下一代地铁列车控制系统：自主化列车控制和自主化运营
地铁列车控制技术总是随着相关技术的进步和运营需求的提高而同步发展的。正如铁路诞生之初，交流电的使用以及对安全性和运营效率的要求，催生了基于工频轨道电路和固定闭塞的铁路信号系统，最后发展成为基于数字轨道电路的ATP/ATO系统；同样，随着计算机技术、无线通信技术、RFID技术的发展，以及地铁高效运营的需求，CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列车控制系统）应运而生，并成为目前地铁列控系统的主流技术。
在全球范围内，绝大多数新建及改建地铁绝均采用了CBTC系统。目前，CBTC系统已经发展得非常成熟，基于CBTC的无人驾驶技术也到了广泛应用。
CBTC之后的下一代地铁列控系统会是什么？这是业内都在关心的问题，我们也看到了很多尝试和探讨。可以确定的是，下一代信号系统肯定是运用新技术的系统，并且旨在通过实现更高的安全性、更高的效率和成本优化来不断提高运营质量。目前汽车无人驾驶发展迅猛，新型传感器、图像识别、人工智能等技术得到了快速发展，借鉴这些新型技术的发展，自主化、智能化的地铁列车控制系统将是未来发展方向之一。
1、实现自主化的目的
应用自主（Autonomous）列车和实现地铁自主运营（无人OCC）的主要目的还是满足运营的需求：
1.1. 提供CBTC降级情况下的安全运营方案
面对日均百万客流的压力，为了保证正常运营，降级模式成了CBTC系统的标配。降级系统可以在主系统出问题的情况下支持降级运行，提供有限能力的客运服务。然而，相比主系统，降级系统的安全性也是大打折扣的。反观前几年发生的事故，有些就是在系统降级情况下发生的。因此，提高系统在降级情况下的安全性是运营迫切的需求之一。
1.2. 更安全更迅速地处理紧急状况，如：火灾和乘客紧急疏散
当下，大部分的紧急情况都是由操作员/司机人工处理的。运营人员迫切希望某些应急情况可以由系统自动处理，以减少反应时间，避免人为错误。
1.3. 更短的行车间隔和节能
目前CBTC加降级系统可实现正常情况下2分钟的行车间隔，降级模式下的3-4分钟的行车间隔。一些大城市已经达到了2分钟甚至更短的行车间隔。如何将其进一步缩短，是地铁运营方尤其是大型城市地铁运营方的迫切需求。
同时，列车运行过程中的节能也是为了实现地铁系统的绿色低碳环保的必要手段之一。
1.4. 减少CBTC的轨旁设备和对轨旁设备室的需求
在人工成本不断增加的情况下，减少系统的维护工作量，从而减少长期的维护人力成本的要求越来越迫切。减少轨旁设备能够大幅度减少日常检查维护工作量。
减少设备室面积可有效降低地铁的建造及维护成本。发达国家大部分线路为改造项目，国内目前已经开通了超过5000公里地铁，随后几年也面临逐步进入更新改造周期，对更新系统占用设备面积有更苛刻的要求。
1.5. 缩短项目交付时间
保证两年甚至更短的信号系统工期，同时确保高质量的交付，是巨大的挑战。这些要求在信号行业出现之初就已产生，并且随着技术的进步而不断提高。
2、自主化与自动化的比较
自主化是有将决定权代理给一个经过授权的个体，这个代理者可以在规定的范围内做决定。自动化则是指系统由若干定义好的规则控制，不允许有任何的偏离。自动化不是自主化。对一个系统而言，为了实现自主化，必须有独立的系统组成，并在基于对环境和状况理解的基础上，选择不同的、一系列的行动来达成目标。
在CBTC系统中，自动驾驶的列车可达到自动化程度非常高的自动化等级4（GoA4），每天可以安全地承载百万客流。然而，部署了CBTC的列车是由外在的称为区域控制器（ZC）的系统控制的，并在自动列车监督系统（ATS）的监督之下，在运行过程中遵循特定的规则。
在GoA4的条件下，列车的正常运行是基于时刻表自动完成的。在发生危害的情况下（火灾、乘客疏散、列车救援），列车的运行则严重依赖于运营控制中心（OCC）值班员的人工介入。
自主化列车则能够感知周边的环境，并可自主地作出正确的决策来完成运行任务。
自主化的OCC，或者说无人OCC，是具备人工智能（AI）运营的OCC。它能够执行正常的运营操作，也能够处理降级或者是危害模式下的运营。换句话说，自主运营OCC（无人OCC）能够意识到运营条件，并能在无人工干预的前提下，在正常和降级场景下运营线路。
3、自主化的概念
3.1. 自主化列车：感知和行动
自主化列车将实现3大主要功能
3.1.1. 接受列车的运营任务
任务可以是:
在特定时间内到达目的地，并在特定的站台进行停站服务；
去进行维修；
去洗车线；
在停车线停车；
救援其他列车。
3.1.2. 感知
列车能够自主检测障碍物。障碍物包括：其他列车、轨道上或者轨道附近的人员、线路上的其他障碍物等；
列车知晓轨旁信号设备的状态，包括道岔、信号机、站台屏蔽门、各种线路标识等；
列车获知天气情况（风、雨、地震）；
列车知晓轨道状态，如进行维修和轨道工作禁止进入的区域，施加的临时限速。
3.1.3. 行动
列车决定到达指定目的地的最优路径；
列车通过直接对转辙机下发命令，完成进路排列。换句话说，传统的联锁功能由车载设备完成；
