宋仲仲

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

全自动运行(Fully Automatic Operation，FAO)系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术实现列车运行全过程自动化的新一代轨道交通列车控制系统[1]，已逐渐在各地轨道交通新线中普及应用。目前全球已有40多个城市的轨道交通线网开通运营或规划有全自动运行线路，总长共超过1 000 km。据国际公共交通协会(UITP)相关数据显示，2016年以来全自动运行线路正以10倍速的增长趋势发展。至2025年，全球全自动运行线路的里程将达到2 300 km[2]。

从国家工程实验室及北京市重点实验室联合发布的白皮书[3-4]，到中国城市轨道交通协会团体标准[5]的相继出台，可以看出我国的轨道交通全自动运行系统正在快速发展；从最初应用在机场捷运和中低运量线路，到近年来开始在大运量城市轨道交通线路中普及，也说明全自动运行技术从理论到实践已经逐渐趋于成熟。

目前我国全自动运行技术的发展已相对较为完善，在设计、施工、系统、车辆、设备等方面都已积累了较为丰富的经验，并且学术领域也有较多的既有研究文献[1-2，6-7，9-11，14-21]。诸如北京、上海、广州、成都等城市在新线的规划和建设中已逐步引入全自动运行系统，但是对于城市轨道交通既有线路，考虑对其进行全自动运行系统的升级改造，国内目前尚无先例，且可参考的文献也较少。

因此，本文针对轨道交通既有线改造为全自动运行系统进行研究，从土建、系统、运营、施工等方面分析改造过程中的关键技术问题，以引起业内更为深入的探究，在一定程度上为后续类似项目的设计及工程实施提供借鉴。

1 必要性分析

1.1 全自动运行系统的优势

随着各地轨道交通线网的逐渐成熟，列车运营安全及运行效率变得尤为重要。相较于传统的CBTC系统，全自动运行系统的优势主要体现在以下4个方面[6]。

(1)提升系统安全性：全自动运行系统能够有效减少人为因素的影响，通过采用硬件和软件冗余措施，利用高可靠性和安全性的通信、信号系统，以及具有准确完善的故障诊断分析与排除功能的车辆等，结合智能化和数字化的综合监控系统、运营控制中心，来提高整个系统的安全性。

(2)提高运输能力：全自动运行系统能够实现列车运行全过程自动化，减少外界因素对列车运营的干扰，进一步提高运输能力。自动化程度的提高，使系统可以快速、有效地应对运营过程中的扰动，因此也具备更强的针对突发事件的调整能力。

(3)提高运营灵活性：全自动运行系统能够有效摆脱司机配置和周转的限制，可依据实际运输需求灵活调整列车发车间隔，随时增加或减少上线列车，提升对突发客流的响应能力；有助于实现24 h不间断的运输服务；低峰期或夜间以更低的成本提供可变的服务。

(4)降低运营成本：全自动运行系统能够合理安排列车交会，避免列车交会过程中的启停，防止同时启动，控制列车的速度/时间达到最佳性能曲线，进而实现多列车的实时、自动、协同控制；此外，能够实现列车、机电设备最佳化运行，降低系统整体能耗。

1.2 线路进入改造的窗口期

近年我国城市轨道交通发展态势迅猛，尤其是北京、上海等一线城市，其初期的几条线路都在20世纪90年代左右开通，运营时间已经超过20年[7]。这些线路也多为城市骨干线，客流量级较大，然而由于系统及设备的老化，可能会对列车运营造成一定程度的影响：比如，影响列车的准点率，造成较为频繁的晚点；影响线路的输送能力，使之不能适应客流需求。因此，这些线路的车辆、系统、设备等将陆续进入更新改造的时间窗口。

而作为引领城市轨道交通领域发展趋势的最先进、最高效的系统，全自动运行系统能够在保证安全可靠性的前提下，有效缩短列车的最小行车间隔，进一步提高系统输送能力，提升列车准点率及旅行速度，增强运营组织的灵活性。因此，全自动运行系统是城市轨道交通既有线改造的重要方向。

2 案例概述

目前国内对既有线改造为全自动运行系统还未进行深入研究，也没有落地的项目。较为成熟的案例主要集中在欧洲一些城市，如法国巴黎、德国纽伦堡等，其中最具代表性的是巴黎地铁1号线。

巴黎地铁1号线全长16.6 km，共设站25座，是巴黎最拥挤、也是线网中运营时间最长的线路，如图1所示。该项目于2003年开始可行性研究，从2005年正式启动到2012年全线顺利实现全自动运行，前后共历时7年。整个改造项目的前提条件是不中断线路的正常运营，所有的施工及系统测试均在天窗期进行。其改造成本约2.6亿元/km，其中全自动运行车辆购置费约占整个项目成本的67%。经过改造后，列车最小行车间隔缩短到85s，高峰小时系统输送能力提高10%；全线配属车下降至56列；牵引能耗下降了约15%；单位车公里成本降低30%[7]。因此改造后1号线的系统输送能力和列车服务质量均有较大提高。

