朱 翔 陳麗君

(1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，200070，上海;2.上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上?！蔚谝蛔髡撸呒?jí)工程師)

目前，國(guó)內(nèi)的地鐵線路建設(shè)越來(lái)越多地采用全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)系統(tǒng)。為此，本文對(duì)地鐵的FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景作幾點(diǎn)探討。

1 城市軌道交通FAO系統(tǒng)的現(xiàn)狀

FAO系統(tǒng)是基于先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行全過(guò)程的自動(dòng)化，以提升運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平、運(yùn)營(yíng)安全與效率為目的的新一代的城市軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)［1］。

《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)指南(試行)》［2］，對(duì)軌道交通線路自動(dòng)化運(yùn)行程度定義了5個(gè)等級(jí)，從低至高依次為GoA0至GoA4(其中GoA代表自動(dòng)控制等級(jí)):GoA0為目視下行車(chē)模式;GoA1為非自動(dòng)列車(chē)運(yùn)行，由司機(jī)控制列車(chē)的起動(dòng)和停車(chē)、車(chē)門(mén)的操作以及緊急情況下的處理，在該模式下有列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(ATP)裝置;GoA2為自動(dòng)列車(chē)運(yùn)行，列車(chē)的起動(dòng)、停車(chē)與區(qū)間運(yùn)營(yíng)都是自動(dòng)控制的，部分需要司機(jī)確認(rèn)列車(chē)起動(dòng)，車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)可人工或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，緊急情況下需要人工介入;GoA3為有人值守下的自動(dòng)化運(yùn)行，無(wú)需司機(jī)，但需要乘務(wù)員干預(yù)車(chē)門(mén)開(kāi)、關(guān)，甚至處理緊急情況;GoA4為無(wú)人值守下的自動(dòng)化運(yùn)行，所有運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和緊急處理場(chǎng)景全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)。

FAO系統(tǒng)包含自動(dòng)化等級(jí)GoA3和GoA4，即FAO系統(tǒng)運(yùn)行模式包括有人值守的自動(dòng)化運(yùn)行和無(wú)人值守的自動(dòng)化運(yùn)行。

FAO系統(tǒng)具有高安全性、高可靠性、高靈活性、提高服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)化人力配置以及降低運(yùn)營(yíng)成本等諸多優(yōu)勢(shì)，我國(guó)城市軌道交通行業(yè)已經(jīng)掀起一輪FAO系統(tǒng)的建設(shè)熱潮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年12月底，中國(guó)內(nèi)地已運(yùn)營(yíng)和正在建設(shè)地鐵FAO系統(tǒng)的有北京、上海、深圳、廣州、武漢、成都、鄭州、太原等26座城市，共計(jì)49條線路，總長(zhǎng)達(dá)1 774.77 km。從自動(dòng)化運(yùn)行程度最高等級(jí)的GoA4來(lái)看，中國(guó)內(nèi)地已運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)了GoA4線路功能的城市有北京、上海、廣州、成都、太原等5座，部分城市在初期運(yùn)營(yíng)中采用了有人值守的模式。預(yù)計(jì)到2023年，我國(guó)將有19座城市開(kāi)通FAO線路，共計(jì)將達(dá)到40條線路，運(yùn)營(yíng)里程將突破1 200 km，運(yùn)營(yíng)車(chē)站可達(dá)到861座。

據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)全球75%的新建地鐵線路以及40%的既有地鐵線路改造將全部采用完全自動(dòng)駕駛技術(shù)。據(jù)UITP(國(guó)際公共交通協(xié)會(huì))數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2030年，全球城市軌道交通FAO線路的長(zhǎng)度較2018年底將增加3倍多，其中大部分增長(zhǎng)源于中國(guó)。由此可見(jiàn)，未來(lái)10年將是我國(guó)城市軌道交通FAO系統(tǒng)迎來(lái)全面爆發(fā)的黃金發(fā)展階段。

