基于目标和场景的全自动运行系统需求分析

景元广 时序松 宋明厚 冯康

摘要：全自动运行（FullyAutomatic Operation，FAO）系统是城市轨道交通的重要发展方向之一，而需求分析是设计、研制适用于我国城市轨道交通运营特点的全自动运行系统的难点与关键环节。介绍了FAO系统基于场景的需求分析方法，提出了结合目标和场景的全自动运行系统需求分析方法，以期为我国的全自动运行系统的设计与实现提供理论参考。

关键词：全自动运行;目标;场景;需求分析

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）18-64-5

0引言

截止2021年3月31日，我国已有北京、上海、成都、济南、广州、太原和武汉7座城市17条线路开通运营了全自动运行系统，已形成403.39 km以上线网规模，全自动运行系统城轨网络化运营正加快实现。预计到2028年，全球将有3 800 km全自动运行系统线路开通运营，全自动运行系统已成为轨道交通的主要技术趋势。

全自动运行系统作为基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术的新一代轨道交通控制系统[1]，核心在于减少系统正常运行状态下的人为干预，实现列车全线自主运行。国外发达国家早在20世纪80年代就掌握了全自动运行系统技术，但由于技术垄断和封锁，中国直到2017年才建成首条采用自主化全自动运行技术的线路。

我国目前对全自动技术的研究仍处在初级阶段，核心技术仍被少数国家垄断。为了达到国际领先水平，必须在关键技术、主要设备及系统集成等方面不断发展创新[2]。同样，需求分析也至关重要，必须采用科学的方法进行研究。好的需求分析能够提高效率、降低成本，是系统建设成功与否的关键。

1全自动运行系统

1.1全自动运行系统

国际标准化组织IEC根据列车运行基本功能在系统和人之间的分配情况将城市轨道交通划分为不同的自动化等级（Grade of Automation，GoA），轨道交通不同的自动化等级对应不同的列车运行方式，如图1所示。

自動化等级明确了该等级下轨道交通系统能采用的自动化程度最高的列车运行方式。其中GoA3级和GoA4级下的列车运行系统统称为全自动运行，在实际运营中，可以根据客流、线路和系统情况，选择较低自动化程度的列车运行方式。

全自动运行系统是以无人驾驶功能为基础，按无人值守列车运行（UTO）进行设计，以提升全系统安全效率为导向，实现列车运行各相关系统协同、人机协同，保证列车运行全过程安全、高效运行工作的轨道交通新体系，可作为轨道交通向智能化、智慧化发展的技术平台。系统架构如图2所示，分为车站、中心和车载3个层面。

1.2全自动运行系统的优势

全自动运行系统的核心是列车运行，为了提升系统整体的自动化水平，将机车车辆、轨道信号、车地通信和综合监控等多个系统进一步集成。全自动运行系统可以从安全、服务质量、运营效率、成本、环境保护等方面为城市轨道交通带来全面的改善。

①安全：可减少由于人为错误而引发的安全事故。同时，考虑对乘客、工作人员的防护，保障人和系统设备的安全。

②服务质量：可为乘客提供灵活、可靠、准点和舒适的服务，提高乘客满意度。

③运营效率：通过提高系统运维水平提升整体可用性，针对运能需求提供灵活的运营服务，提高运营效率。

④成本：通过合理的线路设计，提高列车利用率等措施，在保证运力的同时，降低车辆和基础设施建设成本。同时，运营商可通过优化劳动力资源和节能来降低运营成本。

⑤环境保护：全线列车的自动运行使得多列车协同优化驾驶利用再生能成为可能，可以降低全线的能耗，减少轨道交通线路的碳排放。

因此全自动运行系统具有安全性高、可靠性高、灵活性高、服务质量好、人力配置优以及运营成本低等诸多优势。

2基于场景的需求分析方法

轨道交通全自动运行系统的研究重点是通过车辆、信号、通信、综合监控、站台门多专业协同控制，实现运行全过程最佳化、自动化控制以及安全防护。为了使其满足我国城轨高密度运营、服务质量要求高的需求，需要设计涵盖各种工况的全自动运行系统运营场景、运营规则、危险源档案及应急处置方案等。

