全自動運行系統(tǒng)發(fā)展趨勢及建議

郜春海，王 偉，李 凱，賈慶東

1 全自動運行系統(tǒng)發(fā)展概況1

全自動運行（fully automatic operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)：基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)。如圖1所示，國際公共交通協(xié)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(tǒng)稱為FAO，正常情況下，GoA 3與GoA 4由設(shè)備自動完成各項操作；故障條件下，GoA 3由車上的乘務(wù)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(lǐng)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(tǒng)，目前運行情況良好。根據(jù)國際公共交通聯(lián)合會（UITP）的統(tǒng)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(shù)，40%的既有線改造時將采用FAO技術(shù)。預(yù)計2025年全球?qū)⒂? 300 km全自動運行線路。

2000年以前，我國城市軌道交通建設(shè)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(fā)展，截至2016年底，我國城市軌道交通運營總里程已經(jīng)達到3 687 km。全自動運行系統(tǒng)在客運、維護維修、行車控制方面與既有軌道交通系統(tǒng)相比均有大幅度提升，實現(xiàn)了高可用、高可靠和高安全，是必然的技術(shù)發(fā)展趨勢[2]。目前，我國已有多座城市計劃應(yīng)用，北京后續(xù)規(guī)劃的地鐵3、12、17、19號線，新機場線均按照GoA4等級設(shè)計，上海、成都、南京、南寧等地也在按照全自動運行設(shè)計規(guī)劃后續(xù)部分線路。

鑒于當下我國的軌道交通建設(shè)速度迅猛，建設(shè)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(fā)展的建設(shè)和運營過程中，保證并穩(wěn)步提高服務(wù)水平、運營安全和效率等，特別是如何運營全自動運行系統(tǒng)，通過何種運營方式才可以節(jié)省人力和成本，成為FAO技術(shù)推廣應(yīng)用急需解決的首要任務(wù)。

2 自主化全自動運行系統(tǒng)

目前，全自動運行系統(tǒng)仍是少數(shù)發(fā)達國家掌握的復雜技術(shù)，系統(tǒng)綜合最佳化全自動運行系統(tǒng)更是極少數(shù)國家剛剛開始研究的技術(shù)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性，只有系統(tǒng)地進行研究探索，在核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)計與集成等方面持續(xù)攻關(guān)并取得實質(zhì)性突破，才能實現(xiàn)集成創(chuàng)新，填補國家空白，達到國際領(lǐng)先的地位。因此，研制一套自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動運行系統(tǒng)，打破國外公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷和技術(shù)封鎖，提升我國在國際合作中的技術(shù)和經(jīng)濟地位，通過示范應(yīng)用，推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動運行系統(tǒng)的國產(chǎn)化、系統(tǒng)化、工程化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展尤為重要[2-3]。北京地鐵燕房線為我國第一條自主研發(fā)的全自動運行系統(tǒng)國家級示范應(yīng)用線。

2.1 工程概述

全自動運行系統(tǒng)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(jiān)控、車輛、通信等全部國產(chǎn)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(tǒng)牽頭，組織各專業(yè)進行整體的設(shè)計、研發(fā)、測試，實現(xiàn)全自動運行場景的驗證和接口標準化。

2.2 系統(tǒng)概述

應(yīng)用于北京地鐵燕房線示范工程的自主化全自動運行系統(tǒng)，是由7大專業(yè)、31個子系統(tǒng)，數(shù)十萬個驅(qū)動采集點組合實現(xiàn)安全高效運輸?shù)膹碗s巨型系統(tǒng)[4]。如圖3所示，系統(tǒng)架構(gòu)分為3層，包括中心系統(tǒng)、車站系統(tǒng)和車載系統(tǒng)，紅框標注為相對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)新增的設(shè)備，包括：控制中心增加乘客調(diào)、車輛調(diào)、維護調(diào)；車站增加人員防護和控制開關(guān)；車載增加休眠喚醒模塊。

各層級設(shè)備的功能分工有：中心系統(tǒng)負責監(jiān)控列車運行和服務(wù)乘客；車站系統(tǒng)負責監(jiān)控站內(nèi)設(shè)備；車載系統(tǒng)負責列車的全自動運行。

全自動運行系統(tǒng)根據(jù)列車運行的場景，代替人員操作，由系統(tǒng)根據(jù)計劃自動觸發(fā)控制，實現(xiàn)列車上電、自檢、段內(nèi)行駛、正線區(qū)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(jié)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(tǒng)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(zāi)等故障場景下，實現(xiàn)各系統(tǒng)聯(lián)動的自動處理。

