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.上海磁浮交通發展有限公司，201204，上海 ∥ 第一作者，工程師)

隨著高速列車的發展與普及，人們越來越多地依賴這種高效、安全、舒適的交通方式。交通系統的開發離不開精確的設計，交通系統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，具有很多優點，其技術體系正在不斷完善[1]。

盡管國內已具有多年的常導高速磁浮交通運營經驗，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，難以支撐系統的整體開發，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)的CTCS-3級和CTCS-2級列控系統[4-6]，以及城市軌道交通中CBTC(基于通信的列車控制)系統[7]和FAO(全自動運行)系統[8-9]的相關內容。實際上，對運營場景的梳理有助于系統開發與實際運營管理。本文以常導高速磁浮交通為研究對象，探討運營場景的內涵、運營場景整體構成以及典型場景。

1 軌道交通運營場景及其特征

1.1 運營場景的內涵與要素

對于復雜系統的開發與描述，場景驅動是一種適用方法。場景驅動是借助“分鏡”手段將系統行為分解為場景，進而加以語言描述或形式化描述。“分鏡”較早地出現在電影行業，是一種將連續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，并具有實質內容。

結合場景定義和當前研究現狀，對于某類軌道交通系統，認為運營場景應是針對該系統運營或運行過程全面、準確、細致的描述文本，反映著系統內部交互邏輯與功能實現過程，是設施、設備與崗位設置的依據[12]，能夠作為該系統需求規范的表達[4]，可有效地指導系統的設計、開發、驗證與聯調聯試[8,13-14]，以及生產過程的培訓[15]。圖1簡示了軌道交通運營場景常見構成要素及其關系，即可通過以具體運營或運行事件為抓手，以大環境為背景，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層次軌道交通系統的運營場景差異，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：一般性體現在運營場景覆蓋內容是大致相同的。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：針對具體的系統對象，運營場景應能夠體現需求規范。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：獨特性體現在不同制式軌道交通系統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：演化性體現在運營場景是隨著大環境而發生變化的。例如，站臺門與車門之間的聯動場景是借助了新技術實現的自動化功能。互聯互通場景[6]不僅與其實現的技術手段存在關系，還與政策有關。技術、政策以及乘客等的變化會產生新場景、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涵、要素與特征，借鑒相關研究現狀，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容及構成結構。分析CTCS-2級及CTCS-3級列車運行控制系統及城市軌道交通FAO系統的相關場景內容，尤其是場景結構的劃分方式；同時，參考已有成果分析高速磁浮列車運行控制系統及其子系統的相關場景。

2) 以上海磁浮示范線為對象，調研其運營過程涉及的有關場景。以上海磁浮示范線的運營過程為主要研究內容，梳理上海磁浮示范線系統構成、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，然而，長大干線運營及系統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，優化場景結構，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，并結合場景特征對常導高速磁浮運營場景的結構進行劃分。

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、站臺發車、區間運行、分區切換、正線折返、列車回庫及段內作業等內容，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。基于此，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，根據具體的內容，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容廣泛，僅以其中的停車點步進、區間臨時停車以及區間應急登車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，區間臨時停車為故障模式中的大類場景之一，區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(見圖2)。只有輔助停車區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，列車環抱軌道運行，普通線路區域無法正常上下乘客，因此只在輔助停車區和車站設有疏散區域。因此，列車運行需要保持在輔助停車區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。

在磁浮列車運行控制系統中，停車點設置于正線輔助停車區以及車站，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間限速為防護要求。當列車速度超過下一個停車區最小速度防護曲線，且未超過當前停車區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；最小速度防護曲線用于保證列車能夠依據自身勢能滑行至輔助停車區；區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控制子系統中分區安全計算機(DSC)和車載控制子系統中車載安全計算機(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，該運營場景正常過程可表述為：

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

3) DSC計算輔助停車區2最小速度防護曲線。同時，VSC計算輔助停車區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被設置為輔助停車區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發送的線路數據；②計算出到新的停車區的最大速度曲線；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列車到停車區之間的軌道已預定了連續的進路；②列車當前速度高于新的停車區的最小速度曲線；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 區間臨時停車場景

區間臨時停車又稱正線輔助停車區停車，是指運營列車臨時停到正線輔助停車區。當前，有2種情況會進入該場景：一是故障情況下系統自動引導的列車停到當前輔助停車區；二是在正線調度員(TOM)發現運營異常情況后，主動設置并引導列車停到當前或特定輔助停車區，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發現運營異常，通過操作員終端系統(OTS)發出強制停車到特定正線輔助停車區指令；

2) 列車自動運行到指定正線輔助停車區后，自動停車降落；

3) TOM刪除列車進路；

4) TOM通知相應系統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控功能。

如果運營異常或故障長時間未能恢復，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 區間應急登車場景

區間應急登車場景針對的是列車因故在正線輔助停車區迫停，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間的輔助停車區，根據TOM應急救援指令，應急救援人員(如多職能隊員或專業工程師等)需要登車。

2) 如列車迫停位置在開放的高架線路區段，則采用可移動升降車經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的輔助停車區，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釋放救援側車門鎖閉條件，由司機或乘務員在車門內側打開車門；也可在得到TOM授權的前提下，由司機或乘務員在車門內側強制打開車門。

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 結語

運營場景常作為系統開發與運維的參考文本。在剖析了運營場景內涵、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容對相關場景的研究或規范的制定有著一定的借鑒意義。