丁 樹(shù) 奎

（北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京110101）

一、引 言

城市軌道交通領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，經(jīng)歷了從引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新、到集成創(chuàng)新、再到部分關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新的發(fā)展過(guò)程。以《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》［1］、《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》［2］等一系列文件的發(fā)布為標(biāo)志，我國(guó)城市軌道交通已踏上高質(zhì)量發(fā)展的創(chuàng)新征程。 隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展和科技自立自強(qiáng)步伐加快，以CBTC 和FAO 為代表的關(guān)鍵技術(shù)和重大裝備實(shí)現(xiàn)了完全自主化，部分技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，行業(yè)自主創(chuàng)新進(jìn)入以“并跑”和“領(lǐng)跑”為特征的新發(fā)展階段。未來(lái)如何更好推進(jìn)自主創(chuàng)新工作，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性、全局性的科技引領(lǐng)，除了應(yīng)繼續(xù)關(guān)注新技術(shù)發(fā)展方向、行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之外，還應(yīng)關(guān)注適合我國(guó)國(guó)情和時(shí)代特征的自主創(chuàng)新模式、路徑及方法，從城軌本質(zhì)需求出發(fā)，深入研究城軌創(chuàng)新的共性規(guī)律，建立創(chuàng)新需求模型、提煉需求方法、形成自主創(chuàng)新的“中國(guó)模式”。

本文通過(guò)分析城市軌道交通的本質(zhì)特征和創(chuàng)新規(guī)律，構(gòu)建了基于馬斯洛需求理論的城軌需求模型，設(shè)計(jì)了面向運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的用戶需求提煉方法和基于成熟度模型的技術(shù)選擇方法，希望對(duì)形成我國(guó)城軌行業(yè)原創(chuàng)性創(chuàng)新的通用模式，提出具有我國(guó)特色的自主創(chuàng)新發(fā)展路徑有所貢獻(xiàn)。

二、城軌交通特征與自主創(chuàng)新原則

（一）城市軌道交通本質(zhì)特征分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，城市軌道交通的定義是“采用軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行承重和導(dǎo)向的車輛運(yùn)輸系統(tǒng)，依據(jù)城市交通總體規(guī)劃的要求，設(shè)置全封閉或部分封閉的專用軌道線路，以列車或單車形式，運(yùn)送相當(dāng)規(guī)?？土髁康墓步煌ǚ绞健保?］。城市軌道交通運(yùn)輸在城市交通中的根本定位是“具有社會(huì)公益性質(zhì)的大容量公共交通”［4］。從以上定義分析，城市軌道交通具有嚴(yán)苛的安全要求、封閉的獨(dú)立路權(quán)、高效和大容量運(yùn)輸能力、有計(jì)劃的公共交通組織方式等本質(zhì)特征。

目前，城軌交通已成為我國(guó)許多大型城市公共交通的骨干、客流運(yùn)送的大動(dòng)脈，其安全高效運(yùn)營(yíng)直接關(guān)系到城市居民的出行、工作和生活。由于具有社會(huì)公益性和大容量?jī)蓚€(gè)基本特征，城市軌道交通直接服務(wù)廣大城市居民的基本生活和出行需求，長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐以及慘痛的事故教訓(xùn)一再揭示，安全性對(duì)保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、維護(hù)城市正常運(yùn)行和社會(huì)安全穩(wěn)定、提升政府治理能力具有重要意義。

從運(yùn)行安全角度，軌道交通安全保障的主要特點(diǎn)是在封閉空間ODD（Operational Design Domain，運(yùn)行設(shè)計(jì)域）中運(yùn)行和配置高可靠度的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱列控系統(tǒng)）。如圖1 所示，嚴(yán)格的ODD約束是區(qū)分軌道交通與其他交通方式的本質(zhì)特征。列車只能沿軌道縱向行駛，軌道交通輪軌（鋼輪-鋼軌）間的黏著系數(shù)只有道路交通的1/8，其制動(dòng)距離遠(yuǎn)大于可視距離。因此，只能通過(guò)軌道上可動(dòng)部件——道岔改變列車的運(yùn)行路徑，較之道路交通車輛，軌道交通列車靈活操控性有限，但能最大限度地確保列車運(yùn)行安全。在ODD 的基礎(chǔ)上，列控系統(tǒng)通過(guò)區(qū)間閉塞控制以及車站連鎖控制，基于故障導(dǎo)向安全原則嚴(yán)格“把守”列車運(yùn)行安全底線。

