地鐵全自動運行系統運營場景的幾點探討

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，上海∥第一作者，正高級工程師)

目前，國內的地鐵線路建設越來越多地采用全自動運行(FAO)系統。為此，本文對地鐵的FAO系統運營場景作幾點探討。

1 城市軌道交通FAO系統的現狀

FAO系統是基于先進的通信、計算機、控制和系統集成等技術來實現列車運行全過程的自動化，以提升運營服務水平、運營安全與效率為目的的新一代的城市軌道交通運行系統［1］。

《城市軌道交通全自動運行系統技術指南(試行)》［2］，對軌道交通線路自動化運行程度定義了5個等級，從低至高依次為GoA0至GoA4(其中GoA代表自動控制等級):GoA0為目視下行車模式;GoA1為非自動列車運行，由司機控制列車的起動和停車、車門的操作以及緊急情況下的處理，在該模式下有列車自動防護(ATP)裝置;GoA2為自動列車運行，列車的起動、停車與區間運營都是自動控制的，部分需要司機確認列車起動，車門開關可人工或自動實現，緊急情況下需要人工介入;GoA3為有人值守下的自動化運行，無需司機，但需要乘務員干預車門開、關，甚至處理緊急情況;GoA4為無人值守下的自動化運行，所有運營場景和緊急處理場景全部實現自動化，無需人工干預。

FAO系統包含自動化等級GoA3和GoA4，即FAO系統運行模式包括有人值守的自動化運行和無人值守的自動化運行。

FAO系統具有高安全性、高可靠性、高靈活性、提高服務質量、優化人力配置以及降低運營成本等諸多優勢，我國城市軌道交通行業已經掀起一輪FAO系統的建設熱潮。據統計，截止2020年12月底，中國內地已運營和正在建設地鐵FAO系統的有北京、上海、深圳、廣州、武漢、成都、鄭州、太原等26座城市，共計49條線路，總長達1 774.77 km。從自動化運行程度最高等級的GoA4來看，中國內地已運營實現了GoA4線路功能的城市有北京、上海、廣州、成都、太原等5座，部分城市在初期運營中采用了有人值守的模式。預計到2023年，我國將有19座城市開通FAO線路，共計將達到40條線路，運營里程將突破1 200 km，運營車站可達到861座。

據預測，未來全球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駕駛技術。據UITP(國際公共交通協會)數據統計，到2030年，全球城市軌道交通FAO線路的長度較2018年底將增加3倍多，其中大部分增長源于中國。由此可見，未來10年將是我國城市軌道交通FAO系統迎來全面爆發的黃金發展階段。

2 對地鐵FAO系統場景的幾點探討

地鐵FAO線路的建設工程是需要各核心機電子系統(包括車輛、信號、通信、綜合監控、站臺門等)協調配合、團隊緊密協作才能實現的安全、高效的系統工程。

2.1 制定FAO系統運營場景的必要性

對于采用傳統GoA2的線路，在建設過程中幾乎沒有提及運營場景，往往根據標準來進行建設;通常，標準都是由專業技術人員編寫，和運營的直接需求不直接相關。因為采用GoA2的線路配置了中央調度員、車站值班員和司機等，當列車出現故障或應急事件時，相關人員會及時進行處理，設備的不足可由人(司機)來補足，從而確保運營正常。隨著采用GoA4的全自動線路的發展，列車上不再配置隨車人員，這就提出了通過運營場景來指導設計的新理念，其深層次的原因在于設計人員并不能充分理解運營人員的日常作業方式、故障造成的后果和運營人員的反應、運營人員對產生后果的接受度等。因此，由懂運營的相關人員直接參與編寫的運營場景對于GoA4的全自動線路的建設是非常必要的。

2.2 FAO系統運營場景的定義

運營場景是指跟行車有關的所有作業的集合。運營場景必須體現完整性，所有與行車有關的作業都不能遺漏，應從運營場景推導出設備所要求的功能。若功能不能保證實現所有與行車相關的運營場景，則需要制定補充的運營作業流程，由FAO系統和工作人員共同保證與所有行車有關的作業都能在運營過程中得以順利完成。

