轨道交通运行控制系统国家工程研究中心BCIIRT白皮书编号：RT0C-WP-202401城市轨道交通智能全自动运行系统联合发布单位：轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京协同创新轨道交通研究院有限公司2024年4月城市轨道交通智能全自动运行系统签发时间：2024年04月签发版本：第一版（V1.0)联合发联合发布白皮轨道交通运行控制系统国家工程研究中心（下文简称“工程中心”）由原轨道交通运行控制系统国家工程研究中心和城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室优化整合后组建，是北京交通大学牵头，采用“政产学研用”协同创新模式，联合交控科技股份有限公司、中国铁道科学研究院集团有限公司、中国铁路通信信号集团有限公司、北京轨道交通运行控制系统国家工程研究中心有限公司等共同申报，并经国家发改委批复成立的国家级轨道交通列车运行控制系统科技平台。北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室（下文简称“全国重点实验室”)是在原有的“轨道交通控制与安全国家重点实验室”基础上优化重组而成的。全国重点实验室围绕国家重大战略需求，聚焦先进轨道交通自主运行技术前沿，致力于原创性理论突破、前沿创新技术研发和核心装各研制，形成引领轨道交通运行控制发展的前瞻性、先导性、探索性重大成果，形成我国轨道交通领域自主可控技术“策源地”，实现国际引领。北京协同创新轨道交通研究院（下文简称“协同创新研究院”）成立于2020年，是北京市基础设施投资有限公司（下文简称“京投公司”）联合运营企业、高校、行业科研院所、高新技术企业等合作组建，旨在进一步打通“政产学研用”全产业链条，构建高效协同创新体系，打造协同创新平台，统筹科研及标准管理，以“投资+创新”加速创新成果转化，最终提升北京轨道交通创新水平，促进轨道交通产业升级。协同创新研究院主营业务涵盖轨道交通领域创新研究及应用各环节：一是系统技术研究，追踪前沿技术，研究新需求、新场景：二是科研管理，进行科研项目管理、外部科技资金申请等：三是协同创新管理，统筹创新中心联合实验室、实验场景搭建及产品试制、试验工作：四是检验试验管理，包括新技术新产品系统级检验试验归口管理、检验检测规范归口管理。《城市轨道交通智能全自动运行系统》白皮书由轨道交通运行控制系统国家工程研究中心、北京协同创新轨道交通研究院和先进轨道交通自主运行全国重点实验室共同组织编写。白皮书是工程中心的重大研究成果发布形式之一，旨在为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。京投公司和协同创新研究院牵头，工程中心和全国重点实验室共同参与，承担了中国城市轨道交通协会“新一代网络化智能调度和智能列车运控系统示范工程”（下文简称“示范工程”），智能全自动运行(FAO)系统是基于示范工程的研究成果，结合城轨交通系统下一步发展方向总结深化所提出的。本白皮书面向城市轨道交通智慧和绿色融合的高质量发展需要，结合智能动态调度、虚拟编组控制、运行环境智能感知、设备设施健康管理等轨道交通领域变革性技术的研究与发展情况，系统性介绍了现阶段定义和发展智能全自动运行系统(iFAO)的必要性，全面介绍了iFAO系统的定义、主要特征、主要功能及关键技术等，并介绍了北京轨道交通研究和实施iFA0的工作路线。本白皮书的某些内容可能涉及专利，本白皮书的发布机构不承担识别这些专利的责任。对本白皮书有任何问题或建议，欢迎与我们联系。联系电话：010-51685826：邮箱：renshi@bjtu.edu.cn。皮书联合发布联合发布白皮目录目录31术语与缩略语.，51.1术语..3智能全自动运行系统(iFA0)的必要性.，94.1智能全自动运行系统定义..…4.2智能全自动运行系统的主要特征...…154.3智能全自动运行系统主要优势....174.4智能全自动运行系统的自动化水平.…185智能全自动运行系统功能架构及主要功能......245.1智能全自动运行系统功能架构...，5.2智能全自动运行系统主要功能...5.2.1智能感知和数据处理等基础功能..·265.2.2列车在线重联/摘解相关功能..5.2.3灵活编组列车运行控制相关功能....275.2.4智能动态调度相关功能.296智能全自动运行系统关键技术.，6.1列车灵活编组控制相关技术..·306.1.2列车虚拟灵活编组控制相关技术.....316.2列车智能感知相关技术...，6.2.1基于智能主动感知的实时高精度列车测速定位.....356.2.2轨行区净空检测技术..356.3综合智能动态调度相关技术.366.3.1基于人工智能的综合自主决策技术...366.3.2面向灵活编组的调度指挥控制.....366.3.3面向线路集群的智能线间动态协同调整技术....366.3.4面向人-车-能匹配的综合智能动态调度和能源管控技术.376.4.1地面基础平台跨专业信息融合处理技术...376.4.2车辆一体化平台综合承载技术.