全自動無人駕駛系統(tǒng)在地鐵既有線改造中的機遇和挑戰(zhàn)

吳 嘉 史海歐

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，510010,廣州//第一作者,高級工程師)

自1983年全球首條全自動駕駛線路投入運營至今，全球已有40多個城市的軌道線網(wǎng)擁有全自動駕駛線路，總長近1 000 km，全自動駕駛系統(tǒng)已得到廣泛應用。

根據(jù)IEC 62290-1—2014《鐵路應用——城市軌道交通管理與控制系統(tǒng)第I部分 系統(tǒng)原則和基本原理》[1]，軌道交通的自動化程度可以被分為GoA 0(無ATP防護，目視下的人工駕駛)—GoA 4共5個等級。其中，GoA 4等級實現(xiàn)了列車自動喚醒、起動、休眠、出入庫、清洗、起停、行車、開關(guān)門等功能，完全實現(xiàn)了對人工的替代[2]，是真正意義上的全自動駕駛系統(tǒng)。

隨著中國城市軌道交通的發(fā)展，尤其是“北上廣”等一線城市的線網(wǎng)發(fā)展已歷時多年，很多線路已經(jīng)或即將面臨改造和系統(tǒng)更新的課題。為此，實現(xiàn)城市軌道交通最先進、最高效的系統(tǒng)——GoA 4等級的全自動駕駛系統(tǒng)，是舊線改造中非常值得考慮的一個選項。

1 全自動無人駕駛系統(tǒng)在地鐵既有線路改造中的案例分析

1.1 巴黎地鐵1號線改造

1.1.1 項目背景

巴黎地鐵1號線于1900年投入運營，是一條重要的城市軸線，連接了多個商務區(qū)和文化旅游景點，日客運量超過70萬人次，是巴黎客流量最大的線路；但與此同時，大客流和設備老化造成了越來越頻繁的晚點，系統(tǒng)運能也難以進一步提升，配屬車輛使用壽命也即將到期，更新改造迫在眉睫，亟需一個行之有效的解決方案。

需要指出的是，于1997年投入運營的以全自動駕駛標準建設的巴黎14號線獲得了巨大成功，其運營準點率顯著改善，運營靈活性增強，由乘客引起的運營延誤明顯減少，故障率下降，運營維護工作量也大都減少，獲得了乘客和運營商的廣泛贊譽。這為巴黎地鐵1號線進行全自動化改造堅定了信心，并積累了珍貴的技術(shù)能力和工程經(jīng)驗。

1.1.2 改造項目實施過程

巴黎地鐵1號線自動化升級改造項目的可行性研究始于2003年。項目的重點內(nèi)容包括：分析現(xiàn)有運營條件，確定系統(tǒng)功能，分段實施與切換(新老系統(tǒng)過渡)，OCC(運營控制中心)改造，CBTC(基于通信的列車控制)選擇，屏蔽門安裝，新車輛系統(tǒng)的采購，新增視頻音頻信息設備等[3]。

該項目從2005年11月正式啟動，按照“分階段進行，逐步切換”的原則實施，主要系統(tǒng)均分步驟逐一實施，最終實現(xiàn)完整系統(tǒng)的上線。改造中最為關(guān)鍵的階段是新老系統(tǒng)的過渡。這是在新的信號系統(tǒng)、屏蔽門、OCC等設備安裝調(diào)整完成之后，全新的無人駕駛列車逐漸上線，原有系統(tǒng)與新系統(tǒng)共存同時運營，并逐步用無人駕駛車輛取代有人駕駛車輛的過程。這一階段允許在必要時切回老系統(tǒng)，為過渡期保留了磨合和測試的時間窗口。該階段歷時超過了1年，最終順利實現(xiàn)預定目標。

另外，針對最終需要實現(xiàn)的目標，巴黎公交總公司更新了線路的運營和維修規(guī)程，并對運營和維修人員進行了為期6個月的培訓，為最終改造工程達到預期效果提供了人力保障。

整個項目的自動化改造是在不中斷線路運營的情況下完成的，除了少數(shù)關(guān)鍵節(jié)點要求線路運營提前收車，所有施工和測試均在客運服務時段以外進行，改造期間整個線路運營未受任何影響和干擾。

