宋仲仲

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

全自動運行(Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO)系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代軌道交通列車控制系統(tǒng)[1]，已逐漸在各地軌道交通新線中普及應(yīng)用。目前全球已有40多個城市的軌道交通線網(wǎng)開通運營或規(guī)劃有全自動運行線路，總長共超過1 000 km。據(jù)國際公共交通協(xié)會(UITP)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年以來全自動運行線路正以10倍速的增長趨勢發(fā)展。至2025年，全球全自動運行線路的里程將達到2 300 km[2]。

從國家工程實驗室及北京市重點實驗室聯(lián)合發(fā)布的白皮書[3-4]，到中國城市軌道交通協(xié)會團體標準[5]的相繼出臺，可以看出我國的軌道交通全自動運行系統(tǒng)正在快速發(fā)展；從最初應(yīng)用在機場捷運和中低運量線路，到近年來開始在大運量城市軌道交通線路中普及，也說明全自動運行技術(shù)從理論到實踐已經(jīng)逐漸趨于成熟。

目前我國全自動運行技術(shù)的發(fā)展已相對較為完善，在設(shè)計、施工、系統(tǒng)、車輛、設(shè)備等方面都已積累了較為豐富的經(jīng)驗，并且學(xué)術(shù)領(lǐng)域也有較多的既有研究文獻[1-2，6-7，9-11，14-21]。諸如北京、上海、廣州、成都等城市在新線的規(guī)劃和建設(shè)中已逐步引入全自動運行系統(tǒng)，但是對于城市軌道交通既有線路，考慮對其進行全自動運行系統(tǒng)的升級改造，國內(nèi)目前尚無先例，且可參考的文獻也較少。

因此，本文針對軌道交通既有線改造為全自動運行系統(tǒng)進行研究，從土建、系統(tǒng)、運營、施工等方面分析改造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，以引起業(yè)內(nèi)更為深入的探究，在一定程度上為后續(xù)類似項目的設(shè)計及工程實施提供借鑒。

1 必要性分析

1.1 全自動運行系統(tǒng)的優(yōu)勢

隨著各地軌道交通線網(wǎng)的逐漸成熟，列車運營安全及運行效率變得尤為重要。相較于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，全自動運行系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下4個方面[6]。

(1)提升系統(tǒng)安全性：全自動運行系統(tǒng)能夠有效減少人為因素的影響，通過采用硬件和軟件冗余措施，利用高可靠性和安全性的通信、信號系統(tǒng)，以及具有準確完善的故障診斷分析與排除功能的車輛等，結(jié)合智能化和數(shù)字化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)、運營控制中心，來提高整個系統(tǒng)的安全性。

(2)提高運輸能力：全自動運行系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車運行全過程自動化，減少外界因素對列車運營的干擾，進一步提高運輸能力。自動化程度的提高，使系統(tǒng)可以快速、有效地應(yīng)對運營過程中的擾動，因此也具備更強的針對突發(fā)事件的調(diào)整能力。

(3)提高運營靈活性：全自動運行系統(tǒng)能夠有效擺脫司機配置和周轉(zhuǎn)的限制，可依據(jù)實際運輸需求靈活調(diào)整列車發(fā)車間隔，隨時增加或減少上線列車，提升對突發(fā)客流的響應(yīng)能力；有助于實現(xiàn)24 h不間斷的運輸服務(wù)；低峰期或夜間以更低的成本提供可變的服務(wù)。

(4)降低運營成本：全自動運行系統(tǒng)能夠合理安排列車交會，避免列車交會過程中的啟停，防止同時啟動，控制列車的速度/時間達到最佳性能曲線，進而實現(xiàn)多列車的實時、自動、協(xié)同控制；此外，能夠?qū)崿F(xiàn)列車、機電設(shè)備最佳化運行，降低系統(tǒng)整體能耗。