…387北京轨道交通智能全自动运行系统实施路线.…..3941书联合发布自运动联合发布白皮书运营动前言近年来我国城市轨道交通（简称“城轨交通”）持续高速发展，线网规模和客流规模均已位居世界前列，为缓解我国城市交通拥堵、提高乘客出行效率、促进绿色低碳出行和建设交通强国发挥重要作用。在此过程中，全自动运行(F0)系统均已经在城市轨道交通得到广泛应用，实现了无司机或司乘人员干预下的列车全过程安全可靠稳定运行，为建设智慧和绿色城轨发挥了重要作用。对轨道交通运行安全、高效、绿色、人性化和可持续性的不断追求，促进了系统控制的自动化程度不断提升，正朝着智能化和自主化方向发展。随着信息技术迈入智能化时代，人工智能、大数据等使能技术发展迅速，在与先进控制、通信和计算机等技术的融合下，促使出现了智能动态调度、虚拟编组控制、运行环境智能感知、设备设施健康管理等变革性技术并随着研究过程不断得到完善和成熟，为发展新一代轨道交通运行控制系统奠定了重要基础。城轨交通运行实际包含列车形成、列车运行和调度指挥等三方面任务。现有FA0系统主要关注了列车运行任务自动化，实现了列车在城市轨道交通封闭线路环境中的全自动运行。在此基础上，智能全自动运行系统(iFO)扩大了自动化控制的范围广度和深度，例如，通过对列车运行环境的智能感知和影响行车安全的关键设备设施的在线动态检测，进一步降低对司乘人员的依赖，实现无人值守下安全高效运行：此外，通过应用灵活编组控制技术，实现列车在线动态全自动形成，并在智能动态调度技术支持下，实现跨专业信息融合和城轨交通运行态势分析与预测，进而可根据需要自动生成和执行运行图及调整策略，实现少人化调度指挥和客流-车流-能量流匹配运行，进一步提高轨道、车辆、能源和人员等四类资源的利用率，并提高城轨交通运行效率和运行组织的灵活性，实现绿色和智慧融合（绿智融合）的城轨交通运行。本白皮书面向智慧和绿色城轨交通发展需要，结合城轨交通发展方向和相关变革性技术的研究情况，系统性分析了定义和发展智能全自动运行系统(iFAO)的必要性，介绍了其系统定义、主要特征、主要功能和关键技术，并提出北京轨道交通研究和实施智能全自动运行系统的工作路线。新一代技术都是迭代发展的，功能也是逐步完善的。本白皮书仅做方向性指引，意图抛砖引玉，为广大同行共同研究和应用相关技术和系统，早日实现列车“按需运行”的美好目标提供参考。主要起草人：唐涛、张艳兵、王道敏、宣晶、刘宏杰、李仲华、李晓刚、王伟、柴铭、陈楠、张瑞雪、闻一龙、饶东、杜薇、宿帅、赵剑华、范莹、张宝、张传琪、张扬、吕继东、宋智翔、吕文龙、王翯、夏夕盛、张春雨。主要审查人：丁树奎、韩志伟、李开成、郜春海。联合发布皮书联合发布运联合发布白皮中1术语与缩略语1.1术语(l)全自动运行系统Fully Automatic Operation(FAO)由适用于全自动运行的信号、车辆、通信、综合监控、站台屏蔽门等与列车运行相关的子系统构成，通过子系统之间的有机联动实现列车无司机或司乘人员干预的全过程可靠稳定运行的系统。(2)智能全自s动运行系统intelligent Fully Automatic Operation(iFAO)智能全自动运行系统(FAO)是以乘客为中心，以进一步提升城市轨道交通系统安全、效率及各类资源（轨道、车辆、能源、人员等）全方位最佳化配置和高效利用为导向，通过各关联系统（信号、车辆、综合监控、通信、站台屏蔽门等)的协同智能控制，实现城市轨道交通全地域少人/无人、全时域智能灵活、全过程自主高效的新一代全自动运行系统。(3)列车运行自动化等级Grade of Automation(GoA)根据运营工作人员和系统所承担的列车运行基本功能的责任划分确定的列车运行的自动化分级。(4)列车灵活编组控制的自动化等级Grade of automation for train flexibleCoupling (GoC)实现列车灵活编组的自动化技术和系统的等级。(5)行车调度指挥自动化等级Grade of automatic Dispatch(GoD)调度指挥是典型的信息处理过程，按照信息处理过程模型，整个过程涵盖信息获取、信息分析、决策与行动选择、行动实施四个阶段，每个阶段均涵盖不同的自动化水平，根据四个阶段的自动化等级，对行车调度指挥系统的自动化等级进行划分。(6)机械灵活编组运营方式Operation Mode with Mechanically FlexibleTrain Formation采用机械联挂技术实现列车编组在线改变的一种灵活编组列车运行组织方(7)虚拟灵活编组运营方式Operation Mode with Virtually Flexible TrainFormation采用虚拟联挂技术实现列车编组在线改变的一种灵活编组列车运行组织方式。