1.1.3 改造成本及參與方

項目實施中，由巴黎公交總公司牽頭，召集了多家國際知名的軌道交通車輛及通信信號領(lǐng)域的供貨商一起參與，構(gòu)建了強大的技術(shù)研發(fā)團隊和項目管理團隊。項目預算及供應商如圖1所示。

圖1 巴黎地鐵1號線自動化改造項目預算構(gòu)成及供應商

整個改造項目中的成本約為6億歐元，其中車輛采購成本占據(jù)了整個預算的2/3，此外安裝屏蔽門和搬遷OCC場地也花費了一定的預算。

1.1.4 改造效果

巴黎地鐵1號線改造之后實現(xiàn)了如下技術(shù)性能上的提升：

1) 車輛實現(xiàn)了全自動無人駕駛(GoA4)，由列車運行自動化系統(tǒng)自動控制，列車在全線任何地點都能自動停車或起動。

2) 黏著系數(shù)大幅下降，保證了高架區(qū)段在惡劣氣候條件下列車也能安全運行。

3) 增加了視頻監(jiān)控系統(tǒng)和半高站臺門，由控制中心實現(xiàn)集中監(jiān)控，并與信號系統(tǒng)互聯(lián)。

4) 車地間無線通信以及列車運行控制設備ATO/ATC(列車自動運行/列車自動控制)實現(xiàn)了通用性和可互換性，以符合相關(guān)歐洲規(guī)范的要求。

巴黎地鐵1號線實現(xiàn)全自動駕駛的優(yōu)點是多方面的，效果也立竿見影，具體體現(xiàn)在：

1) 降低了最小行車間隔，理論的最小行車間隔從105 s縮短到85 s，提升了20%。

2) 車輛配屬數(shù)由59列下降至56列。

3) 因為取消了駕駛室，并優(yōu)化了內(nèi)部客室布置，單車定員提升了6%。

4) 平均旅行速度從24.4 km/h提升到30.0 km/h。

5) 運行的牽引能耗下降了約10%～15%(對列車時速的優(yōu)化控制可以在降低能耗的同時達到最佳性能，全自動駕駛車速更均衡，因此對車輛設備的損耗也更少，通過使用車輛的再生制動電力，可以系統(tǒng)性地幫助其他車輛啟動)。

6) 線路準點率顯著提高。巴黎地鐵1號線改造后與同為全自動駕駛的14號線處于相同的水平，2014年的準點率達到了99.2%[4]，遠遠超越了其他傳統(tǒng)線路，如圖2所示。

圖2 巴黎地鐵準點率變化圖

綜合上述可量化的指標，巴黎地鐵1號線的改造工程全面提升了運能和服務質(zhì)量，優(yōu)化了車輛配置，提高了乘客的安全性和舒適度，提升了交通服務的反應速度和對客流的適應性。

1.1.5 后續(xù)計劃

巴黎地鐵1號線成為了全球首條在線路改造期間維持正常運營的線路。通過這一項目，巴黎地鐵在舊線改造的成本控制和工期控制方面積累了豐富經(jīng)驗，為今后其它既有線路的升級改造積累了技術(shù)能力，也增強了信心。

鑒于此，2013年，巴黎大區(qū)交通管理局授權(quán)開始對地鐵4號線的全自動化改造進行技術(shù)研究，工程預算為2.56億歐元[5]。項目于2014年開工，預計將于2022年完工。這僅僅是巴黎龐大改造計劃的開端。根據(jù)長遠規(guī)劃，預計將在2050年前完成對總計6條線路的全自動駕駛升級改造。

1.2 其他城市的全自動化改造案例

地鐵舊線全自動化改造的案例主要集中在歐洲城市，較為典型的還有德國紐倫堡的U2和U3線。2009—2010年，紐倫堡地鐵U2線上實現(xiàn)了新建U3線的全自動駕駛列車與有人駕駛列車的混跑，此后，U2線也實現(xiàn)了全自動駕駛的改造[6]。這是繼巴黎地鐵1號線后全球第2條在不中斷線路運營服務的情況下進行全自動化改造的線路。