1.2 線路進入改造的窗口期

近年我國城市軌道交通發(fā)展態(tài)勢迅猛，尤其是北京、上海等一線城市，其初期的幾條線路都在20世紀90年代左右開通，運營時間已經(jīng)超過20年[7]。這些線路也多為城市骨干線，客流量級較大，然而由于系統(tǒng)及設(shè)備的老化，可能會對列車運營造成一定程度的影響：比如，影響列車的準點率，造成較為頻繁的晚點；影響線路的輸送能力，使之不能適應(yīng)客流需求。因此，這些線路的車輛、系統(tǒng)、設(shè)備等將陸續(xù)進入更新改造的時間窗口。

而作為引領(lǐng)城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展趨勢的最先進、最高效的系統(tǒng)，全自動運行系統(tǒng)能夠在保證安全可靠性的前提下，有效縮短列車的最小行車間隔，進一步提高系統(tǒng)輸送能力，提升列車準點率及旅行速度，增強運營組織的靈活性。因此，全自動運行系統(tǒng)是城市軌道交通既有線改造的重要方向。

2 案例概述

目前國內(nèi)對既有線改造為全自動運行系統(tǒng)還未進行深入研究，也沒有落地的項目。較為成熟的案例主要集中在歐洲一些城市，如法國巴黎、德國紐倫堡等，其中最具代表性的是巴黎地鐵1號線。

巴黎地鐵1號線全長16.6 km，共設(shè)站25座，是巴黎最擁擠、也是線網(wǎng)中運營時間最長的線路，如圖1所示。該項目于2003年開始可行性研究，從2005年正式啟動到2012年全線順利實現(xiàn)全自動運行，前后共歷時7年。整個改造項目的前提條件是不中斷線路的正常運營，所有的施工及系統(tǒng)測試均在天窗期進行。其改造成本約2.6億元/km，其中全自動運行車輛購置費約占整個項目成本的67%。經(jīng)過改造后，列車最小行車間隔縮短到85s，高峰小時系統(tǒng)輸送能力提高10%；全線配屬車下降至56列；牽引能耗下降了約15%；單位車公里成本降低30%[7]。因此改造后1號線的系統(tǒng)輸送能力和列車服務(wù)質(zhì)量均有較大提高。

圖1 法國巴黎地鐵1號線車站分布示意

隨著地鐵1號線的改造成功，巴黎政府也開始著手研究4號線的全自動運行改造，其預(yù)算成本已降為1.5億元/km，預(yù)計到2050年巴黎將完成總計6條線路的改造項目。此外，德國紐倫堡U2線也是在不中斷正常運營條件下進行全自動運行改造的線路；倫敦、中國香港等地也已經(jīng)決定全網(wǎng)改造為全自動運行系統(tǒng)，以進一步提升運輸能力和服務(wù)質(zhì)量；法國的里昂、馬賽，德國的柏林、法蘭克福、漢堡等城市也均在考慮將既有軌道交通線路改造為全自動運行系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵問題分析

3.1 適應(yīng)性

(1)繁忙骨干線

在城市軌道交通進入成熟發(fā)展期的今天，軌道交通對于居民出行起著越來越重要的作用，承擔(dān)的出行比例越來越大。并且隨著城市市域范圍的擴大，居民的出行需求逐漸提高，出行距離日益增大；同時軌道交通線網(wǎng)輻射范圍的逐步擴大，進一步提高了居民出行的可達性，從而吸引了越來越多的客流；進而引起城市核心區(qū)骨干線路客流量持續(xù)增長，高峰小時斷面客流已經(jīng)達到或接近于系統(tǒng)能力的極限。

以2018年為例，全國各城市高峰小時斷面客流最大的幾條線路分別為：廣州3號線6.43萬人/h、北京6號線6.06萬人/h、上海11號線5.84萬人/h、北京4號線5.69萬人/h、成都1號線5.54萬人/h，已經(jīng)遠超系統(tǒng)輸送能力，車廂內(nèi)站立標準進一步增大，乘客舒適度較差。根據(jù)統(tǒng)計，2018年北京、上海、廣州等城市各條線路高峰小時最大斷面客流如圖2所示。

