高速磁浮交通與城市軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景差異性分析*

劉 濤 陳 光 楚彭子 林 輝 虞 翊

(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∥第一作者，高級(jí)工程師)

國(guó)內(nèi)以輪軌交通為典型制式的城市軌道交通OCS(運(yùn)行控制系統(tǒng))，已由傳統(tǒng)的基于軌道電路的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)向CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)及FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)邁進(jìn)。香港地鐵迪斯尼線、廣州地鐵APM(旅客自動(dòng)輸送系統(tǒng))線、上海軌道交通10號(hào)線和北京地鐵燕房線等多條線路，均已達(dá)到UITP(國(guó)際公共交通協(xié)會(huì))定義的自動(dòng)化最高等級(jí)——GOA4級(jí)(無(wú)人干預(yù)的列車(chē)運(yùn)行)，實(shí)現(xiàn)了包括緊急處理場(chǎng)景在內(nèi)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化，即UTO(無(wú)人值守的全自動(dòng)運(yùn)行)。

場(chǎng)景文本是對(duì)城市軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)全過(guò)程全面、準(zhǔn)確、細(xì)致的描述，反映了該系統(tǒng)及其內(nèi)部的聯(lián)動(dòng)邏輯。場(chǎng)景文本是設(shè)備功能配置與崗位設(shè)置的依據(jù)［1］，能夠指導(dǎo)城市軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［2-3］。當(dāng)前，針對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，尤其是FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的研究較多［1，4-5］。文獻(xiàn)［6］對(duì)FAO系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)［7-8］對(duì)高速磁浮交通OCS及其子系統(tǒng)的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行了研究。磁浮交通利用磁力作用使驅(qū)動(dòng)車(chē)輛懸浮于軌道之上，而輪軌交通則是利用車(chē)輪與軌道的相互作用來(lái)支撐驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。兩者在系統(tǒng)架構(gòu)、特性、運(yùn)維模式等方面存在一定差異。不同交通系統(tǒng)及其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的對(duì)比有相互借鑒作用。

基于此，以典型運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景為著眼點(diǎn)，將城市軌道交通FAO系統(tǒng)以及高速磁浮交通OCS作為研究對(duì)象，就兩類(lèi)交通系統(tǒng)的基本構(gòu)成及其所涉及的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行闡述，并分析其差異特征。

1 高速磁浮交通系統(tǒng)及其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

1.1 高速磁浮交通OCS

高速磁浮交通系統(tǒng)主要由車(chē)輛、線路、牽引供電與運(yùn)行控制等4大專(zhuān)業(yè)組成，包括OCS、牽引供電系統(tǒng)、車(chē)輛系統(tǒng)、ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))等關(guān)鍵系統(tǒng)。其中，OCS通過(guò)與磁浮交通系統(tǒng)的車(chē)輛、牽引供電及道岔等設(shè)備或系統(tǒng)之間的相互聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行的過(guò)程控制、安全防護(hù)、自動(dòng)運(yùn)行及調(diào)度管理等功能。以上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線為例，該線路采用DTO(有人值守的全自動(dòng)運(yùn)行)，自動(dòng)化等級(jí)為GOA3級(jí)(無(wú)人駕駛列車(chē)運(yùn)行);若根據(jù)FAO系統(tǒng)的定義，也可將其系統(tǒng)制式劃分為FAO系統(tǒng)。上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線OCS的基本結(jié)構(gòu)［8-11］如圖1所示。其層次結(jié)構(gòu)可劃分為3層，即中央控制層、分區(qū)控制層及車(chē)載運(yùn)行控制層。

圖1 上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線OCS的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of OCS of Shanghai Maglev Demonstration Line

1.2 高速磁浮交通OCS的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

高速磁浮交通OCS運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)較為缺乏。對(duì)高速磁浮交通OCS的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行梳理，將其分為3大類(lèi)，即正常模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景、故障模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和應(yīng)急模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。

正常模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是指高速磁浮交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中一系列活動(dòng)的基本邏輯或過(guò)程，包括運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備、列車(chē)出庫(kù)、列車(chē)正線運(yùn)營(yíng)、運(yùn)行臨時(shí)調(diào)整、列車(chē)回庫(kù)、段內(nèi)工作及運(yùn)營(yíng)結(jié)束等。同時(shí)，這些正常模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景還可以進(jìn)一步細(xì)分。例如，運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備包括運(yùn)營(yíng)前檢查、列車(chē)喚醒、列車(chē)綜合自檢、列車(chē)靜止懸浮、出庫(kù)計(jì)劃和運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)等。