列车决定并执行移动授权；
列车决定并实现最优的旅行时间和停站时间。
3.2. 自主运营
自主化的OCC（无人OCC）能够意识到运营条件，并能在无人工干预的前提下，在正常和降级场景下运营线路。
正常情况下的自动运营（包括车站管理、维护管理、列车管理）；
意外发生后的线路自动运营；
故障情况下（道岔转辙机故障、屏蔽门故障、断轨、断电）维持自动和连续的列车运营；
自动救援故障列车；
在发生危害的情况下，自动地将列车保持在或者移动至安全位置，并进行乘客疏散。
4、自动化等级
IEC62290-1标准明确了自动化等级：“城市轨道交通（UGT：Urban Guided Transport）列车可以运行的自动化等级，是根据对于给定的基本功能在运营人员和系统之间的责任划分确定的”。该标准定义了5个自动化等级，如下表所示。
5、自主化等级
正如IEC标准定义了不同的自动化等级，本文也对自主化的等级（LoA：Levels of Autonomy）进行了定义。
5.1. 自主化一级 LoA1
自主化一级为列车提供了基于传感器的“视觉”和更强的“大脑”，这样列车可以自主决定走多远，并确保能在任何障碍物之前停下来。这一级别可以附加在CBTC系统之上，实现故障后系统自恢复功能，如列车和轨旁丢失通信后的自动恢复。换句话说，自主化一级 LoA1系统可以作为CBTC的降级后备系统，从而允许低速下持续列车运行。
5.2. 自主化二级 LoA2
在自主化二级下，可实现对轨道上人员、轨道沿线以及站台人员的自动检测，为乘客和运营人员提供防护。
5.3. 自主化三级 LoA3
在自主化三级下，列车接收来自OCC的任务指令，包括指定将要服务的站台和预期的到达时间。列车通过自行设定进路，直接控制道岔，并计算可安全行进的距离等，完成自己的任务。
5.4. 自主化四级（完全自主） LoA4
自主化四级的应用愿景是由有高级辅助功能的有人值守的OCC过渡到人/机协同，并最终发展到无人OCC。届时，OCC的功能将完全集成（ATS，SCADA，视频分析），并由深度学习算法实现地铁的高效运营。
6、自主化的技术实现
新兴技术的涌现推动了自动化产业的发展。同时，汽车行业还在以数十亿的投资以期实现汽车的自主化。为了达到特定等级的列车自主化，列车需要配备有传感器（激光雷达、摄像头、雷达、惯性测量装置（IMU）），并结合复杂的传感器融合及深度学习算法。让列车拥有“视觉”和更强的“大脑”，可以实现列车自主化，并可达到不同的自主化等级。
7、自主化带来的好处
自主化列车和自主化运营可以带来的好处总结如下：
在CBTC基础上增加了自主化一级功能，就可以减少CBTC系统故障对正常运营产生的影响，缩短列车延误时间，并帮助CBTC系统的快速恢复。这一点在全自动运行（FAO）线路上是尤为重要的，否则，一旦任何一列车与轨旁控制器之间的通信丢失，都将导致列车逼停，并需要司机人工介入，从而带来严重的延误。如果列车具备了自主化一级的功能，列车就可以自主运行，不再需要长时间等待救援。
采用自主化一级和二级有利于提高CBTC降级情况下的安全性。当CBTC系统出现故障时，列车运营是由司机和值班员负责的。如果采用列车自主化一级和二级的功能，系统就可以提供额外的安全防护，防止人为错误，从而提高运营的安全性。
发生火灾或者其他危害的情况下，需要快速疏散乘客，以减少人员伤亡。目前，OCC对于这种紧急情况的处理，都是由OCC操作人员进行的，该人员负责在不同的系统和操作员之间进行协调。自主化四级的目的在于通过将不同的系统高效集成起来，帮助操作员做出决策，或者自主决策。
缩短项目周期。新的自主化系统将使设备大幅减少，主要设备将是OCC和车载设备。将众多子系统整合在单一的子系统，极大地简化系统架构，减少了接口，减少了设计、验证、安装和调试的周期。由此看来，相比非自主化的传统的CBTC系统，部署自主化系统所需的时间要少很多。
8、自主化的挑战
信号行业从基于轨道电路的ATP/ATO系统发展到了CBTC系统。CBTC的技术从1999年IEEE1474标准制定开始，得到了非常广泛的应用。目前，列车控制技术也是时候发生新的演进了。从自动化向自主化的转变也伴随着很多挑战，其中运营理念、标准、安全规范、信息安全和商业模式等是最为凸显的。尤其是安全性和信息安全尤为重要。多次无人驾驶汽车致人死亡的事件再次提醒我们这一点。
9、结论
地铁行业总是能从新技术的发展受益，吸收当前的最新信息及控制新技术，完全有可能实现超过GoA4级的自动化水平，进而超越目前的CBTC系统。从CBTC到全自主化的演进可以是一步一步实现的，通过逐级引入自主化，最终实现全自主化。同时，目前比较容易实现的是考虑在CBTC的GoA1/2/3/4上上叠加LoA1/2来减少运营中断，或者是取消基于轨道电路或者计轴的后备系统，提高系统通过能力，提高安全性。
我们确信，信号系统发展到现在，是时候引入新的技术并积极探索自主运营这一新的领域了。
编辑：jq
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