圖1 交通系統(tǒng)路權(quán)開(kāi)放程度與運(yùn)行速度等的關(guān)系

作為城市客流運(yùn)送的大動(dòng)脈，城市軌道交通網(wǎng)的高效性（包括大運(yùn)量、快速）是其相較于城市地面交通的最大優(yōu)勢(shì)。有組織、有計(jì)劃的公交化運(yùn)營(yíng)是保證城市軌道交通高效運(yùn)營(yíng)的基本要求。Beate 和Gereon［5］（2020）指出，利用博弈論中的布雷斯悖論（The Braess’s Paradox），由于個(gè)體的“利己性”特征，地面道路交通中單個(gè)車輛駕駛的自主運(yùn)行不一定會(huì)達(dá)到最優(yōu)的交通運(yùn)輸效率，甚至，人流、車流管理的“無(wú)序性”會(huì)顯著降低道路交通網(wǎng)絡(luò)的通行效率。與之相對(duì)，軌道交通由于采用了“有計(jì)劃性、有組織性”的運(yùn)營(yíng)模式，可以更好地發(fā)揮其大容量、快速、準(zhǔn)時(shí)的運(yùn)輸服務(wù)特性。

（二）城軌自主創(chuàng)新遵循守正創(chuàng)新原則

對(duì)于城軌領(lǐng)域而言，守正是創(chuàng)新的前提和基礎(chǔ)，創(chuàng)新是守正而不僵化的實(shí)現(xiàn)路徑。從我國(guó)城軌自主創(chuàng)新發(fā)展歷程來(lái)看，成功的創(chuàng)新一直恪守軌道交通的固有屬性和本質(zhì)特征，堅(jiān)持“守正創(chuàng)新”，并以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用新技術(shù)和新的服務(wù)管理模式推動(dòng)軌道交通向更安全、更高效、更經(jīng)濟(jì)、更綠色的方向發(fā)展。

居于守正創(chuàng)新首位的是嚴(yán)苛的安全保障必須堅(jiān)守、不可逾越。國(guó)務(wù)院辦公廳多次發(fā)文，強(qiáng)調(diào)夯實(shí)軌道交通安全運(yùn)營(yíng)體系、加強(qiáng)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等關(guān)鍵安全攸關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的安全性［6］。與此同時(shí)，城軌交通有計(jì)劃、有組織運(yùn)營(yíng)組織方式應(yīng)始終遵循，以列車按圖準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行為基本原則，盡可能提供準(zhǔn)時(shí)、便捷、高效的服務(wù)。另外，城軌交通大容量、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品屬性應(yīng)始終如一，以票價(jià)低廉、公交化為基本特征為城市提供大運(yùn)量、通勤化的運(yùn)輸服務(wù)［7］。

守正不意味著“封閉”和僵化，在必保的原則得到堅(jiān)守的前提下，技術(shù)借鑒和橫向賦能應(yīng)持續(xù)推進(jìn)。近年來(lái)，隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)的興起，自動(dòng)駕駛汽車為提升交通安全與效率提供了新的解決方案［8-10］。自動(dòng)駕駛綜合了多項(xiàng)技術(shù)，涉及產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、價(jià)值創(chuàng)造空間巨大，已成為各國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)與科技產(chǎn)業(yè)跨界、競(jìng)合的必爭(zhēng)之地。智能網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛汽車通過(guò)車地協(xié)同、車車協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)“無(wú)需汽車駕駛員操作，可適應(yīng)各種道路、交通與天氣條件，并安全、高效完成既定旅程”，因而被認(rèn)為是無(wú)人駕駛領(lǐng)域最具創(chuàng)新的熱點(diǎn)之一［11-12］。城軌交通系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行（FAO）由于確保嚴(yán)苛安全保障的基礎(chǔ)較好，目前已進(jìn)入了成熟的規(guī)模化推廣階段，但仍需關(guān)注和跟蹤汽車無(wú)人駕駛領(lǐng)域最新技術(shù)進(jìn)展，對(duì)于有通用價(jià)值的技術(shù)應(yīng)積極借鑒。

