轨道交通全自动运行系统新增功能研究

王天娇

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

1 全自动运行系统概述

全自动运行系统（Fully Automatic Operation，FAO）是实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统[1]。截至2021 年12 月31 日，我国已运营、在建及规划全自动运行系统的城市有28 座，共计85条线路，运营里程达2515.77km，其中已运营线路30条，运营里程为728.46km，在建及规划里程达1787.31km。全球75%的新建线路及40%的改造线路将采用全自动运行系统，可见全自动运行系统已经成为城市轨道交通建设的主流制式。

国际公共交通协会（UITP）将列车运行的自动化水平划分为5 级，如表1 所示。其中，全自动运行系统包 含GOA3（DTO）和GOA4（UTO）[2]，即 在 正 常 运 营情况下，由自动化设备取代司机，自动驾驶列车在全线运行。与传统有人驾驶的列车运行控制系统相比，FAO 新增部分功能，从而使列车自动实现唤醒、自检、出库、发车、行驶、停靠站、开关车门、折返，结束运营后自动回库、洗车和休眠等作业任务。

表1 列车运行自动化等级

2 采用全自动运行系统的必要性

中国城市轨道交通协会制定的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中指出：全自动运行系统是城市轨道交通的重点发展方向之一。此外，采用全自动运行技术，不仅能够提高运营效率，降低运营成本，还能够提高系统可靠性，保证运营安全[3]。FAO 的技术优势如下。

2.1 提高地铁线路运输能力

采用FAO 的地铁正线运营间隔最短可达到90s，较现在的技术水平有较大的提高。

2.2 提高系统可靠度

采用先进的自动化设备，能够有效防止人为误操作引起的地铁事故，从而减小事故发生的概率，提高系统的可靠性与安全性。

2.3 灵活运营

不仅摆脱了传统运营系统对司机的依赖，而且可以根据运输需求灵活地调整列车的数量及发车间隔，从而提高系统对大客流的应变能力。

2.4 改善列车行驶特性

FAO 可消除人工驾驶中的人为因素，改善列车运行曲线，有利于提高列车运行速度及旅客乘坐列车的舒适度。

2.5 优化人员配置

通过智能调度平台降低运营人员工作强度，实现一专多能。同时，将司机从重复作业中解放出来，改配多职能队伍服务乘客。

2.6 节能减排，降低成本

进一步协调列车的协同控制，充分利用再生制动能量，降低系统能耗；也可通过协调列车启动时间，实现错峰启动，降低系统峰值能耗，同时减少运营后期司机人员，降低人员成本[4]。

3 全自动运行系统功能配置

3.1 全自动运行系统运营场景

FAO 包含早间自动上电、列车自动唤醒休眠、自动出入库、洗车、对位停车、自动发车等正常场景，还包含车门/站台门状态丢失等故障场景，以及车辆/站台/区间火灾等应急场景，如图1 所示[5]。

图1 全自动运行场景

3.2 全自动运行系统功能

传统CBTC 系统功能包含临时限速、自动折返、后退防护、进路及速度防护、定位与测速、车门控制与隔离、停稳检测、完整性监督等。FAO 系统功能除了包含传统CBTC 系统全部功能外，还包含唤醒休眠、自动洗车、全自动折返、对位隔离、障碍检测、车辆远程监督与控制等功能，全自动运行系统功能如图2所示。

图2 全自动运行系统功能

全自动运行系统是通过信号、车辆、综合监控、通信、站台门等子系统协同联动控制，从而完成列车运行全过程的全自动控制。下面将简单介绍各子系统新增功能。

3.2.1 信号系统新增功能

（1）全自动运行模式（FAM）和蠕动驾驶模式（CAM）

FAM 为在连续式通信控制级别下由列车自动防护（ATP）监控的列车全自动运行模式。在该模式下，ATP 子系统保证列车的运行安全，列车自动运行（ATO）子系统实现在正线、车辆段/停车场自动控制区域内的列车无人自动运行。在FAM 模式下具备自动进/出站、自动开/关门、自动唤醒/休眠、自动折返等功能。

当车辆通信出现故障时，经由控制中心人工确认，FAM 模式降级为CAM 模式。在CAM 模式下，ATP 监控列车以限制速度（小于25km/h）全自动运行，列车进站自动停车后，施加紧急制动，等待人工处理。CAM 应具备ATO 精确控制列车的功能[6]。

