需求工程場景分析方法的介紹，建議采取以下方法設(shè)計全自動運行系統(tǒng)的場景。

（1）采用非形式化語言描述場景

對于國內(nèi)軌道交通用戶和設(shè)備廠商而言，全自動運行系統(tǒng)是一個全新的、超大型的復(fù)雜系統(tǒng)，在進行系統(tǒng)研發(fā)的初始階段，系統(tǒng)的需求和目標不明確。全自動運行系統(tǒng)涉眾包括用戶和不同專業(yè)系統(tǒng)的供貨商。為便于理解，采用非形式化語言描述的場景來啟發(fā)涉眾的思維、提出創(chuàng)新性想法、發(fā)現(xiàn)真實的系統(tǒng)需求。

（2）采用分層的場景分析法

鑒于全自動運行系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用分層的場景分析方法建立不同層次的場景[9]。具體方法如下：首先將全自動運行系統(tǒng)看作一個完整的場景，并確定該場景的起始狀態(tài)與終止?fàn)顟B(tài)，即系統(tǒng)邊界。按照自頂向下的原則，將這個大場景分解為多個小場景，將較大的目標拆分為許多小目標，并進一步將小場景中的小目標抽象組合，構(gòu)建場景層次圖。最終實現(xiàn)全自動運行系統(tǒng)場景結(jié)構(gòu)的層次化，使得自頂向下或自底向上的分析都更加清晰明了。

全自動運行系統(tǒng)的場景可以被分為3個層次，頂層是全自動運行級場景，中間層是系統(tǒng)級場景，底層是設(shè)備級場景。最頂層的全自動運行級場景結(jié)構(gòu)中只有一個場景———全自動運行系統(tǒng)，是一個統(tǒng)領(lǐng)概括性的場景，用來描述整個全自動運行系統(tǒng)的范圍，重點關(guān)注系統(tǒng)整體與外部環(huán)境的關(guān)系。全自動運行系統(tǒng)的邊界包括車輛段有人區(qū)和無人區(qū)的分界、列車門、站臺門、站臺端門、防淹門及人防門等。

中間場景進一步精化分解了頂層場景中的各個元素，該層場景中的各個元素同樣能夠被精化分解。信號系統(tǒng)是城市軌道交通的大腦和中樞神經(jīng)為保障軌道交通的安全、高效運營，建議以行車為核心，以信號系統(tǒng)為對象，考慮關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)，建立中間層系統(tǒng)級場景。設(shè)計全自動運行系統(tǒng)的場景時，需綜合考慮不同的維度，劃分全自動運行系統(tǒng)的中間級場景，包括：

中間層系統(tǒng)級場景的涉眾對應(yīng)不同專業(yè)系統(tǒng)和工作人員，根據(jù)系統(tǒng)間的交互、工作人員的操作和系統(tǒng)的組成，建立底層的設(shè)備級場景。底層設(shè)備級場景通過進一步分解中間層系統(tǒng)級場景得到，直到每個場景的各個活動元素達到原子級別。

①區(qū)域維度：界定列車運營的全區(qū)域和列車全自動運行的區(qū)域劃分場景，如列檢庫、車輛段、轉(zhuǎn)換軌、區(qū)間、車站、終點站及折返區(qū)等。

②時間維度：按照24 h/d不同的階段劃分場景，包括運營時段和維護時段。

③行車過程維度：根據(jù)列車運行全過程所執(zhí)行的任務(wù)劃分不同的場景，如早間上電、喚醒、出庫、進入正線服務(wù)、進站停車、站臺發(fā)車、折返換端、清客、停止正線服務(wù)、回庫、清掃及休眠等。

④環(huán)境維度：根據(jù)影響行車的環(huán)境因素劃分場景，如大風(fēng)、霧、雨雪等。

⑤干系對象維度：FAO是一個人機混合系統(tǒng)，可從不同角度將干系對象劃分為2類，一類是從控制防護對象角度，包括列車、乘客和維護人員;另一類是從控制器角度，包括司機、調(diào)度員、列車運行控制、通信、監(jiān)控等系統(tǒng)。

⑥關(guān)聯(lián)系統(tǒng)維度：考慮FAO與其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的交互和需求完成的任務(wù)。

⑦狀態(tài)維度：按照運營生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)劃分場景，包括正常狀態(tài)、故障失效狀態(tài)、緊急狀態(tài)。

（3）采用場景與目標和視點相結(jié)合的需求獲取方法

全自動運行系統(tǒng)的涉眾包括城市軌道交通的建設(shè)部門、運營部門和各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的供應(yīng)商。其中，建設(shè)部門希望通過場景明確系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能。運營部門希望通過場景明確系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的目標和為實現(xiàn)這一目標需要匹配的運營組織架構(gòu)和基本的操作流程。運營相關(guān)的涉眾包括全自動運行系統(tǒng)中運營組織的相關(guān)人員，如中心調(diào)度、車站值班員、站臺工作人員、車輛段運轉(zhuǎn)值班員等。各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的供應(yīng)商希望通過場景明確所提供的系統(tǒng)設(shè)備需實現(xiàn)的功能，以及在實現(xiàn)該功能的過程中與其他專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的信息交互。

由于全自動運行系統(tǒng)不同涉眾對系統(tǒng)需求的關(guān)注角度不同，建議采用場景與視點相結(jié)合的需求獲取方法。在描述場景時，除通過場景的遍歷描述，讓涉眾理解它的操作、角色、觸發(fā)過程的事件等內(nèi)容，進一步將涉及到的不同對象分門別類描述，從中提取出不同的視點[10]。

4結(jié)束語

介紹了全自動運行系統(tǒng)的特點與優(yōu)點，指出需求分析是設(shè)計、研發(fā)適用于我國城市軌道交通運營特點與需求的全自動運行系統(tǒng)的難點與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。進一步介紹了基于場景的需求分析方法，并詳細介紹了結(jié)合場景與目標的全自動運行系統(tǒng)需求分析方法，所提方法可為我國城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)提供理論參考。

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