陳 光 楚彭子 朱忠英 袁建軍 虞 翊 張仿琪

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢； 2.同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?cè)絹碓蕉嗟匾蕾囘@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(shè)計(jì)，交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理需要合理的分工。作為其中的參考文本，運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景備受關(guān)注。磁浮列車對(duì)大眾而言屬于十分新穎的交通工具，具有很多優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)體系正在不斷完善[1]。

盡管國(guó)內(nèi)已具有多年的常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，但其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景尚未形成體系，較多研究?jī)H對(duì)典型場(chǎng)景進(jìn)行分析[2-3]，對(duì)運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)管理需求。相對(duì)而言，輪軌交通的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景則較多，尤其是針對(duì)CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))的CTCS-3級(jí)和CTCS-2級(jí)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(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)[8-9]的相關(guān)內(nèi)容。實(shí)際上，對(duì)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的梳理有助于系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理。本文以常導(dǎo)高速磁浮交通為研究對(duì)象，探討運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的內(nèi)涵、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景整體構(gòu)成以及典型場(chǎng)景。

1 軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景及其特征

1.1 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的內(nèi)涵與要素

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)與描述，場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)是一種適用方法。場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)是借助“分鏡”手段將系統(tǒng)行為分解為場(chǎng)景，進(jìn)而加以語言描述或形式化描述。“分鏡”較早地出現(xiàn)在電影行業(yè)，是一種將連續(xù)動(dòng)作分解為若干片段，每個(gè)片段作為一個(gè)場(chǎng)景的方法。在得到場(chǎng)景后，需要對(duì)其內(nèi)容與形式進(jìn)行詳細(xì)描述，而自然語言是常用描述方式[10-11]。由此可見，場(chǎng)景是一類被分解后的片段，該片段需要被準(zhǔn)確描述，并具有實(shí)質(zhì)內(nèi)容。

結(jié)合場(chǎng)景定義和當(dāng)前研究現(xiàn)狀，對(duì)于某類軌道交通系統(tǒng)，認(rèn)為運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景應(yīng)是針對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)或運(yùn)行過程全面、準(zhǔn)確、細(xì)致的描述文本，反映著系統(tǒng)內(nèi)部交互邏輯與功能實(shí)現(xiàn)過程，是設(shè)施、設(shè)備與崗位設(shè)置的依據(jù)[12]，能夠作為該系統(tǒng)需求規(guī)范的表達(dá)[4]，可有效地指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證與聯(lián)調(diào)聯(lián)試[8,13-14]，以及生產(chǎn)過程的培訓(xùn)[15]。圖1簡(jiǎn)示了軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景常見構(gòu)成要素及其關(guān)系，即可通過以具體運(yùn)營(yíng)或運(yùn)行事件為抓手，以大環(huán)境為背景，通過描述運(yùn)營(yíng)/運(yùn)行事件、事件中工作人員和設(shè)施設(shè)備三者之間的交互邏輯來描述場(chǎng)景。

圖1 軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景構(gòu)成要素示意圖

1.2 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的特征

考慮到不同制式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)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(yùn)營(yíng)場(chǎng)景差異，認(rèn)為軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景具有以下特征：

1) 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的一般性：一般性體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景覆蓋內(nèi)容是大致相同的。例如，不同制式軌道交通的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景均會(huì)涉及從列車起動(dòng)、開始運(yùn)營(yíng)至運(yùn)營(yíng)結(jié)束、列車退出正線服務(wù)的一系列過程。

2) 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的精確性：針對(duì)具體的系統(tǒng)對(duì)象，運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景應(yīng)能夠體現(xiàn)需求規(guī)范。因此，運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景應(yīng)該是精確的，且容易讓人清晰理解。

3) 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的獨(dú)特性：獨(dú)特性體現(xiàn)在不同制式軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景之間存在典型的差異。例如，高速磁浮采用停車點(diǎn)步進(jìn)的方式運(yùn)行(涉及停車點(diǎn)步進(jìn)場(chǎng)景)[1-2]，輪軌交通則并無此項(xiàng)內(nèi)容。輪軌交通存在自動(dòng)過分相場(chǎng)景[4,6]，而高速磁浮并無此項(xiàng)場(chǎng)景。