全自动运行系统由相关设备代替了传统的人员操作。列车的全自动运行过程包括列车上电、自动检查、正线服务、进站停车、站台发车、回库、清扫、列车休眠等场景均可以根据计划自动控制。整个过程遵循IEC—62267/62290等标准。目前，全自动运行场景共有300余项，包括正常场景18类、异常场景23类以及69类运用规则，如图3所示。而基于这些场景对我国城市轨道交通运营需求进行分析，对于自主设计和研制全自动运行系统具有重要的现实意义。

2.1需求分析

根据国际数据中心（International Data Corporation，IDC）的统计，80%的失败项目是由于需求分析没有真正反映用户的需求而导致，包括：不完整或过于抽象的需求、缺乏用户介入、不实际的客户期望、忽略某类用户、估算不准确、提供不必要的功能及需求规范的变更等。

需求分析是系统工程中最复杂和最难处理的过程，难点主要体现在以下几个方面：

①问题的复杂性：用户需求涉及的因素繁多导致了问题的复杂化。

②涉众交流的障碍：系统需求的涉众较多，包括用户、不同专业的工程师、项目管理人员等，人员的知识背景和扮演角色各不相同，造成人员间交流的障碍。

③需求的不完整性和不一致性：用户对问题的陈述往往是不完整的，且包括隐含信息，各方面的需求还不可避免地存在着矛盾。

④需求的易变性：用户需求的变化难以避免，对需求定义的影响范围大，可能会导致需求的不完整性和不一致性。

鉴于需求分析的重要性和复杂性，20世纪70年代以来，研究人员提出了一系列需求分析技术，如面向过程和面向对象的方法，以及面向控制和面向数据的方法。1992年，Jackson提出了用例驱动的面向对象的开发方法。在已有的研究成果中，场景和用例这2个属性有时是一致的，有时则把场景定义为用例的一个特定实现[3]。

2.2场景的定义

Rolland将场景定义为由一个或多个动作组成，且动作的组合产生了代理状态转变的全过程[4]。Rolland场景元模型如图4所示。

Rolland场景元模型包含的元素如表1所示。

场景是描述代理或对象之间交互行为的概念。代理或对象之间的一次交互行为被称作一次动作，一系列的动作组合被称作一条路径。场景所描述的行为是有目的的，利用初始状态和终止状态的概念可以区别不同的场景。可以用初始状态和终止状态作为其区别特征。场景被触发启动时的状态是起始状态，场景被中止结束时的状态是终止状态。场景描述可分为2种：正常场景和异常场景，前者可以实现既定的目标，而后者则表示了特定的异常情况。

场景可以用不同的符号语言表示，包括形式化、半形式化和非形式化的語言。形式化语言是指状态机等建模语言，半形式化语言是指结构化的符号，非形式化语言是指自然语言或图像。

2.3基于场景的需求分析方法

已有的基于场景的需求分析方法有很多种类型，如结合场景与视点[5]、结合场景与目标，以及结合场景与认知科学。结合场景与目标的方法可以实现场景与目标的一一对应，具体实现过程如下：首先将目标分层，接着利用不同层次的目标产生不同的场景[6]。结合场景与认知科学的方法是指将场景用形式化的建模语言表示，如表示为起点、终点、路径的组合。

LEcritoire方法是一种结合场景和目标的方法，由Rolland等人提出[7]。该方法将需求抽象为上下文层、交互层和内部层3个层面。上下文层是一个连接高层目标与底层需求的纽带，可以提供目标所需的服务。交互层为上下文层中的底层服务提供支持，可以实现不同的交互行为。内部层为交互层提供支持，可以实现交互中具体动作的执行。