圖2 2018年北京、上海、廣州各線高峰小時斷面客流(單位：萬人/h)

由于其超大客流、超高密度的特點，亟需全方位提高系統(tǒng)能力及運行效率。但受限于折返站折返能力、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、場段規(guī)模等因素，系統(tǒng)輸送能力很難進一步提高，運營組織靈活性及運營效率也相對較差。因此，在特定時期內(nèi)對其進行全自動運行改造具有一定的必要性。同時，根據(jù)上海地鐵10號線準無人駕駛運營的相關(guān)經(jīng)驗，全自動運行系統(tǒng)受大客流的影響有限；相反，對運能的提高與運行效率的提升效果較為明顯。

(2)進入更新窗口期的線路

根據(jù)《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》(建標104-2008)[8]中關(guān)于固定資產(chǎn)折舊年限的規(guī)定，車輛的折舊年限為30年，車輛基地維修設(shè)備為18年，通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、站臺屏蔽門系統(tǒng)等為15年，如表1所示。

表1 固定資產(chǎn)折舊年限

對于開通時間較早，運營年限較長的線路，其車輛、設(shè)備、信號系統(tǒng)等即將進入更新的年限，對于這些既有線路，可以利用車輛、信號系統(tǒng)等更新的契機，對其進行全自動運行系統(tǒng)的改造。

3.2 土建方面

(1)車輛段

與傳統(tǒng)車輛段不同，全自動運行車輛段除了滿足常規(guī)的功能外，還需具備自動喚醒和休眠、自動出入庫、自動進出正線、自動洗車等功能[9]。因此，對既有場段的改造集中在下述幾個方面。

①將既有車輛段劃分為有人區(qū)和無人區(qū)，并增加相應(yīng)的隔離措施、增設(shè)門禁系統(tǒng)；同時，需增加列車從無人區(qū)走行至有人區(qū)的轉(zhuǎn)換軌(牽出線)，牽出線的長度也需增加。

②由于既有車輛段列檢庫線長度不滿足列車自動喚醒、動態(tài)自檢、自動入庫等的要求，因此列檢庫線長度需增加，以滿足信號系統(tǒng)對兩列車之間及列車與車擋之間安全防護距離的要求。如果在土建工程上增加既有庫線的長度，會涉及到拆遷等一系列問題，存在改造費用較高、時間較長、影響運營等諸多弊端，實施難度較大，業(yè)主一般也不會選擇此方案。

文獻[10]研究了在保持既有車輛段土建規(guī)模不變的條件下，通過變更列車安全制動模型及合理劃分記軸區(qū)段，從系統(tǒng)層面解決既有車輛段停車列檢庫線較短的問題，可為庫線長度的改造提供參考。

③列檢庫一般被劃分為全自動運行區(qū)域(無人區(qū))[11]，為減少列車進出庫時對檢修維護人員造成干擾，保障人員安全，需要將列檢庫按每2～3股道分設(shè)1個防護分區(qū)，各防護分區(qū)之間具備物理隔離條件。同時為便于檢修人員安全進入庫內(nèi)各防護分區(qū)，庫中間(兩列位之間)應(yīng)設(shè)有人行下穿通道，各防護分區(qū)均設(shè)置有進出通道，并設(shè)有相應(yīng)的門禁系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 列檢庫有人區(qū)與無人區(qū)劃分

④為實現(xiàn)車輛段全自動洗車的功能，洗車庫的設(shè)備也需要進行升級改造。同時需增加洗車庫內(nèi)洗車機與相應(yīng)信號系統(tǒng)的接口，以控制列車準確啟停，滿足全自動洗車的需求。

綜上，相比傳統(tǒng)車輛段，改造的重點及控制點主要是庫線長度的增加、牽出線長度的增加、場段用地的擴大等是否具有條件，建議盡量從系統(tǒng)層面去解決這些難題。

