列車自動運行系統（英語：Automatic Train Operation，縮寫：ATO）是一種鐵路的安全增強設備，用於實現列車的自動化運行，模擬有經驗的駕駛員駕駛真實線路[1]，通過在不同級別基於牽引或制動力，控制列車的加速度，並在不觸發ATP防護緊急制動的前提下，實現精準停車並確保過程的平穩舒適。列車自動運行系統是列車運行自動控制系統（ATC）的一部分，另外兩部分是列車自動防護系統（ATP）和列車自動監控系統（ATS）[2]。ATO系統的主要職責就是確保正常情況下的高質量運行，一般不屬於安全系統，其本質是一個閉環反饋控制過程[3]。
自動運行系統根據其自動運行的程度分為多個等級（GoA），其中最高等級也就是GoA4可以讓列車在脫離人工操作的情況下全自動運行，在各國已經有運營的線路。
原理
控制模型
ATO通過參考加速度控制（滑模控制）、加速度級控制（史密斯閉環控制）和運行命令生成（調整輸出控制）實現對列車的自動控制。受坡度、曲線等因素影響，列車實際速度也會反過來影響速度的調控[2]。
滑模控制
滑模控制又稱變結構控制，可以在動態過程中，根據系統當前的狀態（如實際運動軌跡與目標運動軌跡的誤差）不斷變化，使得整個系統按照預定的狀態軌跡運動，或至少逼近這個目標軌跡。這種控制系統其響應速度塊，具有穩健性且容易實現。
滑模控制會受不同線路狀況、列車自身特性影響，例如需要避免列車打滑或空轉。此外，為確保乘客的舒適，通常列車的實際加速度在0.75m/s2內。
加速度控制
加速度控制又稱史密斯閉環控制，指控制並矯正由實際列車與模型之間的誤差而導致的誤差。這些誤差包括線路的阻力、坡度以及列車信號的延遲。這些誤差是實時調整的。
自動運行命令控制
列車按照預定軌跡運行時，還需要添加一些限制條件，例如牽引制動的變化率不能過廣告過低，也不能夠頻繁切換其牽引制動。衝擊限制的值通常為0.75m/s2，這個數值根據實際情況可能有所波動。閾值控制則用於控制牽引和制動這兩個狀態之間的轉換，避免轉換過於頻繁[2]。
控制算法
ATO的主要功能就是調整列車的速度，並使得列車在準確的位置停車，也就是所謂「對標」。ATO發展過程中有經典控制算法、參數自適應控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法等多種算法[3]。此外，也有學者提出了模糊神經系統控制算法、遺傳算法、模糊隸屬函數、微分進化法、非參數化迭代學習[4]、滑模自抗擾[5]等多種算法。
使用情況
日本最初於1960年試驗ATO系統，試驗路線是名古屋市營地下鐵東山線（名古屋－榮町 間），隨後試驗的是帝都高速度交通營團日比谷線，但試驗完畢後並沒有正式使用ATO系統。實際上，日本國內最初正式使用ATO系統的路線，是1976年時的札幌市營地下鐵東西線。
日本對ATO的使用其實並不普遍，一般認為其不及人手可靠，而前身為國有鐵道的JR各線至今完全不導入ATO裝置。2019年1月，JR東日本開始在山手線以E235系電聯車測試列車自動運行，作為未來正式導入前的參考。其他使用ATO的鐵道公司，為避免司機在緊急情況下，因缺乏駕駛經驗令駕駛技術不足，所以不會全日使用ATO裝置，會有部份時間由司機作人手駕駛，以保持司機的駕駛技術。在台灣的台北捷運也有類似規定。
在香港，地鐵公司（與九鐵合併後稱港鐵）於1979年第一期通車時，已開始使用ATO系統，隨後地鐵各綫通車，亦全部使用ATO系統。九廣鐵路（已合併到港鐵）的九廣東鐵（現稱東鐵綫）於2003年開始使用ATO系統，2003年12月20日通車的九廣西鐵（現稱西鐵綫）和2004年12月21日通車的馬鞍山鐵路（現稱馬鞍山綫），亦使用ATO系統。港鐵迪士尼綫更使用無人ATO，備用系統為車站遙控方式。
20世紀90年代初，北京地鐵1號線的部分列車引進了英國公司的ATO設備，由安裝在列車兩端的司機室內的ATO控制器以及每一端車底下的兩個ATO接收天線和ATO發送天線組成，並在地面上安裝了ATO通信器PAC，根據ATP中獲取的MSS和TS來計算列車運行速度曲線。
1996年6月，廣州地鐵1號線正式運營從德國引進的ATO設備，ATO接收由ATP發送的速度命令信息，這些信息包括最大速度、第一限速、第二限速等。同年11月，上海地鐵1號線全線試用從美國引進的ATO設備，ATO和ATP配合調節速度[1]。
自動列車運行等級
根據國際公共交通協會（UITP）以及國際標準IEC 62290-1，自動運行等級（Grades of Automation，GoA）分成五等：[6][7]
GoA0：目視運行
目視運行，沒有自動化，主要是路面電車、輕軌使用。
GoA1：手動運行