運營場景是運營需求的核心組成部分，是FAO線路的核心，是項目及工程實施的綱領。在項目前期就應開展運營場景的策劃，并形成項目特定的運營場景。對于GoA4 FAO線路而言，由于不再單獨配置司機，因而不僅需要考慮FAO系統的正常運營，還要考慮在故障處理、應急處置等方面FAO系統替代司機的職能。在FAO線路建設時，應更加重視與運行效率、運營質量直接相關的關鍵運營場景，尤其是故障處理、應急處置場景。運營場景的定義除了從內容上需要包含所有與行車相關的作業，還需要從以下幾個角度進行考量。

2.2.1 運營場景的定義需要考慮運營安全

運營場景的定義需要考慮運營安全。例如:某列車發生故障，但仍然能夠動車，當處于非高峰時刻，通常會對該列列車進行清客，將列車疏散至存車線或回庫維修;但在高峰或大客流時，維持運營才可能是最安全的措施，而不是在某個車站進行清客，因為清客涉及到乘客的高度積聚，容易發生次生事故。

另外，對于FAO的核心系統而言，無論在系統中所采用的部件如何可靠，其硬件的隨機故障是不可避免的，當故障發生時，列車會停下來以確保安全。實際上從運營安全的角度來看，當FAO系統發生某類故障時可能會要求切除信號，甚至區間救援，此時由人工保證運營安全的風險是比較高的。換句話說，為適應FAO的GoA4要求，信號系統的可靠性一定要很高，可靠性也是實現運營安全的極其重要的一部分。諸如此類的故障對運營干擾很大，反過來對核心系統提出了更高的可靠性要求或新的功能要求。因此，從某種意義上來講，可靠性也是運營需求的一種表現形式。

從運營安全角度來看，FAO項目中PIS(乘客信息系統)的無線通信、車載IPH(車廂應急對講電話)、車上CCTV(閉路電視)、車上PIS、車地無線傳輸等都還有提高的空間，其對運營安全都可以做貢獻。

2.2.2 運營場景的定義需要抓住運營的本質需求

運營場景編寫的主體參與人員不僅應包含建設單位，還必須有懂運營的相關人員和設備供應商參與，以充分體現運營的需求、運營的實際情況，以及設備功能是否能夠滿足運營需要。運營場景識別清楚后，導出設備的功能和相應的運營作業流程。運營場景是對建設項目的補充，通過運營場景可導出各核心子系統所需要實現的功能。功能是為運營場景服務的，且運營場景著眼點在于是否具備某項功能，但不宜指定功能的具體實現方式;當功能不能滿足運營場景的需求時，則需要定義相關的操作流程、制定作業指導書和行車管理辦法，使其與系統功能相輔相成，最終滿足運營場景的需求。

運營場景需要具有普適性、獨立性，公正性、可持續改進等特點，從運營場景導出功能需求，并在項目中進行持續檢驗;若需要改進，再更新運營需求，經過持續更新的運營需求才是最好的運營場景。現以以下實例來進行分析。

1)目前很多FAO項目都設置了車輛調的崗位，但從運營的角度來看，調度指揮具有唯一性的特點;從行車的角度看，不能有兩種調度同時指揮行車。車輛信息的確需要傳給行車調度來輔助組織行車，但可作為行車調度的補充信息，而不應設置單獨的1個調度崗位。

2)在列車喚醒過程中，車輛本身的牽引/制動的喚醒測試已經很全面，唯一不能做的是閘瓦狀態的回采。目前，很多FAO項目都需要進行喚醒動態測試，但實際上即使經過“階躍方式的動態測試”(俗稱“點動”)，也不能發現眾多閘瓦中未回采的閘瓦，所以即使做了動態測試也無用。若用“發車測試”替代“階躍方式的動態測試”，則可避免每日進行階躍方式“帶閘跑”對制動閘瓦和車輪輪緣造成的不可逆的物理擦傷。發車測試的優勢在于可實時監督牽引力指令和施加效果的偏差，在規定的距離內讀到喚醒檢驗應答器，且列車沒有出現牽引受阻，方才成功。此過程同時完成了電制動精度的檢驗。