4) 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的演化性：演化性體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是隨著大環(huán)境而發(fā)生變化的。例如，站臺(tái)門與車門之間的聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景是借助了新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化功能?；ヂ?lián)互通場(chǎng)景[6]不僅與其實(shí)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(huì)產(chǎn)生新場(chǎng)景、改變或減少舊場(chǎng)景。

2 常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景文本設(shè)計(jì)

2.1 常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景文本設(shè)計(jì)過程

考慮到運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的內(nèi)涵、要素與特征，借鑒相關(guān)研究現(xiàn)狀，本文對(duì)常導(dǎo)高速磁浮運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行了梳理，具體過程如下：

1) 研究已有運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景內(nèi)容及構(gòu)成結(jié)構(gòu)。分析CTCS-2級(jí)及CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)及城市軌道交通FAO系統(tǒng)的相關(guān)場(chǎng)景內(nèi)容，尤其是場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的劃分方式；同時(shí)，參考已有成果分析高速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的相關(guān)場(chǎng)景。

2) 以上海磁浮示范線為對(duì)象，調(diào)研其運(yùn)營(yíng)過程涉及的有關(guān)場(chǎng)景。以上海磁浮示范線的運(yùn)營(yíng)過程為主要研究?jī)?nèi)容，梳理上海磁浮示范線系統(tǒng)構(gòu)成、正常運(yùn)營(yíng)過程以及異常運(yùn)營(yíng)過程，并進(jìn)行運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景歸納。

3) 分析長(zhǎng)大干線及系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)后可能涉及的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。上海磁浮示范線的運(yùn)營(yíng)里程相對(duì)較短，未設(shè)置站臺(tái)門，分區(qū)與車站設(shè)置也相對(duì)簡(jiǎn)單，且一直采用德國(guó)TR8型磁浮列車相應(yīng)系統(tǒng)，然而，長(zhǎng)大干線運(yùn)營(yíng)及系統(tǒng)拓展后可能會(huì)新增一些場(chǎng)景，需要對(duì)常導(dǎo)高速磁浮此方面的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行一定的前瞻性研究。

4) 劃分場(chǎng)景類別，優(yōu)化場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，形成運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景文本。借鑒上海磁浮示范線對(duì)運(yùn)營(yíng)過程的劃分，并結(jié)合場(chǎng)景特征對(duì)常導(dǎo)高速磁浮運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

2.2 常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景總體概述

常導(dǎo)高速磁浮交通正常運(yùn)營(yíng)過程與軌道交通較為一致，反映著運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備至運(yùn)營(yíng)結(jié)束中一系列正常場(chǎng)景，涉及列車出庫、進(jìn)入正線、進(jìn)站停車、站臺(tái)發(fā)車、區(qū)間運(yùn)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(duì)正常運(yùn)營(yíng)過程，將其類別命名為正常模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，并納入相應(yīng)的子場(chǎng)景。

圖2 常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)基本過程示意圖

類似地，進(jìn)一步考慮可能的異常運(yùn)行過程，并將其劃分為故障模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和應(yīng)急模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。基于此，在整體上將常導(dǎo)高速磁浮運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景劃分為正常模式、故障模式和應(yīng)急模式3個(gè)維度，涉及大類場(chǎng)景23個(gè)。其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的分布如圖3所示。同時(shí)，根據(jù)具體的內(nèi)容，還需要對(duì)23個(gè)大類運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。例如，可將正常模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中運(yùn)營(yíng)結(jié)束劃分為列車停止懸浮和列車休眠2個(gè)子場(chǎng)景。

圖3 常導(dǎo)高速磁浮交通23個(gè)大類運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分布

