高速磁浮交通與城市軌道交通運營場景差異性分析*

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∥第一作者，高級工程師)

國內以輪軌交通為典型制式的城市軌道交通OCS(運行控制系統)，已由傳統的基于軌道電路的列車運行控制系統向CBTC(基于通信的列車控制)系統及FAO(全自動運行)系統邁進。香港地鐵迪斯尼線、廣州地鐵APM(旅客自動輸送系統)線、上海軌道交通10號線和北京地鐵燕房線等多條線路，均已達到UITP(國際公共交通協會)定義的自動化最高等級——GOA4級(無人干預的列車運行)，實現了包括緊急處理場景在內的列車運營自動化，即UTO(無人值守的全自動運行)。

場景文本是對城市軌道交通運行系統運營全過程全面、準確、細致的描述，反映了該系統及其內部的聯動邏輯。場景文本是設備功能配置與崗位設置的依據［1］，能夠指導城市軌道交通運行系統的設計與開發［2-3］。當前，針對城市軌道交通的運營場景，尤其是FAO系統運營場景的研究較多［1，4-5］。文獻［6］對FAO系統與傳統CBTC系統的運營場景進行了對比分析。文獻［7-8］對高速磁浮交通OCS及其子系統的運行場景進行了研究。磁浮交通利用磁力作用使驅動車輛懸浮于軌道之上，而輪軌交通則是利用車輪與軌道的相互作用來支撐驅動車輛。兩者在系統架構、特性、運維模式等方面存在一定差異。不同交通系統及其運營場景的對比有相互借鑒作用。

基于此，以典型運營場景為著眼點，將城市軌道交通FAO系統以及高速磁浮交通OCS作為研究對象，就兩類交通系統的基本構成及其所涉及的運營場景進行闡述，并分析其差異特征。

1 高速磁浮交通系統及其運營場景

1.1 高速磁浮交通OCS

高速磁浮交通系統主要由車輛、線路、牽引供電與運行控制等4大專業組成，包括OCS、牽引供電系統、車輛系統、ISCS(綜合監控系統)等關鍵系統。其中，OCS通過與磁浮交通系統的車輛、牽引供電及道岔等設備或系統之間的相互聯動，實現列車運行的過程控制、安全防護、自動運行及調度管理等功能。以上海磁浮列車示范運營線為例，該線路采用DTO(有人值守的全自動運行)，自動化等級為GOA3級(無人駕駛列車運行);若根據FAO系統的定義，也可將其系統制式劃分為FAO系統。上海磁浮列車示范運營線OCS的基本結構［8-11］如圖1所示。其層次結構可劃分為3層，即中央控制層、分區控制層及車載運行控制層。

圖1 上海磁浮列車示范運營線OCS的基本結構Fig.1 Basic structure of OCS of Shanghai Maglev Demonstration Line

1.2 高速磁浮交通OCS的運營場景

高速磁浮交通OCS運營場景的相關規范或標準較為缺乏。對高速磁浮交通OCS的運營場景進行梳理，將其分為3大類，即正常模式運營場景、故障模式運營場景和應急模式運營場景。

正常模式運營場景是指高速磁浮交通運營過程中一系列活動的基本邏輯或過程，包括運營準備、列車出庫、列車正線運營、運行臨時調整、列車回庫、段內工作及運營結束等。同時，這些正常模式運營場景還可以進一步細分。例如，運營準備包括運營前檢查、列車喚醒、列車綜合自檢、列車靜止懸浮、出庫計劃和運行計劃下發等。

故障模式運營場景包括正線列車故障、運控系統故障、牽引供電系統故障、站臺門系統故障、綜合監控系統故障、線路故障和控制中心故障等。故障模式運營場景的諸多大類場景也可以進一步細分。例如，牽引供電系統故障的相關場景可分為牽引變電所故障、長定子故障、車站整體失電、定子開關站故障和軌旁變電所故障(含區間動力軌)等。

