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列车自动运行系统（英语：Automatic Train Operation，缩写：ATO）是一种铁路自动运行装置，它能自动根据信号系统调节列车速度，为现时各种铁路信号系统中最晚出现的装置。ATO最早在伦敦地铁维多利亚线（Victoria Line）正式使用，1962年开始于日本东京营团地铁日比谷线试验。
提示：此条目的主题不是列车自动控制系统。
ATO装置主要让列车收到指令后便自动开车，沿途根据信号系统的指示来行车，到达停车站时自动停车。ATO装置可以根据自动列车控制装置（ATC）或自动列车保障装置（ATP）等信号系统所提供的信号自动加减速，使用ATO装置可以令列车减少加减速的时间和长度，以增加列车的班次。
ATO装置可以减少司机的工作量及训练时间，某程度上可以减少人为的失误，不过ATO装置有时因制动系统的气压偏差或路轨湿滑而导致列车车轮出现滑行（日文俗称：空転），令列车不能准确地停车，需要司机用人手模式修正停车位置。
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装置。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，做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装置，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）（两者已合并到屯马线），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。
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根据国际公共交通协会（UITP）的定义，自动运行等级（Grades of Automation，GoA）分成五等：[1][2]
- 第零等（GoA0）：目视运行，主要是有轨电车、轻轨使用。驾驶员负责控制列车的运行、停止、开关乘降门和处理突发事件。
- 第一等（GoA1）：手动运行（Manual Train Operation, MTO），驾驶员负责控制列车的运行、停止、开关乘降门和处理突发事件。
- 第二等（GoA2）：半自动运行（Semi-automatic Train Operation, STO），列车自动运行及停止，但需要驾驶员开关乘降门和处理突发事件，大多数的列车自动运行系统均是第二等。
- 第三等（GoA3）：无驾驶员运行（Fully-Automatic Driverless Train Operation, DTO），列车自动运行、停止和开关乘降门（部分设计需要由工作人员手动开门），但在个别情况下需要列车助理（驾驶员）开关乘降门和处理突发事件，列车上有人员在驾驶室内值守。
- 第四等（GoA4）：无人看守运行（Fully-Automatic Unattended Train Operation, UTO），列车运行、停止、开关乘降门和突发事件的处理均完全自动化，列车上无人员值守，通常此类列车传统驾驶室部分与客舱之间不设屏障，乘客可观看列车前后的隧道和风景。
- 对于第二等或以上的线路均需要有ATO装置。
| 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 |
|---|---|---|---|---|---|
| GoA0 | 目视 | 司机 | 司机 | 司机 | 司机 |
| GoA1 | ATP和司机 | 司机 | 司机 | 司机 | 司机 |
| GoA2 | ATP、ATO和司机 | 自动 | 自动 | 司机 | 司机 |
| GoA3 | 无驾驶员 | 自动 | 自动 | 自动 | 列车助理 |
| GoA4 | 无人看守 | 自动 | 自动 | 自动 | 自动 |
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（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）
( 正常情况下司机只开关乘降门及处理突发事件，不负责驾驶。)
- 深圳地铁（除自动驾驶线路外）
- 广州地铁（除7号线、18号线、22号线和珠江新城旅客自动输送系统外）
- 北京地铁（13和首都机场线除外）
- 上海地铁 绝大部分线路
- 成都地铁 绝大部分线路
- 青岛地铁 绝大部分线路
- 重庆轨道交通 绝大部分线路
- 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 绝大部分线路
- 京张城际铁路（CR400BF-C适用）
- 京雄城际铁路（CR400AF-C适用）
( 所有列车每次到站后乘降门全面自动打开，关门后即开出，但司机只是坐在驾驶室值守，无需下车站岗。)
- 深圳地铁（所有自动驾驶线路，虽然声称是GoA4，但实际上是有人值守）
- 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，控制权全程由控制室透过信号系统发出指令控制列车，紧急时失去通讯控制需要向列车电脑输入车速控制设定例外，驾驶仪不设加减速控制手柄）
- 上海轨道交通2号线
- 上海轨道交通5号线
- 上海轨道交通10号线1005、1016列车（驾驶室挡板已拆除，然而值守人员不可离开驾驶室区域，也可以直接控制列车）
- 上海轨道交通17号线
- 北京地铁首都机场线（有车长，但正常情况下不操作列车）
- 南京地铁S1号线
- 南京地铁6号线
- 广州地铁7号线
- 广州地铁18号线[3]
- 广州地铁22号线
- 苏州轨道交通7号线
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- 香港国际机场
- 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。
- 香港国际机场旅客捷运系统
- 札幌市营地下铁 (东西线、南北线和东丰线)
- 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）
- 仙台市营地下铁东西线
- 东京地下铁 (丸之内线、日比谷线、东西线、千代田线、有乐町线、南北线和副都心线)
- 都营地铁 (三田线和大江户线)
- 横滨市营地下铁 (蓝线和绿线)
- 名古屋市营地下铁 (东山线、樱通线、名城线和名港线)
- 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）
- 大阪地下铁 (千日前线和长堀鹤见绿地线)
- 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）
- 神户市营地下铁北神线（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、七隈线及箱崎线)
- 福冈市营地下铁七隈线（设计容许无人驾驶，但基于消防法规必须有人看守，故此全程有车长坐在车头监察列车）
- 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）
- 神户新交通港湾人工岛线（神戸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（神戸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（横浜シーサイド金沢シーサイド线）（只限于终点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）
- 东京都交通局日暮里-舍人线（东京都交通局日暮里・舎人ライナー）
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