城市轨道交通全自动运行系统建设指南第一版发布.docx
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城市轨道交通全自动运行系统建设指南第一版发布
【城市轨道交通全自动运行系统建设指南】第一版发布
城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室由交控科技股份有限公司牵头，采用“政产学研用”协同创新模式，联合北京交通大学、北京市轨道交通建设管理有限公司、北京地铁车辆装备有限公司共同申报，并经国家发改委批复成立的第一个国家级城轨信号系统科技平台。
该平台将为国家建立一个国际领先的列控系统产业技术研发试验基地，提升城市轨道交通的自主创新能力和整体技术装备水平。
城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室依托北京市轨道交通建设管理有限公司，联合北京交通大学、交控科技股份有限公司、北京市轨道交通设计研究院有限公司、中国铁道科学研究院共同申报，经北京市科学技术委员会批准成立。
该实验室将建立并规范全自动运行系统行业标准，实现地铁工程建设全过程安全管理信息化，不断提升关键设备系统的国产化水平及运营维护管理水平。
白皮书是国家工程实验室和北京市重点实验室的重大研究成果联合发布形式之一，旨在为城市轨道交通建设业主方提供决策依据，为设计方提供设计指南，为运营方提供运营维护指导。
前言
随着城市轨道交通快速发展、城市化进程的加快，对城市轨道交通设备系统在保证行车安全、提高运输效率、节能环保方面提出了新的需求。
采用技术先进、性能稳定、效率优先的全自动运行系统成为中国轨道交通建设的迫切需求。
全自动运行系统是城市轨道交通列车运行控制系统的发展趋势，全球新建线路中将有75%采用全自动运行系统，改造线路中也将有40%采用全自动运行系统，国内主要城市已将全自动运行系统建设纳入规划。
全自动运行系统技术复杂，我国要实现其自主化需在核心技术、关键设备、系统设计与集成、标准规范等方面持续攻关并取得实质性突破。
全自动运行系统的建设与城市规模和运营管理水平密切相关，全自动运行系统建设是一个系统工程。
北京市轨道交通建设管理有限公司依托北京轨道交通燕房线，建设了我国第一条自主化全自动运行线路，国家发改委已批准将其列入国家战略性新兴产业示范工程。
为推动轨道交通行业和全自动运行系统的长期健康发展，为全自动运行系统建设和运营提供决策依据和指导，全面总结燕房线的建设经验，在可研编制、初步设计、招标、系统设计、测试验收等阶段关于系统功能、构成、运行场景、RAMS保障等方面提供建议，明确相对于传统CBTC系统新增功能配置、运行场景、工程设计、性能指标、系统联调和RAMS保障要求，特编制本指南。
本指南由城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室和城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室组织编写并联合发布。
本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
主编单位：
北京轨道交通建设管理有限公司
交控科技股份有限公司
参编单位：
北京城建设计研究总院有限责任公司
上海市隧道工程轨道交通设计研究院
北京全路通信信号研究设计院集团有限公司
北京市轨道交通设计研究院
北京和利时系统工程有限公司
中车青岛四方机车车辆股份有限公司
中车长春轨道客车股份有限公司
中国铁道科学研究院
河北远东通信系统工程有限公司
鼎桥通信技术有限公司
北京天乐泰力科技发展有限公司
里卡多科技咨询（上海）有限公司
主要起草人：
丁树奎、韩志伟、郜春海、张艳兵、张世勇、徐凌、田桂燕、王道敏、徐鼎、王颖、王征、孙长军、刘波、王伟、夏夕盛、袁大鹏、李晓刚、罗志兵、朱胜利、杜薇、庞颖、饶东、张传琪、张文彬、王海燕、何冠中、蒲豫园、陈卓、罗铭、姜传治、肖衍、孙玉鹏、吕爱国、张强、杨旭文、陈洪茹、王嵬、娄咏梅、付鹏、何建军、张磊、腾瑞振、王庆、石楚韵、孙华平、翟国锐、闫磊、熊辉、刘春梅、白龙、王浩然
主要审查人：
唐涛、徐明杰、崔科、方薇、费冬强、黄友能、刘新平、喻智宏、朱小娟
1缩略语3
2概述4
3全自动运行系统场景及新增功能10
4全自动运行系统工程设计26
5全自动运行系统联调要求44
6全自动运行系统RAMS保障46
全自动运行系统建设指南
1 缩略语
序号
缩写
英文
含义
1
ACS
Access Control System
门禁系统
2
