基于毫米波雷達的城市軌道交通全自動運行設計與探索

景 亮 趙 程 燕 玲 張 森

（1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315010；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510380）

2014年8月9日，上海城市軌道交通10號線正式開通試運營，成為國內首條全自動運行線路，在大客流、高密度的軌道交通線路上應用全自動運行系統，并對運營管理體系深入研究。廣州、北京、成都、重慶等城市均展開列車全自動運行的試驗和應用，為推動城市軌道交通系統轉型升級，提高城市軌道交通智能化、信息化、數據化發展，做出重要貢獻，面對列車全自動運行，無人駕駛的應用越來越廣泛，如何進一步提高全自動運行的安全性和高效率成為制約全自動運行發展的重要因素。本文針對毫米波雷達技術在城市軌道交通列車上的使用，實現列車全自動運行更智能、更安全、更高效，有效提高列車全自動運行的智能化水平，推動列車全自動運行大面積推廣，可持續高速發展。

1 建設背景及發展現狀

1.1 建設背景

隨著新一代信息技術與各行業技術的融合進程、融合領域、融合程度加速變革，傳統行業的信息化水平明顯提高，發展形態、發展理念、發展模式、運營模式進行深刻轉型，推動人類社會向智慧時代邁進，智慧城市、智慧交通等層出不窮。在此環境下，作為“新基建”重點建設領域之一、城市交通大動脈的軌道交通，將新一代智慧技術引入軌道交通，構建運營新模式，打造更安全可靠、便捷舒適、經濟高效、綠色節能的軌道交通系統已成為發展共識，智慧軌道交通應運而生。隨著國內裝備制造企業朝著軍民融合方向發展，進一步加速城市軌道交通朝著智能化、無人化、智慧化方向轉型。軌道列車全自動運行技術作為城市軌道交通智慧化發展的重要方向之一，成為各個城市軌道交通未來列車運行的主要方式。

毫米波雷達技術作為先進的重要感知手段之一，憑借不受光線明暗的影響、具有穿透遮擋物的能力等優點，將助力智能軌道交通向風險降低和效率提升兩方面發展。在風險降低方面，雷達可通過感知路況，實現預警和避障功能；在效率提升方面，雷達可助力縮短車間距離，提升路段車流量，提升智能軌道交通整體運載能力。智能軌道交通核心部件的國產化是未來趨勢，雷達作為軌道交通控制系統的“數據源”，為軌道交通智能化提供重要的數據基礎，也將在未來五年迎來廣闊的發展機遇，成為解決城市交通問題的關鍵所在，也將是科技賦能城市交通的最佳切入點。毫米波雷達通過在軍事和民用領域多年的應用，積累了豐富的經驗，取得了良好的經濟和社會價值，科技創新效果顯著，在導彈、雷達、無人駕駛汽車等眾多行業擁有豐富的應用場景。隨著我國軍民兩用技術大力融合發展，為國內雷達產業打開廣闊發展空間。

1.2 發展現狀

長期以來，由于國內城市軌道交通全自動駕駛技術依賴基于通信的列車自動控制系統（CBTC），通過車地無線通信和線路信號設備，將列車的實時運行狀態通過信號集中連鎖，并通過通信骨干網上傳到線路調度中心。由線路調度中心實時對整條線路的列車進行實時控制，確保列車運行安全和高效，傳統意義的全自動運行技術更依賴既有信號系統實行中央人員實時調度指揮，導致線路如果出現突然侵線、軌道突發變形、信號設備突發故障、人員或雜物掉落軌道、地質結構突發等不確定因素時。信號系統、列車系統、調度中心等系統和人員應對不及時，常出現整條線路停運、列車運行事故等影響運營安全和正常運行的情況，給運營的安全性和高效性造成巨大問題，需要人為檢查故障，緊急搶修等操作來恢復整條線路列車的正常運行。

毫米波雷達最早起源于歐美發達國家，20世紀40年代開始研究，20世紀50年代研制出交通管制和船用導航用毫米波雷達，20世紀90年代，由于毫米波軍事雷達技術的突飛猛進和優異的性能，開始被各國用于軍事用途，比較著名的比如美國阿帕奇武裝直升機的毫米波雷達，捷克的反隱身雷達等武器，在軍事戰爭中發揮了重大作用。我國在毫米波雷達技術研究方面起步比較晚，20世紀90年代，國內軍工企業陸續推出我國的各型毫米波雷達，并應用在各類導彈和武器裝備上，取得了長足進步。