图1 法国巴黎地铁1号线车站分布示意

随着地铁1号线的改造成功，巴黎政府也开始着手研究4号线的全自动运行改造，其预算成本已降为1.5亿元/km，预计到2050年巴黎将完成总计6条线路的改造项目。此外，德国纽伦堡U2线也是在不中断正常运营条件下进行全自动运行改造的线路；伦敦、中国香港等地也已经决定全网改造为全自动运行系统，以进一步提升运输能力和服务质量；法国的里昂、马赛，德国的柏林、法兰克福、汉堡等城市也均在考虑将既有轨道交通线路改造为全自动运行系统。

3 关键问题分析

3.1 适应性

(1)繁忙骨干线

在城市轨道交通进入成熟发展期的今天，轨道交通对于居民出行起着越来越重要的作用，承担的出行比例越来越大。并且随着城市市域范围的扩大，居民的出行需求逐渐提高，出行距离日益增大；同时轨道交通线网辐射范围的逐步扩大，进一步提高了居民出行的可达性，从而吸引了越来越多的客流；进而引起城市核心区骨干线路客流量持续增长，高峰小时断面客流已经达到或接近于系统能力的极限。

以2018年为例，全国各城市高峰小时断面客流最大的几条线路分别为：广州3号线6.43万人/h、北京6号线6.06万人/h、上海11号线5.84万人/h、北京4号线5.69万人/h、成都1号线5.54万人/h，已经远超系统输送能力，车厢内站立标准进一步增大，乘客舒适度较差。根据统计，2018年北京、上海、广州等城市各条线路高峰小时最大断面客流如图2所示。

图2 2018年北京、上海、广州各线高峰小时断面客流(单位：万人/h)

由于其超大客流、超高密度的特点，亟需全方位提高系统能力及运行效率。但受限于折返站折返能力、供电系统、信号系统、场段规模等因素，系统输送能力很难进一步提高，运营组织灵活性及运营效率也相对较差。因此，在特定时期内对其进行全自动运行改造具有一定的必要性。同时，根据上海地铁10号线准无人驾驶运营的相关经验，全自动运行系统受大客流的影响有限；相反，对运能的提高与运行效率的提升效果较为明显。

(2)进入更新窗口期的线路

根据《城市轨道交通工程项目建设标准》(建标104-2008)[8]中关于固定资产折旧年限的规定，车辆的折旧年限为30年，车辆基地维修设备为18年，通信系统、信号系统、站台屏蔽门系统等为15年，如表1所示。

表1 固定资产折旧年限

对于开通时间较早，运营年限较长的线路，其车辆、设备、信号系统等即将进入更新的年限，对于这些既有线路，可以利用车辆、信号系统等更新的契机，对其进行全自动运行系统的改造。

3.2 土建方面

(1)车辆段

与传统车辆段不同，全自动运行车辆段除了满足常规的功能外，还需具备自动唤醒和休眠、自动出入库、自动进出正线、自动洗车等功能[9]。因此，对既有场段的改造集中在下述几个方面。

①将既有车辆段划分为有人区和无人区，并增加相应的隔离措施、增设门禁系统；同时，需增加列车从无人区走行至有人区的转换轨(牵出线)，牵出线的长度也需增加。

②由于既有车辆段列检库线长度不满足列车自动唤醒、动态自检、自动入库等的要求，因此列检库线长度需增加，以满足信号系统对两列车之间及列车与车挡之间安全防护距离的要求。如果在土建工程上增加既有库线的长度，会涉及到拆迁等一系列问题，存在改造费用较高、时间较长、影响运营等诸多弊端，实施难度较大，业主一般也不会选择此方案。

文献[10]研究了在保持既有车辆段土建规模不变的条件下，通过变更列车安全制动模型及合理划分记轴区段，从系统层面解决既有车辆段停车列检库线较短的问题，可为库线长度的改造提供参考。

③列检库一般被划分为全自动运行区域(无人区)[11]，为减少列车进出库时对检修维护人员造成干扰，保障人员安全，需要将列检库按每2～3股道分设1个防护分区，各防护分区之间具备物理隔离条件。同时为便于检修人员安全进入库内各防护分区，库中间(两列位之间)应设有人行下穿通道，各防护分区均设置有进出通道，并设有相应的门禁系统，如图3所示。