（2）列车休眠、唤醒

当列车运行至计划中的休眠位置时，ATS 判断列车具备无故障、在非检修或清扫状态、无任务、在FAM 模式下等休眠条件后，自动或人工向车载信号设备发送列车休眠指令。车载信号设备收到休眠指令并传递给车辆，车辆控制车载设备断电并将休眠结果反馈给控制中心。

若休眠不成功，则报警。车场控制中心（DCC）调度员可在调度台上人工远程向该列车的车载信号设备发送休眠指令让列车休眠。若人工远程休眠还不成功，可由DCC 调度员通知工作人员上车进行人工休眠。

信号系统依据列车派班计划在投入运营前的规定时间自动唤醒相应计划出库的列车。收到唤醒命令后，触发车上各设备系统的静态和动态自检及测试，自检测试结果应报送到OCC 行车调度台和车辆调度台，自检的故障信息应在行车调度台和车辆调度台上显示和报警。

自检全部通过的列车为唤醒成功的列车，车载信号设备将默认为FAM 模式，列车进入上线前的等待工况。OCC 的行车调度工作站和DCC 的调度工作站上显示列车处于上线待命状态。列车按时刻表在获取移动授权后自动出库投入运营。

（3）进站对位停车调整

当列车以FAM 模式或者CAM 模式运行到车站停稳后，若停车位置准确，则系统自动打开车门及站台门；若停车位置超出指定范围，则车门和站台门不能打开。当列车以FAM 或CAM 模式进站停车欠标超过5m（5m 以及下文提到的1m 都可根据实际情况自定义）时，车载设备向运行控制中心（OCC）调度台报警，并继续运行对位停车；当列车以FAM 或CAM 模式进站停车欠标未超过5m 时，车载设备向OCC 报告未停准信息，并在调度台报警，车载设备以向前跳跃的方式自动调整对标，中心ATS 显示列车处于跳跃对标的状态。

当列车以FAM 或CAM 模式进站过标小于1m时，车载设备向OCC 报告未停准信息，并在调度台报警，车载设备控制列车以跳跃方式自动调整对标，中心ATS 显示列车处于跳跃调整的状态。

当列车以FAM 或CAM 模式进站过标大于1m 时，车载设备自动施加紧急制动，停车后未过标5m 时，车载设备向OCC 报告未停准信息，并在调度台报警。车载设备自动缓解紧急制动，并以向后跳跃的方式自动调整对标，中心ATS 显示列车处于跳跃调整的状态。

当列车以FAM 或CAM 模式进站过标大于1m时，车载设备自动施加紧急制动，停车后过标5m 时，车载设备不可自动缓解紧急制动，并向OCC 中心行车调度台报告过标超过5m 且报警，综合监控系统（ISCS）自动触发车站站台广播，列车控制管理系统（TCMS）自动触发车载广播，中心乘客调度还可通过无线通信向列车进行语音广播，同时进行人工站台广播，中心行车调度远程缓解列车，并下达列车开往下一站停车的命令。

（4）远程复位及控制

系统应具备中央列车运行监督和本地的两级控制，两级都可进行自动或者人工控制。其中，自动控制分为中央列车运行监督自动控制、联锁设备自动控制，人工控制分为中央列车运行监督人工控制和本地联锁设备人工控制两类。相较于自动控制的进路，人工控制的进路优先级更高。控制中心可实现远程的自动或人工控制列车。

（5）自动洗车

当联锁系统采集到洗车机准备就绪的状态时，列车运行监督系统根据洗车计划自动排列至洗车库的进路，列车以全自动运行模式运行至洗车库前停车。在收到洗车机的洗车确认后，信号系统向车辆发送“洗车”任务，开始洗车。

洗车过程中，信号系统根据洗车机的需要控制列车停止或移动到特定的洗车位置。洗车完毕，列车运行至洗车库停车点停车，退出洗车模式，列车继续以全自动运行模式运行回库。

（6）人员防护

联锁系统与设置的人员防护开关（SPKS）接口，当工作人员通过SPKS 封锁作业区域后，联锁系统不允许办理经过该封锁区域的进路，从而保证工作人员的安全。

3.2.2 通信系统新增功能

（1）在控制中心增加车辆及乘客无线调度台，为调度人员提供运行车辆现场图像、乘客紧急对讲、故障信息以及相关联动调度指令下发的传输通道，涉及无线通信、视频监视、乘客信息、车站广播系统等。