20世紀60年代，美國開始研究將毫米波雷達技術應用于汽車領域，實現汽車的無人駕駛。20世紀90年代，隨著芯片和集成電路技術的不斷成熟，毫米波雷達的體積越來越小，精準性越來越高，成為無人駕駛和汽車安全領域的主要傳感器，可以全天時、全天候工作，同時需要的電力負荷較小，滿足車輛和傳感器功率要求。

2 毫米波雷達概念及性能特點

2.1 毫米波雷達概念

毫米波是無線電波中的一段，將波長為1～10 mm的電磁波稱毫米波，位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，具有兩種波譜的性能特點。毫米波雷達指工作頻段在毫米波頻段的雷達，工作原理和其他雷達一樣，通過無線電波的收發，進行精準測距，時刻掌握目標和自身方位。和其他雷達相比，毫米波雷達具有穿透性強、探索目標準確、反隱身能力強、全天時和全天候運行、生產成本低、功率低、能耗小、反應靈敏等諸多特點，具有較強的軍事和民用應用價值。

2.2 毫米波雷達特性和優勢

由于毫米波的波長介于厘米波和光波之間，在天線口徑相同的情況下，毫米波雷達的波束更窄，天線口徑和元件、器件體積小，宜于飛機、交通工具載用，具有非常明顯的特性和優勢。（1）精度高抗干擾：在天線口徑相同的情況下，毫米波雷達的波束為毫弧度量級，具有抗干擾能力、強體積小、質量輕、空間分辨率高等特點。（2）全天候全天時：與其他制導雷達相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候全天時的特點。（3）高分辨多目標：由于毫米波的波長范圍比較廣泛，工作頻率較高，信號強度高，有利于提高距離和速度的測量精度和分辨能力并能分析目標細節特征，同時毫米波雷達能分辨識別較小的目標，能夠識別多個目標，因此具有較強的空間分辨和成像能力。（4）高敏感低誤報：毫米波受外界干擾較低，穿透能力比較強，波長較為廣泛，抗電磁干擾能力強。（5）高頻率低功率：毫米波的波長較為廣泛，頻帶比較寬，頻率高，功率小。（6）速度和距離可以同時測量：采用調頻連續波雷達（FMCW）調頻，持續測量和跟蹤多個目標的距離和速度。（7）遠距離測量并保持高實時性：測量距離達到前方200 m，由于毫米波雷達具有反隱身功能。因此，可以實時測量遠距離障礙物后的目標，并具有清晰的目標識別和成像能力。毫米波雷達如圖1所示。

圖1 毫米波雷達

3 基于毫米波雷達的全自動運行列車

3.1 全自動運行設計

列車全自動智能化運行系統是基于全方位態勢感知、故障診斷、運行控制等技術，實現城市軌道移動裝備的自感知、自診斷、自決策、自學習、自適應、自修復、自動駕駛，兼容不同信號制式、不同線路設備的跨制式通用列控系統。車載毫米波雷達原理在于內置雷達信號接收模塊和發射模塊，通過內置天線向外發射毫米波信號，信號遇到目標后反射回波，雷達系統接收模塊及時接收反射回波后，對信號進行離散傅氏變換的快速算法（FFT）處理、解析，獲得精度極高的周圍目標物體間的相對速度、相對距離、角度、運動方向等物理環境信息。計算機系統對這些信息進行識別、分類以及實施目標追蹤、安全控制等，信息處理單元與自己車輛行駛信息匹配后，經過混頻、濾波后把數據進行融合處理，車載中央處理單元（ECU）進行行駛信息的決策，實現毫米波雷達接收的信息對現有全自動運行系統進行實時修正和調整，提高全自動運行的安全性和高效性。毫米波雷達運行設計如圖2所示。

圖2 毫米波雷達運行設計

毫米波雷達的收發調頻體制是車載雷達頻率工作的核心部件，其設計質量直接影響雷達的性能，也影響著雷達目標分辨率、測速、測距、測向范圍、測量精度、自動識別的模糊度等重要指標。由于雷達輻射電磁波的方式多樣，因此車載毫米波雷達可分為兩種工作體制，即連續波和脈沖波，其中連續波又有頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、恒頻連續波（CW）、線性調頻連續波（LFMCW）、調頻連續波（FMCW）等形式。

