列车自动运行应用于主线

列车自动运行系统已经在地铁线路上广泛地使用了数十年，但是这项技术现已开始在更具挑战性的主线环境中发挥作用。Keith Barrow从维也纳报道，该行业是如何准备抓住机会将ATO应用于重型铁路网络。

伦敦Thameslink网络将在2018年年底创造历史，主线铁路上首次进行ETCS自动列车运行（ATO）的商业部署。Thameslink通过城市南部和北部的组合线路与一个8 km的中央核心区段连接，形成横穿伦敦的跨城市线路。Network Rail（NR）基础设施管理公司与该供应链紧密合作，研究ATO是如何通过ETCS Level 2为核心区域的地铁提供服务。

从2018年12月开始，核心路段的载客能力将从每小时单向运行16辆列车增加到24辆，能够适应每小时30辆列车的恢复频率。

作为价值70亿欧元的Thameslink项目的一部分，NR在基础设施和机车车辆并行升级方面有优势，只选择一个供应商（西门子）提供这两项服务。因此，列车供应商有机会明确ATO所需的轨旁规范。该系统的实验室测试始于2013年1月，即机车车辆生产前一年，也是计划开始ATO客运服务之前的四年。

国际公共交通协会（UITP）自动化等级（GoA）系统根据分配给列车控制系统的责任等级来确定自动化等级。有五个等级：

GoA 0：无列车自动防护的人工操作；

GoA 1：有列车自动防护的人工操作；

GoA 2：半自动列车运行（STO）；

GoA 3：无人驾驶列车运行（DTO）；

GoA 4：无人值守列车运行（UTO）。

包括Thameslink在内的ATO应用程序是GoA 2等级。在GoA 2等级下，司机负责关闭车门并在中断时操控列车，但是列车运行和停车设置是自动执行的。

地铁已在GoA 2等级下运行40多年，而全球40个城市的70多条地铁线路目前都在GoA 4等级运行。主线环境中应用的ATO运行于不同线路上不同列车类型共享相同的基础设施，不可避免地产生一个更为复杂的命题，但正如Thameslink所示，现在技术上已经变得可行了。

ATO在ETCS上的应用于2011年首先被TEN-T项目考虑，并且这项研究得出的结论是ATO解决方案可以在主线上提供更高的容量和更低的能耗。随后，ERTMS用户组为主线GoA2～4等级设计一个操作概念，并进而研发了GoA 2等级的Unisig技术规范。

该规范已交给欧盟铁路局纳入ERTMS基线3修订版2，但最终需要围绕ATO在ETCS的应用进行进一步讨论，这意味着将其纳入该版本是不可行的。意味着在控制命令和信令TSI（TSI CCS）中没有ATO在ETCS应用的规定。

主线ATO发展的另一个重要进展是4年一期的下一代列车控制（NGTC）项目，该项目研究ETCS和CBTC之间功能的共性和差异，目的是根据ATO和ATP主线-城市铁路规范推动两个系统的技术融合。NGTC已于2016年完成，并发现ATP融合是不可行的，只有ATO的“共同核心”可以在主线和城市轨道应用之间共享。

2017年11月28日，Roman Treydel博士在维也纳举行的Railtech智能铁路高峰会议上表示，“这个项目最大的好处是相关人员之间能够相互沟通，主线工程师之间能够进行知识交流，从而更进一步了解ATO在城市轨道交通领域的工作方式。这种方式已经融入到下一个项目，成为Shift2Rail的一部分，因此，我们能够理解ATO规范发展中遇到的所有困难。”

Shift2Rail联合技术创新正在通过其创新项目2推动ATO对主线应用的研究，该项目旨在开发和验证一套标准的ATO系统，从而达到ETCS GoA 3/4。

由于GoA成熟等级的不同，Shift2Rail在ATO方面的工作已经分成两个工作流程。GoA 1和2工作流程将于2019年完成，并根据既有运营概念，为主线ATO制定技术规范。供应商已经开始了该项目的开发工作，阿尔斯通公司和西门子公司计划在今年年底之前完成测试工作，预计将于2019年在英国的一个试验线路上进行试验。欧盟铁路局预计将发布2019年的GoA 2技术意见，使规范得以确定，目标是将ATO纳入到下一个将于2022年发布的TSI CCS。

