軌道交通既有線改造為全自動運行系統的關鍵問題分析

宋仲仲

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

全自動運行(Fully Automatic Operation，FAO)系統是基于現代計算機、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軌道交通列車控制系統[1]，已逐漸在各地軌道交通新線中普及應用。目前全球已有40多個城市的軌道交通線網開通運營或規劃有全自動運行線路，總長共超過1 000 km。據國際公共交通協會(UITP)相關數據顯示，2016年以來全自動運行線路正以10倍速的增長趨勢發展。至2025年，全球全自動運行線路的里程將達到2 300 km[2]。

從國家工程實驗室及北京市重點實驗室聯合發布的白皮書[3-4]，到中國城市軌道交通協會團體標準[5]的相繼出臺，可以看出我國的軌道交通全自動運行系統正在快速發展；從最初應用在機場捷運和中低運量線路，到近年來開始在大運量城市軌道交通線路中普及，也說明全自動運行技術從理論到實踐已經逐漸趨于成熟。

目前我國全自動運行技術的發展已相對較為完善，在設計、施工、系統、車輛、設備等方面都已積累了較為豐富的經驗，并且學術領域也有較多的既有研究文獻[1-2，6-7，9-11，14-21]。諸如北京、上海、廣州、成都等城市在新線的規劃和建設中已逐步引入全自動運行系統，但是對于城市軌道交通既有線路，考慮對其進行全自動運行系統的升級改造，國內目前尚無先例，且可參考的文獻也較少。

因此，本文針對軌道交通既有線改造為全自動運行系統進行研究，從土建、系統、運營、施工等方面分析改造過程中的關鍵技術問題，以引起業內更為深入的探究，在一定程度上為后續類似項目的設計及工程實施提供借鑒。

1 必要性分析

1.1 全自動運行系統的優勢

隨著各地軌道交通線網的逐漸成熟，列車運營安全及運行效率變得尤為重要。相較于傳統的CBTC系統，全自動運行系統的優勢主要體現在以下4個方面[6]。

(1)提升系統安全性：全自動運行系統能夠有效減少人為因素的影響，通過采用硬件和軟件冗余措施，利用高可靠性和安全性的通信、信號系統，以及具有準確完善的故障診斷分析與排除功能的車輛等，結合智能化和數字化的綜合監控系統、運營控制中心，來提高整個系統的安全性。

(2)提高運輸能力：全自動運行系統能夠實現列車運行全過程自動化，減少外界因素對列車運營的干擾，進一步提高運輸能力。自動化程度的提高，使系統可以快速、有效地應對運營過程中的擾動，因此也具備更強的針對突發事件的調整能力。

(3)提高運營靈活性：全自動運行系統能夠有效擺脫司機配置和周轉的限制，可依據實際運輸需求靈活調整列車發車間隔，隨時增加或減少上線列車，提升對突發客流的響應能力；有助于實現24 h不間斷的運輸服務；低峰期或夜間以更低的成本提供可變的服務。

(4)降低運營成本：全自動運行系統能夠合理安排列車交會，避免列車交會過程中的啟停，防止同時啟動，控制列車的速度/時間達到最佳性能曲線，進而實現多列車的實時、自動、協同控制；此外，能夠實現列車、機電設備最佳化運行，降低系統整體能耗。

1.2 線路進入改造的窗口期

近年我國城市軌道交通發展態勢迅猛，尤其是北京、上海等一線城市，其初期的幾條線路都在20世紀90年代左右開通，運營時間已經超過20年[7]。這些線路也多為城市骨干線，客流量級較大，然而由于系統及設備的老化，可能會對列車運營造成一定程度的影響：比如，影響列車的準點率，造成較為頻繁的晚點；影響線路的輸送能力，使之不能適應客流需求。因此，這些線路的車輛、系統、設備等將陸續進入更新改造的時間窗口。

而作為引領城市軌道交通領域發展趨勢的最先進、最高效的系統，全自動運行系統能夠在保證安全可靠性的前提下，有效縮短列車的最小行車間隔，進一步提高系統輸送能力，提升列車準點率及旅行速度，增強運營組織的靈活性。因此，全自動運行系統是城市軌道交通既有線改造的重要方向。

2 案例概述

目前國內對既有線改造為全自動運行系統還未進行深入研究，也沒有落地的項目。較為成熟的案例主要集中在歐洲一些城市，如法國巴黎、德國紐倫堡等，其中最具代表性的是巴黎地鐵1號線。

