列車自動運行應用于主線

列車自動運行系統已經在地鐵線路上廣泛地使用了數十年，但是這項技術現已開始在更具挑戰性的主線環境中發揮作用。Keith Barrow從維也納報道，該行業是如何準備抓住機會將ATO應用于重型鐵路網絡。

倫敦Thameslink網絡將在2018年年底創造歷史，主線鐵路上首次進行ETCS自動列車運行（ATO）的商業部署。Thameslink通過城市南部和北部的組合線路與一個8 km的中央核心區段連接，形成橫穿倫敦的跨城市線路。Network Rail（NR）基礎設施管理公司與該供應鏈緊密合作，研究ATO是如何通過ETCS Level 2為核心區域的地鐵提供服務。

從2018年12月開始，核心路段的載客能力將從每小時單向運行16輛列車增加到24輛，能夠適應每小時30輛列車的恢復頻率。

作為價值70億歐元的Thameslink項目的一部分，NR在基礎設施和機車車輛并行升級方面有優勢，只選擇一個供應商（西門子）提供這兩項服務。因此，列車供應商有機會明確ATO所需的軌旁規范。該系統的實驗室測試始于2013年1月，即機車車輛生產前一年，也是計劃開始ATO客運服務之前的四年。

國際公共交通協會（UITP）自動化等級（GoA）系統根據分配給列車控制系統的責任等級來確定自動化等級。有五個等級：

GoA 0：無列車自動防護的人工操作；

GoA 1：有列車自動防護的人工操作；

GoA 2：半自動列車運行（STO）；

GoA 3：無人駕駛列車運行（DTO）；

GoA 4：無人值守列車運行（UTO）。

包括Thameslink在內的ATO應用程序是GoA 2等級。在GoA 2等級下，司機負責關閉車門并在中斷時操控列車，但是列車運行和停車設置是自動執行的。

地鐵已在GoA 2等級下運行40多年，而全球40個城市的70多條地鐵線路目前都在GoA 4等級運行。主線環境中應用的ATO運行于不同線路上不同列車類型共享相同的基礎設施，不可避免地產生一個更為復雜的命題，但正如Thameslink所示，現在技術上已經變得可行了。

ATO在ETCS上的應用于2011年首先被TEN-T項目考慮，并且這項研究得出的結論是ATO解決方案可以在主線上提供更高的容量和更低的能耗。隨后，ERTMS用戶組為主線GoA2～4等級設計一個操作概念，并進而研發了GoA 2等級的Unisig技術規范。

該規范已交給歐盟鐵路局納入ERTMS基線3修訂版2，但最終需要圍繞ATO在ETCS的應用進行進一步討論，這意味著將其納入該版本是不可行的。意味著在控制命令和信令TSI（TSI CCS）中沒有ATO在ETCS應用的規定。

主線ATO發展的另一個重要進展是4年一期的下一代列車控制（NGTC）項目，該項目研究ETCS和CBTC之間功能的共性和差異，目的是根據ATO和ATP主線-城市鐵路規范推動兩個系統的技術融合。NGTC已于2016年完成，并發現ATP融合是不可行的，只有ATO的“共同核心”可以在主線和城市軌道應用之間共享。

2017年11月28日，Roman Treydel博士在維也納舉行的Railtech智能鐵路高峰會議上表示，“這個項目最大的好處是相關人員之間能夠相互溝通，主線工程師之間能夠進行知識交流，從而更進一步了解ATO在城市軌道交通領域的工作方式。這種方式已經融入到下一個項目，成為Shift2Rail的一部分，因此，我們能夠理解ATO規范發展中遇到的所有困難。”

Shift2Rail聯合技術創新正在通過其創新項目2推動ATO對主線應用的研究，該項目旨在開發和驗證一套標準的ATO系統，從而達到ETCS GoA 3/4。

由于GoA成熟等級的不同，Shift2Rail在ATO方面的工作已經分成兩個工作流程。GoA 1和2工作流程將于2019年完成，并根據既有運營概念，為主線ATO制定技術規范。供應商已經開始了該項目的開發工作，阿爾斯通公司和西門子公司計劃在今年年底之前完成測試工作，預計將于2019年在英國的一個試驗線路上進行試驗。歐盟鐵路局預計將發布2019年的GoA 2技術意見，使規范得以確定，目標是將ATO納入到下一個將于2022年發布的TSI CCS。

