張艷兵，王道敏，肖 衍

ZHANG Yan-bin1, WANG Dao-min1, XIAO Yan2

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司設備總部，北京100068；2.北京市軌道交通設計研究院有限公司設備設計研究所，北京100068）

(1.Equipment Headquarter， Beijing MTR Construction Administration Corporation， Beijing 100068， China； 2.Equipment Design Institute， Beijing MTR Design Institute Corporation， Beijing 100068， China)

城市軌道交通全自動駕駛的發(fā)展與思考

張艷兵1，王道敏1，肖 衍2

ZHANG Yan-bin1, WANG Dao-min1, XIAO Yan2

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司設備總部，北京100068；2.北京市軌道交通設計研究院有限公司設備設計研究所，北京100068）

(1.Equipment Headquarter， Beijing MTR Construction Administration Corporation， Beijing 100068， China； 2.Equipment Design Institute， Beijing MTR Design Institute Corporation， Beijing 100068， China)

通過闡述城市軌道交通全自動駕駛從探索到推廣、再到成熟應用的發(fā)展歷程，分析全自動駕駛的發(fā)展趨勢及技術(shù)特點，提出目前全自動駕駛以高架線或高架與地下混合線路為主，主要采用鋼輪鋼軌制式，入侵檢測設備多采用站臺安全門，車輛以300～700人中低容量為主，列車運行間隔逐漸縮短。在此基礎上，闡釋我國發(fā)展全自動駕駛的必要性，提出從技術(shù)路線、技術(shù)裝備、應急處置、安全評估、運營組織等方面發(fā)展我國全自動駕駛的策略。

城市軌道交通；全自動駕駛；發(fā)展策略

1 概述

全自動駕駛 (FAO) 是指將列車駕駛員執(zhí)行的工作完全交由自動化的、高度集中控制的列車運行系統(tǒng)完成。全自動駕駛系統(tǒng)通常具備列車自動喚醒、啟動和休眠、自動出入停車場、自動清洗、自動行駛、自動啟停車、自動開關車門等功能，并具有常規(guī)運行、降級運行和災害工況等多重運行模式[1]。

國際電工標準 IEC 62290-1《鐵路應用——城市軌道交通管理與控制系統(tǒng)第 1 部分：系統(tǒng)原則和基本原理》中，將軌道交通自動化分為從 GOA 0 到GOA 4 共 5 個等級[2]，軌道交通自動化等級如表1 所示[2-3]，GOA3、GOA 4 可以稱為全自動駕駛。

城市軌道交通全自動駕駛系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信、自動控制、計算機技術(shù)，全面提升軌道交通的可靠性、安全性、可用性、可維護性，提高運行效率及整體自動化水平，實現(xiàn)城市軌道交通的最佳化運行，代表未來軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向[4]。

2 城市軌道交通全自動駕駛的發(fā)展歷程

2.1 探索階段(1962—1990年)

1962 年世界上第一條全自動駕駛城市軌道交通線路在紐約投入運營，在時代廣場和紐約大中央火車站之間運行；1965 年美國西屋電氣公司提出建設“無人駕駛的、高頻率的、經(jīng)濟的公共交通系統(tǒng)”，在匹茲堡附近的南區(qū)公園 (South Park) 建成了全自動化運輸系統(tǒng) SkyBus；1975 年美國西弗吉尼亞大學開通了全自動駕駛線路 Morgantown PRT，目前該線仍正常運營。這個階段全自動駕駛系統(tǒng)的車地之間通信通常應用感應環(huán)線非連續(xù)通信方式，采用固定閉塞方式控車，運行的控制依靠冗余計算機實現(xiàn)，但系統(tǒng)集成度不高，主要應用于公園觀光線、機場擺渡線等客流較小的專線當中。

2.2 推廣應用階段 (1990—2010 年)