圖3 全自動運行系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture diagram of FAO system

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

2.3 FAO系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC的區(qū)別

全自動運行系統(tǒng)不再設(shè)置司機，CBTC有人駕駛系統(tǒng)由司機進行操作，在FAO系統(tǒng)中，有計劃的操作由系統(tǒng)自動聯(lián)動控制，需要人工判斷或突發(fā)情況由中心遠程控制完成。全自動系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC的主要區(qū)別如下[6]：

1）設(shè)備組成：控制中心增加乘客調(diào)、車輛調(diào)、維護調(diào)；車站增加人員防護和控制開關(guān)；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(xiàn)庫內(nèi)動態(tài)測試及自動入庫停車；車輛段劃分全自動/非全自動區(qū)域，增加隔離設(shè)施。

3）自動化程度提高：ATS與綜合監(jiān)控深度集成為TIAS，實現(xiàn)綜合自動化聯(lián)動控制；原來由司機操作的功能，轉(zhuǎn)為系統(tǒng)自動實現(xiàn)，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(zhuǎn)換為乘務(wù)員，工作由駕駛列車變?yōu)榉?wù)乘客；中心增加調(diào)度人員，進行遠程車輛控制和乘客服務(wù)。

全自動運行相對于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)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(tǒng)CBTC系統(tǒng)性能指標對比Tab. 1 Comparison of performance between FAO and traditional CBTC system

2.4 小結(jié)

FAO系統(tǒng)在國內(nèi)最早翻譯成無人駕駛，或者全自動駕駛系統(tǒng)，通過燕房線的工程實施經(jīng)驗，體會到“全自動運行”系統(tǒng)更能準確地描述FAO系統(tǒng)的內(nèi)涵。

FAO系統(tǒng)是一套高度自動化的系統(tǒng)，其節(jié)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(yōu)先被優(yōu)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(shè)備可靠性來逐步優(yōu)化直至可以完全替代，因此“無人駕駛”容易讓人產(chǎn)生誤解?！叭詣玉{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(shè)備、電力設(shè)備等在內(nèi)的一系列系統(tǒng)的自動化，因此全自動運行可以確切地闡述FAO系統(tǒng)的內(nèi)涵。

3 FAO的特點與發(fā)展趨勢

3.1 自動化程度提高，重復性工作減少

在系統(tǒng)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(tǒng)主要解決了以下三大問題[7]：

1）解決多專業(yè)高效協(xié)同的問題。采用行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，提供更全面的列車監(jiān)控、乘客服務(wù)、綜合維修調(diào)度及輔助決策功能，解決了“7個專業(yè)、31個子系統(tǒng)復雜交互，各個專業(yè)分屬不同平臺部署，數(shù)據(jù)不完全共享；各專業(yè)中間環(huán)節(jié)多，應(yīng)急情況時不能快速及時響應(yīng)；人機界面多，降低人員監(jiān)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(tǒng)，每日發(fā)車前需人工上電喚醒列車，人工完成繁瑣的日檢作業(yè)，耗費人力，效率低下；需要人工執(zhí)行開關(guān)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(yè)。全自動運行系統(tǒng)能夠自動遠程喚醒列車，自動進行靜態(tài)測試和動態(tài)測試，列車自動回庫，自動洗車作業(yè)，遠程休眠列車，自動發(fā)車。

3）解決正線自動化程度低的問題。非全自動運行系統(tǒng)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(zhí)行中心或計劃好的清客任務(wù)；若某個車門或站臺門單獨發(fā)生故障，不能區(qū)別處理；自動折返仍需要司機進行相應(yīng)操作。全自動運行系統(tǒng)根據(jù)列車運行的場景，有計劃地操作，由系統(tǒng)自動根據(jù)時間觸發(fā)，需要人工判斷或突發(fā)情況由中心遠程控制。實現(xiàn)列車上電、自檢、段內(nèi)行駛、正線區(qū)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(tǒng)可以有效減少重復性工作人員的投入。

3.2 設(shè)備可用性提高，損失成本降低

相比于傳統(tǒng)的CBTC線路，有些原本由人完成的職責轉(zhuǎn)變?yōu)橛稍O(shè)備完成，因此全自動運行線路對信號、綜合監(jiān)控、車輛、站臺門、通信等系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平提出了更高的要求[8]。通過增加系統(tǒng)自動檢測以及閉環(huán)驗證，解決檢測檢驗手段有限的問題；通過采用設(shè)備冗余方案，解決單套設(shè)備無法滿足FAO系統(tǒng)對設(shè)備可靠性要求高的問題。

