基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

王延翠 楊麗麗 王田農(nóng) 田慶

摘? 要：文章介紹并對比了現(xiàn)有GNSS、激光雷達(dá)、一次雷達(dá)、二次雷達(dá)等常用列車測距技術(shù)手段。結(jié)合列車輔助防護(hù)需求和典型應(yīng)用實(shí)例，介紹了基于二次雷達(dá)測距技術(shù)的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)一般構(gòu)成、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和工程化實(shí)施方案，針對基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)及問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對其未來技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：列車測距;二次雷達(dá);輔助防護(hù)

中圖分類號：TN958.96;U270.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）18-0051-05

Abstract： GNSS， LiDAR， primary radar， secondary radar and other common train ranging techniques are introduced and compared. Combined with train auxiliary protection requirements and typical application examples， this paper introduces the general composition， working principle， key technology and engineering implementation scheme of train auxiliary protection system based on secondary radar ranging technology. The application difficulties and problems of train auxiliary protection technology based on secondary radar are analyzed and summarized， and its future technical development direction is prospected.

Keywords： train ranging; secondary radar; auxiliary protection

0? 引? 言

列車的運(yùn)行安全保障一直是軌道交通行業(yè)的重中之重，正常情況下，列車防護(hù)功能主要由列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）負(fù)責(zé)，但當(dāng)ATP切除后，列車防護(hù)將全權(quán)交由司機(jī)負(fù)責(zé)，在列車通過隧道或小曲線段時(shí)視覺嚴(yán)重受限，行車時(shí)缺乏設(shè)備保障，為此，近年來涌現(xiàn)出多種測距手段應(yīng)用于非ATP模式下的列車輔助防護(hù)。

列車行駛過程中面臨隧道、彎道、坡道等復(fù)雜線路條件，以及雨雪霧等各種天氣條件，如何實(shí)現(xiàn)前后列車實(shí)時(shí)有效測距和危險(xiǎn)車距準(zhǔn)確評估是本文的重要內(nèi)容，通過實(shí)際應(yīng)用案例介紹和總結(jié)，希望對列車測距技術(shù)和輔助防護(hù)技術(shù)的后續(xù)應(yīng)用提供一定借鑒和參考。

1? 列車測距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前用于列車測距輔助防護(hù)的技術(shù)手段主要有GNSS定位、視頻圖像、激光雷達(dá)、一次雷達(dá)和二次雷達(dá)等。

1.1? GNSS定位

利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合多傳感器技術(shù)融合的方法[1]來實(shí)現(xiàn)列車自主定位，再通過車-車或者車-地通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車間的信息傳輸，傳輸?shù)男畔?nèi)容包括列車運(yùn)行的速度、方向、公里標(biāo)、線路號、時(shí)間戳等，獲得列車的位置信息之后，對前后車動(dòng)態(tài)距離進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)兩車間動(dòng)態(tài)距離小于預(yù)先設(shè)定的安全預(yù)警限值時(shí)，系統(tǒng)將通過無線通信網(wǎng)絡(luò)向后車發(fā)送預(yù)警信息[2]。車載設(shè)備根據(jù)接收到的預(yù)警信息，在安全預(yù)警顯示設(shè)備上向司機(jī)給出當(dāng)前狀態(tài)的提示，為司機(jī)操作提供輔助。

GNSS定位可以有效利用現(xiàn)有GPS、北斗、移動(dòng)通信等平臺(tái)資源，建設(shè)費(fèi)用較低，可在全鐵路網(wǎng)的車輛上進(jìn)行推廣。其缺點(diǎn)是GNSS在隧道內(nèi)，或者地形比較復(fù)雜的地方信號較差;系統(tǒng)依靠移動(dòng)通信資源進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性不夠;鏈路傳輸時(shí)延大，實(shí)時(shí)性不夠。

1.2? 視覺圖像

利用視覺圖像的輔助防護(hù)系統(tǒng)一般包含長焦和廣角兩個(gè)攝像頭，長焦可見距離較遠(yuǎn)，在長直道具有優(yōu)勢，廣角視距較近，但視角更開闊，適合于彎道、道岔等車速較低，視野較狹窄的場景。在列車運(yùn)行過程中，長焦和廣角同時(shí)采集視頻，通過攝像頭反饋的圖像可識別出前方是否為道岔場景，并對列車前方限界內(nèi)物體（包括列車、道岔、信號機(jī)、障礙物等）基于語義分割的軌道及列車識別技術(shù)進(jìn)行障礙物（列車）檢測和可見度計(jì)算給出識別結(jié)果。通過視頻處理算法可以對識別出的前方物體進(jìn)行測距及運(yùn)動(dòng)趨勢判斷，并能通過標(biāo)注訓(xùn)練，識別出障礙物類型[3]。