GoA 3和4規范將采用基于模型的系統工程方法進行開發。工作流程將運行到2023年或2024年，且在后期階段將引入GoA 1和GoA 2，以確保所有GoA都有統一的規范。Treydel表示，“這對于主線轉換來說是非常重要的，因為無法假設所有列車都是GoA 4。與此同時，GoA 2已經完全明確且非常成熟，概念是非常穩定的。能夠增加運載能力、提高準時性、減少能源消耗。”

據瑞士Systransit公司高級系統工程師Xiaolu Rao博士介紹，主線ATO面臨的一個挑戰將是車載設備和基礎設施的充分利用，從而實現運營商所期望的效益。她解釋說：“車載設備通過內部控制回路-列車駕駛員控制列車-外部控制回路，由調度員將列車和基礎設施連接起來。交通管理系統（TMS）增強了全網優化的外部環路，但外部環路的優化對列車控制沒有直接影響。人們也開始通過司機咨詢系統（DAS）或ATO對車載設備進行優化，所有車載工作都可在此進行。這樣，我們能夠改善列車駕駛情況，但是不會在解決沖突時對全網優化產生直接影響。”

她還表示，“主線ATO面對著很多現實存在的沖突。我們不能忽視這一點，所以只有ATO車載是不夠的。TMS和ATO需要整合并進行知識共享，便于優化。這并不容易。TMS和ATO的詳細功能是什么？兩者之間需要傳輸哪些數據？我們需要一個規范。整合TMS與車載意味著我們將能夠減少沖突的風險。”

另一個挑戰是不同市場的不同運營商有不同的ATO優先級。這些可能包括增加運載量、減少能源消耗、提高乘坐舒適度或改進計時。這些目標中的一部分將互相矛盾——在最小化能耗的同時優化一個軌道區段的運載能力是困難的。而且，優先級可隨著每天的時間和需求水平而發生變化。

2017年12月，荷蘭網絡首次引入10 min城際服務，主要是為了從已經使用良好的基礎設施中擠出更多容量。荷蘭Prorail基礎設施管理公司創新和發展顧問Alfons Schaafsma先生解釋表示，“ATO是鐵路未來的需要。業務案例應該是ATO的主要驅動因素，所以，達到業務案例目標所需的自動化水平是非常重要的。埃因霍溫—阿姆斯特丹可能有一個GoA 2商業案例，因為那里每10 min有一班城際列車，每15 min有一班區域列車，每30 min有一班貨運列車，因此需要精確運行。”

然而，與任何形式的自動化一樣，人為因素是一個重要的考慮因素。Schaafsma表示，“人是自動化的實施手段。成功的實施需要在這個過程的早期扮演一個重要角色——或許比我們的使用更早。運營商的需求應該決定自動化的步伐。人們參與技術測試也是非常重要的，這樣，他們才能體驗到他們的未來。”

Schaafsma也質疑駕駛員應該在何種程度上負責在GoA2下的安全運行。“在貨運走廊（Betuweroute），噪音屏幕之間有100 km/h，幾乎沒有任何其他列車，因此，如有必要的話，駕駛員應如何提高警惕進行控制？駕駛員接管時如何保證安全運行？駕駛員如何監控自動裝置是否正確運行？我們還需要考慮如何避免駕駛員和信號員的負擔過重，以及如何用自動化方式吸引駕駛員順利接受變革。”早期部署

盡管Thameslink項目為ATO開創了ETCS的先例，ATO也已成功應用于其他信號系統。巴黎RERA線是世界上最繁忙的郊區鐵路線之一，每天載客120萬人次，或每小時每方向載客量高達70 000人次。該線由一個中心核心組成，在城市的東部有2個支線，西部有3個支線，RER列車與系統外圍的其他列車共享軌道。

阿爾斯通公司在巴黎交通管理局（RATP）授予的價值2,000萬歐元的合同下開發了ATO解決方案。該系統于2017年投入使用，在中央核心控制著5輛MI09雙層動車組和兩輛老式MI2N列車。該線全線100列車將在2018年年底前準備好。

阿爾斯通公司表示已為該項目采用了一個項目特定的虛擬測試平臺，并使用模擬器來加速系統成熟度的增長。模擬系統覆蓋了整個生產線，RATP為虛擬測試臺提供了Sacem硬件和軟件。

在中國，ATO已在東莞—惠州和肇慶—佛山城際線上使用，采用阿爾斯通公司及其聯合體卡斯科公司開發的解決方案。ATO覆蓋CTCS-2級（相當于ETCS 1級），自2016年3月起以200 km/h CRH6的速度運行。

隨著標準化的發展，ATO看起來將成為21世紀20年代主線網絡的一個普遍特征，為長期無人駕駛運行奠定了基礎。