為進(jìn)一步提升軌道交通的能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借鑒其他交通方式編隊(duì)運(yùn)行的概念提出了虛擬編組的概念，如圖2 所示。所謂虛擬編組就是編組內(nèi)的單元列車之間能以相對(duì)制動(dòng)距離運(yùn)行（也就是要實(shí)現(xiàn)考慮前車速度、加速度的移動(dòng)閉塞），在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注。相關(guān)研究［13-15］表明，相比于現(xiàn)有CBTC 系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞，虛擬編組列車可較大程度地提升軌道交通的運(yùn)輸能力和運(yùn)行靈活度。實(shí)現(xiàn)以相對(duì)制動(dòng)距離控制間隔，可能要突破軌道交通行業(yè)自1870 年以來(lái)一直遵循的安全間隔原則，即假設(shè)前方列車瞬間停在最后已知位置，追蹤列車必須始終能在已知前方空閑的距離內(nèi)停車。盡管以相對(duì)制動(dòng)距離控制間隔的編隊(duì)運(yùn)行技術(shù)已比較成熟，并已逐漸投入商業(yè)化應(yīng)用，但在軌道交通虛擬編組的研發(fā)過(guò)程中，擺在第一位的，仍需要基于軌道交通的本質(zhì)特征構(gòu)架一套完備的安全原則以確保虛擬編組列車安全運(yùn)行?；诔擒壗煌ū举|(zhì)特征，守正創(chuàng)新原則對(duì)其他裝備、系統(tǒng)也同樣適用。

圖2 軌道交通“虛擬編組”技術(shù)基本原理

（三）城軌自主創(chuàng)新遵循的共性規(guī)律

從行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新歷程和成功案例來(lái)看，城軌自主創(chuàng)新遵循的共性規(guī)律包括：需求引導(dǎo)型創(chuàng)新為主流模式、遵從漸進(jìn)創(chuàng)新規(guī)律、實(shí)施過(guò)程中偏重協(xié)同創(chuàng)新等。

城軌創(chuàng)新目標(biāo)的選擇要從需求出發(fā)。針對(duì)乘客需求、運(yùn)行需求以及管理需求等，圍繞乘客更好的服務(wù)和出行體驗(yàn)匹配相應(yīng)的新技術(shù)手段和新的運(yùn)營(yíng)模式，將需求貫穿于規(guī)劃、研發(fā)、制造、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的全流程中，構(gòu)建需求導(dǎo)向的全流程創(chuàng)新體系。在新產(chǎn)品新系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，要由需求方引領(lǐng)，提出系統(tǒng)化需求；需求方提出的需求要統(tǒng)一規(guī)劃，避免需求碎片化或技術(shù)的不可達(dá)。

軌道交通是百年工程，技術(shù)選擇要考慮技術(shù)延續(xù)性，所用產(chǎn)品的選型、更新、改造遵從的固有規(guī)律是漸進(jìn)式升級(jí)，新一代產(chǎn)品須兼容現(xiàn)有技術(shù)、產(chǎn)品，不降低現(xiàn)有服務(wù)質(zhì)量和安全水平。產(chǎn)品代際性能階梯式提高、向下兼容，代際更替平穩(wěn)有序是對(duì)新產(chǎn)品的基本要求。對(duì)革命性、突進(jìn)型、激進(jìn)型創(chuàng)新持謹(jǐn)慎態(tài)度，不過(guò)于期待顛覆性技術(shù)，防止躍進(jìn)型新產(chǎn)品應(yīng)用帶來(lái)的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。軌道交通的技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)一般遵循開(kāi)發(fā)新一代、兼容既有一代、更新改造上一代，逐步迭代進(jìn)步的規(guī)律。