視覺測距的主要問題是受天氣影響嚴(yán)重，在大霧，大雨天氣下無法使用。在夜間效果也很差，如果使用紅外遠(yuǎn)距離攝像頭可提升性能，但價(jià)格很高，同時(shí)視頻設(shè)備組成復(fù)雜，可靠性較低，標(biāo)注訓(xùn)練周期較長。

1.3? 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)，是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，做適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。激光雷達(dá)通過脈沖信號測量前方物體距離。

激光雷達(dá)的特點(diǎn)是帶寬大，目標(biāo)分辨率高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率[4]。通常角分辨率不低于0.1 mard也就是說可以分辨3 km距離上相距0.3 m的兩個(gè)目標(biāo)，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，距離分辨率可達(dá)0.l m，速度分辨率能達(dá)到10 m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率的提高可以獲得目標(biāo)的清晰圖像。激光雷達(dá)的缺點(diǎn)是價(jià)格較高，探測距離太近，受限于1 km以內(nèi)，受天氣影響較大，在大霧天氣下性能下降較快，目前多用于地面測繪，自動(dòng)駕駛。

1.4? 一次雷達(dá)

目前用的一次雷達(dá)主要是毫米波雷達(dá)，就是工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是指長度在1～10 mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30～300 GHz。毫米波雷達(dá)測距原理就是把無線電波（毫米波）發(fā)出去，然后接收回波，根據(jù)收發(fā)的時(shí)間差測得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)和相對距離。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離為：s=ct/2，其中s為目標(biāo)距離，t為電磁波從雷達(dá)發(fā)射出去到接收到目標(biāo)回波的時(shí)間，c為光速。

普通發(fā)射功率12 dBmW的毫米波雷達(dá)作用距離可達(dá)1.2 km，該雷達(dá)距離分辨率高，可識別目標(biāo)大小，有成像應(yīng)用，但技術(shù)還不成熟，且在彎道情況下無法使用，目前多用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的近距離測距[5，6]。

1.5? 二次雷達(dá)

與毫米波雷達(dá)這種一次雷達(dá)不同，二次雷達(dá)（Secondary Surveillance Radar， SSR）是由詢問雷達(dá)和應(yīng)答雷達(dá)所組成的無線電電子測位和辨認(rèn)系統(tǒng)。工作時(shí)由詢問雷達(dá)發(fā)射電磁波，應(yīng)答雷達(dá)接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，繼而發(fā)射應(yīng)答電磁波，詢問雷達(dá)根據(jù)接收到的應(yīng)答電磁波，實(shí)現(xiàn)識辨，并根據(jù)發(fā)送和接收信號的時(shí)間間隔計(jì)算前后間距[7]。二次雷達(dá)性能穩(wěn)定，可在隧道、彎道多種工況下使用，誤警率低。

1.6? 測距技術(shù)比較

列車輔助防護(hù)需要留有足夠的制動(dòng)距離用于預(yù)警，視覺圖像和激光雷達(dá)探測距離太近應(yīng)用較少，主要采用GNSS定位、一次雷達(dá)和二次雷達(dá)這三種方式，主要優(yōu)缺點(diǎn)如以下所示。

GNSS定位：通過GNSS衛(wèi)星信號來獲取列車的運(yùn)行狀態(tài)信息，在隧道等環(huán)境下借助里程計(jì)（或渦流傳感器、慣性導(dǎo)航儀和陀螺儀等傳感器）得到列車的位置信息，再通過車-車通信或者車-地通信方式與前后車進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)彼此車距測量。這種方式由于傳感器數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生累積誤差，從而影響到列車的定位精度。

一次雷達(dá)：利用雷達(dá)測量前后車相對距離信息，再根據(jù)距離信息做相應(yīng)預(yù)警判斷。一次雷達(dá)當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有目標(biāo)時(shí)就會(huì)進(jìn)行報(bào)警，這種方式在隧道內(nèi)、彎道、坡道受到諸多限制，極易發(fā)生誤報(bào)警。

