常导高速磁浮交通运营场景文本研究*

陈 光 楚彭子 朱忠英 袁建军 虞 翊 张仿琪

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉； 2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海；3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；4.上海磁浮交通发展有限公司，201204，上海 ∥ 第一作者，工程师)

随着高速列车的发展与普及，人们越来越多地依赖这种高效、安全、舒适的交通方式。交通系统的开发离不开精确的设计，交通系统的运营管理需要合理的分工。作为其中的参考文本，运营场景备受关注。磁浮列车对大众而言属于十分新颖的交通工具，具有很多优点，其技术体系正在不断完善[1]。

尽管国内已具有多年的常导高速磁浮交通运营经验，但其运营场景尚未形成体系，较多研究仅对典型场景进行分析[2-3]，对运营全过程的覆盖有所不足，难以支撑系统的整体开发，因此难以满足运营管理需求。相对而言，轮轨交通的运营场景则较多，尤其是针对CTCS(中国列车运行控制系统)的CTCS-3级和CTCS-2级列控系统[4-6]，以及城市轨道交通中CBTC(基于通信的列车控制)系统[7]和FAO(全自动运行)系统[8-9]的相关内容。实际上，对运营场景的梳理有助于系统开发与实际运营管理。本文以常导高速磁浮交通为研究对象，探讨运营场景的内涵、运营场景整体构成以及典型场景。

1 轨道交通运营场景及其特征

1.1 运营场景的内涵与要素

对于复杂系统的开发与描述，场景驱动是一种适用方法。场景驱动是借助“分镜”手段将系统行为分解为场景，进而加以语言描述或形式化描述。“分镜”较早地出现在电影行业，是一种将连续动作分解为若干片段，每个片段作为一个场景的方法。在得到场景后，需要对其内容与形式进行详细描述，而自然语言是常用描述方式[10-11]。由此可见，场景是一类被分解后的片段，该片段需要被准确描述，并具有实质内容。

结合场景定义和当前研究现状，对于某类轨道交通系统，认为运营场景应是针对该系统运营或运行过程全面、准确、细致的描述文本，反映着系统内部交互逻辑与功能实现过程，是设施、设备与岗位设置的依据[12]，能够作为该系统需求规范的表达[4]，可有效地指导系统的设计、开发、验证与联调联试[8,13-14]，以及生产过程的培训[15]。图1简示了轨道交通运营场景常见构成要素及其关系，即可通过以具体运营或运行事件为抓手，以大环境为背景，通过描述运营/运行事件、事件中工作人员和设施设备三者之间的交互逻辑来描述场景。

图1 轨道交通运营场景构成要素示意图

1.2 运营场景的特征

考虑到不同制式运营场景之间的差异[2-6]以及相同制式不同技术层次轨道交通系统的运营场景差异，认为轨道交通运营场景具有以下特征：

1) 运营场景的一般性：一般性体现在运营场景覆盖内容是大致相同的。例如，不同制式轨道交通的运营场景均会涉及从列车起动、开始运营至运营结束、列车退出正线服务的一系列过程。

2) 运营场景的精确性：针对具体的系统对象，运营场景应能够体现需求规范。因此，运营场景应该是精确的，且容易让人清晰理解。

3) 运营场景的独特性：独特性体现在不同制式轨道交通系统的运营场景之间存在典型的差异。例如，高速磁浮采用停车点步进的方式运行(涉及停车点步进场景)[1-2]，轮轨交通则并无此项内容。轮轨交通存在自动过分相场景[4,6]，而高速磁浮并无此项场景。

4) 运营场景的演化性：演化性体现在运营场景是随着大环境而发生变化的。例如，站台门与车门之间的联动场景是借助了新技术实现的自动化功能。互联互通场景[6]不仅与其实现的技术手段存在关系，还与政策有关。技术、政策以及乘客等的变化会产生新场景、改变或减少旧场景。

2 常导高速磁浮交通运营场景文本设计

2.1 常导高速磁浮交通运营场景文本设计过程

考虑到运营场景的内涵、要素与特征，借鉴相关研究现状，本文对常导高速磁浮运营场景进行了梳理，具体过程如下：

1) 研究已有运营场景内容及构成结构。分析CTCS-2级及CTCS-3级列车运行控制系统及城市轨道交通FAO系统的相关场景内容，尤其是场景结构的划分方式；同时，参考已有成果分析高速磁浮列车运行控制系统及其子系统的相关场景。