軌道交通是大型復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)，子系統(tǒng)數(shù)量眾多且關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，某個(gè)子系統(tǒng)或某個(gè)接口點(diǎn)的變化都可能影響與其它子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，甚至影響系統(tǒng)的整體正常運(yùn)行。因此，多專業(yè)、多系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新是城軌交通創(chuàng)新的基本模式。各系統(tǒng)技術(shù)賦能點(diǎn)交替進(jìn)步、相互促進(jìn)、逐步演進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)整體代際更替，系統(tǒng)整體提升。另一方面，軌道交通所需的基礎(chǔ)技術(shù)、材料及平臺(tái)等依靠工業(yè)體系提供，城軌創(chuàng)新生態(tài)與鐵路創(chuàng)新生態(tài)之間、軌道交通生態(tài)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)之間也需要密切的協(xié)同。

三、城軌自主創(chuàng)新基礎(chǔ)模型

（一）用戶驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新

華為技術(shù)有限公司等的研究和實(shí)踐表明，近年來(lái)興起的互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了眾多的“XX 即服務(wù)”，具有典型意義的包括“云即服務(wù)（Cloud as a Service）”，“平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service）”，“管理即服務(wù)（Management as a Service）”等等［16］。同樣，近年來(lái)交通從業(yè)人員更多開(kāi)始關(guān)注“Mobility as a Service ”（MaaS，出行即服務(wù)）理念［17-18］。此外，歐盟交通運(yùn)輸部將“出行與服務(wù)”的英文釋義為“EU Mobility and Transport”，著重凸顯“Mobility”的重要性，并提出構(gòu)建面向2050的“智慧移動(dòng)出行與服務(wù)（Smart Mobility and Services）”；麻省理工學(xué)院成立MIT Urban Mobility Lab，研究未來(lái)交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)與管理問(wèn)題；美國(guó)交通運(yùn)輸部成立了移動(dòng)出行實(shí)驗(yàn)室（Mobility Lab），研究未來(lái)公共交通的管理政策。“Mobility”和“Maas”不再拘泥于具體的實(shí)現(xiàn)方式、不再拘泥于通過(guò)“增量擴(kuò)張供給”的方式提高運(yùn)輸效率與運(yùn)能，而是從用戶內(nèi)在對(duì)交通本質(zhì)需求的角度出發(fā)，采取精細(xì)化手段構(gòu)建可持續(xù)的移動(dòng)出行系統(tǒng)。由“Transportation”向“Mobility”理念的轉(zhuǎn)變表明，交通運(yùn)輸行業(yè)開(kāi)始逐漸回歸根本。在這種全新的理念下，用戶，而不是技術(shù)，將成為未來(lái)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力和有效驅(qū)動(dòng)力，用戶驅(qū)動(dòng)型創(chuàng)新（User Driven Innovation，簡(jiǎn)稱UDI）應(yīng)運(yùn)而生［19］。

UDI 從“了解用戶需求”“用戶參與創(chuàng)新過(guò)程的不同階段”出發(fā)，系統(tǒng)性地確定、研發(fā)面向終端用戶需求的解決方案［20］，形成如圖3 所示的創(chuàng)新輪［21］。UDI 的第一個(gè)階段是關(guān)注生產(chǎn)什么產(chǎn)品，包括機(jī)遇發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)收集、模式識(shí)別以及滿足用戶需要的概念想法。第二個(gè)階段關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新想法，包括概念化、原型、測(cè)試及實(shí)施。在創(chuàng)新的過(guò)程中，企業(yè)管理逐漸形成“以用戶為中心（User centric）”的新理念，即以用戶、買方的要求為中心，深入了解終端用戶的核心需求、挖掘差異化的用戶需求，將用戶需求貫穿于規(guī)劃、研發(fā)、制造、銷售、市場(chǎng)的全流程，使用戶得到更多樣化、靈活、透明、物美價(jià)廉的服務(wù)［22-24］。