二次雷達(dá)：基于二次雷達(dá)測距獲得前后兩車相對距離信息，這種方法目前在城市軌道交通領(lǐng)域已有應(yīng)用，同基于GNSS定位的手段相比，可應(yīng)用于隧道中，且測距實(shí)時(shí)性大幅提高，目前的問題是能夠測量的距離比較近，僅適用于低速列車使用。二次雷達(dá)采用應(yīng)答方式通信，與一次雷達(dá)相比，在發(fā)射功率相等的前提下，作用距離大大提高。

隨著技術(shù)的發(fā)展，列車測距輔助防護(hù)系統(tǒng)必然是多種傳感器的融合，相互取長補(bǔ)短。二次雷達(dá)由于具備探測距離長和探測精度高的優(yōu)點(diǎn)，在多種測距技術(shù)中占有非常重要的位置[8]。

2? 基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)技術(shù)典型應(yīng)用

基于二次雷達(dá)測距的列車輔助防護(hù)技術(shù)，近年來已經(jīng)在城市軌道交通領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用。隨著鐵路運(yùn)輸持續(xù)向更高速度和更高密度方向的發(fā)展，圍繞ATP切除模式下為司機(jī)提供列車輔助防護(hù)功能需求，采用二次雷達(dá)測距技術(shù)對前方列車進(jìn)行實(shí)時(shí)探測、身份識別和信息提取，結(jié)合列車狀態(tài)監(jiān)控和制動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)預(yù)判和報(bào)警提示，可為司機(jī)安全駕駛提供有力保障。

2.1? 列車輔助防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)一般由列車首端設(shè)備和尾端設(shè)備構(gòu)成，二者構(gòu)成完全相同，通過車輛硬線信號或網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)辨別各自所在車廂號。單端設(shè)備典型構(gòu)成如圖1所示。

前后兩車各自安裝測距終端/天線后，通過無線信號相互通訊，在相應(yīng)應(yīng)答機(jī)制下，通過各自發(fā)送和接收信號的時(shí)間間隔計(jì)算兩車間距（如圖2所示），從而根據(jù)實(shí)時(shí)車距評估追尾風(fēng)險(xiǎn)，為司機(jī)提供有效輔助防護(hù)功能。

2.2? 列車輔助防護(hù)系統(tǒng)主要功能

2.2.1? 實(shí)時(shí)測距

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測量本車與前車的距離，通過與網(wǎng)絡(luò)通信接口傳送給列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS）進(jìn)行前車實(shí)時(shí)車距顯示。

2.2.2? 接近列車身份辨別

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的提供上下行線路信息或讀取地面電子標(biāo)簽信息，辨別接近列車是否與本車處于相同股道，僅針對同股道列車進(jìn)行車距監(jiān)測。

2.2.3? 危險(xiǎn)車距評估及預(yù)警顯示

綜合考慮車輛制動(dòng)能力、操作指令執(zhí)行延時(shí)、前后車相對速度等因素，設(shè)置靜態(tài)、動(dòng)態(tài)多級預(yù)警模型。非ATP模式下，列車輔助防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警模型實(shí)時(shí)評估前車車距，當(dāng)滿足預(yù)警條件時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警和TCMS報(bào)警提示。

2.2.4? 試車線防護(hù)

試車線運(yùn)行的列車，在非ATP模式下，列車輔助防護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量本車與試車線兩端地面雷達(dá)設(shè)備距離，當(dāng)與試車線兩端距離滿足預(yù)警條件時(shí)，為司機(jī)提供危險(xiǎn)距離聲光警示或自動(dòng)施加緊急制動(dòng)。

2.2.5? 特殊場景防護(hù)

非ATP模式下，如需對車場線、車輛段、輔助線、存車線、折返線、交叉渡線等特殊運(yùn)行場景進(jìn)行危險(xiǎn)車距評估，需要在車輛和地面安裝射頻標(biāo)簽（RFID標(biāo)簽），實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的位置辨識，配合實(shí)現(xiàn)特殊場景下的防護(hù)功能。