（2）在列车上增加车头、车尾两端的固定台与列车广播系统及列车对讲电话的接口。

（3）车头车尾各增加一路观察路况的监控摄像机。

（4）各列车客室增设摄像机，实现客室监控全覆盖。

（5）CCTV 与其他系统联动，实现图像自动推送。

3.2.3 综合监控系统新增功能

（1）强化与信号系统中列车自动监督（ATS）的接口，接收ATS 提供的信号系统信息。

（2）强化与通信视频监控系统（CCTV）、广播对讲系统（PA）、乘客信息系统（PIS）等系统接口，增强联动功能。

（3）强化与站台门的接口，实时监视车门状态、车门与站台门的对位隔离状态。

（4）强化自动开、关站等联动功能，提高车站自动化水平。

（5）强化对车辆健康状态及火灾自动报警系统的监视功能。

3.2.4 站台门系统新增功能

（1）SIL4 级认证：通过信号系统和站台门控制系统的相互结合，完成对站台门的精准控制，并将站台门控制系统安全等级提升至最高等级SIL4，最大程度地保证乘客上下车及列车运行的安全。

（2）对位隔离功能：当即将到站列车车门故障无法开启时，信号系统提供故障车门的编号等信息给站台门系统，该列车停站时故障车门对应的站台门滑动门应能保持锁闭不开启（即对位隔离）；相应地，当车站站台门系统某一道滑动门故障或被人工锁闭隔离后，站台门系统提供故障滑动门编号等信息给信号系统，停该侧站台的所有列车相对应的车门应保持锁闭，不进行该列车车门的开、关门作业。

（3）防夹检测功能：关闭站台门时，会检测有无障碍物。

（4）故障运营模式：一个站台门故障，可将其与对应的列车车门对位隔离，不影响列车的正常运行。

3.2.5 车辆系统新增功能

（1）全自动运行模式（FAM）、蠕动驾驶模式（CAM）。

（2）列车休眠、唤醒和自检。

（3）与综合监控系统的联动。

（4）车门与站台门对位隔离。

（5）列车自动运行、对位停车及开关车门。

（6）新增车辆调度工作站，实现列车远程控制。

（7）主动障碍物检测。

（8）自动连挂/解编。

（9）其他功能：如空调远程控制、照明系统远程控制、脱轨监测、自动升降弓、故障传输等。

3.2.6 车辆基地新增功能

（1）自动化车辆段/停车场，实现无人区内自动运行功能。

（2）增加人员防护措施，无人区与有人区之间设隔离措施，增加门禁。

（3）增加对车辆段/停车场广播联动功能。

（4）加强无人区内广播、视频监控及火灾报警等各系统的联动功能。

（5）增加停车列检库库门与该分区行车进路信号的联动。

（6）全自动洗车。

（7）停车库内设置独立的登车通道。

（8）设置有人区/无人区转换轨及登车平台。

4 全自动运行系统关键技术

4.1 主动障碍物检测

列车障碍物检测分为被动检测和主动检测。相比被动检测，主动障碍物检测手段更能确保行车安全，因此建议全自动运行系统采用主动障碍物检测手段。

主动检测可将图像识别技术、毫米雷达波技术、激光雷达技术相融合，并与信号系统联动。当检测到障碍物时，信号系统可控制列车制动，从而保证列车运行安全。

4.2 站台门缝隙检测

车门与站台门间异物检测技术：在车门和站台门关闭后，可采用激光对射、激光扫射、视频检测等技术，检测车门与站台门间缝隙内的障碍物，从而取代司机瞭望和确认，保证旅客的乘降安全和节省司机确认时间，提高行车效率和运营效益。

4.3 自动连挂与解编

无人自动连挂可实现列车救援，减少列车在区间被迫停车后对整体运营的影响，特别是在紧急状态下，列车通过自动连挂与解编可减小灾难的后果。

要想实现自动连挂与解编，机械上要保证运营线路上的列车都能机械连挂上，管路上要保证空压管路联通，电气上要保证列车MVB 或控制网络联通，实现对故障列车的控制。此外，还需要信号系统控制连挂列车的安全运行。

5 结语

综上所述，随着我国交通系统的技术升级，全自动运行系统的优势愈加明显，是我国轨道交通发展的重要方向之一。相关人员必须在明确其应用优势和必要性的基础上，进一步探索全自动运行系统的新增功能和关键技术，从列车运行安全及乘客需求入手，不断提高列车运行自动化水平，进而提高城市交通系统的智能化水平，为我国建设智慧城市轨道交通的蓝图添砖加瓦。