圖3 UDI 創(chuàng)新輪（Wise and H?genhaven, 2008）

（二）乘客需求模型

終端用戶（End users）需求的建模是現(xiàn)實(shí)UDI 的基礎(chǔ)。城市軌道交通系統(tǒng)終端用戶包括乘客，以及系統(tǒng)的操作人員、維護(hù)人員和管理人員四類用戶，又以乘客需求為核心，操作維護(hù)管理本質(zhì)上也是為了乘客。目前，我國(guó)城軌交通規(guī)劃主要采用“四階段法”，通過(guò)進(jìn)行居民出行調(diào)查、交通流量分配等方式進(jìn)行客流需求預(yù)測(cè)，并形成相應(yīng)的線路規(guī)劃方案，經(jīng)業(yè)主勘察評(píng)估后交由施工建設(shè)方，最后由運(yùn)營(yíng)商介入進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行。這種“分階段”的方式往往導(dǎo)致初期規(guī)劃與后期運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景匹配性存在偏差、高層次出行需求實(shí)現(xiàn)度低等問(wèn)題，無(wú)法滿足城軌高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。

克服這種局限可借鑒馬斯洛需求模型對(duì)乘客需求做系統(tǒng)化的分析，理清乘客需求有利于提出創(chuàng)新需求。馬斯洛需求模型強(qiáng)調(diào)人在每一個(gè)時(shí)期，都會(huì)有一種需求占主導(dǎo)地位，而其他需求處于從屬地位［25-27］。因此，乘客各個(gè)層次的主體需求可以表示為如圖4 所示的5 個(gè)層次。

圖4 城軌馬斯洛需求模型

第一層次，即安全、可靠需求。乘客和運(yùn)營(yíng)商在參與軌道交通列車運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)等全過(guò)程中的安全性、可靠性，包括乘客乘坐安全性、員工工作環(huán)境安全性等，屬于馬斯洛模型中的基本層次要求，這是乘客和運(yùn)營(yíng)商的共同需求，也是乘客在面臨多種交通方式選項(xiàng)時(shí)會(huì)選擇城軌出行的基本需求。該方面的研究主要包括：軌道交通安全可靠性評(píng)估、人因事故分析、網(wǎng)絡(luò)彈性分析等。

第二層次，即速度需求。屬于城市出行愿望的“可達(dá)性”和“快速性”需求，城軌交通大部分的出行是通勤出行，總旅行時(shí)間能否控制在1 小時(shí)內(nèi)是超大城市通勤乘客的核心需求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究開(kāi)始更加關(guān)注速度需求相關(guān)的建模和方法，例如，乘客平均旅行時(shí)間、乘客平均換乘時(shí)間等。

第三層次，即便捷性需求，屬于中等層次需求，是滿足乘客生活條件要求的長(zhǎng)期需求。根據(jù)UITP協(xié)會(huì)的研究，便捷性需求指的是乘客自由、便捷的移動(dòng)能力，包括出行整體性、無(wú)縫性、互聯(lián)性與適應(yīng)性等，是MaaS 有別于傳統(tǒng)軌道交通評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵所在，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

第四層次，即舒適性需求，屬于中等層次需求，是提升軌道交通在多交通系統(tǒng)中競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵需求。軌道交通舒適性目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義和評(píng)價(jià)指標(biāo)。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)一些研究將人因工程思想用于軌道交通舒適性評(píng)估［28］，提出基于擁堵指數(shù)、列車頻率、旅行時(shí)間、可靠性、價(jià)格、信息透明度以及其他“軟”服務(wù)在內(nèi)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PDFH 方法。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線對(duì)標(biāo)航空服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，在大興機(jī)場(chǎng)各種接駁交通方式中贏得了最大份額。