2.3? 關(guān)鍵技術(shù)工程化實(shí)施方案

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)主要由主機(jī)、測距模塊（包含天線）、試車線設(shè)備（雷達(dá)單元、電源模塊等）等組成，并設(shè)置模式開關(guān)和帶蜂鳴器的報(bào)警指示燈。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)時(shí)測距和危險(xiǎn)車距準(zhǔn)確評估，通過車輛控制功能集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)場景下的輔助防護(hù)功能，具體實(shí)施方案如以下所示。

（1）模式選擇。通過操縱臺(tái)模式開關(guān)，可以人工選擇列車輔助防護(hù)系統(tǒng)的工作模式，分為正線防護(hù)模式、試車線防護(hù)模式和切除模式。

（2）實(shí)時(shí)測距。通過二次雷達(dá)測距模塊實(shí)時(shí)追蹤運(yùn)行前方同一股道的列車，測量本車與前車的相對距離，開闊直線段測距能力>1 km，測距精度±5%。

（3）危險(xiǎn)車距評估。如圖4所示，正線輔助防護(hù)預(yù)警模型構(gòu)建需兼顧列車輔助防護(hù)系統(tǒng)的測距能力和列車制動(dòng)性能，兩級報(bào)警閾值需根據(jù)列車制動(dòng)能力，在列車輔助防護(hù)系統(tǒng)可測距范圍內(nèi)確保合理的制動(dòng)距離，避免前后列車碰撞事故的發(fā)生。

（4）試車線防護(hù)。如圖5所示，試車線輔助防護(hù)預(yù)警模型構(gòu)建采用劃分速度區(qū)段的方法，根據(jù)不同速度區(qū)段計(jì)算不同報(bào)警級別的報(bào)警閾值，預(yù)留合理的制動(dòng)距離，避免列車沖出試車線事故的發(fā)生，并且可以充分利用試車線有效行車區(qū)間。

（5）預(yù)警顯示。通過司機(jī)室TCMS顯示屏提供信息顯示，包括實(shí)時(shí)車距顯示、安全距離兩級聲光警示、設(shè)備工作狀態(tài)和故障信息等。

2.4? 現(xiàn)車應(yīng)用情況總結(jié)

經(jīng)現(xiàn)車試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證，列車輔助防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能，但在調(diào)試過程中曾偶發(fā)測距距離跳躍以及測距通信中斷的問題，最終通過優(yōu)化測距濾波算法得以解決，主要措施如下文所示：

（1）增加測距模塊時(shí)隙數(shù)量，確保測距終端接收到足夠多的測距數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)對測距距離數(shù)據(jù)的處理。

（2）優(yōu)化測距模塊源代碼中數(shù)據(jù)處理流程，修正測距模塊算法，濾除異常的測距數(shù)據(jù)。

（3）增加閾值判斷，將異常無效數(shù)據(jù)篩選掉，避免無效數(shù)據(jù)對擬合濾波算法的干擾。

（4）增加均值濾波，將一定時(shí)間內(nèi)接收到的有效距離值取平均作為有效值，濾波后，距離數(shù)據(jù)將更加平滑，增強(qiáng)對跳變數(shù)據(jù)的抗干擾能力。

3? 技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)及問題

基于二次雷達(dá)測距原理的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)逐步展開應(yīng)用，隨之也暴露出一些問題有待研究攻克和持續(xù)優(yōu)化完善。

3.1? 多目標(biāo)識別和通信組網(wǎng)

二次雷達(dá)采用詢問和應(yīng)答的方式建立彼此通信鏈接，特殊工況下本車前向雷達(dá)可同時(shí)檢測到多列車?yán)走_(dá)信號，甚至包括本車尾端雷達(dá)信號，為此，從中準(zhǔn)確辨別同股道前向列車尾端雷達(dá)信號，并確保與其建立穩(wěn)定的通信鏈路尤為重要。

在現(xiàn)車應(yīng)用中曾出現(xiàn)由于非目標(biāo)雷達(dá)信號干擾占用通信資源，造成本車與目標(biāo)雷達(dá)信號通信不穩(wěn)定的情況，為此，有必要深入剖析其工作場景，綜合列車運(yùn)用信息準(zhǔn)確辨別目標(biāo)列車，利用頻域和時(shí)域切割設(shè)計(jì)方法確保與目標(biāo)對象的通信穩(wěn)定性。