車載FMCW雷達系統具有分辨率較高、可測量多個目標、信號處理快、成本低廉等優勢應用較為廣泛，其構成主要有收發天線（PCB板）、射頻前端、調制信號單元、信號處理模塊（ECU）混頻單元、濾波單元等模塊。主要原理如圖3所示。

圖3 毫米波雷達全自動運行工作原理

3.2 全自動運行的安全性和高效性

在列車前部和尾部分別安裝毫米波雷達，負責收集從車輛段/庫到停車場的整條軌道運行區間的所有特征信息，列車在每天上線運營前會進行巡道工作。巡道列車運行時，把收集的所有特征信息，分發上傳所有該線路運行列車的服務器，確保每列車對自己運行的區間信息均有記憶，調整CBTC系統結構和信號維護支持系統（MSS）。（1）以車站控制器為核心的扁平化架構，以車載控制器為安全防護、自動運行的核心，弱化中心限制，更利于系統部署和擴展。（2）基于資源管理的進路防護算法，以高精度行車資源管理為基礎的進路防護算法，提供靈活的安全防護能力，可在任意位置為列車建立任意方向安全進路。（3）車載自主進路，車載控制器實時從ATS同步本車的時刻表信息，可在中心自動列車監控系統（ATS）故障時，繼續按照時刻表運行。（4）完善的降級設計，軌旁控制器提供了完整的降級進路防護功能，系統支持CBTC列車和降級列車混合運行，具體如圖4所示。

圖4 列車自動運行系統

扁平化架構使得CBTC由三級結構變為兩級結構，減少了控制節點；各個子系統之間的數據流交互和接口簡單清晰，便于系統部署和擴展，有利于降低運營維護成本；基于車-車通信客觀上精簡了車-地之間交互的信息量以及交互時間，采用行車資源方式管理進路，提升道岔使用效率，提供更小的運行時間間隔；列車自主運行時，僅需要無線網絡以及OC設備無故障即可，依賴節點少，可用性更高；進路以列車為起點，建立任意方向安全進路，為運營提供了更靈活和多樣化的運輸組織方案。

列車在運行中把車載控制器收集到的CBTC系統信息，上傳到車載中央處理單元（ECU）進行統一信息決策處理。

中近程毫米波雷達，能夠實時監測車輛前方多個目標，獲取前方目標的距離、相對速度和方位角度信息，雷達系統采用3發4收架構，3個發射天線具有不同的波束角寬度，可分時實現中程、近程兩種探測模式，4個接收天線同時接收目標回波信號，并使用數字波束合成（DBF）技術進行陣列信號處理，大幅提高雷達水平方向測角分辨率和精度。雷達探測距離達180 m，距離分辨率達0.5 m，雷達把收集的區間特征信息和早上巡道收集的信息進行實時比對，并把比對結果也上傳給車載中央處理單元（ECU）統一信息決策處理。

列車的車載中央處理單元（ECU）收到原有CBTC全自動運行信息，又收到毫米波雷達上傳的比對信息，顯著提高列車接受的信息量，提高列車運行安全性和高效性。車載毫米波雷達對列車運行前方的各種目標大小、距離、角度等各種參數進行不間斷反復測量、計算、分析、顯示、預警、自動控制等操作。車載中央處理單元（ECU）進行行駛信息的決策，自主進行安全操作干預，提高了全自動運行的安全性能，避免事故發生。

4 結語

車載毫米波雷達技術對原有無人駕駛信號系統進一步改進提高，提高測量精度，加快數據處理時間，提高決策反應時間，提高搜索目標的密度和搜索半徑，及時修正列車運行姿態。對于侵線、隧道變形等突發情況及時預警，提高行車安全性，列車通過接收的雷達信號不斷進行運行狀態的自我修正和調整，并把接收到的雷達信息和自有數據庫中軌道區間的特征信息進行實時比對。從多方面提高全自動運行的安全性和高效性，提高整個列車全自動運行的智能化水平，減少運營管理人員數量，降低建設運營成本，助力城市軌道交通全自動運行可持續發展。