基于二次雷達技術(shù)的地鐵防撞預警系統(tǒng)研究

宋 丹，劉 登

(中鐵通信信號勘測設計院有限公司，北京 100036)

1 概述

隨著城市公路交通的擁堵程度、噪聲及大氣污染等問題日趨嚴重，軌道交通憑其方便、快捷、環(huán)保等優(yōu)點逐漸成為市民日常出行首選的交通工具。同時城市軌道交通作為高效率的大客流載體，對其運行的安全也提出了嚴苛的要求。如今隨著無人駕駛、車車通信等技術(shù)的發(fā)展，列車運行的自動化、自主化程度越來越高，其安全與效率也越依賴于信號系統(tǒng)。當信號系統(tǒng)故障導致列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）與自動防護（Automatic Train Protection，ATP）失效時，為保障正常運營，列車將轉(zhuǎn)為司機人工駕駛，由于地鐵隧道里彎道、坡道以及照明不良等環(huán)境限制，司機的瞭望視野會受到影響，此時就需要輔助系統(tǒng)來幫助司機進行前方列車的距離判斷和提示，從而避免人為失誤造成追尾、側(cè)沖等運營事故。

針對此需求，本文基于二次雷達技術(shù)和專網(wǎng)通信技術(shù)研究列車防撞預警系統(tǒng)，當列車未安裝車載ATC 設備或信號系統(tǒng)故障時，利用雷達防撞系統(tǒng)識別前方列車，測量追蹤列車之間的距離，根據(jù)追蹤間距計算推薦速度曲線并提供報警，并通過專網(wǎng)通信系統(tǒng)向調(diào)度中心匯報列車的追蹤距離。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

二次雷達（Secondary Surveillance Radar，SSR）是由詢問雷達和應答雷達所組成的無線電電子測位和辨認系統(tǒng)。工作時由詢問雷達發(fā)射電磁波，應答雷達接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，繼而發(fā)射應答電磁波，詢問雷達根據(jù)接收到的應答電磁波，實現(xiàn)識辨，并根據(jù)發(fā)送和接收信號的時間間隔計算前后間距。

基于二次雷達技術(shù)的地鐵防撞預警系統(tǒng)由車載設備和地面設備共同組成。如圖1 所示，車載設備由主控系統(tǒng)融合CPU、超寬帶無線電模塊（Ultra Wideband，UWB）、天線及射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽等組成。地面設備由主控系統(tǒng)融合CPU、二次雷達模塊及天線、專網(wǎng)通信模塊及RFID 天線等組成。

圖1 系統(tǒng)設備組成圖Fig.1 System equipment composition diagram

地面設備的主要功能是對區(qū)間運行列車進行簽注記錄，輔助調(diào)度人員對列車定位，設備設置在車站的進站停車端。

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 基于UWB技術(shù)的定位測距

系統(tǒng)在工作時，本車前端的二次雷達作為主控機，前車尾部的雷達作為合作機，工作原理如圖2所示。

圖2 二次雷達工作原理Fig.2 Working principle of secondary surveillance radar

基于UWB 技術(shù)的二次雷達測距系統(tǒng)，車列測距模塊設計為主從一體機，主從模塊通過軟件分時協(xié)調(diào)，分時進行自檢和前方列車測距，車輛作為主機測得前方從機車輛距離，并作為從機為后方車輛提供測距應答。同時車載設備主控系統(tǒng)融合CPU 通過列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）獲取列車頭尾激活信息、車輛速度（各軸速度及空轉(zhuǎn)打滑信息）以及運行方向等信息。系統(tǒng)使用超寬帶編碼技術(shù)，采用3 000 ～4 000 MHz 跳頻，有效避開現(xiàn)有系統(tǒng)頻點的干擾和占用，并避免頻段內(nèi)干擾。全向天線增益5 dBi，模塊發(fā)射功率-20 dBm。二次雷達防撞系統(tǒng)的工作示意及信號在彎道中的傳輸鏈路如圖3、4所示，列車識別和測距過程為如下。

圖3 二次雷達工作示意圖Fig.3 Schematic diagram of secondary surveillance radar

圖4 彎曲的隧道中信號傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of signal transmission in curved tunnel

1）主機將本車運行信息（包括線路號、車次號、運行方向、速度等）形成編碼，加入雷達信號向外發(fā)送。

2）前車從機收到本車主機信號波，在經(jīng)過信號處理并識別為有效信號后，發(fā)送一個應答回波（編碼信息包括線路號、車次號、運行方向、車速等）至本車主機。

3）主機接收到從機應答信號，在經(jīng)過信號處理并識別為有效信號后，測量到達時間差進行距離計算，同時根據(jù)追蹤間距給出推薦速度曲線。

1914年9月7日這一天晚上，加利埃尼親自督戰(zhàn)。他要求每輛出租車都必須塞滿士兵。超載車輛以25～50輛為一隊，奔赴前線。

其中應答信號的接收鏈路通過頻率和延時特征濾波消除多徑反射信號干擾，可克服環(huán)境影響，尤其適用隧道內(nèi)測距應用。結(jié)合列車運行速度和推薦速度曲線，對識別出的目標物在可能發(fā)生危險的范圍內(nèi)發(fā)出預警，在小于安全距離時向TCMS 輸出預警或制動指令。防撞系統(tǒng)能與TCMS 深度融合，并利用TCMS 的人機界面（Human Machine Interface，HMI）顯示信息。

