列车自动运行系统（英语：Automatic Train Operation，缩写：ATO）是一种铁路的安全增强设备，用于实现列车的自动化运行，模拟有经验的驾驶员驾驶真实线路[1]，通过在不同级别基于牵引或制动力，控制列车的加速度，并在不触发ATP防护紧急制动的前提下，实现精准停车并确保过程的平稳舒适。列车自动运行系统是列车运行自动控制系统（ATC）的一部分，另外两部分是列车自动防护系统（ATP）和列车自动监控系统（ATS）[2]。ATO系统的主要职责就是确保正常情况下的高质量运行，一般不属于安全系统，其本质是一个闭环反馈控制过程[3]。
自动运行系统根据其自动运行的程度分为多个等级（GoA），其中最高等级也就是GoA4可以让列车在脱离人工操作的情况下全自动运行，在各国已经有运营的线路。
原理
控制模型
ATO通过参考加速度控制（滑模控制）、加速度级控制（史密斯闭环控制）和运行命令生成（调整输出控制）实现对列车的自动控制。受坡度、曲线等因素影响，列车实际速度也会反过来影响速度的调控[2]。
滑模控制
滑模控制又称变结构控制，可以在动态过程中，根据系统当前的状态（如实际运动轨迹与目标运动轨迹的误差）不断变化，使得整个系统按照预定的状态轨迹运动，或至少逼近这个目标轨迹。这种控制系统其响应速度块，具有稳健性且容易实现。
滑模控制会受不同线路状况、列车自身特性影响，例如需要避免列车打滑或空转。此外，为确保乘客的舒适，通常列车的实际加速度在0.75m/s2内。
加速度控制
加速度控制又称史密斯闭环控制，指控制并矫正由实际列车与模型之间的误差而导致的误差。这些误差包括线路的阻力、坡度以及列车信号的延迟。这些误差是实时调整的。
自动运行命令控制
列车按照预定轨迹运行时，还需要添加一些限制条件，例如牵引制动的变化率不能过广告过低，也不能够频繁切换其牵引制动。冲击限制的值通常为0.75m/s2，这个数值根据实际情况可能有所波动。阈值控制则用于控制牵引和制动这两个状态之间的转换，避免转换过于频繁[2]。
控制算法
ATO的主要功能就是调整列车的速度，并使得列车在准确的位置停车，也就是所谓“对标”。ATO发展过程中有经典控制算法、参数自适应控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法等多种算法[3]。此外，也有学者提出了模糊神经系统控制算法、遗传算法、模糊隶属函数、微分进化法、非参数化迭代学习[4]、滑模自抗扰[5]等多种算法。
使用情况
日本最初于1960年试验ATO系统，试验线路是名古屋市营地下铁东山线（名古屋－荣町 间），随后试验的是帝都高速度交通营团日比谷线，但试验完毕后并没有正式使用ATO系统。实际上，日本国内最初正式使用ATO系统的线路，是1976年时的札幌市营地下铁东西线。
日本对ATO的使用其实并不普遍，一般认为其不及人手可靠，而前身为国有铁道的JR各线至今完全不导入ATO设备。2019年1月，JR东日本开始在山手线以E235系电力动车组调试列车自动运行，作为未来正式导入前的参考。其他使用ATO的铁道公司，为避免司机在紧急情况下，因缺乏驾驶经验令驾驶技术不足，所以不会全日使用ATO设备，会有部分时间由司机作人手驾驶，以保持司机的驾驶技术。在台湾的台北捷运也有类似规定。
在香港，地铁公司（与九铁合并后称港铁）于1979年第一期通车时，已开始使用ATO系统，随后地铁各线通车，亦全部使用ATO系统。九广铁路（已合并到港铁）的九广东铁（现称东铁线）于2003年开始使用ATO系统，2003年12月20日通车的九广西铁（现称西铁线）和2004年12月21日通车的马鞍山铁路（现称马鞍山线），亦使用ATO系统。港铁迪士尼线更使用无人ATO，备用系统为车站遥控方式。
20世纪90年代初，北京地铁1号线的部分列车引进了英国公司的ATO设备，由安装在列车两端的司机室内的ATO控制器以及每一端车底下的两个ATO接收天线和ATO发送天线组成，并在地面上安装了ATO通信器PAC，根据ATP中获取的MSS和TS来计算列车运行速度曲线。