(2)區(qū)間

既有線區(qū)間設(shè)有疏散平臺的，改造時區(qū)間疏散平臺應(yīng)連續(xù)貫通，作為應(yīng)急條件下的逃生、救援的通道，如圖4所示。

圖4 區(qū)間疏散平臺

(3)配線

全自動運行線路的配線設(shè)置需滿足靈活運營以及故障狀態(tài)下緊急救援等的需求。列車故障狀態(tài)救援時一般采用人工駕駛救援，需考慮司機的上車時間，包括司機從站廳層到達救援列車(最遠)以及到達故障現(xiàn)場后連掛、推進時被救援列車司機到達被救援列車前端的時間，預(yù)計約4 min[12]。

目前一般認為全自動運行列車在故障狀態(tài)下為人工駕駛救援，考慮到司機登乘列車的時間，現(xiàn)行GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[13]規(guī)定每8～10 km設(shè)置1處停車線是否還滿足要求，停車線之間的間距是否應(yīng)適當減小，目前對此問題尚沒有統(tǒng)一的定論，因此還需根據(jù)實際運營經(jīng)驗進一步探討論證。而對既有線而言，由于配線方面的改造施工難度較大，因此可針對具體線路的實際情況，在有實施條件的車站進行停車線等配線的改造。

3.3 系統(tǒng)方面

(1)車輛

全自動運行列車需要實現(xiàn)自動喚醒與休眠、自檢、障礙物檢測、車門對位隔離等[14]。國內(nèi)廠商針對車輛的改造進行了一定的研究，如果改造為全自動運行的車輛，則需要在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)以及其他接口設(shè)計等方面進行改造。全自動運行系統(tǒng)的一個主要優(yōu)勢在于其安全性較高，若將既有車輛進行改造、重組等，則其結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、電路、電纜等方面均會存在安全隱患，無法保證列車的安全性。因此，如本文前述所提，需在車輛等進入報廢更新的窗口期進行改造，改造后重新去采購全自動運行車輛。

(2)信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)是保證軌道交通列車運行安全的重要技術(shù)[15]，在全自動運行模式下，其設(shè)計理念進行了巨大升級。傳統(tǒng)模式下由司機對列車發(fā)出相應(yīng)操作指令，而全自動運行系統(tǒng)下則由信號設(shè)備替代，并在保證列車運行安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)行調(diào)和值班員的意圖。對于信號系統(tǒng)的改造主要是相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的增加及與其他系統(tǒng)接口的增強，如增加相應(yīng)的車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備、場段設(shè)備、全自動洗車機接口等，增強與通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、站臺門、車輛等相關(guān)接口[16]。

(3)通信系統(tǒng)

根據(jù)全自動運行的需求，通信系統(tǒng)方面的改造主要涉及車地?zé)o線通信、視頻監(jiān)視、專用無線等，需要增加區(qū)間隧道廣播、區(qū)間視頻監(jiān)控，增強車地通信傳輸帶寬和質(zhì)量、通信車載設(shè)備的穩(wěn)定性、與車輛的相關(guān)接口等?？偨Y(jié)而言，通信系統(tǒng)方面的改造主要在于進一步提高其穩(wěn)定性和可靠性，并增加與其他相關(guān)系統(tǒng)的接口功能。

(4)站臺門系統(tǒng)

站臺門系統(tǒng)需增加對位隔離功能，即站臺門對列車門關(guān)聯(lián)控制，當一方有故障時對應(yīng)的另一方保持相應(yīng)的關(guān)閉狀態(tài)[17-18]。此外，還需增加防夾人檢測功能，作為發(fā)車信號的前提條件；就地控制盤(PSL)應(yīng)由端門處改為設(shè)置在站臺公共區(qū)域值守人員處；增加與通信信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站值班室等的配合與聯(lián)系。

(5)綜合監(jiān)控系統(tǒng)