AFC
Automatic Fare Collection
自动售检票系统
3
ARB
Always report block
计轴故障占用
4
ATO
Automatic Train Operation
列车自动运行系统
5
ATP
Automatic Train Protection
列车自动防护系统
6
ATS
Automatic Train Supervision
列车自动监控系统
7
BAS
Building Automation System
环境与设备监控系统
8
CLK
Clock
时钟系统
9
CAM
Creep Automatic Model
蠕动模式
10
CBTC
Communication based Train Control System
基于通信的列车控制系统
11
CI
Computer Interlocking System
计算机联锁系统
12
COM
Communication System
通信系统
13
DTO
Driverless Train Operation
有人值守全自动运行
14
DMS
Device Management System
设备维护管理系统
15
EB
Emergency Braking
紧急制动
16
EMC
ElectroMagnetic Compatibility
电磁兼容
17
ESB
Emergency Stop Button
紧急关闭按钮
18
EUM
Non Restricted Manual Driving Mode
非限制人工驾驶模式
19
FAM
Fully-Automatic Train Operating Mode
全自动运行模式
20
FAS
Fire Alarm System
火灾自动报警系统
21
FEP
Front End Processor
前端处理器
22
GUI
Graphic User Interface
图形用户接口
23
GoA
Grade of Automation
自动化等级
24
IBP
Integrated Backup Panel
综合后备盘
25
ISCS
Integrated Supervisory Control System
综合监控系统
26
MTBF
Mean Time Between Failure
平均无故障运行时间
27
MTTR
Mean Time To Repair
平均修复时间
28
OCC
Operating Control Center
控制中心
29
PA
Public Address
广播系统
30
PIS
Passenger Information System
乘客信息系统
31
PED
Platform Edge Door
站台门系统
32
PSCADA
Power Supervisory Control And Data Acquisition System
电力监控系统
33
RAD
Radio Communication
无线通信
34
RF
Radio Frequency
无线扩频通信
35
RAMS
Reliability Availability Maintainability Safety
可靠性、可用性、可维护性、安全性
36
RM
Restricted Manual Driving Mode
限制人工驾驶模式
37
TCMS
Train Control Information System
列车控制及监控系统
38
TIAS
Train Integration Automatic System
行车综合自动化系统
39
UTO
Unattended Train Operation
无人值守全自动运行
40
VMS
Video Monitoring System
视频监视系统
2 概述
全自动运行系统是以现代信息及自动化技术提升运营服务水平，增强系统装备的功能和性能为目的新一代城市轨道交通系统，全自动运行技术在世界城市轨道交通建设中已被大量应用，在未来轨道交通领域也具有广阔的应用空间。
在城市轨道交通建设中采用全自动运行技术，能够进一步增强系统装备的功能和性能，进一步提升轨道交通安全与效率。
本章将结合燕房线示范工程描述全自动运行系统定义、运营等级选择及特点与优势。
2.1 全自动运行系统及自动化等级定义
全自动运行系统（Fully Automatic Operation, FAO）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城市轨道交通系统。
全自动运行系统的目的是进一步提升城市轨道交通运行系统的安全与效率。