全自動駕駛開始應用于大客流軌道交通中，典型代表是巴黎地鐵 14 號線。14 號線是巴黎地鐵中第一條全自動化的線路，列車運行自動駕駛系統(tǒng)由西門子公司負責設計，運行控制由多處理器摩托羅拉 68020 計算機完成，系統(tǒng)能夠根據(jù)運營、調(diào)度的需要調(diào)整列車的運行速度和行車密度。新加坡東北線為全世界第一條實現(xiàn)正線、車輛段全自動運行的重載地鐵線路，線路采用鋼輪鋼軌制式，信號為阿爾斯通公司的 Urbalis 系統(tǒng) (CBTC)，最高運行速度90 km/h，高峰時間最小行車間隔 2 min，車輛為 6輛編組，2003 年 6 月開通運營。這個階段車地通信開始采用連續(xù)的無線通信方式，控車方式由固定閉塞向移動閉塞發(fā)展，出入段由人工駕駛向自動駕駛發(fā)展。移動閉塞由于軌旁設備較少，更進一步保證了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的集成度更高，已經(jīng)逐漸成為城市軌道交通自動化系統(tǒng)的標準配置。

表1 軌道交通自動化等級

2.3 成熟應用 (2010 年至今)

歐盟為建立統(tǒng)一、創(chuàng)新的歐洲軌道交通市場，提升軌道交通的競爭力，2004—2012 年期間組織相關行業(yè)協(xié)會、設備制造商和運營商啟動了一系列包括政策、技術(shù)在內(nèi)的研究項目，其中技術(shù)研究項目 MODURBAN 的目標是設計研發(fā)具有開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接口的下一代城市軌道交通系統(tǒng)，包含車載、軌旁、通信、乘客服務、節(jié)能和系統(tǒng) 6 個方面[5]。課題于 2009 年完成整個城市軌道交通系統(tǒng)的各種應用測試 (以 2008 年 12 月的馬德里地鐵測試為標志)，形成適合于所有運營商、覆蓋從手動駕駛到完全無人駕駛的一系列規(guī)范 (功能性要求規(guī)范、技術(shù)性規(guī)范)。研究成果為國際電工委員會 (IEC) 和歐洲電工標準化委員會 (CENELEC) 所采納，該課題的完成標志著城市軌道交通自動化進入成熟應用階段。

在這個階段，全自動駕駛從低密度低客流線路逐步發(fā)展應用到大客流高密度線路，能夠?qū)崿F(xiàn)全線的自動化運行 (含停車場/車輛段)，典型代表是法國巴黎地鐵 1 號線，該線 2013 年 4 月投入自動化運營，為穿越巴黎最繁忙市區(qū)的全自動運行重載地鐵線路。這個階段移動閉塞成為主流技術(shù)，更加強調(diào)系統(tǒng)的安全可靠性。

3 城市軌道交通全自動駕駛發(fā)展趨勢及技術(shù)特點

3.1 發(fā)展趨勢

3.1.1 新建線路

全自動駕駛地鐵在世界軌道交通領域發(fā)展迅速，越來越多的新建線路計劃或已經(jīng)采用全自動駕駛設計，如洛桑、迪拜等城市的多條城市軌道交通線路，其中最為突出的是迪拜，全網(wǎng) 5 條線均規(guī)劃設計為自動駕駛，紅線、綠線已經(jīng)開通運營。2009 年開通運營的地鐵紅線是全世界最長的全自動駕駛線路，全線長 52 km (其中 5 km 位于地下)，采用泰雷茲公司的信號系統(tǒng)，最小行車間隔 90 s，最高時速 90 km。根據(jù)國際公共交通聯(lián)合會 (UITP)的統(tǒng)計，截止 2013 年底，迪拜的全自動駕駛線路總長為 80 km，位列全世界各城市之首；新加坡設計建設了 10 條全自動駕駛線路，城市線網(wǎng)自動駕駛總里程 61 km，緊隨迪拜、溫哥華之后居世界第三，其中地鐵環(huán)線 (CCL) 總長 33 km，單線長度居世界第二，僅次于迪拜地鐵紅線[6]。