應急模式運營場景包括列車火警、車站火警、列車事故、列車迫停區間、緊急疏散、地震場景、大客流場景、風雨雪天氣應急場景和區間應急登車場景等。類似地，應急模式運營場景的諸多大類場景同樣可以進一步細分。例如，緊急疏散的相關場景可分為到站疏散場景和區間疏散場景。

2 城市軌道交通系統及其運營場景

2.1 城市軌道交通FAO系統

城市軌道交通FAO系統是在CBTC技術的基礎上，進一步考慮了不同專業的聯動形成的以系統安全與乘客服務提升為導向的高集成度系統［1］。FAO系統是一個廣義的概念，其中，GOA4對應的UTO和GOA3對應的DTO統稱為FAO［4，11］。城市軌道交通FAO系統的參考架構如圖2所示。該系統涉及的關鍵機電系統包括信號系統、車輛系統、牽引供電系統、站臺門系統、ISCS和通信系統等［1］。根據圖2，FAO系統設備可劃分為3層，即中心層、車站與車場層(含軌旁)及車載層。

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

2.2 城市軌道交通FAO系統的運營場景

文獻［1，4-5］較詳細地描述了城市軌道交通FAO系統的運營場景。以北京地鐵燕房線FAO系統為例，該系統涉及41個大場景以及諸多小場景和細小類場景。這41個大場景(見表1)包括18個正常場景和23個異常場景［3-4］，絕大多數運營場景對應的功能由系統按照預設邏輯自動完成，僅有少量異常場景需要人工介入。其中:正常場景是指FAO系統在無故障與無意外情況下按照計劃正常運營的一系列場景;異常場景是受到與行車相關的故障與意外情況導致運營計劃偏離，甚至危及安全的一系列場景。按照降級場景的緊急程度，異常場景可分為非緊急降級場景和緊急降級場景［1］。按照誘發因素，異常場景又可分為設備故障場景和緊急事件場景［4］。

表1 北京地鐵燕房線的典型運營場景分類Tab.1 Typical operation scenarios of Beijing Metro Yanfang Line

需注意，城市軌道交通FAO系統運營場景的分類與數量目前尚無明確的通用規范規定，需結合FAO系統的特征及其應用程度來確定。

3 高速磁浮交通系統與城市軌道交通交通系統差異性分析

3.1 系統構成差異

盡管高速磁浮交通系統與城市軌道交通系統均由車輛、線路、牽引供電與運行控制等4大主要專業組成，但不同于城市軌道交通的驅動方式，高速磁浮交通采用抱軌運行，且牽引設備完全配置于地面上，進而造成了兩種系統在具體組成和架構等方面存在廣泛差異，如車輛結構、軌道結構與道岔組成、牽引供電、車地通信和OCS的設備配置等［9-10］。

以OCS［7，9-11］為例，高速磁浮交通OCS系統包括車載控制系統、通信系統、分區控制系統和中央控制系統。文獻［11］所述的城市軌道交通FAO系統控制中心是依托于集成了ATS、電力調度系統以及ISCS的TIAS(行車綜合自動化系統)。車站控制以車站級綜合監控設備為主，以車站TIAS為核心。線路軌旁部分還包括軌旁ATP、ZC(區域控制器)和CI(計算機聯鎖)等系統。車載控制系統則以信號系統ATP/ATO為核心，并與障礙物檢測、測速定位等系統互聯。

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

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

2)在軌旁(含車站)層方面，分區控制系統是高速磁浮交通的軌旁信號系統，對道岔、車速、進路和列車等進行管理。站級操作人員終端系統是中央操作人員終端系統故障時期發揮行車綜合自動控制的后備系統。高速磁浮交通牽引變電站在其供電范圍內只能引導1列列車運行，其將1個牽引供電區間作為1個分區(區間)，并設置閉塞(固定閉塞)與聯鎖機制。分區控制系統和車載控制系統均涉及速度曲線計算與監控，且牽引切斷由分區控制器負責。FAO系統的軌旁信號系統則為ZC和CI。車站TIAS則是在中央TIAS故障時期發揮行車綜合自動控制的關鍵系統。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根連續可彈性彎曲的鋼梁，轉轍時需要整個軌道梁一起移動，具體移動由磁浮線路的SC(道岔控制設備)負責，而道岔的安全防護由分區控制系統中的分區道岔模塊負責。輪軌交通的道岔則由CI的道岔控制模塊負責。