最高層次，即人性化體驗(yàn)需求，屬于高層次需求，在達(dá)到上述的四種需求后，才會(huì)對(duì)體驗(yàn)感有所追求。運(yùn)營(yíng)商的較高層次服務(wù)目標(biāo)是為乘客帶來(lái)更好的服務(wù)體驗(yàn)，增加乘客的舒適度和更高層次的滿意度，讓乘客更加“享受出行”并在出行中獲得更多社會(huì)認(rèn)同和附加價(jià)值。

當(dāng)前乃至今后較長(zhǎng)時(shí)期，城軌交通高質(zhì)量發(fā)展所聚焦的更加安全、快速、便捷，更大的出行占比等目標(biāo)，本質(zhì)上是乘客需求向更高層次需求躍遷的體現(xiàn)。

四、城軌自主創(chuàng)新的實(shí)施路徑與方法

（一）用戶驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新路徑的設(shè)計(jì)

遵從行業(yè)創(chuàng)新需求規(guī)律，選擇合適的創(chuàng)新方式，從而實(shí)現(xiàn)用戶價(jià)值和商業(yè)價(jià)值是UDI 的核心。城軌交通創(chuàng)新發(fā)展UDI 路徑如圖5 所示，其中的關(guān)鍵步驟主要包括：面向終端用戶需求，以用戶參與程度和創(chuàng)新正式程度為參考維度的技術(shù)發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試與實(shí)踐。

圖5 用戶驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)路徑

（二）基于場(chǎng)景的需求提煉方法

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景是表現(xiàn)需求的重要載體，不同城市、不同制式的軌道交通都有其特有的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。以GoA4 全自動(dòng)運(yùn)行線路為例，由于不再單獨(dú)配置司機(jī)，因而在考慮系統(tǒng)功能、故障處理、應(yīng)急處置等方面也有其特殊性。在探討軌道交通創(chuàng)新路徑發(fā)展模式中，應(yīng)以這些特殊性為基礎(chǔ)，將與運(yùn)行效率、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量直接相關(guān)的關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景作為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)全生命周期管理的抓手，以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的功能匹配、最終更好地服務(wù)需求。GoA4 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)下，關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景主要聚焦于以下三個(gè)方面：

1.由系統(tǒng)全自動(dòng)執(zhí)行的場(chǎng)景。如全自動(dòng)的列車休眠/喚醒、洗車，列車的全自動(dòng)運(yùn)行等。

2.導(dǎo)致UTO 模式不可用、需運(yùn)營(yíng)人員登車保駕或運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量明顯受到影響（如客室自動(dòng)廣播故障）等設(shè)備故障場(chǎng)景。

3.需要實(shí)施列車救援、人員疏散等應(yīng)急場(chǎng)景。

基于以上三類場(chǎng)景，可具體構(gòu)建不同的需求模型，從而進(jìn)一步構(gòu)建運(yùn)營(yíng)管理需求模型（即某種需求模型下，采用何種運(yùn)營(yíng)管理模型，以更好地服務(wù)需求）［29-30］，將運(yùn)營(yíng)管理模型劃分為管理架構(gòu)模型、行車組織需求模型、維護(hù)管理需求模型、系統(tǒng)功能需求模型、RAMS 需求模型，以及人員安全防護(hù)與災(zāi)害防護(hù)需求模型等。通過(guò)運(yùn)營(yíng)管理模型的構(gòu)建，結(jié)合需求科學(xué)、有效地提煉當(dāng)前運(yùn)營(yíng)管理架構(gòu)下的“痛點(diǎn)”，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有支撐技術(shù)的可達(dá)性發(fā)現(xiàn)軌道交通創(chuàng)新路徑的關(guān)鍵使能技術(shù)（Enabler）。基于UDI 的軌道交通創(chuàng)新需求提煉方法體系如圖6 所示。