但對傳統(tǒng)線路的全自動駕駛改造也有不成功的案例，柏林地鐵5號線以及倫敦地鐵銀禧線延伸段的全自動駕駛改造項目都中途放棄了。柏林的失敗原因有多個：項目執(zhí)行方兩家公司之間的合作關(guān)系解體造成了項目停滯；相關(guān)規(guī)劃高估了區(qū)域的人口增速，從而造成了整個柏林地區(qū)的交通供給過大；東、西德合并后由于社會成本過高使政府財政緊張，在這一背景下，地鐵線路的全自動化改造被認為是一個“復雜、昂貴且不確定性高”的投資。

2 既有線路全自動化改造的挑戰(zhàn)

2.1 施工過程中的挑戰(zhàn)

在不中斷線路運營的情況下完成自動化改造施工，并確保乘客與工作人員的安全，是此類項目最大的挑戰(zhàn)。所有施工和測試都在運營時段以外進行，提供給安裝和測試的時間窗口非常有限，導致整個工期延續(xù)時間非常長。

從有人到無人駕駛的過渡階段，是原有系統(tǒng)與新系統(tǒng)共存并同時運營，進而逐步替代的過程，也是整個改造項目中最為關(guān)鍵的一個階段：既是切換升級的階段，也是測試驗證和磨合的階段，更是人員培訓的階段。這一階段也是風險暴露最為集中的時期，因此對這一階段運營和測試的精細化管理是整個切換過程的關(guān)鍵。

從信號系統(tǒng)和屏蔽門安裝完畢、首批新車上線開始，到新車測試完成、舊車退出正線運營，巴黎地鐵1號線過渡階段持續(xù)了近1年半的時間。其應對措施包括：

1) 對分段調(diào)試進行專項安全分析，提前識別并分析過渡階段和切換過程中的相關(guān)風險。

2) 在阿爾斯通位于瓦朗謝訥的車輛測試中心完成新列車的聯(lián)調(diào)工作。

3) 使用專業(yè)模擬工具在車輛廠內(nèi)實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的集成和驗證工作。

4) 設置“運營/調(diào)試”的切換系統(tǒng)，利用夜間測試新系統(tǒng)的配置。

2.2 運營過程中的挑戰(zhàn)

從組織的角度，由于全自動駕駛系統(tǒng)采用了全新的理念，導致對人員和崗位構(gòu)成提出了新的要求，需要將原來的列車司機重新分配到其他工作崗位。同時還需要提高現(xiàn)有員工的技能或招聘新的員工以保證全自動駕駛線路的運營與維修。

對人員素養(yǎng)和運營管理的高要求體現(xiàn)在：

1) 在控制中心，相關(guān)的監(jiān)控人員必須具備較高的專業(yè)知識和處理問題的能力，因為原本駕駛員負責的監(jiān)控職責被控制中心的人員所取代。

2) 在線上和隨車需要設置多職能的在線工作隊伍，他們不但需要在降級或故障模式下及時介入人工駕駛，還需要監(jiān)控和檢視其他線上的相關(guān)設備，培訓這樣一支高素質(zhì)的隊伍，以保證系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。

3) 在降級模式下，需要對故障或事故進行人工干預時，要求運營人員訓練有素，及時介入，并應提前編制運營者的處置規(guī)程，并在執(zhí)行過程中對運營管理提出更高的應急處置能力要求。

巴黎地鐵自從14號線開通和1號線完成改造以來，運營組織發(fā)生了以下兩個明顯的變化：一是引入了在線多職能巡查隊，替代了原有的司機這一崗位，這需要對人員進行充分培訓，培養(yǎng)復合型人才以適應無人駕駛線路的要求；二是維修隊伍和運營隊伍之間的工作關(guān)系更為緊密，界限更為模糊，運營和維修效率明顯提高，成本明顯下降。

2.3 對管理者和決策者的挑戰(zhàn)

全自動化改造不僅僅是一次設備的升級，而是系統(tǒng)集成方式的一次飛躍，更是對傳統(tǒng)地鐵運維組織構(gòu)架的一次革命，因此對運營管理者提出了更高的要求。

首先在改造之初，需要運營管理者和決策者對系統(tǒng)改造后的目標進行清晰的界定，對相對應的組織構(gòu)架及各崗位所需的人員素質(zhì)有清晰的認識，并制訂完善的運維組織方案和人員培訓計劃。