FAO系統(tǒng)的應(yīng)用倒逼各設(shè)備自身的功能和可靠性變得更為強大，原先系統(tǒng)存在的會降低服務(wù)質(zhì)量但不至于中斷運營的故障將會大大減少。如車輛發(fā)車前進行30多項上電自檢和測試，一項不通過禁止發(fā)車，使系統(tǒng)始終處于健康狀態(tài)。另外，F(xiàn)AO系統(tǒng)的調(diào)試周期比傳統(tǒng)CBTC長并不是FAO系統(tǒng)的調(diào)試復雜度上升了很多，而是傳統(tǒng) CBTC線路各專業(yè)系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)試時，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試大綱覆蓋多專業(yè)聯(lián)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(shù)量，從而保證了系統(tǒng)開通試運營后整體的可用性水平提高。

FAO系統(tǒng)的應(yīng)用可以倒逼可靠性水平提升，設(shè)備可用性大大提高，設(shè)備可用性的提高使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，損失成本顯著降低。

3.3 系統(tǒng)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(jiān)控、通信等多系統(tǒng)深度集成，提升軌道交通運行系統(tǒng)的整體自動化水平。在系統(tǒng)集成度上，與非全自動運行線路相比，全自動運行系統(tǒng)主要解決了以下兩大問題：

1）解決統(tǒng)一維護的問題。如采用IMS（綜合維修維護系統(tǒng)）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(yīng)急處理問題。采用云平臺構(gòu)建綜合大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)智能調(diào)整維護庫存?zhèn)浼?、故障歷史數(shù)據(jù)分析、故障趨勢預(yù)警、地鐵客流擁擠指數(shù)，解決維修庫存數(shù)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(tǒng)計等問題（見圖5）。

圖5 基于大數(shù)據(jù)的運營維護管理系統(tǒng)Fig. 5 Operation and maintenance management system based on big data

3.4 小結(jié)

信號系統(tǒng)從早期的固定閉塞制式，經(jīng)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(xiàn)列車自動控制技術(shù)，為城市軌道交通自動化水平的進一步提高奠定了基礎(chǔ)。全自動運行系統(tǒng)也逐步開始備受關(guān)注，并成為城市軌道交通未來的發(fā)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(tǒng)也必將在FAO技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步提高智能化、信息化、自動化水平。

圖6 信號技術(shù)發(fā)展趨勢Fig. 6 Development trend of signal technology

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

4 建設(shè)FAO系統(tǒng)的若干建議

全自動運行系統(tǒng)使得系統(tǒng)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(zāi)等故障場景下，將實現(xiàn)各系統(tǒng)聯(lián)動的自動處理，與非全自動運行系統(tǒng)有較大區(qū)別。應(yīng)用全自動運行系統(tǒng)不是簡單的采用新技術(shù)、新設(shè)備，運營規(guī)則與系統(tǒng)的匹配度會大大影響系統(tǒng)的可用性[10]。FAO系統(tǒng)通過技術(shù)的進步，帶來的運營管理規(guī)則，特別是使人員的配置發(fā)生了重大變化。如圖7所示，運營人員的配置地點、配置數(shù)量、工作職責、工作環(huán)境等，相對于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)均有了較大的變化。

4.1 制定相匹配的運營規(guī)則

在制定運營規(guī)則時應(yīng)遵循“遵循標準、形成場景、應(yīng)對變化”的步驟來進行。首先針對遵循IEC-62267/62290等標準，結(jié)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(xiàn)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(fā)生了變化，從而整編成為新的行之有效的運營規(guī)則。

4.2 分步驟推進FAO線路的應(yīng)用

全自動運行系統(tǒng)是軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)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(xù)全自動運行線路規(guī)劃時，按照GoA4設(shè)計，GoA3運營，通過3～5年的磨合，再逐步過渡到GoA4，使得建設(shè)、運營、維護、乘客等人員適應(yīng)新的全自動運行系統(tǒng)，從而發(fā)揮FAO系統(tǒng)的最大優(yōu)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(tǒng)集成度實現(xiàn)多專業(yè)聯(lián)動