（三）基于成熟度模型的技術(shù)選擇方法

在需求確定的基礎(chǔ)上，技術(shù)的選擇是創(chuàng)新性的集中體現(xiàn)。廣義上來(lái)說(shuō)，技術(shù)選擇指的是為了達(dá)到一定的目的，選擇和發(fā)展適合于一定社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然資源、生態(tài)環(huán)境和文化教育水平的技術(shù)體系。技術(shù)選擇不僅是生產(chǎn)工具、工藝和方法的選擇，而且是技術(shù)方針、原則和政策的選擇。從戰(zhàn)略層面，技術(shù)選擇策略包括行業(yè)定位、市場(chǎng)定位和技術(shù)定位；操作層面，包括權(quán)衡技術(shù)的先進(jìn)性和可接受性、考慮技術(shù)來(lái)源與互補(bǔ)性資產(chǎn)情況、考慮技術(shù)實(shí)施后產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，且必須識(shí)別可能存在的風(fēng)險(xiǎn)等。

技術(shù)成熟度（Technology readiness levels，TRLs）主要用于評(píng)價(jià)創(chuàng)新方法在技術(shù)選擇過(guò)程中以及后續(xù)的創(chuàng)新方法應(yīng)用中、產(chǎn)品使用過(guò)程中、市場(chǎng)反饋中所表現(xiàn)出的成熟程度。技術(shù)成熟度概念最早由美國(guó)航空航天局（NASA）提出［31］，其規(guī)定了從第一階段（構(gòu)思階段，TRL-1）到最高的第九階段（應(yīng)用/商業(yè)化階段，TRL-9）的技術(shù)成熟度度量方法。每?jī)蓚€(gè)階段之間，規(guī)定了需要實(shí)施的創(chuàng)新概念驗(yàn)證、原型機(jī)研發(fā)、從模型到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用的功能驗(yàn)證，并且TRL 也明確地規(guī)定了各個(gè)階段之間需要遵循的強(qiáng)制性邊界，用以約束不成熟的技術(shù)投入市場(chǎng)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。TRL 模型如圖7 所示。

圖6 基于UDI 的軌道交通創(chuàng)新需求提煉框架

圖7 技術(shù)成熟度分級(jí)模型

軌道交通中，TRL 的一個(gè)典型應(yīng)用案例是Shift2Rail 項(xiàng)目。Shift2Rail 是歐盟于2014 年批準(zhǔn)的首個(gè)以提升鐵路行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、滿足歐洲運(yùn)輸市場(chǎng)發(fā)展變化需求、實(shí)現(xiàn)歐洲軌道交通一體化為目標(biāo)的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軌道交通創(chuàng)新研究提案。Shift2Rail 中的IP2 創(chuàng)新項(xiàng)目“先進(jìn)的軌道交通列車運(yùn)行控制與調(diào)度系統(tǒng)”根據(jù)技術(shù)成熟度分解為X2Rail-1 至X2Rail-5 五個(gè)骨干課題，如圖7 所示。其中，項(xiàng)目主體由企業(yè)承擔(dān)，一部分技術(shù)成熟度較低的研究目標(biāo)由大學(xué)承擔(dān)，另一部分涉及軟件架構(gòu)、接口協(xié)議定義的部分由歐盟鐵路工業(yè)協(xié)會(huì)（The European Rail Industry，UNIFE）承擔(dān)，合作上體現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同性。通過(guò)將項(xiàng)目“拆分”為不同技術(shù)成熟度下的科研任務(wù)，分別由高校、大型信號(hào)企業(yè)、公立科研機(jī)構(gòu)以及小型企業(yè)，各個(gè)任務(wù)之間又形成一定的相互支撐關(guān)系，保證了創(chuàng)新項(xiàng)目有序的實(shí)施。

城軌創(chuàng)新只有經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的逐步遞進(jìn)式技術(shù)演進(jìn)驗(yàn)證，才能保證技術(shù)的成熟度和安全可靠可用，切實(shí)得到認(rèn)可和推廣。結(jié)合我國(guó)軌道交通行業(yè)重大創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)施流程的一般規(guī)律，建立我國(guó)城軌交通自主創(chuàng)新方法TRL 模型如圖8 所示，即前期理論研究（概念研究）、模型驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制、示范應(yīng)用、成熟推廣。其中，示范工程是我國(guó)城軌創(chuàng)新的一大特色。