3.1.2 已有線路改造

在地鐵發(fā)展成熟的地區(qū)，更多的城市正在考慮或正在將既有的軌道交通線路改造為全自動駕駛，如法國的巴黎、里昂、馬賽，德國的紐倫堡、漢堡、法蘭克福、柏林，芬蘭赫爾辛基等，其中的典型代表為法國巴黎地鐵 1 號線。2005 年，巴黎地鐵1 號線營運單位巴黎大眾運輸公司 (RATP) 與西門子公司簽訂合同，將斥資 3 080 萬歐元用于巴黎地鐵 1 號線自動化項目建設，包括完全自動駕駛、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、中央控制調(diào)度等新技術(shù)設備。相關自動化工程于 2007 年開始逐步展開， 2013 年 4 月開始，巴黎地鐵 1 號線實現(xiàn)完全自動化，成為繼德國紐倫堡 U2、U3 線之后將傳統(tǒng)地鐵轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣拥罔F的典范。

2011 年 1 月巴黎市政府宣布將投資不少于 324億歐元用于發(fā)展全自動駕駛地鐵，其中大約 55 億歐元用于采購和升級現(xiàn)代化的地鐵車輛；2012 公布了線網(wǎng)升級計劃，對世界大城市軌道交通的現(xiàn)代化建設起到了示范和引領的作用。2013 年英國倫敦和中國香港緊隨其后公布了全網(wǎng)升級全自動駕駛地鐵的現(xiàn)代化發(fā)展計劃。

國際全自動駕駛標準《鐵路應用——城市軌道交通管理與控制系統(tǒng) (IEC 62290)》《鐵路應用——城市軌道交通自動化安全需求 (IEC 62267)》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)完全成熟且得到廣泛認可。

據(jù) UITP 統(tǒng)計，截至 2013 年 9 月，全球投入運營的全自動駕駛地鐵總里程 674 km，其中亞洲占40%，歐洲占 32%。法國全自動駕駛里程最長，亞洲國家發(fā)展速度很快，近年竣工的全自動駕駛地鐵線路里程排在世界前列，其中有 4 個國家的全自動駕駛總里程排在世界前六，分別是排名第 2 位的韓國、第 3 位阿聯(lián)酋、第 5 位日本和第 6 位新加坡。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全自動駕駛城市軌道交通運營里程每 10 年翻 1 倍，未來 10 年將達到 3.5 倍，2025 年全自動駕駛的總里程將達到 1 800 km[6]。

3.2 技術(shù)特點

（1）線路結(jié)構(gòu)類型。世界上全自動駕駛軌道交通線路結(jié)構(gòu)類型以高架線或高架與地下混合線路為主，純地下線路較少，據(jù) UITP 2013 年的統(tǒng)計，地下總里程占 49.5% (多數(shù)為地下與高架混合線路的地下段)，高架占 50.5%[6]。在無人值守的自動駕駛中，需要特別關注隧道內(nèi)人員疏散問題，因而結(jié)構(gòu)類型對運營有著較大的影響。

（2）輪軌制式。早期全自動駕駛列車以橡膠輪為主，如巴黎地鐵 14 號線。在全世界軌道交通線路中，鋼輪鋼軌制式占 69%，橡膠輪占 29%，磁懸浮占 2%[6]。目前大多數(shù)全自動駕駛線路采用鋼輪鋼軌制式，少數(shù)采用橡膠輪胎、磁懸浮。鋼輪鋼軌制式源自鐵路，成熟、經(jīng)濟、可靠，適用性強，應用最為廣泛。橡膠輪制式爬坡能力大，噪聲低，對線路曲線半徑及坡度的適應能力強，但結(jié)構(gòu)復雜，污染環(huán)境(橡膠粉塵)，承載能力小，膠輪壽命短。

（3）站臺安全門。站臺安全門在軌行區(qū)的防護中起主導作用，占全部入侵檢測設備的 86%，紅外線、激光檢測裝置等其他設備僅占 14%。站臺安全門是實現(xiàn)全自動駕駛線路封閉運行的有效手段，據(jù)法國巴黎地鐵1號線統(tǒng)計，在造成該線行車延遲的全部原因中，乘客進入站臺軌道區(qū)或干擾該區(qū)域等人為因素占 72%[7]。