2) 以上海磁浮示范线为对象，调研其运营过程涉及的有关场景。以上海磁浮示范线的运营过程为主要研究内容，梳理上海磁浮示范线系统构成、正常运营过程以及异常运营过程，并进行运营场景归纳。

3) 分析长大干线及系统进一步升级后可能涉及的运营场景。上海磁浮示范线的运营里程相对较短，未设置站台门，分区与车站设置也相对简单，且一直采用德国TR8型磁浮列车相应系统，然而，长大干线运营及系统拓展后可能会新增一些场景，需要对常导高速磁浮此方面的运营场景进行一定的前瞻性研究。

4) 划分场景类别，优化场景结构，形成运营场景文本。借鉴上海磁浮示范线对运营过程的划分，并结合场景特征对常导高速磁浮运营场景的结构进行划分。

2.2 常导高速磁浮交通运营场景总体概述

常导高速磁浮交通正常运营过程与轨道交通较为一致，反映着运营准备至运营结束中一系列正常场景，涉及列车出库、进入正线、进站停车、站台发车、区间运行、分区切换、正线折返、列车回库及段内作业等内容，如图2所示。针对正常运营过程，将其类别命名为正常模式运营场景，并纳入相应的子场景。

图2 常导高速磁浮交通运营基本过程示意图

类似地，进一步考虑可能的异常运行过程，并将其划分为故障模式运营场景和应急模式运营场景。基于此，在整体上将常导高速磁浮运营场景划分为正常模式、故障模式和应急模式3个维度，涉及大类场景23个。其运营场景的分布如图3所示。同时，根据具体的内容，还需要对23个大类运营场景进行进一步细分。例如，可将正常模式运营场景中运营结束划分为列车停止悬浮和列车休眠2个子场景。

图3 常导高速磁浮交通23个大类运营场景分布

3 常导高速磁浮交通的典型运营场景

由于常导高速磁浮交通运营场景涉及内容广泛，仅以其中的停车点步进、区间临时停车以及区间应急登车3个场景为例对常导高速磁浮运营场景中大类场景分别进行描述。其中，停车点步进为正常模式中列车正线运营大类场景的子场景之一，区间临时停车为故障模式中的大类场景之一，区间应急登车为应急模式中的大类场景之一。

3.1 停车点步进场景

由于工程成本和运行安全需要，常导高速磁浮线路上设有辅助停车区(见图2)。只有辅助停车区和车站安装有为列车提供电力的供电轨。同时，由于磁浮交通高架线路无路肩，列车环抱轨道运行，普通线路区域无法正常上下乘客，因此只在辅助停车区和车站设有疏散区域。因此，列车运行需要保持在辅助停车区或车站顺利停车的能力，该能力是故障-安全重要标志[1]，以停车点步进模式来实现。

在磁浮列车运行控制系统中，停车点设置于正线辅助停车区以及车站，用于列车运行安全防护[1,2,16-17]。磁浮列车停车点步进过程可抽象为图4的示意图。步进过程中列车总是以当前停车区为运行目标点，以最大速度防护曲线、最小速度防护曲线以及区间限速为防护要求。当列车速度超过下一个停车区最小速度防护曲线，且未超过当前停车区最大速度防护曲线时，符合列车步进条件。此时，列车可进行步进，之后列车以下一停车区为运行目标点。依此类推，最终到达列车实际运行的终点。其中，最大速度防护曲线用于保证列车能够以制动方式停在辅助停车区；最小速度防护曲线用于保证列车能够依据自身势能滑行至辅助停车区；区间限速则用于满足线路、噪声等要求。当列车速度超过上述曲线的限制后，会触发涡流制动、牵引切断等安全行为。

图4 常导高速磁浮列车停车点步进示意图

列车步进过程主要由分区控制子系统中分区安全计算机(DSC)和车载控制子系统中车载安全计算机(VSC)共同完成。以图2中A站到B站为例，同时考虑位于A站的加速区，该运营场景正常过程可表述为：