1.2缩略语缩咯语英文名称含义AMDAutomatic Monitor Dispatching有人自动监视调度指挥ATPAutomatic Train Protection列车自动防护ATOAutomatic Train Operation列车自动运行ATSAutomatic Train Supervision列车自动监督ASD有人自动监控调度指挥CBTCCommunication Based Train Control基于通信的列车运行控制DTODriverless Train Operation有人值守的列车自动运行FAOFully Automated Operation全自动运行GoAGrade of Automation列车运行自动化等级Grade of automation for train flexible列车灵活编组控制的自动化GoCCoupling等级行车调度指挥系统自动化等GoDGrade of automatic Dispatch级Grade of train operating environmentGoP列车运行环境智能感知等级PerceptioniFAOintelligent Fully Automated Operation智能全自动运行ISCS综合监控系统Intelligent Supervision Dispatching-ISD-D有人智能监控调度指挥DispatcherlessIntelligent Supervision Dispatching-ISD-U无人智能监控调度指挥UnattendedNTONon-automated Train Operation非自动化列车运行PISPassenger Information System乘客信息系统PAPublic Address System面向乘客的广播通信系统STOSemi-automated Train Operation半自动化列车运行TOSOn-sight Train Operation目视下的列车运行控制UTOUnattended Train Operation无人值守的列车自动运行运动联合发布运动运动运营动联合发布自皮书运联合发布白皮书运营动运营动72概述全自动运行系统(Fully Automatic Operation,FAO)已经在我国城市轨道交通（以下简称“城轨交通”）得到较为广泛的应用。截至2023年底，中国内地已有20个城市开通全自动运行城轨交通线路39条，已投运的全自动运行线路总长度达到985.30公里，占已投运城轨交通线路总里程的8.77%：其中，2023年共计新开通全自动运行线路长度185.66公里，占2023年新开通城轨交通运营线路总里程的20.99%。FA0系统通过信号、车辆、通信、综合监控与站台屏蔽门等子系统之间的有机联动，实现了无司机或司乘人员干预下的列车全过程安全可靠稳定运行，在我国城轨交通建设和运行中发挥了重要作用。为指导我国城轨交通高质量、健康发展，中国城市轨道交通协会以“交通强国，城轨担当”的使命感，以推进城轨信息化、发展智能系统、建设智慧城轨为载体，先后发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》和《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》两个重要指导文件（以下简称“两个文件”）。两个文件结伴施行，均要求在实现低碳排放的同时，追求更高的效率效益，提供更高质量的乘客服务，共同指导构建既智意化又绿色化的新时代中国特色城市轨道交通。习近平总书记在2023年全球可持续交通高峰论坛中提出“建设安全、便捷、高效、绿色、经济、包容、韧性的可持续交通体系”，为城轨交通持续高质量发展指明了方向。与此同时，随着信息技术迈入到智能化时代，在移动互联网、大数据、云计算等新理论新技术以及经济社会发展强烈需求的共同驱动下，人工智能理论、技术均在加速发展，呈现出深度学习、人机协同、群智开放、自主操控、跨界融合等新特征。为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，以指导我国人工智能的研究与发展。将人工智能等相关使能技术应用于城市轨道交通领域，催生了智能动态调度、虚拟编组控制、运行环境智能感知、设备设施健康管理等变革性技术(game changer),促进了轨道交通装备技术的不断进步。因此，在现有FAO系统基础上，进一步充分应用和发挥先进控制和人工智能等相关使能技术的优势，提高全场景下列车运行净空障碍物主动安全感知和设备设施状态监测能力、增强列车编组在线全自动动态灵活调整的控制能力、提升以行车为核心的综合智能动态调度决策和应急处置水平，是城轨交通进一步提高运行安全性和可靠性、提升系统韧性和可持续性，实现轨道、车辆、能源、人员等资源的全方位优化配置，提高乘客服务质量，实现绿色低碳环保和降本增效降耗运行的重要手段，是城轨交通下一步重要着力点和发展方向。