巴黎地鐵1號線全長16.6 km，共設站25座，是巴黎最擁擠、也是線網中運營時間最長的線路，如圖1所示。該項目于2003年開始可行性研究，從2005年正式啟動到2012年全線順利實現全自動運行，前后共歷時7年。整個改造項目的前提條件是不中斷線路的正常運營，所有的施工及系統測試均在天窗期進行。其改造成本約2.6億元/km，其中全自動運行車輛購置費約占整個項目成本的67%。經過改造后，列車最小行車間隔縮短到85s，高峰小時系統輸送能力提高10%；全線配屬車下降至56列；牽引能耗下降了約15%；單位車公里成本降低30%[7]。因此改造后1號線的系統輸送能力和列車服務質量均有較大提高。

圖1 法國巴黎地鐵1號線車站分布示意

隨著地鐵1號線的改造成功，巴黎政府也開始著手研究4號線的全自動運行改造，其預算成本已降為1.5億元/km，預計到2050年巴黎將完成總計6條線路的改造項目。此外，德國紐倫堡U2線也是在不中斷正常運營條件下進行全自動運行改造的線路；倫敦、中國香港等地也已經決定全網改造為全自動運行系統，以進一步提升運輸能力和服務質量；法國的里昂、馬賽，德國的柏林、法蘭克福、漢堡等城市也均在考慮將既有軌道交通線路改造為全自動運行系統。

3 關鍵問題分析

3.1 適應性

(1)繁忙骨干線

在城市軌道交通進入成熟發展期的今天，軌道交通對于居民出行起著越來越重要的作用，承擔的出行比例越來越大。并且隨著城市市域范圍的擴大，居民的出行需求逐漸提高，出行距離日益增大；同時軌道交通線網輻射范圍的逐步擴大，進一步提高了居民出行的可達性，從而吸引了越來越多的客流；進而引起城市核心區骨干線路客流量持續增長，高峰小時斷面客流已經達到或接近于系統能力的極限。

以2018年為例，全國各城市高峰小時斷面客流最大的幾條線路分別為：廣州3號線6.43萬人/h、北京6號線6.06萬人/h、上海11號線5.84萬人/h、北京4號線5.69萬人/h、成都1號線5.54萬人/h，已經遠超系統輸送能力，車廂內站立標準進一步增大，乘客舒適度較差。根據統計，2018年北京、上海、廣州等城市各條線路高峰小時最大斷面客流如圖2所示。

圖2 2018年北京、上海、廣州各線高峰小時斷面客流(單位：萬人/h)

由于其超大客流、超高密度的特點，亟需全方位提高系統能力及運行效率。但受限于折返站折返能力、供電系統、信號系統、場段規模等因素，系統輸送能力很難進一步提高，運營組織靈活性及運營效率也相對較差。因此，在特定時期內對其進行全自動運行改造具有一定的必要性。同時，根據上海地鐵10號線準無人駕駛運營的相關經驗，全自動運行系統受大客流的影響有限；相反，對運能的提高與運行效率的提升效果較為明顯。

(2)進入更新窗口期的線路

根據《城市軌道交通工程項目建設標準》(建標104-2008)[8]中關于固定資產折舊年限的規定，車輛的折舊年限為30年，車輛基地維修設備為18年，通信系統、信號系統、站臺屏蔽門系統等為15年，如表1所示。

表1 固定資產折舊年限

對于開通時間較早，運營年限較長的線路，其車輛、設備、信號系統等即將進入更新的年限，對于這些既有線路，可以利用車輛、信號系統等更新的契機，對其進行全自動運行系統的改造。

3.2 土建方面

(1)車輛段

與傳統車輛段不同，全自動運行車輛段除了滿足常規的功能外，還需具備自動喚醒和休眠、自動出入庫、自動進出正線、自動洗車等功能[9]。因此，對既有場段的改造集中在下述幾個方面。

①將既有車輛段劃分為有人區和無人區，并增加相應的隔離措施、增設門禁系統；同時，需增加列車從無人區走行至有人區的轉換軌(牽出線)，牽出線的長度也需增加。

②由于既有車輛段列檢庫線長度不滿足列車自動喚醒、動態自檢、自動入庫等的要求，因此列檢庫線長度需增加，以滿足信號系統對兩列車之間及列車與車擋之間安全防護距離的要求。如果在土建工程上增加既有庫線的長度，會涉及到拆遷等一系列問題，存在改造費用較高、時間較長、影響運營等諸多弊端，實施難度較大，業主一般也不會選擇此方案。

文獻[10]研究了在保持既有車輛段土建規模不變的條件下，通過變更列車安全制動模型及合理劃分記軸區段，從系統層面解決既有車輛段停車列檢庫線較短的問題，可為庫線長度的改造提供參考。

③列檢庫一般被劃分為全自動運行區域(無人區)[11]，為減少列車進出庫時對檢修維護人員造成干擾，保障人員安全，需要將列檢庫按每2～3股道分設1個防護分區，各防護分區之間具備物理隔離條件。同時為便于檢修人員安全進入庫內各防護分區，庫中間(兩列位之間)應設有人行下穿通道，各防護分區均設置有進出通道，并設有相應的門禁系統，如圖3所示。