故障模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景包括正線列車(chē)故障、運(yùn)控系統(tǒng)故障、牽引供電系統(tǒng)故障、站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)故障、綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障、線路故障和控制中心故障等。故障模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的諸多大類(lèi)場(chǎng)景也可以進(jìn)一步細(xì)分。例如，牽引供電系統(tǒng)故障的相關(guān)場(chǎng)景可分為牽引變電所故障、長(zhǎng)定子故障、車(chē)站整體失電、定子開(kāi)關(guān)站故障和軌旁變電所故障(含區(qū)間動(dòng)力軌)等。

應(yīng)急模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景包括列車(chē)火警、車(chē)站火警、列車(chē)事故、列車(chē)迫停區(qū)間、緊急疏散、地震場(chǎng)景、大客流場(chǎng)景、風(fēng)雨雪天氣應(yīng)急場(chǎng)景和區(qū)間應(yīng)急登車(chē)場(chǎng)景等。類(lèi)似地，應(yīng)急模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的諸多大類(lèi)場(chǎng)景同樣可以進(jìn)一步細(xì)分。例如，緊急疏散的相關(guān)場(chǎng)景可分為到站疏散場(chǎng)景和區(qū)間疏散場(chǎng)景。

2 城市軌道交通系統(tǒng)及其運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

2.1 城市軌道交通FAO系統(tǒng)

城市軌道交通FAO系統(tǒng)是在CBTC技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了不同專(zhuān)業(yè)的聯(lián)動(dòng)形成的以系統(tǒng)安全與乘客服務(wù)提升為導(dǎo)向的高集成度系統(tǒng)［1］。FAO系統(tǒng)是一個(gè)廣義的概念，其中，GOA4對(duì)應(yīng)的UTO和GOA3對(duì)應(yīng)的DTO統(tǒng)稱為FAO［4，11］。城市軌道交通FAO系統(tǒng)的參考架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵機(jī)電系統(tǒng)包括信號(hào)系統(tǒng)、車(chē)輛系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)、ISCS和通信系統(tǒng)等［1］。根據(jù)圖2，F(xiàn)AO系統(tǒng)設(shè)備可劃分為3層，即中心層、車(chē)站與車(chē)場(chǎng)層(含軌旁)及車(chē)載層。

圖2 城市軌道交通FAO系統(tǒng)的參考架構(gòu)Fig.2 Reference architecture of urban rail transit FAO system

2.2 城市軌道交通FAO系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

文獻(xiàn)［1，4-5］較詳細(xì)地描述了城市軌道交通FAO系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。以北京地鐵燕房線FAO系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)涉及41個(gè)大場(chǎng)景以及諸多小場(chǎng)景和細(xì)小類(lèi)場(chǎng)景。這41個(gè)大場(chǎng)景(見(jiàn)表1)包括18個(gè)正常場(chǎng)景和23個(gè)異常場(chǎng)景［3-4］，絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的功能由系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)邏輯自動(dòng)完成，僅有少量異常場(chǎng)景需要人工介入。其中:正常場(chǎng)景是指FAO系統(tǒng)在無(wú)故障與無(wú)意外情況下按照計(jì)劃正常運(yùn)營(yíng)的一系列場(chǎng)景;異常場(chǎng)景是受到與行車(chē)相關(guān)的故障與意外情況導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)計(jì)劃偏離，甚至危及安全的一系列場(chǎng)景。按照降級(jí)場(chǎng)景的緊急程度，異常場(chǎng)景可分為非緊急降級(jí)場(chǎng)景和緊急降級(jí)場(chǎng)景［1］。按照誘發(fā)因素，異常場(chǎng)景又可分為設(shè)備故障場(chǎng)景和緊急事件場(chǎng)景［4］。

表1 北京地鐵燕房線的典型運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分類(lèi)Tab.1 Typical operation scenarios of Beijing Metro Yanfang Line

需注意，城市軌道交通FAO系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的分類(lèi)與數(shù)量目前尚無(wú)明確的通用規(guī)范規(guī)定，需結(jié)合FAO系統(tǒng)的特征及其應(yīng)用程度來(lái)確定。

3 高速磁浮交通系統(tǒng)與城市軌道交通交通系統(tǒng)差異性分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成差異