3智能全自动运行系统(FAO)的必要性本章从城轨交通持续发展需要、国家和行业政策要求以及技术发展驱动等三个方面，对定义和发展智能全自动运行系统(intelligent Fully Automatic Operation,iFAO)的必要性进行说明。(1)城轨交通持续发展需要城市轨道交通是以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通方式。运送乘客是城市轨道交通最根本的使命。由多节车辆根据需要重联为一起的列车是运送乘客的载运工具，城轨列车运行依赖能源（电能）提供牵引动力，而轨道则是列车行驶的专用线。因此，轨道交通运行的核心任务是列车运行，轨道、车辆、能源（电能等）是城轨交通运行不可或缺的资源。现有的列车运行仍需要配置司机、综控员、调度员等众多岗位的运营人员，通过协同工作完成列车操控、行车指挥、运营综合监控等任务，因此，运营人员也是城轨交通运行所需的重要资源。随着城市建设规模的扩大和人员美好出行需求的增长，在保证旅客运输安全的基础上，通过不断引进新技术，在线动态优化配置轨道、车辆、能源、人员等各类资源，实现客流-车流-能量流的精准匹配，促进乘客服务质量的持续提升和构建更加安全、高效、绿色、人性化和可持续性的城市轨道交通系统，是持续追求的目标。城轨交通通过配置使用基础设施（轨道及其它要素）、车辆、能源及人员等资源按计划、有规律完成运营服务，高效运送乘客。拥有合适长度的列车编组是实现车辆资源高效利用的基础，先进的列车灵活编组控制技术可以根据客流情况在线动态地调整列车编组方式（即列车形成），可及时优化局部运力供给，实现车辆等资源的高效利用和客流-车流的精准匹配，是城轨交通行车调整的重要行车组织方式。因此，城轨交通的核心任务包括运营计划管理、运营管理与监督（即调度指挥)、列车运行、列车形成，如图1所示。·运营计划管理，其基本功能包括制定时刻表、列车和人力资源计·运营管理与监督（调度指挥），其基本功能包括监控列车运行过程，及时调整列车运行应对异常或突发事件等：·列车运行，其基本功能包括确保列车安全移动、驾驶列车、监控乘客上下车、监控线路行车条件、操控列车作业、紧急情况检测与处置·列车形成，负责列车单元的在线（动态）重联/摘解，其基本功能包括接近/远离过程防护和控制、重联/摘解和系统配置（管理控制）等。运营计划管理调度指挥环境监控(以行车为核心的综合调度指挥控制和调整)电力监控生成和使用监督行车状态生成列车运行运行计划调度调整策略列车远程监控乘客服务运行计划调整监控列车形成列车运行(重联/摘解)BASPSCADA列车单元接近/远离过程确保列车驾驶列车运行监控车内及●防护和控制安全移动上下车乘客列车单元重联/摘解监控线路和系统配置行车条件操控列车作业检测与处置FAS牵引供电车上乘客轨旁设备轨道列车和车辆上下车乘客行车条件与行车环境FAO的控制及防护对象图1城轨交通运行任务架构示意图伴随着催生历次工业革命的使能技术的涌现，城轨交通运行技术已历经了机械化、电气化、自动化等阶段，正在迈入智能化阶段，逐步向少人无人的完全自主运行方向发展。在此过程中，通过不断提高行车速度和缩短列车追踪间隔，10提高了轨道资源的利用效率，并通过更合理的列车运行控制和多车协同，促进了能源利用效率的提升。例如，在列车运行控制方面，已从最初的人工驾驶，经过了列车自动防护(ATP)系统防护下的人工驾驶、半自动驾驶、有人值守的列车全自动运行(DTO)等阶段，目前已经实现了全封闭线路环境下无需车载司乘人员值守的列车全自动运行(UTO)，正在研究进一步增强列车运行环境障碍物自动智能感知和动态监督能力的相关技术和装备，以进一步减轻对值守人员监督行车环境的压力以及对线路条件静态安全假设的依赖：在行车调度指挥方面，也已从最初的人工调度，经过了自动监视、自动监控等阶段，逐步进入到智能动态调度阶段，正在研究和应用运行图自动编制和动态智能调整等技术，以减轻行车组织和调度指挥人员的工作压力，如图2所示。度指挥功能提升人工调度自动监控智能动态调度自监视车运行功能提升人工驾驶无人值守车自主有人值守列车自动运行列车自动运行行半自动列车运行当前阶段机械化电气化自动化智能化>自主化图2城轨交通运行技术发展历程示意图在城轨交通运行系统发展至今的过程中，现有FA0系统侧重提升列车运行的自动化程度，通过对司机工作职能的重新分配和自动化控制等，构建信号、车辆、通信、综合监控、站台屏蔽门等有机联动的大系统，实现了封闭线路环境下全区域、全过程、全时域无需司机和车载司乘人员干预的自动运行，进一步提升了列车运行的安全性与效率。进入智能化时代，面对城市轨道交通以乘客为中心，11