本系統(tǒng)支持超過500 m 的探測距離，當探測到前方列車后，將進行信息簽注確定追蹤的前方列車，然后系統(tǒng)將實時跟蹤前方列車間距值的變化，如果出現(xiàn)前方列車信息突變的情況則進行告警（如前方追蹤列車為A，測得A 車信息后進行記錄，如突然出現(xiàn)更近的同向B 車則進行告警）。在預警距離內(nèi)時，根據(jù)列車速度提示司機注意速度。地鐵列車追蹤運行利用二次雷達技術(shù)防撞的主要優(yōu)點有：

1）應答電磁波頻率與詢問電磁波的頻率不同，從而能夠有效避免隧道電波反射造成的干擾；

2）追蹤運行的前后列車利用編碼信號進行信息交換，能夠獲取更加豐富的有效信息；

3）不依靠電波反射來識辨和測距，同樣的探測距離相較于一次雷達其發(fā)射功率更低；

4）應答信號的接收鏈路通過頻率和延時特征濾波消除多徑反射信號干擾，能夠克服環(huán)境影響。

追蹤的前后車信息交互處理如圖5 所示，編碼的問詢信號經(jīng)時間tp傳送至前車B，前車B 接收到問詢信號經(jīng)時間treplyB來分析和處理，再發(fā)送應答信號經(jīng)tp傳送至后車A，一個信息交互周期結(jié)束。

圖5 追蹤列車信息交互處理示意圖Fig.5 Schematic diagram of information interaction processing of tracking trains

信號在空間傳輸?shù)臅r間tp為：

前后車的追蹤間距d 的計算公式為（vA/vB：A車速度/B 車速度）：

二次雷達的基本性能參數(shù)如表1 所示。

表1 二次雷達技術(shù)基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameter table of secondary surveillance radar

3.2 基于專網(wǎng)通信的列車簽到

當信號系統(tǒng)故障導致降級后，人工調(diào)度介入，采用RFID 簽到系統(tǒng)輔助調(diào)度人員統(tǒng)計區(qū)間車輛信息及定位。當車輛進站通過時，地面RFID 天線讀取車輛信息并與UWB 測距信息匹配，通過專網(wǎng)通信模塊向調(diào)度中心匯報區(qū)間車輛RFID 簽到情況及測距值。列車簽到及信息傳輸示意如圖6 所示。

專網(wǎng)通信模塊使用公網(wǎng)通信，通過專用網(wǎng)絡接入技術(shù)（Access Point Name，APN）保證通信優(yōu)先級及通信質(zhì)量。專網(wǎng)APN 根據(jù)對網(wǎng)絡安全的特殊要求，采用多種安全措施，主要包括以下幾項。

1）專線接入運營商3G/4G 網(wǎng)絡，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有IP 地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE 隧道。

圖6 列車簽到信息傳輸示意圖Fig.6 Schematic diagram of train check-in information transmission

2） 為地面專網(wǎng)通信模塊分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于3G/4G 專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。

3） 地面專網(wǎng)模塊采用主叫號碼和用戶賬號相結(jié)合的認證方式；地面專網(wǎng)模塊通過認證后由DHCP服務器分配調(diào)度中心內(nèi)部的靜態(tài)IP 地址。

4） 端到端加密：地面終端和調(diào)度服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏等。

4 應用場景

本文研究的基于二次雷達技術(shù)的地鐵防撞預警系統(tǒng)主要應用場景有如下。

1）信號系統(tǒng)整體故障，轉(zhuǎn)入站間閉塞模式：在調(diào)度員難以判斷區(qū)間列車數(shù)量的情況下，輔助司機進行前方列車距離及超速預警。

2） 單個或多個列車車載信號設備故障：輔助駕駛故障列車的司機進行前方列車距離及超速預警。

3） 通信車救援故障車：輔助駕駛通信車的司機進行前方故障列車距離預警。

4） 輔助計軸預復位：輔助進行計軸預復位的列車司機判斷故障區(qū)段內(nèi)是否有列車。

5） 信號系統(tǒng)故障情況下，輔助中心調(diào)度人員統(tǒng)計區(qū)間車輛信息。

5 結(jié)語

當城市軌道交通的信號系統(tǒng)故障導致列車采用ATP 切除的人工駕駛模式運行時，基于二次雷達技術(shù)的列車防撞預警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前、后列車追蹤間距預警，甚至可以通過TCMS 向列車施加制動命令避免沖撞事故發(fā)生，為無ATP 防護的人工駕駛列車提供設備層面的輔助安全保障，能夠有效提高城市軌道交通故障應急情況下運營的安全性，減輕信號系統(tǒng)故障對全網(wǎng)運營效率的影響。