全自動運行系統發展趨勢及建議

郜春海，王 偉，李 凱，賈慶東

1 全自動運行系統發展概況1

全自動運行（fully automatic operation，FAO）系統：基于現代計算機、通信、控制和系統集成等技術實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統。如圖1所示，國際公共交通協會（UITP）將列車運行的自動化等級（GoA）劃分為4級[1]。

GoA3級和GoA4級統稱為FAO，正常情況下，GoA 3與GoA 4由設備自動完成各項操作；故障條件下，GoA 3由車上的乘務員處置故障，而GoA 4等級則需由地面派人到車上進行處置。

圖1 GoA等級劃分Fig. 1 GoA gradation

近年來地鐵自動化在全球軌道交通領域日漸升溫，巴黎、新加坡、洛桑、迪拜、紐倫堡、哥本哈根等城市地鐵都已引入全自動運行系統，目前運行情況良好。根據國際公共交通聯合會（UITP）的統計，截至2017年3月份，全球UTO運營線路共56條，里程達到850 km。國外75%新線將采用FAO技術，40%的既有線改造時將采用FAO技術。預計2025年全球將有2 300 km全自動運行線路。

2000年以前，我國城市軌道交通建設相對滯后，軌道交通運營總長度、密度及負擔客運比例均遠低于世界平均水平，2000年后迅猛發展，截至2016年底，我國城市軌道交通運營總里程已經達到3 687 km。全自動運行系統在客運、維護維修、行車控制方面與既有軌道交通系統相比均有大幅度提升，實現了高可用、高可靠和高安全，是必然的技術發展趨勢[2]。目前，我國已有多座城市計劃應用，北京后續規劃的地鐵3、12、17、19號線，新機場線均按照GoA4等級設計，上海、成都、南京、南寧等地也在按照全自動運行設計規劃后續部分線路。

鑒于當下我國的軌道交通建設速度迅猛，建設運營模式也隨著PPP案例的增加趨于復雜化，如何在如此高速發展的建設和運營過程中，保證并穩步提高服務水平、運營安全和效率等，特別是如何運營全自動運行系統，通過何種運營方式才可以節省人力和成本，成為FAO技術推廣應用急需解決的首要任務。

2 自主化全自動運行系統

目前，全自動運行系統仍是少數發達國家掌握的復雜技術，系統綜合最佳化全自動運行系統更是極少數國家剛剛開始研究的技術，具有很大的技術挑戰性，只有系統地進行研究探索，在核心技術、關鍵設備、系統設計與集成等方面持續攻關并取得實質性突破，才能實現集成創新，填補國家空白，達到國際領先的地位。因此，研制一套自主知識產權的全自動運行系統，打破國外公司在該領域的技術壟斷和技術封鎖，提升我國在國際合作中的技術和經濟地位，通過示范應用，推動具有自主知識產權的全自動運行系統的國產化、系統化、工程化和產業化發展尤為重要[2-3]。北京地鐵燕房線為我國第一條自主研發的全自動運行系統國家級示范應用線。

2.1 工程概述

全自動運行系統國家示范工程——北京地鐵燕房線工程由主線、支線兩部分組成（見圖2），主線長約14.4 km；支線長約6.1 km，初、近期采用4輛編組，信號、綜合監控、車輛、通信等全部國產化，已于2017年年底開通試運營。

圖2 燕房線線路Fig. 2 Yanfang Line

組織形式由信號系統牽頭，組織各專業進行整體的設計、研發、測試，實現全自動運行場景的驗證和接口標準化。

2.2 系統概述

應用于北京地鐵燕房線示范工程的自主化全自動運行系統，是由7大專業、31個子系統，數十萬個驅動采集點組合實現安全高效運輸的復雜巨型系統[4]。如圖3所示，系統架構分為3層，包括中心系統、車站系統和車載系統，紅框標注為相對于傳統CBTC系統新增的設備，包括：控制中心增加乘客調、車輛調、維護調；車站增加人員防護和控制開關；車載增加休眠喚醒模塊。

各層級設備的功能分工有：中心系統負責監控列車運行和服務乘客；車站系統負責監控站內設備；車載系統負責列車的全自動運行。

全自動運行系統根據列車運行的場景，代替人員操作，由系統根據計劃自動觸發控制，實現列車上電、自檢、段內行駛、正線區間行駛、車站停車及啟動、清客、列車回段、休眠斷電、洗車等全過程自動控制。整個過程遵循IEC—62267/62290等標準，結合中國軌道交通特點，形成全自動運行場景[5]，如圖 4所示，共包含41個場景，正常運行場景18個，異常運行場景23個，使得系統自動化水平整體提升，障礙物檢測、雨雪模式，車門故障，站臺火災等故障場景下，實現各系統聯動的自動處理。

圖3 全自動運行系統架構Fig. 3 Architecture diagram of FAO system

圖4 全自動運行系統場景Fig. 4 Scene graph of FAO system

2.3 FAO系統與傳統CBTC的區別

全自動運行系統不再設置司機，CBTC有人駕駛系統由司機進行操作，在FAO系統中，有計劃的操作由系統自動聯動控制，需要人工判斷或突發情況由中心遠程控制完成。全自動系統與傳統CBTC的主要區別如下[6]：