其次，在改造過程中，需要對供貨商進行有效的整合管理，由于此類改造不僅是簡單的設備層面的升級，而是系統(tǒng)層面的集成，需要運營商在技術(shù)與財政等領(lǐng)域進行復雜的設計和流程管理。這需要運營管理單位在工程施工、項目管理與系統(tǒng)風險控制方面具備足夠的專業(yè)經(jīng)驗和知識，保證整個項目的可控性。

3 舊線全自動化改造的適應性和必要性

基于GoA 4的全自動駕駛系統(tǒng)利用了先進的通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等，實現(xiàn)了完全自動化的、高度集成的列車運行。較之傳統(tǒng)線路，其具有縮短最小行車間隔、提升運能上限、提升準點率、降低整體系統(tǒng)能耗、降低人員依賴度、提高運營組織的靈活性和對突發(fā)客流的適應性及反應能力等諸多優(yōu)勢。

國內(nèi)城市在中低運量的軌道線路上開始逐步推廣全自動駕駛技術(shù)，如北京機場線、廣州珠江新城APM線、上海浦江線等。在大運量城市軌道交通領(lǐng)域，上海地鐵10號線也實現(xiàn)了GoA 3等級(有人值守下列車自動運行DTO)。另外有多座城市在新建線路中考慮按照GoA 4等級進行設計建設，如上海軌道交通14號線、南京地鐵7號線等。但對于既有線路，考慮基于GoA 4等級進行升級改造，國內(nèi)尚無先例。

3.1 全自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展前景

全自動駕駛系統(tǒng)從最初應用在機場的旅客運輸系統(tǒng)和中低運量線路，近年來已經(jīng)完全在大運量城市軌道線網(wǎng)中普及，迪拜、新加坡、哥本哈根等城市在新建軌道線路時均采用全自動化模式設計?？梢哉f無人駕駛已是一項成熟的技術(shù)，無論是設計、施工、車輛、設備、系統(tǒng)集成等多個方面都已積累了豐富的經(jīng)驗。

IEC 62290—2014《鐵路應用——城市軌道交通管理與控制系統(tǒng)》和IEC 62267—2009《鐵路應用——城市軌道交通自動化安全需求》等標準的頒布，也從一個側(cè)面說明了全自動駕駛從理論到實踐已經(jīng)趨于成熟，并得到廣泛的認可[7]。

國內(nèi)的裝備制造業(yè)近年來也發(fā)展迅速，自主化系統(tǒng)集成、安全運行技術(shù)、信號系統(tǒng)、車輛裝備都取得了重要的進展，智能化、集成化、自動化的趨勢顯著，這也為國內(nèi)軌道交通裝備升級奠定了基礎。

3.2 國內(nèi)一線城市面臨升級改造的時間窗口

北京、上海、廣州等一線城市初期的幾條線路均于20世紀90年代開通,運營時間已超過20年，其設備和車輛將陸續(xù)進入更新改造的時間窗口。因此，現(xiàn)階段應著手研究其全自動化升級改造方案，基于系統(tǒng)層面進行謀劃；并利用車輛更新的契機，對行車控制和信號系統(tǒng)進行同步升級，將GoA 2(半自動列車運行STO，司機監(jiān)督下的ATO駕駛)或GoA 3等級的線路改造成GoA4的全自動駕駛線路。這可以有效地降低改造難度，減少接口，優(yōu)化改造成本。

根據(jù)歐洲的經(jīng)驗，GoA 4等級的改造成本比傳統(tǒng)線路(GoA 2)的改造成本高出大約20%，但由于全自動駕駛系統(tǒng)能減少運營時正線列車數(shù)量，從而使得兩者之間的最終成本相當。從總體投資的角度來說，將GoA2系統(tǒng)升級成GoA4的全自動化系統(tǒng)的增量成本是呈邊際遞減的。

3.3 拓展運能上限的有效方式

一線城市的部分骨干線路在客流持續(xù)增長的情況下,運能已達到或接近極限，在折返能力、信號系統(tǒng)、站臺長度等因素的限制下，增能空間幾無可能的線路，以及誤點率高、服務供給缺乏靈活性的線路，全自動駕駛改造的必要性是最高的。經(jīng)過改造后的線路，不僅可以完全釋放線路的運輸能力，還能有效提高運營組織的靈活性，提升應對突發(fā)客流臨時調(diào)整供給的響應能力，也能為未來延時運營乃至通宵運營構(gòu)建良好的基礎。