GoA 3和4规范将采用基于模型的系统工程方法进行开发。工作流程将运行到2023年或2024年，且在后期阶段将引入GoA 1和GoA 2，以确保所有GoA都有统一的规范。Treydel表示，“这对于主线转换来说是非常重要的，因为无法假设所有列车都是GoA 4。与此同时，GoA 2已经完全明确且非常成熟，概念是非常稳定的。能够增加运载能力、提高准时性、减少能源消耗。”

据瑞士Systransit公司高级系统工程师Xiaolu Rao博士介绍，主线ATO面临的一个挑战将是车载设备和基础设施的充分利用，从而实现运营商所期望的效益。她解释说：“车载设备通过内部控制回路-列车驾驶员控制列车-外部控制回路，由调度员将列车和基础设施连接起来。交通管理系统（TMS）增强了全网优化的外部环路，但外部环路的优化对列车控制没有直接影响。人们也开始通过司机咨询系统（DAS）或ATO对车载设备进行优化，所有车载工作都可在此进行。这样，我们能够改善列车驾驶情况，但是不会在解决冲突时对全网优化产生直接影响。”

她还表示，“主线ATO面对着很多现实存在的冲突。我们不能忽视这一点，所以只有ATO车载是不够的。TMS和ATO需要整合并进行知识共享，便于优化。这并不容易。TMS和ATO的详细功能是什么？两者之间需要传输哪些数据？我们需要一个规范。整合TMS与车载意味着我们将能够减少冲突的风险。”

另一个挑战是不同市场的不同运营商有不同的ATO优先级。这些可能包括增加运载量、减少能源消耗、提高乘坐舒适度或改进计时。这些目标中的一部分将互相矛盾——在最小化能耗的同时优化一个轨道区段的运载能力是困难的。而且，优先级可随着每天的时间和需求水平而发生变化。

2017年12月，荷兰网络首次引入10 min城际服务，主要是为了从已经使用良好的基础设施中挤出更多容量。荷兰Prorail基础设施管理公司创新和发展顾问Alfons Schaafsma先生解释表示，“ATO是铁路未来的需要。业务案例应该是ATO的主要驱动因素，所以，达到业务案例目标所需的自动化水平是非常重要的。埃因霍温—阿姆斯特丹可能有一个GoA 2商业案例，因为那里每10 min有一班城际列车，每15 min有一班区域列车，每30 min有一班货运列车，因此需要精确运行。”

然而，与任何形式的自动化一样，人为因素是一个重要的考虑因素。Schaafsma表示，“人是自动化的实施手段。成功的实施需要在这个过程的早期扮演一个重要角色——或许比我们的使用更早。运营商的需求应该决定自动化的步伐。人们参与技术测试也是非常重要的，这样，他们才能体验到他们的未来。”

Schaafsma也质疑驾驶员应该在何种程度上负责在GoA2下的安全运行。“在货运走廊（Betuweroute），噪音屏幕之间有100 km/h，几乎没有任何其他列车，因此，如有必要的话，驾驶员应如何提高警惕进行控制？驾驶员接管时如何保证安全运行？驾驶员如何监控自动装置是否正确运行？我们还需要考虑如何避免驾驶员和信号员的负担过重，以及如何用自动化方式吸引驾驶员顺利接受变革。”早期部署

尽管Thameslink项目为ATO开创了ETCS的先例，ATO也已成功应用于其他信号系统。巴黎RERA线是世界上最繁忙的郊区铁路线之一，每天载客120万人次，或每小时每方向载客量高达70 000人次。该线由一个中心核心组成，在城市的东部有2个支线，西部有3个支线，RER列车与系统外围的其他列车共享轨道。

阿尔斯通公司在巴黎交通管理局（RATP）授予的价值2,000万欧元的合同下开发了ATO解决方案。该系统于2017年投入使用，在中央核心控制着5辆MI09双层动车组和两辆老式MI2N列车。该线全线100列车将在2018年年底前准备好。

阿尔斯通公司表示已为该项目采用了一个项目特定的虚拟测试平台，并使用模拟器来加速系统成熟度的增长。模拟系统覆盖了整个生产线，RATP为虚拟测试台提供了Sacem硬件和软件。

在中国，ATO已在东莞—惠州和肇庆—佛山城际线上使用，采用阿尔斯通公司及其联合体卡斯科公司开发的解决方案。ATO覆盖CTCS-2级（相当于ETCS 1级），自2016年3月起以200 km/h CRH6的速度运行。

随着标准化的发展，ATO看起来将成为21世纪20年代主线网络的一个普遍特征，为长期无人驾驶运行奠定了基础。