2 對(duì)地鐵FAO系統(tǒng)場(chǎng)景的幾點(diǎn)探討

地鐵FAO線路的建設(shè)工程是需要各核心機(jī)電子系統(tǒng)(包括車(chē)輛、信號(hào)、通信、綜合監(jiān)控、站臺(tái)門(mén)等)協(xié)調(diào)配合、團(tuán)隊(duì)緊密協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)的安全、高效的系統(tǒng)工程。

2.1 制定FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的必要性

對(duì)于采用傳統(tǒng)GoA2的線路，在建設(shè)過(guò)程中幾乎沒(méi)有提及運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，往往根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行建設(shè);通常，標(biāo)準(zhǔn)都是由專業(yè)技術(shù)人員編寫(xiě)，和運(yùn)營(yíng)的直接需求不直接相關(guān)。因?yàn)椴捎肎oA2的線路配置了中央調(diào)度員、車(chē)站值班員和司機(jī)等，當(dāng)列車(chē)出現(xiàn)故障或應(yīng)急事件時(shí)，相關(guān)人員會(huì)及時(shí)進(jìn)行處理，設(shè)備的不足可由人(司機(jī))來(lái)補(bǔ)足，從而確保運(yùn)營(yíng)正常。隨著采用GoA4的全自動(dòng)線路的發(fā)展，列車(chē)上不再配置隨車(chē)人員，這就提出了通過(guò)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的新理念，其深層次的原因在于設(shè)計(jì)人員并不能充分理解運(yùn)營(yíng)人員的日常作業(yè)方式、故障造成的后果和運(yùn)營(yíng)人員的反應(yīng)、運(yùn)營(yíng)人員對(duì)產(chǎn)生后果的接受度等。因此，由懂運(yùn)營(yíng)的相關(guān)人員直接參與編寫(xiě)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景對(duì)于GoA4的全自動(dòng)線路的建設(shè)是非常必要的。

2.2 FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是指跟行車(chē)有關(guān)的所有作業(yè)的集合。運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景必須體現(xiàn)完整性，所有與行車(chē)有關(guān)的作業(yè)都不能遺漏，應(yīng)從運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景推導(dǎo)出設(shè)備所要求的功能。若功能不能保證實(shí)現(xiàn)所有與行車(chē)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，則需要制定補(bǔ)充的運(yùn)營(yíng)作業(yè)流程，由FAO系統(tǒng)和工作人員共同保證與所有行車(chē)有關(guān)的作業(yè)都能在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中得以順利完成。

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是運(yùn)營(yíng)需求的核心組成部分，是FAO線路的核心，是項(xiàng)目及工程實(shí)施的綱領(lǐng)。在項(xiàng)目前期就應(yīng)開(kāi)展運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的策劃，并形成項(xiàng)目特定的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。對(duì)于GoA4 FAO線路而言，由于不再單獨(dú)配置司機(jī)，因而不僅需要考慮FAO系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)，還要考慮在故障處理、應(yīng)急處置等方面FAO系統(tǒng)替代司機(jī)的職能。在FAO線路建設(shè)時(shí)，應(yīng)更加重視與運(yùn)行效率、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量直接相關(guān)的關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，尤其是故障處理、應(yīng)急處置場(chǎng)景。運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義除了從內(nèi)容上需要包含所有與行車(chē)相關(guān)的作業(yè)，還需要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行考量。

2.2.1 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義需要考慮運(yùn)營(yíng)安全

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義需要考慮運(yùn)營(yíng)安全。例如:某列車(chē)發(fā)生故障，但仍然能夠動(dòng)車(chē)，當(dāng)處于非高峰時(shí)刻，通常會(huì)對(duì)該列列車(chē)進(jìn)行清客，將列車(chē)疏散至存車(chē)線或回庫(kù)維修;但在高峰或大客流時(shí)，維持運(yùn)營(yíng)才可能是最安全的措施，而不是在某個(gè)車(chē)站進(jìn)行清客，因?yàn)榍蹇蜕婕暗匠丝偷母叨确e聚，容易發(fā)生次生事故。

