基于毫米波雷达的城市轨道交通全自动运行设计与探索

景 亮 赵 程 燕 玲 张 森

（1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315010；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510380）

2014年8月9日，上海城市轨道交通10号线正式开通试运营，成为国内首条全自动运行线路，在大客流、高密度的轨道交通线路上应用全自动运行系统，并对运营管理体系深入研究。广州、北京、成都、重庆等城市均展开列车全自动运行的试验和应用，为推动城市轨道交通系统转型升级，提高城市轨道交通智能化、信息化、数据化发展，做出重要贡献，面对列车全自动运行，无人驾驶的应用越来越广泛，如何进一步提高全自动运行的安全性和高效率成为制约全自动运行发展的重要因素。本文针对毫米波雷达技术在城市轨道交通列车上的使用，实现列车全自动运行更智能、更安全、更高效，有效提高列车全自动运行的智能化水平，推动列车全自动运行大面积推广，可持续高速发展。

1 建设背景及发展现状

1.1 建设背景

随着新一代信息技术与各行业技术的融合进程、融合领域、融合程度加速变革，传统行业的信息化水平明显提高，发展形态、发展理念、发展模式、运营模式进行深刻转型，推动人类社会向智慧时代迈进，智慧城市、智慧交通等层出不穷。在此环境下，作为“新基建”重点建设领域之一、城市交通大动脉的轨道交通，将新一代智慧技术引入轨道交通，构建运营新模式，打造更安全可靠、便捷舒适、经济高效、绿色节能的轨道交通系统已成为发展共识，智慧轨道交通应运而生。随着国内装备制造企业朝着军民融合方向发展，进一步加速城市轨道交通朝着智能化、无人化、智慧化方向转型。轨道列车全自动运行技术作为城市轨道交通智慧化发展的重要方向之一，成为各个城市轨道交通未来列车运行的主要方式。

毫米波雷达技术作为先进的重要感知手段之一，凭借不受光线明暗的影响、具有穿透遮挡物的能力等优点，将助力智能轨道交通向风险降低和效率提升两方面发展。在风险降低方面，雷达可通过感知路况，实现预警和避障功能；在效率提升方面，雷达可助力缩短车间距离，提升路段车流量，提升智能轨道交通整体运载能力。智能轨道交通核心部件的国产化是未来趋势，雷达作为轨道交通控制系统的“数据源”，为轨道交通智能化提供重要的数据基础，也将在未来五年迎来广阔的发展机遇，成为解决城市交通问题的关键所在，也将是科技赋能城市交通的最佳切入点。毫米波雷达通过在军事和民用领域多年的应用，积累了丰富的经验，取得了良好的经济和社会价值，科技创新效果显著，在导弹、雷达、无人驾驶汽车等众多行业拥有丰富的应用场景。随着我国军民两用技术大力融合发展，为国内雷达产业打开广阔发展空间。

1.2 发展现状

长期以来，由于国内城市轨道交通全自动驾驶技术依赖基于通信的列车自动控制系统（CBTC），通过车地无线通信和线路信号设备，将列车的实时运行状态通过信号集中连锁，并通过通信骨干网上传到线路调度中心。由线路调度中心实时对整条线路的列车进行实时控制，确保列车运行安全和高效，传统意义的全自动运行技术更依赖既有信号系统实行中央人员实时调度指挥，导致线路如果出现突然侵线、轨道突发变形、信号设备突发故障、人员或杂物掉落轨道、地质结构突发等不确定因素时。信号系统、列车系统、调度中心等系统和人员应对不及时，常出现整条线路停运、列车运行事故等影响运营安全和正常运行的情况，给运营的安全性和高效性造成巨大问题，需要人为检查故障，紧急抢修等操作来恢复整条线路列车的正常运行。

毫米波雷达最早起源于欧美发达国家，20世纪40年代开始研究，20世纪50年代研制出交通管制和船用导航用毫米波雷达，20世纪90年代，由于毫米波军事雷达技术的突飞猛进和优异的性能，开始被各国用于军事用途，比较著名的比如美国阿帕奇武装直升机的毫米波雷达，捷克的反隐身雷达等武器，在军事战争中发挥了重大作用。我国在毫米波雷达技术研究方面起步比较晚，20世纪90年代，国内军工企业陆续推出我国的各型毫米波雷达，并应用在各类导弹和武器装备上，取得了长足进步。