現(xiàn)階段 FAO系統(tǒng)的定義對系統(tǒng)集成并無明確規(guī)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(tǒng)對多系統(tǒng)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(jiān)控、視頻監(jiān)視、乘客信息、廣播、站臺門等多專業(yè)系統(tǒng)深度集成，實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向簡潔化，達到統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、加快系統(tǒng)信息化，結(jié)合云平臺構(gòu)建以行車為核心、面向乘客服務(wù)的綜合行車控制系統(tǒng)，將是全自動運行系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

4.4 建議設(shè)立獨立的運營團隊

與傳統(tǒng)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(yīng)的運營規(guī)則，從而更好地發(fā)揮FAO系統(tǒng)能力，真正為線路運營能力的提升做出貢獻。

5 結(jié)語

綜上所述，全自動運行系統(tǒng)是軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，全自動運行系統(tǒng)并不是簡單的新設(shè)備應(yīng)用，而是新技術(shù)應(yīng)用帶來的運營管理模式的改革。只有結(jié)合今后運營的具體場景和規(guī)則來建設(shè)，才能實現(xiàn)全自動運行系統(tǒng)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(yīng)用前景廣闊，有必要在既有豐碩成果的基礎(chǔ)上規(guī)范FAO的具體要求，可將包括信號、綜合監(jiān)控、PIS（乘客信息系統(tǒng)）、CCTV（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）、PA（通信廣播系統(tǒng)）、站臺門等系統(tǒng)在內(nèi)的更多行車控制系統(tǒng)集成進來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、集成度高、聯(lián)動功能強大的綜合行車控制系統(tǒng)，進一步提升總體自動化水平。

[1] Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part 1: System Principles and Fundamental Concepts: IEC. IEC 62290-1[S]. Geneva:IEC, 2007.

[2] 張艷兵, 王道敏, 肖衍. 城市軌道交通全自動駕駛的發(fā)展與思考[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟, 2015, 37(9): 70-74.ZHANG Yanbing, WANG Daomin, XIAO Yan, Development and thoughts on full-automatic operation of urban rail transit[J]. Railway transport and economy, 2015, 37(9): 70- 74.

[3] 李中浩. 淺析城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J]. 城市軌道交通研究, 2016, 19(Z1): 1-3.LI Zhonghao. A brief analysis of the development trend of urban rail transit signaling system[J]. Urban mass transit,2016, 19(Z1): 1-3.

[4] 肖培龍. 全自動駕駛技術(shù)分類及系統(tǒng)設(shè)備等配置要點[J].鐵路通信信號工程技術(shù), 2016, 13(6): 45-47.XIAO Peilong. Key point of technical classification and system equipment configuration of full automatic system[J].Railway signaling & communication engineering, 2016,13(6): 45-47.

[5] 金華. 城市軌道交通全自動無人駕駛信號系統(tǒng)功能分析[J]. 鐵路計算機應(yīng)用, 2014(1): 61-64.JIN Hua. Analysis for function of full automatic unmanned signal system of urban transit[J]. Railway computer application, 2014(1): 61-64.

[6] 宗明, 郜春海, 何燕. 基于CBTC 控制的全自動駕駛系統(tǒng)[J]. 都市快軌交通, 2006, 19(3): 34-36.ZONG Ming, GAO Chunhai, HE Yan. Full automatic operation system based on CBTC control[J]. Urban rapid rail transit, 2006, 19(3): 34-36.

[7] 朱翔, 王大慶 . 城市軌道交通無人駕駛技術(shù)的若干應(yīng)用問題[J]. 城市軌道交通研究, 2006, 9(12): 36-38.ZHU Xiang WANG Daqing, Application problems of driverless technology in Urban Rail Transit[J]. Urban mass transit, 2006, 9(12): 36-38.

[8] 杜薇. 全自動運行燕房線工程七大核心設(shè)備系統(tǒng)獨立RAMS評估研究[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新, 2015(4): 22-28.DU Wei. Research on independent RAMS evaluation of seven core equipments for automatic operation of Yan Fang railway project[J]. Railway technological innovation,2015(4): 22-28.

[9] 寧濱, 劉朝英 . 中國軌道交通列車運行控制技術(shù)及應(yīng)用[J]. 鐵道學報, 2017, 39(2): 1-7.NING Bin, LIU Chaoying.Technology and application of train operation control system for China rail transit System[J]. Journal of the China railway society, 2017, 39(2):1-7.

[10] 武長海. 城市軌道全自動無人駕駛技術(shù)應(yīng)用探討[J].鐵路通信信號工程技術(shù), 2016, 13(5): 54-58.WU Changhai. Application of full automatic driverless technology in urban rail transit[J]. Railway signal &communication engineering, 2016, 13(5): 54-58.