駕駛員負責控制列車的啟動及停止、開關車門並處理緊急情況和突然改道等情況。
GoA2：半自動運行
半自動運行（Semi-automatic Train Operation, STO），是指列車的啟動和停止實現自動化，但需要駕駛員開關車門並處理突發事件。大多數的列車自動運行系統均是第二等。在半自動運行的系統中，列車自動從一站駛到另一站，但司機需要負責關門、檢查列車前方軌道上的障礙物並處理急情況的處理。GoA2列車在沒有工作人員的情況下無法安全運行。
GoA3：無人駕駛
無駕駛員運行（Driverless Train Operation, DTO）是指列車自動啟動及停止，但需要由列車工作人員負責開關車門並處理突發事件。在無人駕駛系統中，和GoA2一樣，列車自動從一站駛到另一站。正常情況下，司機不需要進行任何操作，但需要負責處理緊急情況，否則列車無法安全運行。
在這種等級下，司機需要手動將列車由車輛段或停車場駛入運營線路，然後再啟動自動駕駛。列車完成交路運行清客後，手動將列車開入車輛段或停車場。一般來說，這種駕駛等級適合穿越河流、路況複雜、客流密集的全自動駕駛線路，且造價也相對較低[8]。
GoA4：無人看守
無人看守運行（Unattended Train Operation, UTO）是指列車的投入與退出運行、啟動、停止，以及開關車門、突發事件處理均實現自動化，列車上無人值守。這種情況下，列車能夠隨時自動運行，包括關門、檢測障礙物，處理緊急情況，但列車上有時會有工作人員以提供客戶服務，但是不需要安全操作。在緊急情況下，列車可以自動處理，或者由中心調度員來完成。UTO線路的車輛段與停車場也實現自動化，且不設駕駛台和座椅，對系統可靠性要求更高，一般適合工程條件較簡單的線路[8]。
| 自動化等級 | 運行類型 | 列車運行 | 列車停止 | 車門控制 | 突發事件處理 | 列車投入與退出運行 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| GoA1 | ATP和司機 | 司機 | 司機 | 司機 | 司機 | 司機 |
| GoA2 | ATP、ATO和司機 | 自動 | 自動 | 司機 | 司機 | 司機 |
| GoA3 | 無駕駛員 | 自動 | 自動 | 司機或工作人員 | 司機或工作人員 | 司機 |
| GoA4 | 無人看守 | 自動 | 自動 | 自動 | 自動或中心調度員 | 自動 |
各地使用ATO裝置的路線
中國
半自動運行：
- 深圳地鐵（有時無人值守）
- 廣州地鐵（除珠江新城旅客自動輸送系統外）
- 北京地鐵（13號線和首都機場線除外）
- 上海軌道交通 大部分線路
- 武漢地鐵1號線（高峰期採用人手駕駛，平時自動駕駛並有車長值守）
- 蘇州軌道交通1號線（可採用自動駕駛或人手駕駛，營運時駕駛室有人值守，列車終到後無人駕駛進行自動折返系統作業）
- 天津地鐵9號線（採用自動駕駛，有人值守）
- 長春輕軌4號線（手動開關門；車長需要按 ATO 按鈕啟動，每次僅自動運行至下一站；可選擇是激活 ATO 還是只使用 ATP 功能還是完全切除）
- 長春地鐵1號線（手動開關門）
- 杭州地鐵（手動開關門；車長需要按 ATO 按鈕啟動，每次僅自動運行至下一站）
- 長沙地鐵（手動開關門）
- 長沙磁浮快線
- 西安地鐵
- 臺北捷運高運量系統各線（正常情況下車長只負責開關車門與監察列車，不負責駕駛）
- 高雄捷運高運量系統
- 桃園捷運桃園機場捷運線
- 京張城際鐵路（CR400BF-C適用）
- 京雄城際鐵路（CR400AF-C適用）
- 觀塘綫、荃灣綫、港島綫、將軍澳綫、東鐵綫、東涌綫、機場快綫及屯馬綫（正常情況下車長只負責開關車門與監察列車，不負責駕駛）
- 觀塘綫、荃灣綫、港島綫、將軍澳綫及屯馬綫設有無人自動調頭系統。
有人看守運行：
- 上海磁浮示範運營線（駕駛室內車長為工程師，不負責駕駛和控制列車）
- 上海軌道交通5號線
- 上海軌道交通17號線
- 北京地鐵首都機場線
- 廣州地鐵22號線
- 港鐵
- 澳門輕軌氹仔線：澳門輕軌氹仔線為澳門氹仔島及路氹填海區提供旅客軌道交通服務，2019年底通車後採無人駕駛系統，是澳門第一條無人駕駛的旅客捷運系統。 因澳門政府與港鐵合約的要求，每班列車僅有第一節車廂有職員跟車。
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無人看守運行：