3 常導(dǎo)高速磁浮交通的典型運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

由于常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景涉及內(nèi)容廣泛，僅以其中的停車點(diǎn)步進(jìn)、區(qū)間臨時(shí)停車以及區(qū)間應(yīng)急登車3個(gè)場(chǎng)景為例對(duì)常導(dǎo)高速磁浮運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中大類場(chǎng)景分別進(jìn)行描述。其中，停車點(diǎn)步進(jìn)為正常模式中列車正線運(yùn)營(yíng)大類場(chǎng)景的子場(chǎng)景之一，區(qū)間臨時(shí)停車為故障模式中的大類場(chǎng)景之一，區(qū)間應(yīng)急登車為應(yīng)急模式中的大類場(chǎng)景之一。

3.1 停車點(diǎn)步進(jìn)場(chǎng)景

由于工程成本和運(yùn)行安全需要，常導(dǎo)高速磁浮線路上設(shè)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(shí)，由于磁浮交通高架線路無路肩，列車環(huán)抱軌道運(yùn)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(shè)有疏散區(qū)域。因此，列車運(yùn)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(biāo)志[1]，以停車點(diǎn)步進(jìn)模式來實(shí)現(xiàn)。

在磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，停車點(diǎn)設(shè)置于正線輔助停車區(qū)以及車站，用于列車運(yùn)行安全防護(hù)[1,2,16-17]。磁浮列車停車點(diǎn)步進(jìn)過程可抽象為圖4的示意圖。步進(jìn)過程中列車總是以當(dāng)前停車區(qū)為運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)，以最大速度防護(hù)曲線、最小速度防護(hù)曲線以及區(qū)間限速為防護(hù)要求。當(dāng)列車速度超過下一個(gè)停車區(qū)最小速度防護(hù)曲線，且未超過當(dāng)前停車區(qū)最大速度防護(hù)曲線時(shí)，符合列車步進(jìn)條件。此時(shí)，列車可進(jìn)行步進(jìn)，之后列車以下一停車區(qū)為運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)。依此類推，最終到達(dá)列車實(shí)際運(yùn)行的終點(diǎn)。其中，最大速度防護(hù)曲線用于保證列車能夠以制動(dòng)方式停在輔助停車區(qū)；最小速度防護(hù)曲線用于保證列車能夠依據(jù)自身勢(shì)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(dāng)列車速度超過上述曲線的限制后，會(huì)觸發(fā)渦流制動(dòng)、牽引切斷等安全行為。

圖4 常導(dǎo)高速磁浮列車停車點(diǎn)步進(jìn)示意圖

列車步進(jìn)過程主要由分區(qū)控制子系統(tǒng)中分區(qū)安全計(jì)算機(jī)(DSC)和車載控制子系統(tǒng)中車載安全計(jì)算機(jī)(VSC)共同完成。以圖2中A站到B站為例，同時(shí)考慮位于A站的加速區(qū)，該運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景正常過程可表述為：

1) 操作員終端系統(tǒng)(OTS)人工或自動(dòng)預(yù)訂A站到B站的進(jìn)路，DSC計(jì)算輔助停車區(qū)1最小速度防護(hù)曲線。列車從A站出發(fā)后，VSC把加速區(qū)作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)，計(jì)算加速區(qū)最大速度防護(hù)曲線，并通知DSC申請(qǐng)停車點(diǎn)步進(jìn)。

2) 當(dāng)列車運(yùn)行速度超過輔助停車區(qū)1的最小速度曲線時(shí)，DSC即可同意停車點(diǎn)步進(jìn)，VSC把輔助停車區(qū)1作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。

3) DSC計(jì)算輔助停車區(qū)2最小速度防護(hù)曲線。同時(shí)，VSC計(jì)算輔助停車區(qū)2的最大速度防護(hù)曲線，計(jì)算完畢后向DSC申請(qǐng)停車點(diǎn)步進(jìn)。

4) 當(dāng)列車運(yùn)行速度超過輔助停車區(qū)2的最小速度曲線時(shí)，DSC即可同意停車點(diǎn)步進(jìn)，VSC把輔助停車區(qū)2作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。