1）設備組成：控制中心增加乘客調、車輛調、維護調；車站增加人員防護和控制開關；車載增加休眠喚醒模塊。

2）車輛段土建：停車列檢庫長度增加，實現庫內動態測試及自動入庫停車；車輛段劃分全自動/非全自動區域，增加隔離設施。

3）自動化程度提高：ATS與綜合監控深度集成為TIAS，實現綜合自動化聯動控制；原來由司機操作的功能，轉為系統自動實現，包括列車自動休眠、喚醒、全自動運行、全自動洗車等。

4）運營人員職責變化：司機角色轉換為乘務員，工作由駕駛列車變為服務乘客；中心增加調度人員，進行遠程車輛控制和乘客服務。

全自動運行相對于傳統的CBTC系統有更高的性能指標要求，如表1所示。

表1 全自動運行與傳統CBTC系統性能指標對比Tab. 1 Comparison of performance between FAO and traditional CBTC system

2.4 小結

FAO系統在國內最早翻譯成無人駕駛，或者全自動駕駛系統，通過燕房線的工程實施經驗，體會到“全自動運行”系統更能準確地描述FAO系統的內涵。

FAO系統是一套高度自動化的系統，其節省的成本來自于重復性勞動的降低，而非簡單地去掉司機，其最有可能優先被優化掉的崗位是類似于信號樓值班員等計劃性高、工作重復性高的崗位。誠然，司機的駕駛職責重復度高，但是仍然有很多類似于故障處理等重復度低的工作，這些工作需要通過提高設備可靠性來逐步優化直至可以完全替代，因此“無人駕駛”容易讓人產生誤解。“全自動駕駛”的翻譯來源于ATO譯為“自動駕駛”的思路，但是FAO不僅僅是針對列車的，而是包含車站機電設備、電力設備等在內的一系列系統的自動化，因此全自動運行可以確切地闡述FAO系統的內涵。

3 FAO的特點與發展趨勢

3.1 自動化程度提高，重復性工作減少

在系統自動化程度上，與非全自動運行線路進行對比分析，全自動運行系統主要解決了以下三大問題[7]：

1）解決多專業高效協同的問題。采用行車指揮為核心的綜合監控系統，提供更全面的列車監控、乘客服務、綜合維修調度及輔助決策功能，解決了“7個專業、31個子系統復雜交互，各個專業分屬不同平臺部署，數據不完全共享；各專業中間環節多，應急情況時不能快速及時響應；人機界面多，降低人員監控以及處理的辦公效率等問題”。

2）解決車輛段運行效率低的問題。非全自動運行系統，每日發車前需人工上電喚醒列車，人工完成繁瑣的日檢作業，耗費人力，效率低下；需要人工執行開關列檢庫車庫門的操作；需要司機手動駕駛列車回庫，人工駕駛列車進行清掃/洗車作業。全自動運行系統能夠自動遠程喚醒列車，自動進行靜態測試和動態測試，列車自動回庫，自動洗車作業，遠程休眠列車，自動發車。

3）解決正線自動化程度低的問題。非全自動運行系統下，若ATO未精確停車，需退出ATO模式，司機手動對標；司機需人工執行中心或計劃好的清客任務；若某個車門或站臺門單獨發生故障，不能區別處理；自動折返仍需要司機進行相應操作。全自動運行系統根據列車運行的場景，有計劃地操作，由系統自動根據時間觸發，需要人工判斷或突發情況由中心遠程控制。實現列車上電、自檢、段內行駛、正線區間行駛、車站停車及啟動、清客、端站折返、列車回段、休眠斷電、洗車等全過程自動控制。FAO系統可以有效減少重復性工作人員的投入。

3.2 設備可用性提高，損失成本降低

相比于傳統的CBTC線路，有些原本由人完成的職責轉變為由設備完成，因此全自動運行線路對信號、綜合監控、車輛、站臺門、通信等系統的技術裝備水平提出了更高的要求[8]。通過增加系統自動檢測以及閉環驗證，解決檢測檢驗手段有限的問題；通過采用設備冗余方案，解決單套設備無法滿足FAO系統對設備可靠性要求高的問題。

FAO系統的應用倒逼各設備自身的功能和可靠性變得更為強大，原先系統存在的會降低服務質量但不至于中斷運營的故障將會大大減少。如車輛發車前進行30多項上電自檢和測試，一項不通過禁止發車，使系統始終處于健康狀態。另外，FAO系統的調試周期比傳統CBTC長并不是FAO系統的調試復雜度上升了很多，而是傳統 CBTC線路各專業系統相對孤立，無法交叉驗證，開通時問題暴露不夠充分，作為尾工遺留到載客運營階段，影響運營。在FAO線路系統調試時，系統聯調聯試大綱覆蓋多專業聯動場景，問題暴露手段大大提升，極大地減少了尾工遺留的數量，從而保證了系統開通試運營后整體的可用性水平提高。