圖8 我國(guó)城市軌道交通創(chuàng)新方法TRL 模型

（四）城軌創(chuàng)新示范工程的作用與實(shí)踐

未來(lái)城軌自主創(chuàng)新最重要的特征是在某一前沿技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破，在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)同，引領(lǐng)世界軌道交通的技術(shù)發(fā)展。如何對(duì)技術(shù)的實(shí)際可用性、有效性進(jìn)行確認(rèn)是創(chuàng)新路徑的關(guān)鍵。技術(shù)確認(rèn)方法指的是通過(guò)提供客觀證據(jù)，對(duì)特定的預(yù)期用途或應(yīng)用要求，得到滿足的認(rèn)定。方法確認(rèn)是對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)方法，實(shí)驗(yàn)室制定的方法，超出預(yù)定范圍使用的標(biāo)準(zhǔn)方法或其它修改的標(biāo)準(zhǔn)方法確認(rèn)能否合理、合法使用的過(guò)程。

我國(guó)城軌創(chuàng)新發(fā)展歷程中，示范工程的設(shè)立是技術(shù)確認(rèn)的主要方法集中體現(xiàn)。例如，北京軌道交通列車運(yùn)行控制歷經(jīng)技術(shù)引進(jìn)、國(guó)產(chǎn)化、自主化的創(chuàng)新歷程，自主創(chuàng)新階段先后承擔(dān)了北京地鐵亦莊線國(guó)產(chǎn)化CBTC 系統(tǒng)示范工程、北京燕房線自主化全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)國(guó)家示范工程。示范工程項(xiàng)目的設(shè)立和順利實(shí)施既體系化驗(yàn)證了創(chuàng)新成果的成熟度和適應(yīng)性，又為技術(shù)本身向縱深發(fā)展提供了平臺(tái)和實(shí)踐支撐，有力促進(jìn)了自主化技術(shù)從“跟跑”到“并跑”，并逐步發(fā)展為“領(lǐng)跑”。目前，我國(guó)已經(jīng)在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)領(lǐng)域開(kāi)展“領(lǐng)跑型”示范工程項(xiàng)目［32］，在自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)最高等級(jí)自動(dòng)化列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索控制系統(tǒng)的智能化和控制策略的精細(xì)化，其創(chuàng)新目標(biāo)和關(guān)鍵指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家接近，進(jìn)度計(jì)劃則早于世界領(lǐng)先計(jì)劃。

五、結(jié) 語(yǔ)

科技自立自強(qiáng)的背景下，城市軌道交通開(kāi)展自主創(chuàng)新的模式、路徑、方法選擇尤為重要。通過(guò)對(duì)城市軌道交通內(nèi)在特征的分析，從“創(chuàng)新原則、創(chuàng)新路徑和創(chuàng)新方法”三方面研究適用于國(guó)情和時(shí)代特色的城軌自主創(chuàng)新模型，提出城軌創(chuàng)新過(guò)程中的“守正原則”和共性規(guī)律，構(gòu)建基于馬斯洛理論的乘客需求模型，面向多運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景提出需求提煉方法，提出了我國(guó)城市軌道交通創(chuàng)新路徑和關(guān)鍵使能技術(shù)框架，結(jié)合我國(guó)自主化CBTC 示范工程提出了基于技術(shù)成熟度模型的技術(shù)選擇與確認(rèn)方法。

面向未來(lái)，我國(guó)城軌領(lǐng)域的自主創(chuàng)新需進(jìn)一步堅(jiān)守軌道交通行業(yè)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的基本特征，以用戶需求為導(dǎo)向，遵從創(chuàng)新基本規(guī)律，科學(xué)、穩(wěn)步地推進(jìn)創(chuàng)新進(jìn)程，助力新時(shí)代城軌的高質(zhì)量發(fā)展。