（4）車輛。從初期每列車載客小于 300 人發(fā)展到現(xiàn)在大于 700 人，全自動駕駛車輛發(fā)生了顯著的變化，目前載客列車容量在 300～700 人之間的中低容量列車占總運營列車數(shù)量的一半。采用中低容量的列車 (小編組且配備尺寸較小車輛) 可以降低土建規(guī)模，節(jié)省工程造價。

（5）列車運行間隔。全自動駕駛系統(tǒng)能夠通過縮短發(fā)車間隔、提高發(fā)車頻率實現(xiàn)較高的運量，并達到縮短乘客等待時間、提高服務質(zhì)量的目的。

4 我國發(fā)展全自動駕駛軌道交通的思考

4.1 我國發(fā)展全自動駕駛軌道交通的必要性

我國城市軌道交通發(fā)展迅速，截至 2014 年末，全國城市軌道交通運營里程超過 3 100 km；全國有 40 個城市建設軌道交通，總在建里程近 4 000 km[8]。隨著線網(wǎng)的加密，客流負荷增大，對軌道交通的建設、運營提出了更高的要求，跟蹤、發(fā)展全自動駕駛技術(shù)具有現(xiàn)實的必要性和迫切性。

（1）提高運能。地鐵實際最小運營間隔在現(xiàn)有技術(shù)條件下較難達到 2 min 以下，要解決特大城市地鐵客流，特別是早、晚高峰時期客流需求，必須切實研究新技術(shù)，特別是全自動駕駛技術(shù)，提高運營能力，挖掘地鐵運輸潛能。

（2）提高整體自動化水平，減少人為誤操作。由于人為誤操作導致的地鐵事故時有發(fā)生，采用先進的全自動駕駛，通過切實有效的控制策略，可以防止人為誤操作引起的地鐵事故，大大減少事故的發(fā)生。

（3）降低運營人員勞動強度，提升乘客服務質(zhì)量。目前軌道交通人員，特別是司機的勞動強度已接近極限狀態(tài)，全自動駕駛將使司機從重復作業(yè)中解放出來，可以承擔列車巡視人員的職能，在為乘客服務的同時監(jiān)視列車運行狀態(tài)。

（4）提高運營組織的靈活性。全自動駕駛能夠?qū)崿F(xiàn) 7×24 小時不間斷的運輸服務，可以根據(jù)運輸需求靈活地調(diào)整發(fā)車間隔，不受司乘人員的限制。通過在車站增加存車線，靈活加減車，適時調(diào)整運能，可以提高系統(tǒng)對突發(fā)大客流的響應能力。

（5）節(jié)能減排。節(jié)能減排是城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的需求，全自動駕駛系統(tǒng)可以在單車節(jié)能駕駛的基礎上進一步實現(xiàn)列車的協(xié)同控制，利用再生制動能量，降低系統(tǒng)整體能耗。

4.2 我國發(fā)展全自動駕駛軌道交通的策略

我國發(fā)展全自動駕駛應從選擇技術(shù)體系，建立技術(shù)標準，提升裝備制造和系統(tǒng)集成水平，做好系統(tǒng)安全評估、建設管理和運營組織等方面有所突破。

（1）技術(shù)路線。根據(jù)我國國情，特大城市可以著重研究重載鋼輪鋼軌制式的自動駕駛系統(tǒng)，二、三線城市可以考慮中低運量的系統(tǒng)，優(yōu)先選擇在純高架線路上應用示范。在追蹤國際前沿技術(shù)的基礎上，明確各種技術(shù)體系下的自動駕駛技術(shù)標準和系統(tǒng)方案。