1996年6月，广州地铁1号线正式运营从德国引进的ATO设备，ATO接收由ATP发送的速度命令信息，这些信息包括最大速度、第一限速、第二限速等。同年11月，上海地铁1号线全线试用从美国引进的ATO设备，ATO和ATP配合调节速度[1]。
自动列车运行等级
根据国际公共交通协会（UITP）以及国际标准IEC 62290-1，自动运行等级（Grades of Automation，GoA）分成五等：[6][7]
GoA0：目视运行
目视运行，没有自动化，主要是有轨电车、轻轨使用。
GoA1：手动运行
驾驶员负责控制列车的启动及停止、开关乘降门并处理紧急情况和突然改道等情况。
GoA2：半自动运行
半自动运行（Semi-automatic Train Operation, STO），是指列车的启动和停止实现自动化，但需要驾驶员开关乘降门并处理突发事件。大多数的列车自动运行系统均是第二等。在半自动运行的系统中，列车自动从一站驶到另一站，但司机需要负责关门、检查列车前方轨道上的障碍物并处理急情况的处理。GoA2列车在没有工作人员的情况下无法安全运行。
GoA3：无人驾驶
无驾驶员运行（Driverless Train Operation, DTO）是指列车自动启动及停止，但需要由列车工作人员负责开关乘降门并处理突发事件。在无人驾驶系统中，和GoA2一样，列车自动从一站驶到另一站。正常情况下，司机不需要进行任何操作，但需要负责处理紧急情况，否则列车无法安全运行。
在这种等级下，司机需要手动将列车由车辆段或停车场驶入运营线路，然后再启动自动驾驶。列车完成交路运行清客后，手动将列车开入车辆段或停车场。一般来说，这种驾驶等级适合穿越河流、路况复杂、客流密集的全自动驾驶线路，且造价也相对较低[8]。
GoA4：无人看守
无人看守运行（Unattended Train Operation, UTO）是指列车的投入与退出运行、启动、停止，以及开关车门、突发事件处理均实现自动化，列车上无人值守。这种情况下，列车能够随时自动运行，包括关门、检测障碍物，处理紧急情况，但列车上有时会有工作人员以提供客户服务，但是不需要安全操作。在紧急情况下，列车可以自动处理，或者由中心调度员来完成。UTO线路的车辆段与停车场也实现自动化，且不设驾驶台和座椅，对系统可靠性要求更高，一般适合工程条件较简单的线路[8]。
| 自动化等级 | 运行类型 | 列车运行 | 列车停止 | 乘降门控制 | 突发事件处理 | 列车投入与退出运行 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| GoA1 | ATP和司机 | 司机 | 司机 | 司机 | 司机 | 司机 |
| GoA2 | ATP、ATO和司机 | 自动 | 自动 | 司机 | 司机 | 司机 |
| GoA3 | 无驾驶员 | 自动 | 自动 | 司机或工作人员 | 司机或工作人员 | 司机 |
| GoA4 | 无人看守 | 自动 | 自动 | 自动 | 自动或中心调度员 | 自动 |
各地使用ATO设备的线路
中国
半自动运行：
- 深圳地铁（有时无人值守）
- 广州地铁（除珠江新城旅客自动输送系统外）
- 北京地铁（13号线和首都机场线除外）
- 上海轨道交通 大部分线路
- 武汉地铁1号线（高峰期采用人手驾驶，平时自动驾驶并有车长值守）
- 苏州轨道交通1号线（可采用自动驾驶或人手驾驶，营运时驾驶室有人值守，列车终到后无人驾驶进行自动折返系统作业）
- 天津地铁9号线（采用自动驾驶，有人值守）
- 长春轻轨4号线（手动开关门；车长需要按 ATO 按钮启动，每次仅自动运行至下一站；可选择是激活 ATO 还是只使用 ATP 功能还是完全切除）
- 长春地铁1号线（手动开关门）
- 杭州地铁（手动开关门；车长需要按 ATO 按钮启动，每次仅自动运行至下一站）
- 长沙地铁（手动开关门）
- 长沙磁浮快线
- 西安地铁