另外，對(duì)于FAO的核心系統(tǒng)而言，無(wú)論在系統(tǒng)中所采用的部件如何可靠，其硬件的隨機(jī)故障是不可避免的，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，列車(chē)會(huì)停下來(lái)以確保安全。實(shí)際上從運(yùn)營(yíng)安全的角度來(lái)看，當(dāng)FAO系統(tǒng)發(fā)生某類故障時(shí)可能會(huì)要求切除信號(hào)，甚至區(qū)間救援，此時(shí)由人工保證運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)是比較高的。換句話說(shuō)，為適應(yīng)FAO的GoA4要求，信號(hào)系統(tǒng)的可靠性一定要很高，可靠性也是實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全的極其重要的一部分。諸如此類的故障對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾很大，反過(guò)來(lái)對(duì)核心系統(tǒng)提出了更高的可靠性要求或新的功能要求。因此，從某種意義上來(lái)講，可靠性也是運(yùn)營(yíng)需求的一種表現(xiàn)形式。

從運(yùn)營(yíng)安全角度來(lái)看，F(xiàn)AO項(xiàng)目中PIS(乘客信息系統(tǒng))的無(wú)線通信、車(chē)載IPH(車(chē)廂應(yīng)急對(duì)講電話)、車(chē)上CCTV(閉路電視)、車(chē)上PIS、車(chē)地?zé)o線傳輸?shù)榷歼€有提高的空間，其對(duì)運(yùn)營(yíng)安全都可以做貢獻(xiàn)。

2.2.2 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義需要抓住運(yùn)營(yíng)的本質(zhì)需求

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景編寫(xiě)的主體參與人員不僅應(yīng)包含建設(shè)單位，還必須有懂運(yùn)營(yíng)的相關(guān)人員和設(shè)備供應(yīng)商參與，以充分體現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的需求、運(yùn)營(yíng)的實(shí)際情況，以及設(shè)備功能是否能夠滿足運(yùn)營(yíng)需要。運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景識(shí)別清楚后，導(dǎo)出設(shè)備的功能和相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)作業(yè)流程。運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的補(bǔ)充，通過(guò)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可導(dǎo)出各核心子系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能。功能是為運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景服務(wù)的，且運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景著眼點(diǎn)在于是否具備某項(xiàng)功能，但不宜指定功能的具體實(shí)現(xiàn)方式;當(dāng)功能不能滿足運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的需求時(shí)，則需要定義相關(guān)的操作流程、制定作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和行車(chē)管理辦法，使其與系統(tǒng)功能相輔相成，最終滿足運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的需求。

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需要具有普適性、獨(dú)立性，公正性、可持續(xù)改進(jìn)等特點(diǎn)，從運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景導(dǎo)出功能需求，并在項(xiàng)目中進(jìn)行持續(xù)檢驗(yàn);若需要改進(jìn)，再更新運(yùn)營(yíng)需求，經(jīng)過(guò)持續(xù)更新的運(yùn)營(yíng)需求才是最好的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景?，F(xiàn)以以下實(shí)例來(lái)進(jìn)行分析。

1)目前很多FAO項(xiàng)目都設(shè)置了車(chē)輛調(diào)的崗位，但從運(yùn)營(yíng)的角度來(lái)看，調(diào)度指揮具有唯一性的特點(diǎn);從行車(chē)的角度看，不能有兩種調(diào)度同時(shí)指揮行車(chē)。車(chē)輛信息的確需要傳給行車(chē)調(diào)度來(lái)輔助組織行車(chē)，但可作為行車(chē)調(diào)度的補(bǔ)充信息，而不應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的1個(gè)調(diào)度崗位。