全自动运行系统是形象地衡量城市轨道交通系统功能和性能先进水平的标尺，可进一步：
1） 提高系统可靠性、安全性、可用性、可维护性；
2） 提升运营/系统应急处置水平；
3） 提升系统自动化水平，降低劳动强度。
全自动运行系统相比现有城市轨道交通CBTC系统，引入了自动控制、优化控制、人因工程等领域的最新技术，进一步提升自动化程度。
全自动运行系统具有更安全、更高效、更节能、更经济、更高服务水平的突出优点，已成为城市轨道交通技术的发展方向。
国际公共交通协会（UITP）将列车运行的自动化等级（GoA）划分5级：
GoA0：
无ATP防护，目视下的人工驾驶；
GoA1：
ATP防护下的人工驾驶；
GoA2：
半自动列车运行（Semi-automatic train operation,STO），司机监督下的ATO驾驶；
GoA3：
有人值守下列车自动运行DTO（Driverless train operation）；
GoA4：
无人值守下的列车自动运行UTO（Unattended train operation）。
全自动运行系统FAO包含自动化等级GoA3和GoA4，即全自动运行系统运行模式包括有人值守的列车自动运行（DTO）和无人值守的自动运行（UTO）。
国际电工协会标准IEC62290-1对列车运行过程中所需完成各项功能下的人和设备的职责划分来，定义了不同运行自动化等级。
根据国内目前建设经验和较高设备系统配置水平，实际上GoA3（DTO）和GoA4（UTO）等级设备配置以及工程实施差别不大，因此在IEC62290标准基础上提升了自动化等级的功能要求。
详见下图。
不同等级下的列车运行方式详见下表。
自动化等级
列车运行方式
驾驶模式
GoA0
目视下列车运行（TOS）
无ATP防护
GoA1
非自动列车运行（NTO）
ATP
GoA2
半自动列车运行（STO）
ATO
GoA3
有人值守下列车自动运行（DTO）
FAO
GoA4
无人值守下的列车自动运行（UTO）
GoA3有人值守下列车自动运行（DTO）和GoA4无人值守下的列车自动运行（UTO）主要功能配置差异详见下表：
基本功能
场景
DTO
UTO
GoA3
GoA4
保证列车运行安全
安全进路
静止状态下确定初始列车位置
系统
系统
列车间隔
时刻表和运行调整
系统
系统
FAM/CAM模式管理
速度监控
列车速度防护
系统
系统
列车驾驶
加速制动
自动驾驶列车（含跳停、扣车）
系统
系统
监控轨道
障碍物监视
轨道监督（车载VMS监督区间与站台轨道异物/障碍物检测）
系统
系统
防止碰撞人员
阻止列车进站
系统
系统
轨道上工作人员的防护
监督站台端门
监视乘客上下车
车门控制
站台门/车门对位隔离
系统
系统
站台门/车门开启/关闭的远程控制
站台门/车门关闭的监督（如车门防夹、门打开阻止离站/进站）
乘客跌落站台
站台门/车门间隙探测
人工或系统
系统
监控列车
投入/退出运营
列车进入/退出运营
半人工或系统
系统和/或控制中心人员
唤醒列车（含上电自检、静态测试及动态测试）
休眠列车
监督列车运行
自动化车辆段
系统
系统
改变列车运行方向
紧急状态的检测与处理
列车诊断
OCC车辆远程监控（车载VMS及列车状态）
系统
设备检测 人工处置
烟火检测
车辆火灾应急处理（提供烟火报警装置）
人工或系统
脱轨检测
脱轨检测
人工或系统
紧急情况处理
异常天气应急处理模式（通过OCC确认进入雨雪模式运行）
人工或系统
远程指导疏散
人工
车辆故障自动限速运行（例如蠕动模式、制动故障）
人工或系统
车上乘客服务（如紧急呼叫、紧急拉手）
人工或系统
注：
列车进入/退出运营，若车辆段/停车场库线安全防护距离不足，可人工驾驶列车至库门前，转人工驾驶回库。
若不满足动态测试安全防护距离要求，可人工唤醒列车出库升级为FAM模式后投入运营。
从不同的自动化等级的定义及人机功能的划分来看，GoA3（DTO）和GoA4（UTO）都属于全自动运行系统，在正常运营过程中DTO和UTO的人机功能划分是一致的，不需要车上司乘人员的参与。
UTO是更高等级的全自动运行系统，可以完全取消车上司乘人员，由系统和控制中心调度指挥人员共同实现紧急情况的检测与处理。
正常情况下，GoA3 与GoA4一样，由设备自动完成各项操作。
紧急情况下，GoA3 与GoA2一样，由车上的司乘人员处置故障，而GoA4等级则需由地面派人到车上进行处置。
考虑到实际上GoA3（DTO）和GoA4（UTO）等级设备配置以及工程实施差别不大，而GoA4 （UTO）相对于GoA3（DTO）在自动化水平和运营模式方面均有提升，故建议按GoA4 （UTO）全自动运行等级设计和建设。