采用全自動運行后，各系統(tǒng)的自動化水平顯著提高，系統(tǒng)間的聯(lián)動要求做到更加及時、全面和高效。因此，全自動運行的綜合監(jiān)控系統(tǒng)不僅面向電力調(diào)度、環(huán)境調(diào)度人員，同時應(yīng)向列車調(diào)度人員提供更豐富的信息和聯(lián)動方案。除具有常規(guī)綜合監(jiān)控系統(tǒng)所具有的功能外，還需增強車輛故障、火災(zāi)、乘客報警、站臺門等的聯(lián)動和信息整合；增加車輛調(diào)度和乘客調(diào)度的人機界面及相關(guān)功能；增加車載視頻、車載PIS、車載PA和與乘客對講的人機界面及相關(guān)控制功能。根據(jù)不同的運營場景，提前設(shè)置各種預(yù)案，實現(xiàn)在全自動運行條件下多系統(tǒng)間的全面高效聯(lián)動。

而隨著云計算等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，基于“城軌云”的綜合監(jiān)控系統(tǒng)等開始逐步在呼和浩特、武漢等軌道交通線路中探索應(yīng)用[19]。相關(guān)系統(tǒng)集成廠商也在此基礎(chǔ)上進一步開發(fā)諸如綜合監(jiān)控系統(tǒng)的手機APP等，全力打造智慧運維系統(tǒng)。雖然實際落地中可能會遇到困難，但由于“城軌云”的優(yōu)勢明顯，在既有線進行全自動運行改造的過程中也應(yīng)結(jié)合實際，大膽啟用新技術(shù)，基于云平臺進一步提高綜合監(jiān)控等系統(tǒng)集成水平。

3.4 運營方面

對于運營組織方面，關(guān)鍵點在于故障或災(zāi)害條件下的場景設(shè)定、降級運行模式、故障列車救援、區(qū)間疏散模式，以及運維定員和組織架構(gòu)的重新考慮等。相較于傳統(tǒng)線路，全自動運行模式下的列車運行指揮架構(gòu)有了新的調(diào)整，人員配備上也有了新的需求[20]。由于全自動運行系統(tǒng)取消了駕駛員，可進一步減少司機定員，采用中心集中控制，可以大幅度減少司機人員配置數(shù)量，有效降低運營成本?？刂浦行男柙O(shè)置乘客調(diào)、車輛調(diào)和維修調(diào)席位，將司機的工作通過高度集成的系統(tǒng)由控制中心相應(yīng)調(diào)度崗位來實現(xiàn)。設(shè)置適應(yīng)全自動運行系統(tǒng)的車站運維組織機構(gòu)，弱化或簡化車站行車調(diào)度人員配置，通過多職能巡視隊伍參與運營管理，組織疏導(dǎo)乘客上下車，出現(xiàn)異常情況時疏散乘客、上車駕駛，輔助控制中心進行行車管理以及參與必要的維修工作等。

3.5 施工方面

施工過程中面臨的最大困難即整個改造項目實施過程中，必須不中斷線路的正常運營，并保證乘客以及工作人員的安全[7]，這也是既有線進行全自動運行改造的前提條件。另外，改造項目的施工及系統(tǒng)測試都需要在運營時段外進行，時間非常有限，進而將導(dǎo)致整個工期的延續(xù)時間較長。因此，建議在改造過程中應(yīng)合理安排工期，并在夜間天窗期進行施工和測試。

4 結(jié)論及建議

全自動運行技術(shù)代表著城市軌道交通未來的發(fā)展趨勢，目前國內(nèi)針對既有線改造為全自動運行系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，從必要性、適應(yīng)性、土建、系統(tǒng)、運營、施工等方面對關(guān)鍵問題進行初步分析，認為對既有線進行全自動運行改造具備一定的可行性。研究成果可為類似項目的研究和實施提供借鑒，并引起業(yè)內(nèi)更深入的探究，主要結(jié)論及建議如下。