图3 列检库有人区与无人区划分

④为实现车辆段全自动洗车的功能，洗车库的设备也需要进行升级改造。同时需增加洗车库内洗车机与相应信号系统的接口，以控制列车准确启停，满足全自动洗车的需求。

综上，相比传统车辆段，改造的重点及控制点主要是库线长度的增加、牵出线长度的增加、场段用地的扩大等是否具有条件，建议尽量从系统层面去解决这些难题。

(2)区间

既有线区间设有疏散平台的，改造时区间疏散平台应连续贯通，作为应急条件下的逃生、救援的通道，如图4所示。

图4 区间疏散平台

(3)配线

全自动运行线路的配线设置需满足灵活运营以及故障状态下紧急救援等的需求。列车故障状态救援时一般采用人工驾驶救援，需考虑司机的上车时间，包括司机从站厅层到达救援列车(最远)以及到达故障现场后连挂、推进时被救援列车司机到达被救援列车前端的时间，预计约4 min[12]。

目前一般认为全自动运行列车在故障状态下为人工驾驶救援，考虑到司机登乘列车的时间，现行GB 50157—2013《地铁设计规范》[13]规定每8～10 km设置1处停车线是否还满足要求，停车线之间的间距是否应适当减小，目前对此问题尚没有统一的定论，因此还需根据实际运营经验进一步探讨论证。而对既有线而言，由于配线方面的改造施工难度较大，因此可针对具体线路的实际情况，在有实施条件的车站进行停车线等配线的改造。

3.3 系统方面

(1)车辆

全自动运行列车需要实现自动唤醒与休眠、自检、障碍物检测、车门对位隔离等[14]。国内厂商针对车辆的改造进行了一定的研究，如果改造为全自动运行的车辆，则需要在结构、系统以及其他接口设计等方面进行改造。全自动运行系统的一个主要优势在于其安全性较高，若将既有车辆进行改造、重组等，则其结构、系统、电路、电缆等方面均会存在安全隐患，无法保证列车的安全性。因此，如本文前述所提，需在车辆等进入报废更新的窗口期进行改造，改造后重新去采购全自动运行车辆。

(2)信号系统

信号系统是保证轨道交通列车运行安全的重要技术[15]，在全自动运行模式下，其设计理念进行了巨大升级。传统模式下由司机对列车发出相应操作指令，而全自动运行系统下则由信号设备替代，并在保证列车运行安全的基础上实现行调和值班员的意图。对于信号系统的改造主要是相关系统设备的增加及与其他系统接口的增强，如增加相应的车站设备、轨旁设备、车载设备、场段设备、全自动洗车机接口等，增强与通信系统、综合监控系统、站台门、车辆等相关接口[16]。

(3)通信系统

根据全自动运行的需求，通信系统方面的改造主要涉及车地无线通信、视频监视、专用无线等，需要增加区间隧道广播、区间视频监控，增强车地通信传输带宽和质量、通信车载设备的稳定性、与车辆的相关接口等。总结而言，通信系统方面的改造主要在于进一步提高其稳定性和可靠性，并增加与其他相关系统的接口功能。

(4)站台门系统

站台门系统需增加对位隔离功能，即站台门对列车门关联控制，当一方有故障时对应的另一方保持相应的关闭状态[17-18]。此外，还需增加防夹人检测功能，作为发车信号的前提条件；就地控制盘(PSL)应由端门处改为设置在站台公共区域值守人员处；增加与通信信号系统、综合监控系统、车站值班室等的配合与联系。

(5)综合监控系统

采用全自动运行后，各系统的自动化水平显著提高，系统间的联动要求做到更加及时、全面和高效。因此，全自动运行的综合监控系统不仅面向电力调度、环境调度人员，同时应向列车调度人员提供更丰富的信息和联动方案。除具有常规综合监控系统所具有的功能外，还需增强车辆故障、火灾、乘客报警、站台门等的联动和信息整合；增加车辆调度和乘客调度的人机界面及相关功能；增加车载视频、车载PIS、车载PA和与乘客对讲的人机界面及相关控制功能。根据不同的运营场景，提前设置各种预案，实现在全自动运行条件下多系统间的全面高效联动。

而随着云计算等新兴技术的不断发展，基于“城轨云”的综合监控系统等开始逐步在呼和浩特、武汉等轨道交通线路中探索应用[19]。相关系统集成厂商也在此基础上进一步开发诸如综合监控系统的手机APP等，全力打造智慧运维系统。虽然实际落地中可能会遇到困难，但由于“城轨云”的优势明显，在既有线进行全自动运行改造的过程中也应结合实际，大胆启用新技术，基于云平台进一步提高综合监控等系统集成水平。