考虑到国内还未有正式开通按GoA4（UTO）等级运营的线路，各界对新技术的理解和接收程度存在差异，运营模式可根据实际需要决定。
系统联调按一次完成 GoA4（UTO）等级进行，不载客试运行及运营准备按GoA4（UTO）等级和 GoA3（DTO）等级两级模式进行，在试运营和正式运营初期可按GoA3（DTO）等级，待运营准备充分且其他条件成熟时平滑过渡到GoA4（UTO）等级全自动运行模式运营。
2.2 全自动运行系统应用及发展情况
全自动运行系统的发展应用情况分为起步阶段（1971~2004年）和广泛应用阶段（2005至今）。
在此过程中，轨道交通系统经历了从人工驾驶、半自动驾驶到全自动运行的转变。
轨道交通系统的安全性和自动化程度得到了不断的提升。
世界第一条FAO城轨线法国里尔1号线，1983年开通运营。
2005年前FAO技术推广速度比较慢，2005年后发展速度逐渐加快，并开始在中、高运量地铁广泛应用。
此阶段典型线路为新加坡东北线。
2003年6月开通运营，2005年后开通全自动运行。
国内地铁线路应用FAO技术的主要有北京机场线、上海10号线、香港南港岛线。
其中北京地铁机场线，连接北京市区与北京首都国际机场，目前开通DTO，2017年试点UTO。
上海10号线，2010年4月开通ATO， 2014年8月开通DTO。
香港南港岛线2016年12月28日按GoA4等级开通运行，车厢最大特点是无驾驶室，增加列车两端开放式空间，让乘客享受特别的乘坐体验。
北京燕房线作为国内第一个自主化全自动运行系统，按照GoA4等级建设，计划2017年年底开通。
国际公共交通协会（UITP）估计，到2020年国际上75%新线将采用FAO技术，40%的既有线改造时将采用FAO技术。
预计2025年全球2300公里的全自动运行线路。
目前国内轨道交通新一轮建设中，北京3号线、12号线、17号线、19号线及新机场线，上海14号线、15号线、18号线已确定采用全自动运行技术；国内主要城市，如武汉、深圳、广州、南京、南宁、哈尔滨、杭州等已开展相关研究及设计。
2.3 全自动运行系统特点及优势
全自动运行系统是一项系统工程，其涉及车辆、信号、综合监控、通信、站台门、车辆基地等多个专业，各专业联系密切。
全自动运行系统中传统司机的工作职能一部份由列车自动控制系统负责，另一部分则将移交到控制中心去完成。
传统的司机、控制中心调度员和车站值班员共同参与控制的运营控制模式，转变为以控制中心调度员直接面向运行的运营控制模式。
运营控制系统需要具有更加完善的自动控制功能，以行车为核心，信号与车辆、综合监控、通信等多系统配合，提升轨道交通运行系统的整体自动化水平。
同时，运营控制系统具有较为完善的综合维护辅助功能。
全自动运行系统特点如下：
1） 高度自动化、深度集成
全自动运行系统以行车为核心，通过信号、车辆、综合监控、通信等多系统深度集成，提升轨道交通运行系统的整体自动化水平。
全自动运行系统利用高效列车自动控制系统和以行车指挥为核心的控制系统实现智能运转的功能保障，结合人工监视、干预的机制，落实高精度列车运行的同时，减少不必要的误操作，进一步减少人为因素对运营的影响，提升运营能力。
自动化程度的提高，使系统可以快速、有效的应对运营过程中的扰动，具备更强调整能力。
其自动化体现在：
列车上电、自检、段内行驶、正线区间行驶、车站停车及发车、端站折返、列车回段、休眠断电、洗车等全过程自动控制。
2） 充分的冗余配置
全自动运行系统的车辆、信号等关键运行设备均采用冗余技术，减少运行故障，完善的故障自诊断和自愈功能提高了整个系统的可用性和可靠性。
信号在既有设备冗余的基础上，增强了冗余配置，包括：
车载控制器头尾设备冗余、ATO冗余配置、与车辆接口冗余配置、ATS与其他子系统通信采用四重冗余网关、主备中心冗余等。
车辆加强了双网冗余控制，增加与信号、PIS的接口冗余配置等。
全自动运行系统中控制中心的作用远远超出常规地铁运营线路，为了防止控制中心失效影响正常运行，宜加强控制中心的配置级别。
3） 完善的安全防护
全自动运行系统实现了列车运行全过程的安全防护，具体体现在：
（1） 增强运营人员防护功能：
在车站及车辆段增设人员防护开关，对进入正线及车场自动化区域人员进行安全防护；
（2） 增强乘客防护功能：
通过对位隔离功能对乘客上下车及车内安全进行防护；
（3） 扩大了ATP的防护范围：
车场自动化区域内列车运行进行ATP防护；
（4） 增加了轨道障碍物检测功能：
车上加装脱轨/障碍物检测器实现轨道障碍物检测功能；
（5） 增加应急情况下的各个系统联动功能：