圖3 列檢庫有人區與無人區劃分

④為實現車輛段全自動洗車的功能，洗車庫的設備也需要進行升級改造。同時需增加洗車庫內洗車機與相應信號系統的接口，以控制列車準確啟停，滿足全自動洗車的需求。

綜上，相比傳統車輛段，改造的重點及控制點主要是庫線長度的增加、牽出線長度的增加、場段用地的擴大等是否具有條件，建議盡量從系統層面去解決這些難題。

(2)區間

既有線區間設有疏散平臺的，改造時區間疏散平臺應連續貫通，作為應急條件下的逃生、救援的通道，如圖4所示。

圖4 區間疏散平臺

(3)配線

全自動運行線路的配線設置需滿足靈活運營以及故障狀態下緊急救援等的需求。列車故障狀態救援時一般采用人工駕駛救援，需考慮司機的上車時間，包括司機從站廳層到達救援列車(最遠)以及到達故障現場后連掛、推進時被救援列車司機到達被救援列車前端的時間，預計約4 min[12]。

目前一般認為全自動運行列車在故障狀態下為人工駕駛救援，考慮到司機登乘列車的時間，現行GB 50157—2013《地鐵設計規范》[13]規定每8～10 km設置1處停車線是否還滿足要求，停車線之間的間距是否應適當減小，目前對此問題尚沒有統一的定論，因此還需根據實際運營經驗進一步探討論證。而對既有線而言，由于配線方面的改造施工難度較大，因此可針對具體線路的實際情況，在有實施條件的車站進行停車線等配線的改造。

3.3 系統方面

(1)車輛

全自動運行列車需要實現自動喚醒與休眠、自檢、障礙物檢測、車門對位隔離等[14]。國內廠商針對車輛的改造進行了一定的研究，如果改造為全自動運行的車輛，則需要在結構、系統以及其他接口設計等方面進行改造。全自動運行系統的一個主要優勢在于其安全性較高，若將既有車輛進行改造、重組等，則其結構、系統、電路、電纜等方面均會存在安全隱患，無法保證列車的安全性。因此，如本文前述所提，需在車輛等進入報廢更新的窗口期進行改造，改造后重新去采購全自動運行車輛。

(2)信號系統

信號系統是保證軌道交通列車運行安全的重要技術[15]，在全自動運行模式下，其設計理念進行了巨大升級。傳統模式下由司機對列車發出相應操作指令，而全自動運行系統下則由信號設備替代，并在保證列車運行安全的基礎上實現行調和值班員的意圖。對于信號系統的改造主要是相關系統設備的增加及與其他系統接口的增強，如增加相應的車站設備、軌旁設備、車載設備、場段設備、全自動洗車機接口等，增強與通信系統、綜合監控系統、站臺門、車輛等相關接口[16]。

(3)通信系統

根據全自動運行的需求，通信系統方面的改造主要涉及車地無線通信、視頻監視、專用無線等，需要增加區間隧道廣播、區間視頻監控，增強車地通信傳輸帶寬和質量、通信車載設備的穩定性、與車輛的相關接口等。總結而言，通信系統方面的改造主要在于進一步提高其穩定性和可靠性，并增加與其他相關系統的接口功能。

(4)站臺門系統

站臺門系統需增加對位隔離功能，即站臺門對列車門關聯控制，當一方有故障時對應的另一方保持相應的關閉狀態[17-18]。此外，還需增加防夾人檢測功能，作為發車信號的前提條件；就地控制盤(PSL)應由端門處改為設置在站臺公共區域值守人員處；增加與通信信號系統、綜合監控系統、車站值班室等的配合與聯系。

(5)綜合監控系統

采用全自動運行后，各系統的自動化水平顯著提高，系統間的聯動要求做到更加及時、全面和高效。因此，全自動運行的綜合監控系統不僅面向電力調度、環境調度人員，同時應向列車調度人員提供更豐富的信息和聯動方案。除具有常規綜合監控系統所具有的功能外，還需增強車輛故障、火災、乘客報警、站臺門等的聯動和信息整合；增加車輛調度和乘客調度的人機界面及相關功能；增加車載視頻、車載PIS、車載PA和與乘客對講的人機界面及相關控制功能。根據不同的運營場景，提前設置各種預案，實現在全自動運行條件下多系統間的全面高效聯動。

而隨著云計算等新興技術的不斷發展，基于“城軌云”的綜合監控系統等開始逐步在呼和浩特、武漢等軌道交通線路中探索應用[19]。相關系統集成廠商也在此基礎上進一步開發諸如綜合監控系統的手機APP等，全力打造智慧運維系統。雖然實際落地中可能會遇到困難，但由于“城軌云”的優勢明顯，在既有線進行全自動運行改造的過程中也應結合實際，大膽啟用新技術，基于云平臺進一步提高綜合監控等系統集成水平。