- 台北捷运高运量系统各线（正常情况下车长只负责开关乘降门与监察列车，不负责驾驶）
- 高雄捷运高运量系统
- 桃园捷运桃园机场捷运线
- 京张城际铁路（CR400BF-C适用）
- 京雄城际铁路（CR400AF-C适用）
- 观塘线、荃湾线、港岛线、将军澳线、东铁线、东涌线、机场快线及屯马线（正常情况下车长只负责开关乘降门与监察列车，不负责驾驶）
- 观塘线、荃湾线、港岛线、将军澳线及屯马线设有无人自动调头系统。
有人看守运行：
- 上海磁浮示范运营线（驾驶室内车长为工程师，不负责驾驶和控制列车）
- 上海轨道交通5号线
- 上海轨道交通17号线
- 北京地铁首都机场线
- 广州地铁22号线
- 港铁
- 澳门轻轨氹仔线：澳门轻轨氹仔线为澳门氹仔岛及路氹填海区提供旅客轨道交通服务，2019年底通车后采无人驾驶系统，是澳门第一条无人驾驶的旅客捷运系统。 因澳门政府与港铁合同的要求，每班列车仅有第一节车厢有职员跟车。
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无人看守运行：
- 广州地铁珠江新城旅客自动输送系统（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 北京地铁燕房线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 北京地铁大兴机场线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 上海轨道交通浦江线
- 上海轨道交通10号线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 上海轨道交通14号线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 上海轨道交通15号线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 上海轨道交通18号线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 南宁轨道交通5号线
- 宁波轨道交通5号线（有工作人员随车值守，与控制中心联系，但车辆不能被值守人员直接控制）
- 成都地铁9号线
- 成都地铁13号线（中车长客成都分公司研制160km/h全自动市域A型快轨列车适用）
- 成都地铁18号线（中车四方与中车成都研制160km/h全自动市域A型快轨列车试作车适用）
- 深圳地铁20号线
- 太原轨道交通2号线[12]
- 武汉轨道交通5号线
- 台北捷运文湖线、环状线（环状线每部列车仍配有列车助理来处理突发事件）
- 台湾桃园国际机场航站楼电车
- 台中捷运绿线
- 香港国际机场旅客捷运系统
- 香港国际机场的捷运系统自1998年机场开幕以来都是无人驾驶，是香港第一条无人驾驶的机场旅客捷运系统。
新加坡
半自动运行：
无人看守运行：
新加坡政府在建造未来地铁线时除东西线或南北线的延线外都会采用无人驾驶系统。
日本
半自动运行（地铁）：
- 札幌市营地下铁东西线
- 札幌市营地下铁南北线
- 仙台市营地下铁南北线（各车长需于每天进行人手操控程序一次）
- 东京地下铁南北线
- 东京地下铁千代田线（只限于绫濑至北绫濑支线区间）
- 东京地下铁丸之内线
- 东京地下铁有乐町线
- 东京地下铁副都心线
- 都营地铁大江户线
- 都营地铁三田线
- 横滨市营地下铁蓝线
- 横滨市营地下铁绿线
- 名古屋市营地下铁樱通线
- 京都市营地下铁东西线（各车长需于每天进行人手操控程序一次）
- 大阪市高速电气轨道长堀鹤见绿地线
- 大阪市高速电气轨道千日前线
- 神户市营地下铁山手线（日间为人手操控）
- 神户市营地下铁西神线（日间为人手操控）
- 神户市营地下铁西神延伸线（日间为人手操控）
- 神户市营地下铁海岸线（从上午十时至下午二时会有一部分列车作人手操控，期间车长需负责乘降门开闭）