盡管高速磁浮交通系統(tǒng)與城市軌道交通系統(tǒng)均由車(chē)輛、線路、牽引供電與運(yùn)行控制等4大主要專(zhuān)業(yè)組成，但不同于城市軌道交通的驅(qū)動(dòng)方式，高速磁浮交通采用抱軌運(yùn)行，且牽引設(shè)備完全配置于地面上，進(jìn)而造成了兩種系統(tǒng)在具體組成和架構(gòu)等方面存在廣泛差異，如車(chē)輛結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)與道岔組成、牽引供電、車(chē)地通信和OCS的設(shè)備配置等［9-10］。

以O(shè)CS［7，9-11］為例，高速磁浮交通OCS系統(tǒng)包括車(chē)載控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分區(qū)控制系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)［11］所述的城市軌道交通FAO系統(tǒng)控制中心是依托于集成了ATS、電力調(diào)度系統(tǒng)以及ISCS的TIAS(行車(chē)綜合自動(dòng)化系統(tǒng))。車(chē)站控制以車(chē)站級(jí)綜合監(jiān)控設(shè)備為主，以車(chē)站TIAS為核心。線路軌旁部分還包括軌旁ATP、ZC(區(qū)域控制器)和CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)等系統(tǒng)。車(chē)載控制系統(tǒng)則以信號(hào)系統(tǒng)ATP/ATO為核心，并與障礙物檢測(cè)、測(cè)速定位等系統(tǒng)互聯(lián)。

高速磁浮交通系統(tǒng)與城市軌道交通交通系統(tǒng)的整體分布較為接近，但結(jié)合文獻(xiàn)［9-11］可知，兩者存在以下差異:

1)在中央層方面，高速磁浮OCS的中央控制系統(tǒng)由ATO系統(tǒng)、操作員終端系統(tǒng)和診斷終端系統(tǒng)等構(gòu)成，并未集成綜合監(jiān)控系統(tǒng)。而基于FAO的TIAS則集成了綜合監(jiān)控系統(tǒng)及其他子系統(tǒng)。

2)在軌旁(含車(chē)站)層方面，分區(qū)控制系統(tǒng)是高速磁浮交通的軌旁信號(hào)系統(tǒng)，對(duì)道岔、車(chē)速、進(jìn)路和列車(chē)等進(jìn)行管理。站級(jí)操作人員終端系統(tǒng)是中央操作人員終端系統(tǒng)故障時(shí)期發(fā)揮行車(chē)綜合自動(dòng)控制的后備系統(tǒng)。高速磁浮交通牽引變電站在其供電范圍內(nèi)只能引導(dǎo)1列列車(chē)運(yùn)行，其將1個(gè)牽引供電區(qū)間作為1個(gè)分區(qū)(區(qū)間)，并設(shè)置閉塞(固定閉塞)與聯(lián)鎖機(jī)制。分區(qū)控制系統(tǒng)和車(chē)載控制系統(tǒng)均涉及速度曲線計(jì)算與監(jiān)控，且牽引切斷由分區(qū)控制器負(fù)責(zé)。FAO系統(tǒng)的軌旁信號(hào)系統(tǒng)則為ZC和CI。車(chē)站TIAS則是在中央TIAS故障時(shí)期發(fā)揮行車(chē)綜合自動(dòng)控制的關(guān)鍵系統(tǒng)。此外，輪軌交通的道岔與高速磁浮交通的道岔亦存在差異，高速磁浮交通的道岔是1根連續(xù)可彈性彎曲的鋼梁，轉(zhuǎn)轍時(shí)需要整個(gè)軌道梁一起移動(dòng)，具體移動(dòng)由磁浮線路的SC(道岔控制設(shè)備)負(fù)責(zé)，而道岔的安全防護(hù)由分區(qū)控制系統(tǒng)中的分區(qū)道岔模塊負(fù)責(zé)。輪軌交通的道岔則由CI的道岔控制模塊負(fù)責(zé)。

3)在車(chē)載層方面，高速磁浮交通車(chē)載系統(tǒng)無(wú)ATO功能，列車(chē)牽引由分區(qū)控制系統(tǒng)給分區(qū)牽引系統(tǒng)發(fā)送上位控制命令(移動(dòng)授權(quán)等)，具體執(zhí)行由分區(qū)牽引控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，即部分ATO功能位于分區(qū)牽引系統(tǒng)。列車(chē)的連續(xù)運(yùn)行以停車(chē)點(diǎn)(輔助停車(chē)區(qū)或車(chē)站)為防護(hù)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行［9，12］。而FAO系統(tǒng)的牽引位于車(chē)載，ATO功能以車(chē)載部分實(shí)現(xiàn)為主。列車(chē)的連續(xù)運(yùn)行通過(guò)移動(dòng)授權(quán)的延伸來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度計(jì)算、監(jiān)控與牽引切斷等主要由車(chē)載ATP負(fù)責(zé)。