3)遠程緊急制動的應用場景尚應進一步進行細化，需要明確需要執行單車遠程緊急制動，甚至全線列車緊急制動的情況(如地震災害、發生恐怖襲擊、配合公安行動等)。

4)目前車站火災報警為全站所有區域的火災報警，其范圍過大，因此可考慮定義行車有關區域的報警和行車無關區域的報警，且火災報警有一定的誤報率，若不經人工確認直接聯動，則影響面過大。

除了運營場景所導出的功能需求以外，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，需要打破專業之間的界限。例如，對于信號系統控制列車，當發生故障時根據故障-安全的原則，信號系統會對列車施加緊急制動(EB)，但對于車輛是否能夠正確地實施到氣制動環節、保證給出相應的制動率并未進行閉環檢測，即使車輛的EB是按照SIL(安全完整性等級)4要求實現的，但從信號到車輛的中間環節不一定能保證實現SIL4的要求。因此，各專業之間應更加緊密配合，從FAO系統的角度去保證安全。

2.2.3 運營場景的定義可以分地域考慮

運營場景的定義可以分地域進行，例如可分為車輛基地、正線、控制中心和車站等地域。對于不同地點的同一個場景，由于地域的不同，所導出的功能和運營作業流程可能亦不同。例如對列車喚醒的發車測試，在正線休眠的列車已在早上出車時做過發車測試，則在正線喚醒投運時不必再做。

3 太原軌道交通2號線FAO系統場景的實踐

太原軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)采用了GoA4的FAO系統，其運營場景充分考慮了正常場景、故障場景、應急場景。正常場景是對運營過程中正常情況的場景描述，故障場景是對運營過程中發生故障情況下的場景描述，應急場景是對運營過程中應急事件發生時的場景描述。場景還根據車輛基地、正線、控制中心、車站4種不同地域進行了新型場景設計與構建，共計155個場景，做到真正站在運營的角度在前期場景設計階段就知道如何進行UTO(無人值守的列車全自動運行)，體現了運營需求的完整性。運營場景從場景描述、基本處置程序、注意事項等入手，推導出功能需求、操作界面顯示需求和接口需求，以指導設計單位、建設單位的設備招標、合同談判、設計聯絡的設備功能分配或復核工作，實現對FAO系統的支持要求;FAO運營場景對試運行專家評審提供了驗收依據，在運營中也得到了實際的檢驗。2號線FAO系統運營場景6個方面的基本內容如下:

1)場景描述:描述該場景的使用時機。

2)基本處置程序:描述該場景發生時的各種可能情況、工作人員的處置流程，以及系統的功能和反應。

3)注意事項:描述該場景中工作人員或運營流程中需要特別關注的情況，以及需要注意防范的安全規則。

4)功能需求:描述為實現該場景需要各核心子系統提供的功能。

5)操作界面顯示需求:描述該場景操作界面上為實現該場景所需要的命令以及所需要呈現給調度人員的狀態。

6)接口需求:描述為實現該場景需要各核心子系統之間的接口內容。

3.1 車輛基地場景

2號線車輛基地場景分為正常場景、故障場景及應急場景等3個部分，具體場景如圖1所示。

圖1 2號線車輛基地場景Fig.1 Depot operation scene of Line 2

3.2 車站場景

2號線車站場景分為正常場景、故障場景及應急場景3個部分，具體的場景如圖2所示。

圖2 2號線車站場景Fig.2 Station operation scene of Line 2

3.3 正線場景

2號線正線場景分為正常場景、故障場景及應急場景3個部分，具體的場景如圖3所示。

圖3 2號線正線場景Fig.3 Mainline operation scene of Line 2

3.4 控制中心場景

2號線控制中心場景分為正常場景、故障場景及應急場景3個部分，具體的場景如圖4所示。

圖4 2號線控制中心場景Fig.4 Control center operation scene of Line 2

4 結語

國內越來越多的地鐵新建和改造線路都采用了FAO系統，定義FAO線路的運營場景是十分必要的，與行車相關的運營場景的定義應體現其完整性。其可分為對車輛基地、正線、控制中心和車站等地域進行定義，同時，應兼顧運營安全、考慮運營的本質需求(包括功能需求、安全需求和性能需求)。在安全需求的考慮上，需要打破各專業之間的界限，才能真正實現UTO模式。