(1)全面推進城市軌道交通的高質(zhì)量發(fā)展。目前宏觀經(jīng)濟大環(huán)境對城市軌道交通的發(fā)展依然有利，“十四五”期間也是我國城市軌道交通向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，軌道交通行業(yè)內(nèi)也在積極推動全自動運行系統(tǒng)的應(yīng)用以及智慧地鐵的建設(shè)。如廣州地鐵已在第三期建設(shè)規(guī)劃中全面推進智慧地鐵的實施，并改造廣州塔等車站作為智慧車站的示范工程；而針對軌道交通既有線，目前僅有中國香港決定全網(wǎng)改造為全自動運行系統(tǒng)。基于當前形勢，建議國家部委加強政策引導(dǎo)，著力研究編制全自動運行的核心技術(shù)標準，綜合運用項目審批等措施，支持全自動運行的發(fā)展及智慧地鐵的建設(shè)；地方政府及業(yè)主單位加強規(guī)劃設(shè)計，著眼于未來發(fā)展，統(tǒng)籌布局新線的建設(shè)和既有線的改造。

(2)基于線網(wǎng)層面布局全自動運行線路。智慧地鐵、全自動運行等已經(jīng)成為城市軌道交通的發(fā)展趨勢，經(jīng)過20多年的歷程，我國各地軌道交通線網(wǎng)正逐步邁入成熟期，因此下階段必須努力提高軌道交通服務(wù)質(zhì)量，而對既有線進行全自動運行系統(tǒng)的改造則是其中一個重要方式。但是，如果僅針對單條線路進行改造研究，其成本將會非常大，并且不利于線網(wǎng)的資源共享及網(wǎng)絡(luò)化運營。因此，需從線網(wǎng)的角度出發(fā)對全自動運行系統(tǒng)的發(fā)展進行戰(zhàn)略布局，同時也要避免建設(shè)“嶄新的落后的新線”，對新建線路做好全自動運行系統(tǒng)的預(yù)留，特別是場段用地規(guī)模等土建預(yù)留，遠期再進行改造也能夠有效降低成本。

(3)針對具體線路認真研究其改造為全自動運行系統(tǒng)的必要性。如前文所述，我國一線城市開通時間較早的一些繁忙骨干線已經(jīng)或即將面臨改造和系統(tǒng)設(shè)備更新的問題，地鐵公司及設(shè)計單位應(yīng)在充分尊重事實的基礎(chǔ)上，客觀分析其必要性，基于線網(wǎng)、系統(tǒng)等層面進行考慮，利用車輛、設(shè)備等更新的契機，對信號系統(tǒng)、列控系統(tǒng)等進行同步升級改造。

(4)在新建全自動運行線路的基礎(chǔ)上進行改造。對既有線進行改造之前，線網(wǎng)中最好已有建成運營的全自動運行線路，并通過3～5年逐漸過渡到GOA4等級運營[21]，使建設(shè)、運營、乘客等各方全面適應(yīng)全自動運行系統(tǒng)，同時運營部門也能夠積累經(jīng)驗，培養(yǎng)人員，后續(xù)再逐步對線網(wǎng)中的既有線進行全自動運行系統(tǒng)的改造。

(5)對于適宜進行全自動運行改造的線路，應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)層面提前開展前期研究。建議地鐵公司及軌道交通管理部門基于線網(wǎng)的遠期發(fā)展，著手研究既有線進行全自動運行改造的相關(guān)問題，對改造過程中的難點和技術(shù)問題有清晰的認識，并盡快開展改造施工技術(shù)、系統(tǒng)集成、運營管理、維修模式、組織架構(gòu)、機電設(shè)備研發(fā)等相關(guān)專題研究。由地鐵公司牽頭，盡快成立集科研、設(shè)計、運營、施工、系統(tǒng)集成等于一體的綜合團隊開展前期工作，積累經(jīng)驗，儲備相關(guān)技術(shù)人才，進一步推動我國城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展。