5) 重復(fù)上述停車點(diǎn)步進(jìn)過程至當(dāng)前輔助停車區(qū)被設(shè)置為輔助停車區(qū)20時(shí)，VSC計(jì)算B站的最大速度防護(hù)曲線，計(jì)算完畢后向DSC申請(qǐng)停車點(diǎn)步進(jìn)。當(dāng)列車運(yùn)行速度超過B站的最小速度曲線時(shí)，DSC同意停車點(diǎn)步進(jìn)，VSC把B站作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。

VSC檢查停車點(diǎn)步進(jìn)的條件主要有：①接收到DSC發(fā)送的線路數(shù)據(jù)；②計(jì)算出到新的停車區(qū)的最大速度曲線；③列車當(dāng)前位置報(bào)告準(zhǔn)確；④無強(qiáng)制停車請(qǐng)求。DSC檢查停車點(diǎn)步進(jìn)的條件主要有：①列車到停車區(qū)之間的軌道已預(yù)定了連續(xù)的進(jìn)路；②列車當(dāng)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(qiáng)制停車請(qǐng)求；⑤無DSC禁止步進(jìn)原因。

3.2 區(qū)間臨時(shí)停車場(chǎng)景

區(qū)間臨時(shí)停車又稱正線輔助停車區(qū)停車，是指運(yùn)營(yíng)列車臨時(shí)停到正線輔助停車區(qū)。當(dāng)前，有2種情況會(huì)進(jìn)入該場(chǎng)景：一是故障情況下系統(tǒng)自動(dòng)引導(dǎo)的列車停到當(dāng)前輔助停車區(qū)；二是在正線調(diào)度員(TOM)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)異常情況后，主動(dòng)設(shè)置并引導(dǎo)列車停到當(dāng)前或特定輔助停車區(qū)，并重新安排進(jìn)路。對(duì)于第二種事件下的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可表述為：

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

2) 列車自動(dòng)運(yùn)行到指定正線輔助停車區(qū)后，自動(dòng)停車降落；

3) TOM刪除列車進(jìn)路；

4) TOM通知相應(yīng)系統(tǒng)工作人員檢查并處理故障；

5) TOM確認(rèn)故障消除后，通過OTS重新為該列車設(shè)定進(jìn)路，并臨時(shí)關(guān)閉列車最小速度曲線防護(hù)，以保證列車運(yùn)行速度；

6) TOM通過OTS發(fā)出指令，列車重新懸浮并運(yùn)行。

7) 列車到達(dá)指定地點(diǎn)(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(yùn)營(yíng)異常或故障長(zhǎng)時(shí)間未能恢復(fù)，則該場(chǎng)景可進(jìn)一步表述為應(yīng)急模式場(chǎng)景，即需要啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

3.3 區(qū)間應(yīng)急登車場(chǎng)景

區(qū)間應(yīng)急登車場(chǎng)景針對(duì)的是列車因故在正線輔助停車區(qū)迫停，并需要應(yīng)急救援人員登車的場(chǎng)景。在考慮該運(yùn)營(yíng)事件及其涉及的工作人員和設(shè)施設(shè)備后，可將該場(chǎng)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(yīng)急救援指令，應(yīng)急救援人員(如多職能隊(duì)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(dòng)升降車經(jīng)維修便道進(jìn)入救援點(diǎn)，將應(yīng)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(yīng)急救援人員通過維修便道及逃生通道達(dá)到救援點(diǎn)，使用臨時(shí)梯到達(dá)列車車門。

3) TOM釋放救援側(cè)車門鎖閉條件，由司機(jī)或乘務(wù)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(jī)或乘務(wù)員在車門內(nèi)側(cè)強(qiáng)制打開車門。

4) 應(yīng)急救援人員進(jìn)入客室。

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

4 結(jié)語

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景常作為系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)維的參考文本。在剖析了運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景內(nèi)涵、要素及特征之后，對(duì)常導(dǎo)高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景文本的設(shè)計(jì)過程與整體內(nèi)容進(jìn)行了探討，并概述了其中3項(xiàng)典型的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。所述場(chǎng)景總體及典型場(chǎng)景內(nèi)容對(duì)相關(guān)場(chǎng)景的研究或規(guī)范的制定有著一定的借鑒意義。