4)在列車(chē)的制動(dòng)方式上，兩者同樣存在差異。輪軌制式的城市軌道交通列車(chē)主要采用閘瓦制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)。正常情況下，采用以再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)為主的電制動(dòng)方式;緊急制動(dòng)時(shí)，采用以閘瓦制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)及磁軌制動(dòng)為代表的摩擦制動(dòng)方式。對(duì)于高速磁浮交通系統(tǒng)，在正常情況下，車(chē)輛的制動(dòng)由常定子同步電機(jī)通過(guò)電阻制動(dòng)或再生制動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。在牽引系統(tǒng)失效或其他緊急情況下，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度高于一定速度時(shí)，采用安裝在車(chē)上的特殊渦流制動(dòng)器制動(dòng);當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度低于該速度時(shí)，關(guān)閉渦流制動(dòng)，車(chē)輛降落并通過(guò)滑橇與滑道摩擦的方式制動(dòng)，并停靠到指定的輔助停車(chē)區(qū)。

5)在通信層方面，高速磁浮交通系統(tǒng)的車(chē)地通信除了滿足與輪軌交通信號(hào)相似的運(yùn)行控制系統(tǒng)中的車(chē)地信息傳輸需求外，還必須滿足同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的列車(chē)定位信息與地面牽引控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳送需求。上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線的通信系統(tǒng)采用了具備冗余設(shè)計(jì)、高實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)的38 GHz毫米波通信。由于服務(wù)的多元化，F(xiàn)AO系統(tǒng)同樣需要傳輸大量信息，LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))相關(guān)通信系統(tǒng)是當(dāng)前的主流選擇。

3.2 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景差異性

基于對(duì)兩類(lèi)系統(tǒng)構(gòu)成的分析可知，兩者的部分差異是固有的，與系統(tǒng)本身的特殊性有關(guān)。兩類(lèi)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的差異性具體表現(xiàn)為:

1)固有性差異:是指兩類(lèi)系統(tǒng)各自的特色場(chǎng)景，且相互之間不需要借鑒。例如，高速磁浮交通列車(chē)運(yùn)行的停車(chē)點(diǎn)步進(jìn)場(chǎng)景，以及長(zhǎng)定子故障場(chǎng)景。以停車(chē)點(diǎn)步進(jìn)場(chǎng)景為例，高速磁浮軌道采用高架模式，抱軌運(yùn)行且車(chē)頭未設(shè)置應(yīng)急門(mén);考慮到應(yīng)急疏散需要，在軌道上設(shè)置了輔助停車(chē)區(qū)，并要求列車(chē)的運(yùn)行采用雙曲線防護(hù)和停車(chē)點(diǎn)步進(jìn)的運(yùn)行方式，以保證車(chē)輛在輔助停車(chē)區(qū)停車(chē)［12］。而對(duì)于城市軌道交通，乘客在應(yīng)急情景下可在路肩停留，列車(chē)的運(yùn)行未采用最小速度曲線防護(hù)。類(lèi)似地，由于輪軌交通未采用同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)定子故障場(chǎng)景只能在高速磁浮交通中出現(xiàn)。

2)功能性差異:代表兩者未同時(shí)具有的場(chǎng)景，但后續(xù)可以相互借鑒。例如，上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線當(dāng)前未配備站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)地鐵常設(shè)置有與信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)的站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)。結(jié)合具體情況，高速磁浮交通也可配備站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)。因此，與站臺(tái)門(mén)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是可以相互參考的。

3)過(guò)程性差異:體現(xiàn)在兩者均具有的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)過(guò)程存在的差異。例如，對(duì)于清客場(chǎng)景，當(dāng)前高速磁浮交通和城市軌道交通FAO系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，兩種系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)都能夠根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)觸發(fā)清客，并提醒乘客下車(chē)。目前，上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線的清客完成情況需要由站務(wù)確認(rèn)，F(xiàn)AO系統(tǒng)則可通過(guò)車(chē)載圖像設(shè)備確認(rèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

磁浮交通和輪軌交通各具特色，且運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景存在差異。通過(guò)對(duì)高速磁浮交通和城市軌道交通的系統(tǒng)構(gòu)成與自動(dòng)化等級(jí)介紹，討論了兩者之間存在的差異性，為相關(guān)功能的完善以及相關(guān)場(chǎng)景文本的撰寫(xiě)提供研究思路。場(chǎng)景文本的規(guī)范化不僅有助于不同類(lèi)別交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的對(duì)比分析，還有助于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與完善。