3.4 運營方面

對于運營組織方面，關鍵點在于故障或災害條件下的場景設定、降級運行模式、故障列車救援、區間疏散模式，以及運維定員和組織架構的重新考慮等。相較于傳統線路，全自動運行模式下的列車運行指揮架構有了新的調整，人員配備上也有了新的需求[20]。由于全自動運行系統取消了駕駛員，可進一步減少司機定員，采用中心集中控制，可以大幅度減少司機人員配置數量，有效降低運營成本。控制中心需設置乘客調、車輛調和維修調席位，將司機的工作通過高度集成的系統由控制中心相應調度崗位來實現。設置適應全自動運行系統的車站運維組織機構，弱化或簡化車站行車調度人員配置，通過多職能巡視隊伍參與運營管理，組織疏導乘客上下車，出現異常情況時疏散乘客、上車駕駛，輔助控制中心進行行車管理以及參與必要的維修工作等。

3.5 施工方面

施工過程中面臨的最大困難即整個改造項目實施過程中，必須不中斷線路的正常運營，并保證乘客以及工作人員的安全[7]，這也是既有線進行全自動運行改造的前提條件。另外，改造項目的施工及系統測試都需要在運營時段外進行，時間非常有限，進而將導致整個工期的延續時間較長。因此，建議在改造過程中應合理安排工期，并在夜間天窗期進行施工和測試。

4 結論及建議

全自動運行技術代表著城市軌道交通未來的發展趨勢，目前國內針對既有線改造為全自動運行系統的相關研究較少，從必要性、適應性、土建、系統、運營、施工等方面對關鍵問題進行初步分析，認為對既有線進行全自動運行改造具備一定的可行性。研究成果可為類似項目的研究和實施提供借鑒，并引起業內更深入的探究，主要結論及建議如下。

(1)全面推進城市軌道交通的高質量發展。目前宏觀經濟大環境對城市軌道交通的發展依然有利，“十四五”期間也是我國城市軌道交通向高質量發展轉型的關鍵時期，軌道交通行業內也在積極推動全自動運行系統的應用以及智慧地鐵的建設。如廣州地鐵已在第三期建設規劃中全面推進智慧地鐵的實施，并改造廣州塔等車站作為智慧車站的示范工程；而針對軌道交通既有線，目前僅有中國香港決定全網改造為全自動運行系統。基于當前形勢，建議國家部委加強政策引導，著力研究編制全自動運行的核心技術標準，綜合運用項目審批等措施，支持全自動運行的發展及智慧地鐵的建設；地方政府及業主單位加強規劃設計，著眼于未來發展，統籌布局新線的建設和既有線的改造。

(2)基于線網層面布局全自動運行線路。智慧地鐵、全自動運行等已經成為城市軌道交通的發展趨勢，經過20多年的歷程，我國各地軌道交通線網正逐步邁入成熟期，因此下階段必須努力提高軌道交通服務質量，而對既有線進行全自動運行系統的改造則是其中一個重要方式。但是，如果僅針對單條線路進行改造研究，其成本將會非常大，并且不利于線網的資源共享及網絡化運營。因此，需從線網的角度出發對全自動運行系統的發展進行戰略布局，同時也要避免建設“嶄新的落后的新線”，對新建線路做好全自動運行系統的預留，特別是場段用地規模等土建預留，遠期再進行改造也能夠有效降低成本。

(3)針對具體線路認真研究其改造為全自動運行系統的必要性。如前文所述，我國一線城市開通時間較早的一些繁忙骨干線已經或即將面臨改造和系統設備更新的問題，地鐵公司及設計單位應在充分尊重事實的基礎上，客觀分析其必要性，基于線網、系統等層面進行考慮，利用車輛、設備等更新的契機，對信號系統、列控系統等進行同步升級改造。

(4)在新建全自動運行線路的基礎上進行改造。對既有線進行改造之前，線網中最好已有建成運營的全自動運行線路，并通過3～5年逐漸過渡到GOA4等級運營[21]，使建設、運營、乘客等各方全面適應全自動運行系統，同時運營部門也能夠積累經驗，培養人員，后續再逐步對線網中的既有線進行全自動運行系統的改造。

(5)對于適宜進行全自動運行改造的線路，應從網絡層面提前開展前期研究。建議地鐵公司及軌道交通管理部門基于線網的遠期發展，著手研究既有線進行全自動運行改造的相關問題，對改造過程中的難點和技術問題有清晰的認識，并盡快開展改造施工技術、系統集成、運營管理、維修模式、組織架構、機電設備研發等相關專題研究。由地鐵公司牽頭，盡快成立集科研、設計、運營、施工、系統集成等于一體的綜合團隊開展前期工作，積累經驗，儲備相關技術人才，進一步推動我國城市軌道交通高質量發展。