3.2? 輔助防護(hù)預(yù)警模型構(gòu)建

輔助防護(hù)預(yù)警模型通?？紤]車輛最大常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)距離、系統(tǒng)響應(yīng)及人為操作時(shí)間，以及實(shí)時(shí)車速或兩車相對速度等因素，通過多參量綜合計(jì)算，再加之考慮異常工況下制動(dòng)安全系數(shù)，構(gòu)建以距離為核心的輔助防護(hù)預(yù)警模型，是危險(xiǎn)車距準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)。

正線運(yùn)行時(shí)，如無法實(shí)時(shí)可靠獲得車輛運(yùn)行速度，輔助防護(hù)預(yù)警閾值一般采用固定值，即不隨車輛運(yùn)行速度變化而變化，安全性較高;試車線運(yùn)行時(shí)，因車輛可運(yùn)行距離普遍較短（約為1～2 km），為最大化利用試車線有效運(yùn)行距離，輔助防護(hù)預(yù)警閾值宜采用動(dòng)態(tài)值，預(yù)警閾值將隨本車速度動(dòng)態(tài)調(diào)整。

為起到輔助防護(hù)功能，通常設(shè)置兩級預(yù)警：Ⅰ級預(yù)警閾值以緊急制動(dòng)距離為核心因素，當(dāng)觸發(fā)預(yù)警條件時(shí)，提示司機(jī)/自動(dòng)施加緊急制動(dòng);Ⅱ級預(yù)警閾值以最大常用制動(dòng)距離為核心因素，當(dāng)觸發(fā)Ⅱ級預(yù)警條件時(shí)，提示司機(jī)減速，加強(qiáng)瞭望并準(zhǔn)備隨時(shí)停車。其中如若涉及自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，則需輔助防護(hù)系統(tǒng)需輸出緊急制動(dòng)指令，對系統(tǒng)可靠性和安全性要求較高。

3.3? 防護(hù)場景功能測試

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)測距功能，以及報(bào)警和顯示功能可通過地面測試或現(xiàn)車試驗(yàn)進(jìn)行雙重驗(yàn)證，但針對隧道、彎道、坡道、交叉渡線等場景下的功能驗(yàn)證卻較難實(shí)施，尤其對于各場景下多目標(biāo)識別和通信穩(wěn)定性很難通過環(huán)境模擬或線路試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證。因此，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就預(yù)先考慮相應(yīng)功能的完備測試方案，以提高系統(tǒng)可靠性和功能有效性。

3.4? 測距能力有待提高

列車輔助防護(hù)系統(tǒng)有效探測距離需滿足車輛制動(dòng)距離及預(yù)警距離要求，對于最高時(shí)速80 km/h列車，一般要求直線測距距離不小于800 m;對于最高時(shí)速120 km/h列車，一般要求直線測距距離不小于1 000 m。即速度等級越高要求列車輔助防護(hù)系統(tǒng)的測距距離越長，并且雷達(dá)終端/天線一般安裝于車內(nèi)，司機(jī)室前窗玻璃會(huì)對其起到一定的信號衰減作用。同時(shí)，其測距誤差也是一個(gè)重要測距性能指標(biāo)，為保證測距、預(yù)警輸出的準(zhǔn)確性，一般要求任何工況下測距誤差不超過5%，需要列車輔助防護(hù)系統(tǒng)考慮列車運(yùn)行環(huán)境對測距精度的影響并采取校正措施。

4? 結(jié)? 論

基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)技術(shù)通過現(xiàn)車應(yīng)用，將使其累積更多的實(shí)測數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，必將得到快速提升和完善，但在多場景多目標(biāo)精準(zhǔn)識別、輔助防護(hù)預(yù)警模型優(yōu)化、測距距離和測距精度提高等方面仍存在較大提升空間，同時(shí)，也可通過融合其他感知信息，提高目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率和系統(tǒng)可靠性。另外，由于處于技術(shù)應(yīng)用初期階段，各種工程應(yīng)用方案和硬件設(shè)備較為多元化，需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展進(jìn)行沉淀和總結(jié)，逐步形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的集成應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)工作頻段、系統(tǒng)架構(gòu)、配置組成、機(jī)械及電氣接口等技術(shù)要求的統(tǒng)一，促進(jìn)其批量推廣應(yīng)用。

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作者簡介：王延翠（1982—），女，漢族，吉林白山人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：軌道交通車輛電氣系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及智能化技術(shù)應(yīng)用。