结合场景和目标的方法离不开需求块（Requirement Chunk）这一基本组件，需求块用来描述目标与场景的耦合，即< ，>，其中，是目标，是场景。这种耦合关系是指为了达到意图目标，需要执行场景中的哪些操作。因此，需求块被定义为实现目标的方法，具体表现如下：

首先，由于目标与场景之间存在相互对应的关系，即目标能够产生场景，场景也能发现目标。因此需求块获取需求的过程包括生成场景与发现目标2个方面，如图5所示。每个目标被挖掘后就可以为该目标设置一个场景，这是从目标到场景的前向耦合。同时，一旦一个场景被设定，就被用于产生目标，这是从场景到目标的反向耦合。生成场景和发现目标需要不断循环与迭代，最终实现获取系统所有的目标以及实例。

其次，区分目标之间的精炼、和、或关系。通过目标精炼从模糊的目标发现具体的目标。每一个具体的目标都有自己的和/或目标层级。通过传统的和/或目标结构可以对目标进行缩减。通过目标关系的区分和梳理，将需求集合组织为通过和、或、精炼关系关联的需求块的层次结构。

最后，该方法有完整的方法论支持，可由工具软件提供规则，指导目标建模和场景设置交互的需求提取过程[8]。

3全自动运行系统需求分析方法

全自动运行系统是新一代的城市轨道交通系统，核心是减少系统正常运行状态下的人为干预，实现列车在全线的自主运行，是下一代城市轨道交通的主要发展方向。

全自动运行系统涉及轨道交通的众多专业系统、设备和工作人员，包括：车辆、信号、综合监控、广播、视频监视系统、乘客信息系统、中心调度员、车站值班员、站台工作人员等。全自动运行系统旨在打破不同专业间的壁垒，实现不同系统设备的数据共享和联动，减少系统正常工作时的人为干预，提高轨道交通系统整体的自动化和智能化水平。

基于上述系统需求工程场景分析方法的介绍，建议采取以下方法设计全自动运行系统的场景。

（1）采用非形式化语言描述场景

对于国内轨道交通用户和设备厂商而言，全自动运行系统是一个全新的、超大型的复杂系统，在进行系统研发的初始阶段，系统的需求和目标不明确。全自动运行系统涉众包括用户和不同专业系统的供货商。为便于理解，采用非形式化语言描述的场景来启发涉众的思维、提出创新性想法、发现真实的系统需求。

（2）采用分层的场景分析法

鉴于全自动运行系统的复杂性，采用分层的场景分析方法建立不同层次的场景[9]。具体方法如下：首先将全自动运行系统看作一个完整的场景，并确定该场景的起始状态与终止状态，即系统边界。按照自顶向下的原则，将这个大场景分解为多个小场景，将较大的目标拆分为许多小目标，并进一步将小场景中的小目标抽象组合，构建场景层次图。最终实现全自动运行系统场景结构的层次化，使得自顶向下或自底向上的分析都更加清晰明了。

全自动运行系统的场景可以被分为3个层次，顶层是全自动运行级场景，中间层是系统级场景，底层是设备级场景。最顶层的全自动运行级场景结构中只有一个场景———全自动运行系统，是一个统领概括性的场景，用来描述整个全自动运行系统的范围，重点关注系统整体与外部环境的关系。全自动运行系统的边界包括车辆段有人区和无人区的分界、列车门、站台门、站台端门、防淹门及人防门等。

中间场景进一步精化分解了顶层场景中的各个元素，该层场景中的各个元素同样能够被精化分解。信号系统是城市轨道交通的大脑和中枢神经为保障轨道交通的安全、高效运营，建议以行车为核心，以信号系统为对象，考慮关联系统的状态，建立中间层系统级场景。设计全自动运行系统的场景时，需综合考虑不同的维度，划分全自动运行系统的中间级场景，包括：