1) 操作员终端系统(OTS)人工或自动预订A站到B站的进路，DSC计算辅助停车区1最小速度防护曲线。列车从A站出发后，VSC把加速区作为目标点进行防护，计算加速区最大速度防护曲线，并通知DSC申请停车点步进。

2) 当列车运行速度超过辅助停车区1的最小速度曲线时，DSC即可同意停车点步进，VSC把辅助停车区1作为目标点进行防护。

3) DSC计算辅助停车区2最小速度防护曲线。同时，VSC计算辅助停车区2的最大速度防护曲线，计算完毕后向DSC申请停车点步进。

4) 当列车运行速度超过辅助停车区2的最小速度曲线时，DSC即可同意停车点步进，VSC把辅助停车区2作为目标点进行防护。

5) 重复上述停车点步进过程至当前辅助停车区被设置为辅助停车区20时，VSC计算B站的最大速度防护曲线，计算完毕后向DSC申请停车点步进。当列车运行速度超过B站的最小速度曲线时，DSC同意停车点步进，VSC把B站作为目标点进行防护。

VSC检查停车点步进的条件主要有：①接收到DSC发送的线路数据；②计算出到新的停车区的最大速度曲线；③列车当前位置报告准确；④无强制停车请求。DSC检查停车点步进的条件主要有：①列车到停车区之间的轨道已预定了连续的进路；②列车当前速度高于新的停车区的最小速度曲线；③最大速度曲线和最小速度曲线之间没有冲突；④无强制停车请求；⑤无DSC禁止步进原因。

3.2 区间临时停车场景

区间临时停车又称正线辅助停车区停车，是指运营列车临时停到正线辅助停车区。当前，有2种情况会进入该场景：一是故障情况下系统自动引导的列车停到当前辅助停车区；二是在正线调度员(TOM)发现运营异常情况后，主动设置并引导列车停到当前或特定辅助停车区，并重新安排进路。对于第二种事件下的运营场景可表述为：

1) TOM发现运营异常，通过操作员终端系统(OTS)发出强制停车到特定正线辅助停车区指令；

2) 列车自动运行到指定正线辅助停车区后，自动停车降落；

3) TOM删除列车进路；

4) TOM通知相应系统工作人员检查并处理故障；

5) TOM确认故障消除后，通过OTS重新为该列车设定进路，并临时关闭列车最小速度曲线防护，以保证列车运行速度；

6) TOM通过OTS发出指令，列车重新悬浮并运行。

7) 列车到达指定地点(通常为下一站)后，TOM必须通过OTS为该列车启用最小速度曲线监控功能。

如果运营异常或故障长时间未能恢复，则该场景可进一步表述为应急模式场景，即需要启动相应的应急预案。

3.3 区间应急登车场景

区间应急登车场景针对的是列车因故在正线辅助停车区迫停，并需要应急救援人员登车的场景。在考虑该运营事件及其涉及的工作人员和设施设备后，可将该场景描述为：

1) 列车因故迫停在正线区间的辅助停车区，根据TOM应急救援指令，应急救援人员(如多职能队员或专业工程师等)需要登车。

2) 如列车迫停位置在开放的高架线路区段，则采用可移动升降车经维修便道进入救援点，将应急救援人员抬升到列车车门处；如列车迫停在隧道内的辅助停车区，则应急救援人员通过维修便道及逃生通道达到救援点，使用临时梯到达列车车门。

3) TOM释放救援侧车门锁闭条件，由司机或乘务员在车门内侧打开车门；也可在得到TOM授权的前提下，由司机或乘务员在车门内侧强制打开车门。

4) 应急救援人员进入客室。

打开车门必须得到TOM的授权或TOM对车门锁闭控制的条件释放。同时，登车过程中要确保应急救援人员的人身安全。

4 结语

运营场景常作为系统开发与运维的参考文本。在剖析了运营场景内涵、要素及特征之后，对常导高速磁浮交通运营场景文本的设计过程与整体内容进行了探讨，并概述了其中3项典型的运营场景。所述场景总体及典型场景内容对相关场景的研究或规范的制定有着一定的借鉴意义。