20世纪60年代，美国开始研究将毫米波雷达技术应用于汽车领域，实现汽车的无人驾驶。20世纪90年代，随着芯片和集成电路技术的不断成熟，毫米波雷达的体积越来越小，精准性越来越高，成为无人驾驶和汽车安全领域的主要传感器，可以全天时、全天候工作，同时需要的电力负荷较小，满足车辆和传感器功率要求。

2 毫米波雷达概念及性能特点

2.1 毫米波雷达概念

毫米波是无线电波中的一段，将波长为1～10 mm的电磁波称毫米波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围，具有两种波谱的性能特点。毫米波雷达指工作频段在毫米波频段的雷达，工作原理和其他雷达一样，通过无线电波的收发，进行精准测距，时刻掌握目标和自身方位。和其他雷达相比，毫米波雷达具有穿透性强、探索目标准确、反隐身能力强、全天时和全天候运行、生产成本低、功率低、能耗小、反应灵敏等诸多特点，具有较强的军事和民用应用价值。

2.2 毫米波雷达特性和优势

由于毫米波的波长介于厘米波和光波之间，在天线口径相同的情况下，毫米波雷达的波束更窄，天线口径和元件、器件体积小，宜于飞机、交通工具载用，具有非常明显的特性和优势。（1）精度高抗干扰：在天线口径相同的情况下，毫米波雷达的波束为毫弧度量级，具有抗干扰能力、强体积小、质量轻、空间分辨率高等特点。（2）全天候全天时：与其他制导雷达相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点。（3）高分辨多目标：由于毫米波的波长范围比较广泛，工作频率较高，信号强度高，有利于提高距离和速度的测量精度和分辨能力并能分析目标细节特征，同时毫米波雷达能分辨识别较小的目标，能够识别多个目标，因此具有较强的空间分辨和成像能力。（4）高敏感低误报：毫米波受外界干扰较低，穿透能力比较强，波长较为广泛，抗电磁干扰能力强。（5）高频率低功率：毫米波的波长较为广泛，频带比较宽，频率高，功率小。（6）速度和距离可以同时测量：采用调频连续波雷达（FMCW）调频，持续测量和跟踪多个目标的距离和速度。（7）远距离测量并保持高实时性：测量距离达到前方200 m，由于毫米波雷达具有反隐身功能。因此，可以实时测量远距离障碍物后的目标，并具有清晰的目标识别和成像能力。毫米波雷达如图1所示。

图1 毫米波雷达

3 基于毫米波雷达的全自动运行列车

3.1 全自动运行设计

列车全自动智能化运行系统是基于全方位态势感知、故障诊断、运行控制等技术，实现城市轨道移动装备的自感知、自诊断、自决策、自学习、自适应、自修复、自动驾驶，兼容不同信号制式、不同线路设备的跨制式通用列控系统。车载毫米波雷达原理在于内置雷达信号接收模块和发射模块，通过内置天线向外发射毫米波信号，信号遇到目标后反射回波，雷达系统接收模块及时接收反射回波后，对信号进行离散傅氏变换的快速算法（FFT）处理、解析，获得精度极高的周围目标物体间的相对速度、相对距离、角度、运动方向等物理环境信息。计算机系统对这些信息进行识别、分类以及实施目标追踪、安全控制等，信息处理单元与自己车辆行驶信息匹配后，经过混频、滤波后把数据进行融合处理，车载中央处理单元（ECU）进行行驶信息的决策，实现毫米波雷达接收的信息对现有全自动运行系统进行实时修正和调整，提高全自动运行的安全性和高效性。毫米波雷达运行设计如图2所示。

图2 毫米波雷达运行设计

毫米波雷达的收发调频体制是车载雷达频率工作的核心部件，其设计质量直接影响雷达的性能，也影响着雷达目标分辨率、测速、测距、测向范围、测量精度、自动识别的模糊度等重要指标。由于雷达辐射电磁波的方式多样，因此车载毫米波雷达可分为两种工作体制，即连续波和脉冲波，其中连续波又有频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、恒频连续波（CW）、线性调频连续波（LFMCW）、调频连续波（FMCW）等形式。