（2）裝備制造。信號系統(tǒng)基于現(xiàn)有的國產(chǎn)CBTC 系統(tǒng)，通過采用冗余車載 ATO、與車輛接口冗余配置等相關措施增強安全性、可靠性；進一步拓展功能，實現(xiàn)列車按照時刻表自動發(fā)車、停車、折返、出入停車場等操作。車輛增加自動喚醒、休眠、障礙物檢測、脫軌檢測等功能，車載設備支持自診斷，故障告警信息和車輛狀態(tài)參數(shù)能夠?qū)崟r上傳控制中心。通信系統(tǒng)應提供車地無線高帶寬穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送能力，能夠支持控制中心對列車前方及車內(nèi)的視頻監(jiān)控，能夠建立乘客與控制中心之間的緊急通話。

（3）應急處置?？紤]設備系統(tǒng)對災害和應急處置的需求，如惡劣天氣下的低粘著運行、遠程故障恢復、遠程緊急制動、遠程開啟逃生門、站臺門與車門之間夾人夾物的探測等。

（4）安全評估。在系統(tǒng)的需求分析、設計、制造、驗收等各階段全程引入安全認證，確保裝備、設計滿足安全應用的需求，沒有遺漏的風險點。應由獨立的第三方專業(yè)安全認證機構(gòu)負責此項工作。

（5）運營組織。應用全自動駕駛需要從頂層調(diào)整現(xiàn)有運營模式，制訂完善的災害、故障處置應急預案。由于國內(nèi)缺少運營全自動駕駛線路的經(jīng)驗，應逐步培養(yǎng)具有復合業(yè)務能力的多職能團隊成員[9]；在運營實踐中應考慮由人工駕駛逐步平滑過渡到自動駕駛。

5 結(jié)束語

全自動駕駛軌道交通在我國已經(jīng)有了良好的開端，目前上海 10 號線實現(xiàn)了有人值守的全自動駕駛，北京燕房線也在自主化系統(tǒng)集成、安全運行技術(shù)及信號、車輛裝備的研發(fā)和制造等方面取得了階段性的成果。全自動駕駛城市軌道交通系統(tǒng)是我國未來軌道交通建設發(fā)展的趨勢和技術(shù)制高點，應認真研究國內(nèi)外發(fā)展自動駕駛的經(jīng)驗，積極進行探索和應用，打破國外在該領域的技術(shù)壟斷和技術(shù)封鎖，實現(xiàn)軌道交通可持續(xù)的科學發(fā)展。

[1] 肖 衍，蘇立勇. 全自動駕駛信號系統(tǒng)功能需求分析[J].鐵道通信信號，2014(12)：39-42. XIAO Yan，SU Li-yong. Fully Automated Operation Signalling System Function Requirement Analysis[J]. Railway Signalling & Communication，2014(12)：39-42.

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

[3] IEC. IEC 62290-2 Railway Applications - Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part 2：Functional Requirements Specification [S]. Geneva：IEC，2011.

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[9] 宋利明，史豐收. 廣州地鐵珠江新城旅客自動輸送系統(tǒng)運營管理研究[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2011，33(7)：61-66. SONG Li-ming，SHI Feng-shou. Research on Peration and Management of Passenger Automatic Delivery System in Zhujiang Xincheng Station of Guangzhou Metro[J]. Railway Transport and Economy，2011，33(7)：6-66.

責任編輯：劉 新

Development and Thoughts on Full-automatic Operation of Urban Rail Transit

Through expounding the development history of full-automatic operation of urban rail transit, which means from exploration to popularization to completed utilization, this paper analyzes development trend and technical characteristics of full-automatic operation, puts forward that at present, the full-automatic operation is taking elevated line or mixed line combined with elevated line and underground line as dominant, and mainly applying steel wheel rail system; station safety door mostly applied for the out-of-clearance check; the vehicle is giving priority to the middle and low volume of 300～700 people; and the interval between trains is gradually shortened. Based on above, the paper expounds the necessities of developing full-automatic operation in China, and puts forward the strategies of developing full-automatic operation from aspects of technology pathway, technical equipment, emergency disposal, safety evaluation and operation organization.

Urban Rail Transit; Full-automatic Operation; Development Strategy

1003-1421(2015)09-0070-05

U121

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2015.09.15

2015-06-09

北京市科學技術(shù)委員會2014年科技計劃課題(D141100000814003)