- 福冈市营地下铁机场线及箱崎线
- 福冈市营地下铁七隈线
有人看守运行：
- 舞滨渡假区线（舞浜リゾートライン）迪士尼渡假区线（但仍需由车长负责乘降门开闭及按行车信号指示操作）
无人看守运行：
- 神户新交通港湾人工岛线（神户新交通ポートアイランド线）（在起点及终点会安排乘务员乘坐以确认安全）
- 神户新交通六甲人工岛线（神户新交通六甲アイランド线）（在起点及终点会安排乘务员乘坐以确认安全）
- 百合鸥东京临海新交通临海线（ゆりかもめ东京临海新交通临海线）
- 大阪市高速电气轨道南港港城线（大阪市高速电气轨道南港ポートタウン线）
- 横滨海岸线金泽海岸线（横浜シーサイド金泽シーサイド线）（只限于尽头站前一区会安排乘务员乘坐）
- Wing Shuttle（ウィングシャトル）（关西国际机场内的旅客输送设施。但并不属于日本国土交通省所管辖的铁路）
- 爱知高速交通东部丘陵线（只限于藤之丘（藤が丘）至花水木通（はなみずき通）一段地底区间会安排车掌乘坐）
韩国
半自动运行：
其他国家
- 巴黎的新交通系统（VAL）
- 巴黎地铁14号线
- 图卢兹地铁
- 温哥华高架列车
- 伦敦码头区轻便铁路（DLR）
- 法兰克福国际机场内的APM
- 米兰地铁5号线
- 都灵地铁1号线
- 罗马地铁3号线
- 布雷西亚地铁
- 大田都市铁道全线
- 多伦多地铁士嘉堡轻铁
- 伦敦地铁维多利亚线
- 伦敦地铁中央线
- 英国国铁（计划中，只在大型铁路罢工时使用）
- 悉尼地铁 西北线
参考文献
- ↑ 1.0 1.1 黄良骥，唐涛. 地铁列车自动运行系统的分析与设计. 城市轨道交通研究. 2003. doi:10.3969/j.issn.1007-869X.2003.02.013.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 冯玮 管琼芳. 列车自动运行原理分析. 《城市轨道交通研究》. 2014, (2014年第11期122-125): 4 [2022-09-04]. doi:10.3969/j.issn.1007-869X.2014.11.029.
- ↑ 3.0 3.1 刘俊丽. 城市有轨列车自动运行系统（ATO）的研究. 北京化工大学. 2012.
- ↑ 何之煜、徐宁. 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所. 非参数化迭代学习控制的列车自动驾驶控制算法. 工程科技Ⅱ辑. 2020.
- ↑ 张文华、任一峰、岳凤英. 基于滑模自抗扰的城轨列车自动驾驶控制算法. 中北大学电气与控制工程学院 (太原). 2021. doi:10.26914/c.cnkihy.2021.047408.
- ↑ International Association of Public Transport. A global bid for automation: UITP Observatory of Automated Metros confirms sustained growth rates for the coming years (PDF). Belgium. [2019-01-09].
- ↑ Elisabeth Fischer. Justifying automation. Railway-Technology.com. 23 August 2011 [2019-01-09].
- ↑ 8.0 8.1 杨安玉. 全自动驾驶等级及工程建设分析. 工程科技Ⅱ辑. 2017.
- ↑ 港鐵（66）：南港島線東段料2015年竣工，引入無人駕駛列車. 经济通. 2012-04-16 [2012-04-16].
- ↑ 港铁公司. 主要資料 / 新列車設計. [2012-08-27].
- ↑ 南港島線無人駕駛列車 職員長駐隨時應急. [2019-01-09].
- ↑ 存档副本. [2020-05-13].