2)在列車(chē)喚醒過(guò)程中，車(chē)輛本身的牽引/制動(dòng)的喚醒測(cè)試已經(jīng)很全面，唯一不能做的是閘瓦狀態(tài)的回采。目前，很多FAO項(xiàng)目都需要進(jìn)行喚醒動(dòng)態(tài)測(cè)試，但實(shí)際上即使經(jīng)過(guò)“階躍方式的動(dòng)態(tài)測(cè)試”(俗稱“點(diǎn)動(dòng)”)，也不能發(fā)現(xiàn)眾多閘瓦中未回采的閘瓦，所以即使做了動(dòng)態(tài)測(cè)試也無(wú)用。若用“發(fā)車(chē)測(cè)試”替代“階躍方式的動(dòng)態(tài)測(cè)試”，則可避免每日進(jìn)行階躍方式“帶閘跑”對(duì)制動(dòng)閘瓦和車(chē)輪輪緣造成的不可逆的物理擦傷。發(fā)車(chē)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)時(shí)監(jiān)督牽引力指令和施加效果的偏差，在規(guī)定的距離內(nèi)讀到喚醒檢驗(yàn)應(yīng)答器，且列車(chē)沒(méi)有出現(xiàn)牽引受阻，方才成功。此過(guò)程同時(shí)完成了電制動(dòng)精度的檢驗(yàn)。

3)遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景尚應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化，需要明確需要執(zhí)行單車(chē)遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)，甚至全線列車(chē)緊急制動(dòng)的情況(如地震災(zāi)害、發(fā)生恐怖襲擊、配合公安行動(dòng)等)。

4)目前車(chē)站火災(zāi)報(bào)警為全站所有區(qū)域的火災(zāi)報(bào)警，其范圍過(guò)大，因此可考慮定義行車(chē)有關(guān)區(qū)域的報(bào)警和行車(chē)無(wú)關(guān)區(qū)域的報(bào)警，且火災(zāi)報(bào)警有一定的誤報(bào)率，若不經(jīng)人工確認(rèn)直接聯(lián)動(dòng)，則影響面過(guò)大。

除了運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景所導(dǎo)出的功能需求以外，采用GoA4的FAO線路還需要充分考慮安全需求和性能需求。在安全需求的考慮上，需要打破專業(yè)之間的界限。例如，對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)控制列車(chē)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)根據(jù)故障-安全的原則，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)對(duì)列車(chē)施加緊急制動(dòng)(EB)，但對(duì)于車(chē)輛是否能夠正確地實(shí)施到氣制動(dòng)環(huán)節(jié)、保證給出相應(yīng)的制動(dòng)率并未進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)，即使車(chē)輛的EB是按照SIL(安全完整性等級(jí))4要求實(shí)現(xiàn)的，但從信號(hào)到車(chē)輛的中間環(huán)節(jié)不一定能保證實(shí)現(xiàn)SIL4的要求。因此，各專業(yè)之間應(yīng)更加緊密配合，從FAO系統(tǒng)的角度去保證安全。

2.2.3 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義可以分地域考慮

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義可以分地域進(jìn)行，例如可分為車(chē)輛基地、正線、控制中心和車(chē)站等地域。對(duì)于不同地點(diǎn)的同一個(gè)場(chǎng)景，由于地域的不同，所導(dǎo)出的功能和運(yùn)營(yíng)作業(yè)流程可能亦不同。例如對(duì)列車(chē)喚醒的發(fā)車(chē)測(cè)試，在正線休眠的列車(chē)已在早上出車(chē)時(shí)做過(guò)發(fā)車(chē)測(cè)試，則在正線喚醒投運(yùn)時(shí)不必再做。