如火灾情况下，通风、行车、供电、视频、广播的联动等；
（6） 增加中心处理突发情况的防护能力，包括：
远程紧急、雨雪模式设置、远程复位等。
4） 丰富的中心功能
全自动运行系统中传统司机的工作职能一部份由列车自动控制系统负责，另一部分则将移交到控制中心去完成，控制中心调度员需要直接面对列车进行运营指挥。
因此，全自动运行系统的控制中心需具备更加丰富的控制功能，实现列车全自动运行的全面监控，详细的各设备系统监测与维护调度，远程的面向乘客的服务等。
控制中心新增车辆调度及乘客调度，实现车辆远程控制、状态监控及乘客服务的功能。
车辆各系统自检及运行状态、故障情况可实时传送至控制中心，以使行车控制人员及时掌握列车运行情况，对列车运行实施有效控制。
信号与综合监控、车辆等专业配合实现正常运营及故障处置情况下的相关联动控制。
控制中心具备远程控制列车运行及故障处置的手段，必要时远程对列车运行实施干预。
5） 完全兼容常规驾驶模式
按照UTO等级建设的全自动运行系统，在常规驾驶模式的基础上，增加了FAO（全自动运行）模式。
UTO等级建设的线路具备完整的驾驶模式，可支持从传统的CBTC运营应用模式平滑过渡到全自动运行运营应用模式。
全自动运行系统是形象地衡量城市轨道交通系统可靠性、安全性、可用性、可维护性先进水平的标尺，系统具备不需要配置司机列车完全自动运行的条件，是城市轨道交通技术的发展方向。
其目的不是为了减少驾驶员/乘务员，而是为了进一步增强城市轨道交通系统装备的功能和性能。
全自动运行系统较传统地铁控制系统相比，具有以下优势：
1） 提升运行组织的灵活性
全自动运行能够实现7×24小时不间断的运输服务，可以根据运输需求灵活地调整发车间隔，不受司乘人员的限制。
全自动运行系统兼容有人驾驶CBTC运行模式，发生紧急情况时中心远程可随时介入处理，GoA3等级车上人员也可随时就地处理。
2） 提高运能
全自动运行系统运行时不需要司机进行任何操作，节约司机操作时间，在保证相同有效站停时间下可降低站停时间，缩短列车追踪间隔及折返间隔，提高线路旅行速度。
3） 提高整体自动化水平，减少人为误操作
由于人为误操作导致的地铁事故时有发生，采用先进的全自动运行系统，通过切实有效的控制策略，可以防止人为误操作引起的地铁事故，大大减少事故的发生；全自动运行系统在线路和轨旁设备设计方面具备全方位防护的停车场、列检库、洗车库，防护开关、站台紧急关闭等防护安全的设备，车上具备障碍物脱轨检测设备，提供了更多的安全和防护手段。
4） 降低运营人员劳动强度，提升乘客服务质量
目前轨道交通人员，特别是司机的劳动强度已接近极限状态，全自动运行系统将使司机从重复作业中解放出来，可以承担列车巡视人员的职能，在为乘客服务的同时监视列车运行状态。
5） 节能减排
节能减排是城市轨道交通可持续发展的需求，全自动运行系统可以在单车节能驾驶的基础上进一步实现列车的协同控制，避免集中负载。
系统支持灵活的增删列车，调整高峰和平峰时期投入运营的列车数量适应运量，实现节能减排。
3 全自动运行系统场景及新增功能
全自动运行系统是涉及到土建和设备等多专业的系统性、综合性工程，建设过程中需要结合运营管理模式，采用系统设计理念、加强系统顶层设计，统筹信号、车辆、通信、综合监控、供电、自动化车场等诸多专业设计，遵循“场景说明分析”和“运用规则分析”为基础及主线的工作推进方法，形成全自动运行系统的总体方案、运营场景和运营规则纲领性文件。
3.1 全自动运行系统场景
针对全自动运行系统特点，设计全自动运行系统特有作业场景，制定设备交互流程。
特别是分析设备故障、突发事件等情况下的处理策略，保障行车安全及效率，降低故障影响，缩短系统恢复时间，最终形成全自动运行系统完整的、优化的运营场景。
根据每日运营早间到晚间列车运行的主线，形成全自动运行系统场景，包含正常的处理和异常的处理，共形成场景41项。
3.2 场景对比
传统CBTC运行系统与全自动运行系统DTO/UTO场景对比如下表：
场景
功能
传统CBTC运行系统
有人值守全自动运行（DTO）
无人值守全自动运行（UTO）
早间上电
上电操作
人工上电
同UTO
联动VMS和广播，确认后远程人工上电
唤醒
上电
司机上车人工合闸上电，开钥匙
1.同UTO；
2.司机可人工按压唤醒按钮上电
远程自动唤醒，调度观察是否唤醒成功
唤醒
自检
司机手动检查列车状态
同UTO
自动静态测试、动态测试
唤醒
空调电热
司机手动设置空调电热参数
1.同UTO；
2.司机本地可设置；
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