FAO系統的應用可以倒逼可靠性水平提升，設備可用性大大提高，設備可用性的提高使系統運行更加穩定，損失成本顯著降低。

3.3 系統集成度提高，維護成本降低

以行車為核心，信號與車輛、綜合監控、通信等多系統深度集成，提升軌道交通運行系統的整體自動化水平。在系統集成度上，與非全自動運行線路相比，全自動運行系統主要解決了以下兩大問題：

1）解決統一維護的問題。如采用IMS（綜合維修維護系統）可減少信息誤報、漏報，獲取信息不及時，維護流程繁冗耗時，對用戶支持不友好等問題。

2）解決不同需求及場景的應急處理問題。采用云平臺構建綜合大數據中心，實現智能調整維護庫存備件、故障歷史數據分析、故障趨勢預警、地鐵客流擁擠指數，解決維修庫存數量不清、故障原因難定位、故障趨勢難掌握、地鐵客流量變化無法統計等問題（見圖5）。

圖5 基于大數據的運營維護管理系統Fig. 5 Operation and maintenance management system based on big data

3.4 小結

信號系統從早期的固定閉塞制式，經過準移動閉塞制式，正式進入以CBTC為代表的移動閉塞制式，實現列車自動控制技術，為城市軌道交通自動化水平的進一步提高奠定了基礎。全自動運行系統也逐步開始備受關注，并成為城市軌道交通未來的發展趨勢[9]（見圖 6）。今后隨著智能化水平的提高，整個信號系統也必將在FAO技術的基礎上進一步提高智能化、信息化、自動化水平。

圖6 信號技術發展趨勢Fig. 6 Development trend of signal technology

圖7 全自動運行系統下人員配置Fig. 7 Staffing of FAO system

4 建設FAO系統的若干建議

全自動運行系統使得系統自動化水平整體提升，障礙物檢測、雨雪模式，車門故障，站臺火災等故障場景下，將實現各系統聯動的自動處理，與非全自動運行系統有較大區別。應用全自動運行系統不是簡單的采用新技術、新設備，運營規則與系統的匹配度會大大影響系統的可用性[10]。FAO系統通過技術的進步，帶來的運營管理規則，特別是使人員的配置發生了重大變化。如圖7所示，運營人員的配置地點、配置數量、工作職責、工作環境等，相對于傳統的CBTC系統均有了較大的變化。

4.1 制定相匹配的運營規則

在制定運營規則時應遵循“遵循標準、形成場景、應對變化”的步驟來進行。首先針對遵循IEC-62267/62290等標準，結合本地軌道交通特點，形成符合專用的全自動運行場景說明書，場景說明書必須涵蓋運營出現的正常場景和故障場景。通過場景分析識別出哪些崗位職責發生了變化，從而整編成為新的行之有效的運營規則。

4.2 分步驟推進FAO線路的應用

全自動運行系統是軌道交通信號系統發展的必然趨勢，首條FAO線路可選擇客流量較小的線路。同時建議在后續全自動運行線路規劃時，按照GoA4設計，GoA3運營，通過3～5年的磨合，再逐步過渡到GoA4，使得建設、運營、維護、乘客等人員適應新的全自動運行系統，從而發揮FAO系統的最大優勢。

在各方面水平達到時，可進行進一步的推廣，采用FAO將全面提升線路的運營能力。

4.3 提高系統集成度實現多專業聯動

現階段 FAO系統的定義對系統集成并無明確規定和要求，但是隨著城市軌道交通自動化水平的提高，全自動運行系統對多系統間的信息交互的準確性、及時性等會提出更高的要求。因此，通過將信號、綜合監控、視頻監視、乘客信息、廣播、站臺門等多專業系統深度集成，實現系統間的數據流向簡潔化，達到統一數據源、加快系統信息化，結合云平臺構建以行車為核心、面向乘客服務的綜合行車控制系統，將是全自動運行系統技術發展的必然趨勢。

4.4 建議設立獨立的運營團隊

與傳統CBTC相比，全自動運行的運營場景及運營理念有明顯不同，為避免混淆，建議組建相對獨立的運營團隊，針對FAO制定相應的運營規則，從而更好地發揮FAO系統能力，真正為線路運營能力的提升做出貢獻。

5 結語

綜上所述，全自動運行系統是軌道交通信號系統發展的必然趨勢，全自動運行系統并不是簡單的新設備應用，而是新技術應用帶來的運營管理模式的改革。只有結合今后運營的具體場景和規則來建設，才能實現全自動運行系統自動化水平提升所帶來的人力和各項成本的顯著降低。

我國FAO應用前景廣闊，有必要在既有豐碩成果的基礎上規范FAO的具體要求，可將包括信號、綜合監控、PIS（乘客信息系統）、CCTV（視頻監控系統）、PA（通信廣播系統）、站臺門等系統在內的更多行車控制系統集成進來，實現數據源統一、集成度高、聯動功能強大的綜合行車控制系統，進一步提升總體自動化水平。

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