3 太原軌道交通2號(hào)線FAO系統(tǒng)場(chǎng)景的實(shí)踐

太原軌道交通2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)采用了GoA4的FAO系統(tǒng)，其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景充分考慮了正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景、應(yīng)急場(chǎng)景。正常場(chǎng)景是對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中正常情況的場(chǎng)景描述，故障場(chǎng)景是對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生故障情況下的場(chǎng)景描述，應(yīng)急場(chǎng)景是對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景描述。場(chǎng)景還根據(jù)車(chē)輛基地、正線、控制中心、車(chē)站4種不同地域進(jìn)行了新型場(chǎng)景設(shè)計(jì)與構(gòu)建，共計(jì)155個(gè)場(chǎng)景，做到真正站在運(yùn)營(yíng)的角度在前期場(chǎng)景設(shè)計(jì)階段就知道如何進(jìn)行UTO(無(wú)人值守的列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行)，體現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)需求的完整性。運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景從場(chǎng)景描述、基本處置程序、注意事項(xiàng)等入手，推導(dǎo)出功能需求、操作界面顯示需求和接口需求，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位的設(shè)備招標(biāo)、合同談判、設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)的設(shè)備功能分配或復(fù)核工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)FAO系統(tǒng)的支持要求;FAO運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景對(duì)試運(yùn)行專家評(píng)審提供了驗(yàn)收依據(jù)，在運(yùn)營(yíng)中也得到了實(shí)際的檢驗(yàn)。2號(hào)線FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景6個(gè)方面的基本內(nèi)容如下:

1)場(chǎng)景描述:描述該場(chǎng)景的使用時(shí)機(jī)。

2)基本處置程序:描述該場(chǎng)景發(fā)生時(shí)的各種可能情況、工作人員的處置流程，以及系統(tǒng)的功能和反應(yīng)。

3)注意事項(xiàng):描述該場(chǎng)景中工作人員或運(yùn)營(yíng)流程中需要特別關(guān)注的情況，以及需要注意防范的安全規(guī)則。

4)功能需求:描述為實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景需要各核心子系統(tǒng)提供的功能。

5)操作界面顯示需求:描述該場(chǎng)景操作界面上為實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景所需要的命令以及所需要呈現(xiàn)給調(diào)度人員的狀態(tài)。

6)接口需求:描述為實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景需要各核心子系統(tǒng)之間的接口內(nèi)容。

3.1 車(chē)輛基地場(chǎng)景

2號(hào)線車(chē)輛基地場(chǎng)景分為正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景及應(yīng)急場(chǎng)景等3個(gè)部分，具體場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 2號(hào)線車(chē)輛基地場(chǎng)景Fig.1 Depot operation scene of Line 2

3.2 車(chē)站場(chǎng)景

2號(hào)線車(chē)站場(chǎng)景分為正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景及應(yīng)急場(chǎng)景3個(gè)部分，具體的場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 2號(hào)線車(chē)站場(chǎng)景Fig.2 Station operation scene of Line 2

3.3 正線場(chǎng)景

2號(hào)線正線場(chǎng)景分為正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景及應(yīng)急場(chǎng)景3個(gè)部分，具體的場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 2號(hào)線正線場(chǎng)景Fig.3 Mainline operation scene of Line 2

3.4 控制中心場(chǎng)景

2號(hào)線控制中心場(chǎng)景分為正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景及應(yīng)急場(chǎng)景3個(gè)部分，具體的場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 2號(hào)線控制中心場(chǎng)景Fig.4 Control center operation scene of Line 2

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的地鐵新建和改造線路都采用了FAO系統(tǒng)，定義FAO線路的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是十分必要的，與行車(chē)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的定義應(yīng)體現(xiàn)其完整性。其可分為對(duì)車(chē)輛基地、正線、控制中心和車(chē)站等地域進(jìn)行定義，同時(shí)，應(yīng)兼顧運(yùn)營(yíng)安全、考慮運(yùn)營(yíng)的本質(zhì)需求(包括功能需求、安全需求和性能需求)。在安全需求的考慮上，需要打破各專業(yè)之間的界限，才能真正實(shí)現(xiàn)UTO模式。