3.4 运营方面

对于运营组织方面，关键点在于故障或灾害条件下的场景设定、降级运行模式、故障列车救援、区间疏散模式，以及运维定员和组织架构的重新考虑等。相较于传统线路，全自动运行模式下的列车运行指挥架构有了新的调整，人员配备上也有了新的需求[20]。由于全自动运行系统取消了驾驶员，可进一步减少司机定员，采用中心集中控制，可以大幅度减少司机人员配置数量，有效降低运营成本。控制中心需设置乘客调、车辆调和维修调席位，将司机的工作通过高度集成的系统由控制中心相应调度岗位来实现。设置适应全自动运行系统的车站运维组织机构，弱化或简化车站行车调度人员配置，通过多职能巡视队伍参与运营管理，组织疏导乘客上下车，出现异常情况时疏散乘客、上车驾驶，辅助控制中心进行行车管理以及参与必要的维修工作等。

3.5 施工方面

施工过程中面临的最大困难即整个改造项目实施过程中，必须不中断线路的正常运营，并保证乘客以及工作人员的安全[7]，这也是既有线进行全自动运行改造的前提条件。另外，改造项目的施工及系统测试都需要在运营时段外进行，时间非常有限，进而将导致整个工期的延续时间较长。因此，建议在改造过程中应合理安排工期，并在夜间天窗期进行施工和测试。

4 结论及建议

全自动运行技术代表着城市轨道交通未来的发展趋势，目前国内针对既有线改造为全自动运行系统的相关研究较少，从必要性、适应性、土建、系统、运营、施工等方面对关键问题进行初步分析，认为对既有线进行全自动运行改造具备一定的可行性。研究成果可为类似项目的研究和实施提供借鉴，并引起业内更深入的探究，主要结论及建议如下。

(1)全面推进城市轨道交通的高质量发展。目前宏观经济大环境对城市轨道交通的发展依然有利，“十四五”期间也是我国城市轨道交通向高质量发展转型的关键时期，轨道交通行业内也在积极推动全自动运行系统的应用以及智慧地铁的建设。如广州地铁已在第三期建设规划中全面推进智慧地铁的实施，并改造广州塔等车站作为智慧车站的示范工程；而针对轨道交通既有线，目前仅有中国香港决定全网改造为全自动运行系统。基于当前形势，建议国家部委加强政策引导，着力研究编制全自动运行的核心技术标准，综合运用项目审批等措施，支持全自动运行的发展及智慧地铁的建设；地方政府及业主单位加强规划设计，着眼于未来发展，统筹布局新线的建设和既有线的改造。

(2)基于线网层面布局全自动运行线路。智慧地铁、全自动运行等已经成为城市轨道交通的发展趋势，经过20多年的历程，我国各地轨道交通线网正逐步迈入成熟期，因此下阶段必须努力提高轨道交通服务质量，而对既有线进行全自动运行系统的改造则是其中一个重要方式。但是，如果仅针对单条线路进行改造研究，其成本将会非常大，并且不利于线网的资源共享及网络化运营。因此，需从线网的角度出发对全自动运行系统的发展进行战略布局，同时也要避免建设“崭新的落后的新线”，对新建线路做好全自动运行系统的预留，特别是场段用地规模等土建预留，远期再进行改造也能够有效降低成本。

(3)针对具体线路认真研究其改造为全自动运行系统的必要性。如前文所述，我国一线城市开通时间较早的一些繁忙骨干线已经或即将面临改造和系统设备更新的问题，地铁公司及设计单位应在充分尊重事实的基础上，客观分析其必要性，基于线网、系统等层面进行考虑，利用车辆、设备等更新的契机，对信号系统、列控系统等进行同步升级改造。

(4)在新建全自动运行线路的基础上进行改造。对既有线进行改造之前，线网中最好已有建成运营的全自动运行线路，并通过3～5年逐渐过渡到GOA4等级运营[21]，使建设、运营、乘客等各方全面适应全自动运行系统，同时运营部门也能够积累经验，培养人员，后续再逐步对线网中的既有线进行全自动运行系统的改造。

(5)对于适宜进行全自动运行改造的线路，应从网络层面提前开展前期研究。建议地铁公司及轨道交通管理部门基于线网的远期发展，着手研究既有线进行全自动运行改造的相关问题，对改造过程中的难点和技术问题有清晰的认识，并尽快开展改造施工技术、系统集成、运营管理、维修模式、组织架构、机电设备研发等相关专题研究。由地铁公司牵头，尽快成立集科研、设计、运营、施工、系统集成等于一体的综合团队开展前期工作，积累经验，储备相关技术人才，进一步推动我国城市轨道交通高质量发展。