- 廣州地鐵珠江新城旅客自動輸送系統（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 北京地鐵燕房線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 北京地鐵大興機場線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 上海軌道交通浦江線
- 上海軌道交通10號線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 上海軌道交通14號線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 上海軌道交通15號線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 上海軌道交通18號線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 南寧軌道交通5號線
- 寧波軌道交通5號線（有工作人員隨車值守，與控制中心聯繫，但車輛不能被值守人員直接控制）
- 成都地鐵9號線
- 成都地鐵13號線（中車長客成都分公司研製160km/h全自動市域A型快軌列車適用）
- 成都地鐵18號線（中車四方與中車成都研製160km/h全自動市域A型快軌列車試作車適用）
- 深圳地鐵20號線
- 太原軌道交通2號線[12]
- 武漢軌道交通5號線
- 臺北捷運文湖線、環狀線（環狀線每部列車仍配有列車助理來處理突發事件）
- 臺灣桃園國際機場航廈電車
- 臺中捷運綠線
- 香港國際機場旅客捷運系統
- 香港國際機場的捷運系統自1998年機場開幕以來都是無人駕駛，是香港第一條無人駕駛的機場旅客捷運系統。
新加坡
半自動運行：
無人看守運行：
新加坡政府在建造未來地鐵線時除東西線或南北線的延線外都會採用無人駕駛系統。
日本
半自動運行（地鐵）：
- 札幌市營地下鐵東西線
- 札幌市營地下鐵南北線
- 仙台市營地下鐵南北線（各車長需於每天進行人手操控程序一次）
- 東京地下鐵南北線
- 東京地下鐵千代田線（只限於綾瀨至北綾瀨支線區間）
- 東京地下鐵丸之內線
- 東京地下鐵有樂町線
- 東京地下鐵副都心線
- 都營地下鐵大江戶線
- 都營地下鐵三田線
- 橫濱市營地下鐵藍線
- 橫濱市營地下鐵綠線
- 名古屋市營地下鐵櫻通線
- 京都市營地下鐵東西線（各車長需於每天進行人手操控程序一次）
- 大阪市高速電氣軌道長堀鶴見綠地線
- 大阪市高速電氣軌道千日前線
- 神戶市營地下鐵山手線（日間為人手操控）
- 神戶市營地下鐵西神線（日間為人手操控）
- 神戶市營地下鐵西神延伸線（日間為人手操控）
- 神戶市營地下鐵海岸線（從上午十時至下午二時會有一部份列車作人手操控，期間車長需負責車門開閉）
- 福岡市營地下鐵機場線及箱崎線
- 福岡市營地下鐵七隈線
有人看守運行：
- 舞濱渡假區線（舞浜リゾートライン）迪士尼渡假區線（但仍需由車長負責車門開閉及按行車訊號指示操作）
無人看守運行：
- 神戶新交通港灣人工島線（神戶新交通ポートアイランド線）（在起點及終點會安排乘務員乘坐以確認安全）
- 神戶新交通六甲人工島線（神戶新交通六甲アイランド線）（在起點及終點會安排乘務員乘坐以確認安全）
- 百合鷗東京臨海新交通臨海線（ゆりかもめ東京臨海新交通臨海線）
- 大阪市高速電氣軌道南港港城線（大阪市高速電氣軌道南港ポートタウン線）
- 橫濱海岸線金澤海岸線（橫浜シーサイド金澤シーサイド線）（只限於終點站前一區會安排乘務員乘坐）
- Wing Shuttle（ウィングシャトル）（關西國際機場內的旅客輸送設施。但並不屬於日本國土交通省所管轄的鐵路）
- 愛知高速交通東部丘陵線（只限於藤之丘（藤が丘）至花水木通（はなみずき通）一段地底區間會安排車掌乘坐）
韓國
半自動運行：
其他國家
- 巴黎的新交通系統（VAL）
- 巴黎地鐵14號線
- 圖盧茲地鐵
- 溫哥華架空列車
- 倫敦碼頭區輕便鐵路（DLR）
- 法蘭克福國際機場內的APM
- 米蘭地鐵5號線
- 都靈地鐵1號線
- 羅馬地鐵3號線
- 布雷西亞地鐵
- 大田都市鐵道全線
- 多倫多地鐵士嘉堡輕鐵
- 倫敦地鐵維多利亞線
- 倫敦地鐵中央線
- 英國國鐵（計劃中，只在大型鐵路罷工時使用）
- 悉尼地鐵 西北線
參考文獻
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- ↑ 港鐵（66）：南港島線東段料2015年竣工，引入無人駕駛列車. 經濟通. 2012-04-16 [2012-04-16].
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