车载FMCW雷达系统具有分辨率较高、可测量多个目标、信号处理快、成本低廉等优势应用较为广泛，其构成主要有收发天线（PCB板）、射频前端、调制信号单元、信号处理模块（ECU）混频单元、滤波单元等模块。主要原理如图3所示。

图3 毫米波雷达全自动运行工作原理

3.2 全自动运行的安全性和高效性

在列车前部和尾部分别安装毫米波雷达，负责收集从车辆段/库到停车场的整条轨道运行区间的所有特征信息，列车在每天上线运营前会进行巡道工作。巡道列车运行时，把收集的所有特征信息，分发上传所有该线路运行列车的服务器，确保每列车对自己运行的区间信息均有记忆，调整CBTC系统结构和信号维护支持系统（MSS）。（1）以车站控制器为核心的扁平化架构，以车载控制器为安全防护、自动运行的核心，弱化中心限制，更利于系统部署和扩展。（2）基于资源管理的进路防护算法，以高精度行车资源管理为基础的进路防护算法，提供灵活的安全防护能力，可在任意位置为列车建立任意方向安全进路。（3）车载自主进路，车载控制器实时从ATS同步本车的时刻表信息，可在中心自动列车监控系统（ATS）故障时，继续按照时刻表运行。（4）完善的降级设计，轨旁控制器提供了完整的降级进路防护功能，系统支持CBTC列车和降级列车混合运行，具体如图4所示。

图4 列车自动运行系统

扁平化架构使得CBTC由三级结构变为两级结构，减少了控制节点；各个子系统之间的数据流交互和接口简单清晰，便于系统部署和扩展，有利于降低运营维护成本；基于车-车通信客观上精简了车-地之间交互的信息量以及交互时间，采用行车资源方式管理进路，提升道岔使用效率，提供更小的运行时间间隔；列车自主运行时，仅需要无线网络以及OC设备无故障即可，依赖节点少，可用性更高；进路以列车为起点，建立任意方向安全进路，为运营提供了更灵活和多样化的运输组织方案。

列车在运行中把车载控制器收集到的CBTC系统信息，上传到车载中央处理单元（ECU）进行统一信息决策处理。

中近程毫米波雷达，能够实时监测车辆前方多个目标，获取前方目标的距离、相对速度和方位角度信息，雷达系统采用3发4收架构，3个发射天线具有不同的波束角宽度，可分时实现中程、近程两种探测模式，4个接收天线同时接收目标回波信号，并使用数字波束合成（DBF）技术进行阵列信号处理，大幅提高雷达水平方向测角分辨率和精度。雷达探测距离达180 m，距离分辨率达0.5 m，雷达把收集的区间特征信息和早上巡道收集的信息进行实时比对，并把比对结果也上传给车载中央处理单元（ECU）统一信息决策处理。

列车的车载中央处理单元（ECU）收到原有CBTC全自动运行信息，又收到毫米波雷达上传的比对信息，显著提高列车接受的信息量，提高列车运行安全性和高效性。车载毫米波雷达对列车运行前方的各种目标大小、距离、角度等各种参数进行不间断反复测量、计算、分析、显示、预警、自动控制等操作。车载中央处理单元（ECU）进行行驶信息的决策，自主进行安全操作干预，提高了全自动运行的安全性能，避免事故发生。

4 结语

车载毫米波雷达技术对原有无人驾驶信号系统进一步改进提高，提高测量精度，加快数据处理时间，提高决策反应时间，提高搜索目标的密度和搜索半径，及时修正列车运行姿态。对于侵线、隧道变形等突发情况及时预警，提高行车安全性，列车通过接收的雷达信号不断进行运行状态的自我修正和调整，并把接收到的雷达信息和自有数据库中轨道区间的特征信息进行实时比对。从多方面提高全自动运行的安全性和高效性，提高整个列车全自动运行的智能化水平，减少运营管理人员数量，降低建设运营成本，助力城市轨道交通全自动运行可持续发展。