3)在車載層方面，高速磁浮交通車載系統無ATO功能，列車牽引由分區控制系統給分區牽引系統發送上位控制命令(移動授權等)，具體執行由分區牽引控制系統負責，即部分ATO功能位于分區牽引系統。列車的連續運行以停車點(輔助停車區或車站)為防護點實現步進運行［9，12］。而FAO系統的牽引位于車載，ATO功能以車載部分實現為主。列車的連續運行通過移動授權的延伸來實現。速度計算、監控與牽引切斷等主要由車載ATP負責。

4)在列車的制動方式上，兩者同樣存在差異。輪軌制式的城市軌道交通列車主要采用閘瓦制動、盤形制動、磁軌制動、再生制動和電阻制動。正常情況下，采用以再生制動和電阻制動為主的電制動方式;緊急制動時，采用以閘瓦制動、盤形制動及磁軌制動為代表的摩擦制動方式。對于高速磁浮交通系統，在正常情況下，車輛的制動由常定子同步電機通過電阻制動或再生制動的方式實現。在牽引系統失效或其他緊急情況下，當列車運行速度高于一定速度時，采用安裝在車上的特殊渦流制動器制動;當列車運行速度低于該速度時，關閉渦流制動，車輛降落并通過滑橇與滑道摩擦的方式制動，并停靠到指定的輔助停車區。

5)在通信層方面，高速磁浮交通系統的車地通信除了滿足與輪軌交通信號相似的運行控制系統中的車地信息傳輸需求外，還必須滿足同步直線電機驅動所需的列車定位信息與地面牽引控制系統的實時傳送需求。上海磁浮列車示范運營線的通信系統采用了具備冗余設計、高實時性和抗干擾能力強的38 GHz毫米波通信。由于服務的多元化，FAO系統同樣需要傳輸大量信息，LTE(長期演進)相關通信系統是當前的主流選擇。

3.2 運營場景差異性

基于對兩類系統構成的分析可知，兩者的部分差異是固有的，與系統本身的特殊性有關。兩類系統運營場景的差異性具體表現為:

1)固有性差異:是指兩類系統各自的特色場景，且相互之間不需要借鑒。例如，高速磁浮交通列車運行的停車點步進場景，以及長定子故障場景。以停車點步進場景為例，高速磁浮軌道采用高架模式，抱軌運行且車頭未設置應急門;考慮到應急疏散需要，在軌道上設置了輔助停車區，并要求列車的運行采用雙曲線防護和停車點步進的運行方式，以保證車輛在輔助停車區停車［12］。而對于城市軌道交通，乘客在應急情景下可在路肩停留，列車的運行未采用最小速度曲線防護。類似地，由于輪軌交通未采用同步直線電機驅動，長定子故障場景只能在高速磁浮交通中出現。

2)功能性差異:代表兩者未同時具有的場景，但后續可以相互借鑒。例如，上海磁浮列車示范運營線當前未配備站臺門系統，而國內地鐵常設置有與信號系統互聯的站臺門系統。結合具體情況，高速磁浮交通也可配備站臺門系統。因此，與站臺門相關的運營場景是可以相互參考的。

3)過程性差異:體現在兩者均具有的場景中實現過程存在的差異。例如，對于清客場景，當前高速磁浮交通和城市軌道交通FAO系統均實現了高度自動化，兩種系統的信號系統都能夠根據運行計劃自動觸發清客，并提醒乘客下車。目前，上海磁浮列車示范運營線的清客完成情況需要由站務確認，FAO系統則可通過車載圖像設備確認。

4 結語

磁浮交通和輪軌交通各具特色，且運營場景存在差異。通過對高速磁浮交通和城市軌道交通的系統構成與自動化等級介紹，討論了兩者之間存在的差異性，為相關功能的完善以及相關場景文本的撰寫提供研究思路。場景文本的規范化不僅有助于不同類別交通系統運營場景的對比分析，還有助于系統的開發與完善。