4 對國內(nèi)舊線全自動化改造的建議

4.1 基于網(wǎng)絡研究全自動化發(fā)展戰(zhàn)略的重要性

首先從大戰(zhàn)略上明確全自動駕駛的重要意義，認識智能化、集成化和自動化的發(fā)展趨勢。在國內(nèi)城市軌道交通線網(wǎng)進入成熟發(fā)展期之后，理應將工作重心向提升服務質(zhì)量、注重乘客體驗轉(zhuǎn)移。而全自動化改造便是其中重要的方式之一，應該得到運營部門的重視。

從成本的角度看，如果僅僅是“以線論線”的話，全自動化的改造將會非常昂貴，但如果能基于一個線網(wǎng)的遠期發(fā)展，提出總體的自動化發(fā)展戰(zhàn)略，則能夠有效降低邊際成本。如巴黎地鐵14號線的建設和1號線的改造是其龐大計劃中的前兩步，隨著這兩個項目相繼獲得成功，后續(xù)線路的自動化改造就變得順理成章，所積累的技術(shù)能力和經(jīng)驗將使前期的巨大投入變得“物有所值”，后續(xù)項目的成本將會明顯下降。因此,基于一個長遠的眼光和全局的觀念，未雨綢繆地思考這個問題，是對決策者的考驗。

4.2 在新建全自動駕駛線路的基礎上循序漸進

建議在進行舊線改造之前，首先建設一條真正意義上的、基于GoA 4的大運量全自動駕駛線路，觀察這一系統(tǒng)在中國的適應性。新技術(shù)只有通過應用才能獲取經(jīng)驗、積累數(shù)據(jù)、強化認識、培養(yǎng)人才。

巴黎地鐵1號線的全自動化改造也是在新建14號線獲得成功的基礎上展開的，前后持續(xù)了近10年的時間，因此，明確總體發(fā)展方向后的謹慎、循序漸進、小步快走，依然是適合國內(nèi)全自動化發(fā)展的有效途徑。

4.3 全面提升技術(shù)管理水平和人員素質(zhì)

地鐵駕駛?cè)詣踊脑觳粌H僅是設備層面的采購和升級，而是系統(tǒng)層面的整合和管理層面的重組，僅依靠供貨商是不夠的。從巴黎的成功經(jīng)驗可以看到，巴黎公交總公司集中挑戰(zhàn)了多個難點，如制訂著眼于遠期的龐大計劃，在一個敏感的環(huán)境中實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，對復雜項目工程的掌控以及對工期和成本的把控等，都需要運營部門具備較強的技術(shù)能力和整合能力。從這個意義上說，自動化改造既是一次設備升級，也應該是一次技術(shù)和管理能力升級的過程。

全自動化改造對運營人員的素質(zhì)也提出了更高的要求。人們往往會覺得取消了人工的崗位職能是對運營人員職責的豁免。實際上并非如此，全自動化改造是將司機等崗位從重復作業(yè)中釋放出來，去增強在線巡視、乘客服務、應急處置等可以提升運營質(zhì)量和效率的崗位，是一種運營人員構(gòu)架的再造和重組。這就對復合型人才的需求大大增強，需要在人才招募、崗位職能定義、人員培訓等方面努力修煉內(nèi)功，提升能力。

5 結(jié)語

無人本身從來不是自動化改造所追求的，提升運營效率和服務質(zhì)量才是終極目標。在國內(nèi)城市尤其是一線城市逐步邁入發(fā)展成熟期的今天，著眼于遠期發(fā)展，提前思考并部署基于GoA 4的全自動駕駛的舊線改造計劃，是具有前瞻性的舉措。建議國內(nèi)軌道行業(yè)的管理和運營部門認真研究國外發(fā)展全自動駕駛的經(jīng)驗，密切跟蹤技術(shù)發(fā)展的走勢，未雨綢繆、循序漸進、修煉內(nèi)功，將國內(nèi)軌道裝備水平和管理水平提升到一個新的高度。