中间层系统级场景的涉众对应不同专业系统和工作人员，根据系统间的交互、工作人员的操作和系统的组成，建立底层的设备级场景。底层设备级场景通过进一步分解中间层系统级场景得到，直到每个场景的各个活动元素达到原子级别。

①区域维度：界定列车运营的全区域和列车全自动运行的区域划分场景，如列检库、车辆段、转换轨、区间、车站、终点站及折返区等。

②时间维度：按照24 h/d不同的阶段划分场景，包括运营时段和维护时段。

③行车过程维度：根据列车运行全过程所执行的任务划分不同的场景，如早间上电、唤醒、出库、进入正线服务、进站停车、站台发车、折返换端、清客、停止正线服务、回库、清扫及休眠等。

④环境维度：根据影响行车的环境因素划分场景，如大风、雾、雨雪等。

⑤干系对象维度：FAO是一个人机混合系统，可从不同角度将干系对象划分为2类，一类是从控制防护对象角度，包括列车、乘客和维护人员;另一类是从控制器角度，包括司机、调度员、列车运行控制、通信、监控等系统。

⑥关联系统维度：考虑FAO与其他关联系统的交互和需求完成的任务。

⑦状态维度：按照运营生产关键设备的状态划分场景，包括正常状态、故障失效状态、紧急状态。

（3）采用场景与目标和视点相结合的需求获取方法

全自动运行系统的涉众包括城市轨道交通的建设部门、运营部门和各专业系统设备的供应商。其中，建设部门希望通过场景明确系统能实现的功能。运营部门希望通过场景明确系统能够实现的目标和为实现这一目标需要匹配的运营组织架构和基本的操作流程。运营相关的涉众包括全自动运行系统中运营组织的相关人员，如中心调度、车站值班员、站台工作人员、车辆段运转值班员等。各专业系统设备的供应商希望通过场景明确所提供的系统设备需实现的功能，以及在实现该功能的过程中与其他专业系统设备的信息交互。

由于全自动运行系统不同涉众对系统需求的关注角度不同，建议采用场景与视点相结合的需求获取方法。在描述场景时，除通过场景的遍历描述，让涉众理解它的操作、角色、触发过程的事件等内容，进一步将涉及到的不同对象分门别类描述，从中提取出不同的视点[10]。

4结束语

介绍了全自动运行系统的特点与优点，指出需求分析是设计、研发适用于我国城市轨道交通运营特点与需求的全自动运行系统的难点与关键环节。进一步介绍了基于场景的需求分析方法，并详细介绍了结合场景与目标的全自动运行系统需求分析方法，所提方法可为我国城市轨道交通全自动运行系统的设计实现提供理论参考。

参考文献

[1]宁滨，郜春海，李开成，等.中国城市轨道交通全自动运行系统技术及应用[J].北京交通大学学报，2019，43（1）：1-6.

[2]郜春海，王伟，李凯，等.全自动运行系统发展趋势及建议[J].都市快轨交通，2018，31（1）：51-57.

[3] WEIDENHAUPT K，POHL K，JARKE M，et al.Scenarios in System Development：Current Practice[J].IEEE Software， 1998，15（2）：34-45.

[4] ROLLAND C，ACHOUR B C，CAUVET C，et al. A Proposal for a Scenario Classification Framework[J]. Requirements Engineering，1998，3（1）：23-47.

[5]肖晶.面向行为和视点的需求建模方法[D].武汉：武汉大学， 2009.

[6]戴娟.基于目标与场景的用例驱动需求分析技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[7] ANON.Aims and Scope for Ieee Transactions on Software Engineering[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review， 1975，9（2）：14-15..

[8] SUTCLIFFE A. Scenario-based Requirements Engineering[C]//Proceedings 11th IEEE International Requirements Engineering Conference Monterey Bay..IEEE，2003：320-329.

[9]李月霞.基于分层的场景描述方法研究[D].青岛：青岛大学， 2016.

[10]李勇华.目标和场景相结合的需求工程[D].武汉：武汉大学，2006.