地鐵列車控制技術總是隨著相關技術的進步和運營需求的提高而同步發展的。正如鐵路誕生之初，交流電的使用以及對安全性和運營效率的要求，催生了基于工頻軌道電路和固定閉塞的鐵路信號系統，最后發展成為基于數字軌道電路的ATP/ATO系統；同樣，隨著計算機技術、無線通信技術、RFID技術的發展，以及地鐵高效運營的需求，CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列車控制系統）應運而生，并成為目前地鐵列控系統的主流技術。

在全球范圍內，絕大多數新建及改建地鐵絕均采用了CBTC系統。目前，CBTC系統已經發展得非常成熟，基于CBTC的無人駕駛技術也到了廣泛應用。

CBTC之后的下一代地鐵列控系統會是什么？這是業內都在關心的問題，我們也看到了很多嘗試和探討。可以確定的是，下一代信號系統肯定是運用新技術的系統，并且旨在通過實現更高的安全性、更高的效率和成本優化來不斷提高運營質量。目前汽車無人駕駛發展迅猛，新型傳感器、圖像識別、人工智能等技術得到了快速發展，借鑒這些新型技術的發展，自主化、智能化的地鐵列車控制系統將是未來發展方向之一。

1、實現自主化的目的

應用自主（Autonomous）列車和實現地鐵自主運營（無人OCC）的主要目的還是滿足運營的需求：

1.1. 提供CBTC降級情況下的安全運營方案

面對日均百萬客流的壓力，為了保證正常運營，降級模式成了CBTC系統的標配。降級系統可以在主系統出問題的情況下支持降級運行，提供有限能力的客運服務。然而，相比主系統，降級系統的安全性也是大打折扣的。反觀前幾年發生的事故，有些就是在系統降級情況下發生的。因此，提高系統在降級情況下的安全性是運營迫切的需求之一。

1.2. 更安全更迅速地處理緊急狀況，如：火災和乘客緊急疏散

當下，大部分的緊急情況都是由操作員/司機人工處理的。運營人員迫切希望某些應急情況可以由系統自動處理，以減少反應時間，避免人為錯誤。

1.3. 更短的行車間隔和節能

目前CBTC加降級系統可實現正常情況下2分鐘的行車間隔，降級模式下的3-4分鐘的行車間隔。一些大城市已經達到了2分鐘甚至更短的行車間隔。如何將其進一步縮短，是地鐵運營方尤其是大型城市地鐵運營方的迫切需求。

同時，列車運行過程中的節能也是為了實現地鐵系統的綠色低碳環保的必要手段之一。

1.4. 減少CBTC的軌旁設備和對軌旁設備室的需求

在人工成本不斷增加的情況下，減少系統的維護工作量，從而減少長期的維護人力成本的要求越來越迫切。減少軌旁設備能夠大幅度減少日常檢查維護工作量。

減少設備室面積可有效降低地鐵的建造及維護成本。發達國家大部分線路為改造項目，國內目前已經開通了超過5000公里地鐵，隨后幾年也面臨逐步進入更新改造周期，對更新系統占用設備面積有更苛刻的要求。

1.5. 縮短項目交付時間

保證兩年甚至更短的信號系統工期，同時確保高質量的交付，是巨大的挑戰。這些要求在信號行業出現之初就已產生，并且隨著技術的進步而不斷提高。

2、自主化與自動化的比較

自主化是有將決定權代理給一個經過授權的個體，這個代理者可以在規定的范圍內做決定。自動化則是指系統由若干定義好的規則控制，不允許有任何的偏離。自動化不是自主化。對一個系統而言，為了實現自主化，必須有獨立的系統組成，并在基于對環境和狀況理解的基礎上，選擇不同的、一系列的行動來達成目標。

在CBTC系統中，自動駕駛的列車可達到自動化程度非常高的自動化等級4（GoA4），每天可以安全地承載百萬客流。然而，部署了CBTC的列車是由外在的稱為區域控制器（ZC）的系統控制的，并在自動列車監督系統（ATS）的監督之下，在運行過程中遵循特定的規則。

在GoA4的條件下，列車的正常運行是基于時刻表自動完成的。在發生危害的情況下（火災、乘客疏散、列車救援），列車的運行則嚴重依賴于運營控制中心（OCC）值班員的人工介入。

自主化列車則能夠感知周邊的環境，并可自主地作出正確的決策來完成運行任務。

自主化的OCC，或者說無人OCC，是具備人工智能（AI）運營的OCC。它能夠執行正常的運營操作，也能夠處理降級或者是危害模式下的運營。換句話說，自主運營OCC（無人OCC）能夠意識到運營條件，并能在無人工干預的前提下，在正常和降級場景下運營線路。

3、自主化的概念

3.1. 自主化列車：感知和行動

自主化列車將實現3大主要功能

3.1.1. 接受列車的運營任務

任務可以是:

在特定時間內到達目的地，并在特定的站臺進行停站服務；

去進行維修；

去洗車線；

在停車線停車；

救援其他列車。

3.1.2. 感知

列車能夠自主檢測障礙物。障礙物包括：其他列車、軌道上或者軌道附近的人員、線路上的其他障礙物等；

列車知曉軌旁信號設備的狀態，包括道岔、信號機、站臺屏蔽門、各種線路標識等；

列車獲知天氣情況（風、雨、地震）；

列車知曉軌道狀態，如進行維修和軌道工作禁止進入的區域，施加的臨時限速。

3.1.3. 行動

列車決定到達指定目的地的最優路徑；

列車通過直接對轉轍機下發命令，完成進路排列。換句話說，傳統的聯鎖功能由車載設備完成；

列車決定并執行移動授權；

列車決定并實現最優的旅行時間和停站時間。

3.2. 自主運營

自主化的OCC（無人OCC）能夠意識到運營條件，并能在無人工干預的前提下，在正常和降級場景下運營線路。

正常情況下的自動運營（包括車站管理、維護管理、列車管理）；

意外發生后的線路自動運營；

故障情況下（道岔轉轍機故障、屏蔽門故障、斷軌、斷電）維持自動和連續的列車運營；

自動救援故障列車；

在發生危害的情況下，自動地將列車保持在或者移動至安全位置，并進行乘客疏散。

4、自動化等級

IEC62290-1標準明確了自動化等級：“城市軌道交通（UGT：Urban Guided Transport）列車可以運行的自動化等級，是根據對于給定的基本功能在運營人員和系統之間的責任劃分確定的”。該標準定義了5個自動化等級，如下表所示。

5、自主化等級

正如IEC標準定義了不同的自動化等級，本文也對自主化的等級（LoA：Levels of Autonomy）進行了定義。

5.1. 自主化一級 LoA1

自主化一級為列車提供了基于傳感器的“視覺”和更強的“大腦”，這樣列車可以自主決定走多遠，并確保能在任何障礙物之前停下來。這一級別可以附加在CBTC系統之上，實現故障后系統自恢復功能，如列車和軌旁丟失通信后的自動恢復。換句話說，自主化一級 LoA1系統可以作為CBTC的降級后備系統，從而允許低速下持續列車運行。

5.2. 自主化二級 LoA2

在自主化二級下，可實現對軌道上人員、軌道沿線以及站臺人員的自動檢測，為乘客和運營人員提供防護。

5.3. 自主化三級 LoA3

在自主化三級下，列車接收來自OCC的任務指令，包括指定將要服務的站臺和預期的到達時間。列車通過自行設定進路，直接控制道岔，并計算可安全行進的距離等，完成自己的任務。

5.4. 自主化四級（完全自主） LoA4

自主化四級的應用愿景是由有高級輔助功能的有人值守的OCC過渡到人/機協同，并最終發展到無人OCC。屆時，OCC的功能將完全集成（ATS，SCADA，視頻分析），并由深度學習算法實現地鐵的高效運營。

6、自主化的技術實現

新興技術的涌現推動了自動化產業的發展。同時，汽車行業還在以數十億的投資以期實現汽車的自主化。為了達到特定等級的列車自主化，列車需要配備有傳感器（激光雷達、攝像頭、雷達、慣性測量裝置（IMU）），并結合復雜的傳感器融合及深度學習算法。讓列車擁有“視覺”和更強的“大腦”，可以實現列車自主化，并可達到不同的自主化等級。

7、自主化帶來的好處

自主化列車和自主化運營可以帶來的好處總結如下：

在CBTC基礎上增加了自主化一級功能，就可以減少CBTC系統故障對正常運營產生的影響，縮短列車延誤時間，并幫助CBTC系統的快速恢復。這一點在全自動運行（FAO）線路上是尤為重要的，否則，一旦任何一列車與軌旁控制器之間的通信丟失，都將導致列車逼停，并需要司機人工介入，從而帶來嚴重的延誤。如果列車具備了自主化一級的功能，列車就可以自主運行，不再需要長時間等待救援。

采用自主化一級和二級有利于提高CBTC降級情況下的安全性。當CBTC系統出現故障時，列車運營是由司機和值班員負責的。如果采用列車自主化一級和二級的功能，系統就可以提供額外的安全防護，防止人為錯誤，從而提高運營的安全性。

發生火災或者其他危害的情況下，需要快速疏散乘客，以減少人員傷亡。目前，OCC對于這種緊急情況的處理，都是由OCC操作人員進行的，該人員負責在不同的系統和操作員之間進行協調。自主化四級的目的在于通過將不同的系統高效集成起來，幫助操作員做出決策，或者自主決策。

縮短項目周期。新的自主化系統將使設備大幅減少，主要設備將是OCC和車載設備。將眾多子系統整合在單一的子系統，極大地簡化系統架構，減少了接口，減少了設計、驗證、安裝和調試的周期。由此看來，相比非自主化的傳統的CBTC系統，部署自主化系統所需的時間要少很多。

8、自主化的挑戰

信號行業從基于軌道電路的ATP/ATO系統發展到了CBTC系統。CBTC的技術從1999年IEEE1474標準制定開始，得到了非常廣泛的應用。目前，列車控制技術也是時候發生新的演進了。從自動化向自主化的轉變也伴隨著很多挑戰，其中運營理念、標準、安全規范、信息安全和商業模式等是最為凸顯的。尤其是安全性和信息安全尤為重要。多次無人駕駛汽車致人死亡的事件再次提醒我們這一點。

9、結論

地鐵行業總是能從新技術的發展受益，吸收當前的最新信息及控制新技術，完全有可能實現超過GoA4級的自動化水平，進而超越目前的CBTC系統。從CBTC到全自主化的演進可以是一步一步實現的，通過逐級引入自主化，最終實現全自主化。同時，目前比較容易實現的是考慮在CBTC的GoA1/2/3/4上上疊加LoA1/2來減少運營中斷，或者是取消基于軌道電路或者計軸的后備系統，提高系統通過能力，提高安全性。

我們確信，信號系統發展到現在，是時候引入新的技術并積極探索自主運營這一新的領域了。

編輯：jq