宋 丹，劉 登

(中鐵通信信號勘測設(shè)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(yán)重，軌道交通憑其方便、快捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行的安全也提出了嚴(yán)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(yùn)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(dāng)信號系統(tǒng)故障導(dǎo)致列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）與自動防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）失效時，為保障正常運(yùn)營，列車將轉(zhuǎn)為司機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(yùn)營事故。

針對此需求，本文基于二次雷達(dá)技術(shù)和專網(wǎng)通信技術(shù)研究列車防撞預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)列車未安裝車載ATC 設(shè)備或信號系統(tǒng)故障時，利用雷達(dá)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(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)送和接收信號的時間間隔計算前后間距。

基于二次雷達(dá)技術(shù)的地鐵防撞預(yù)警系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面設(shè)備共同組成。如圖1 所示，車載設(shè)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(biāo)簽等組成。地面設(shè)備由主控系統(tǒng)融合CPU、二次雷達(dá)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(shè)備組成圖Fig.1 System equipment composition diagram

地面設(shè)備的主要功能是對區(qū)間運(yùn)行列車進(jìn)行簽注記錄，輔助調(diào)度人員對列車定位，設(shè)備設(shè)置在車站的進(jìn)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(dá)作為主控機(jī)，前車尾部的雷達(dá)作為合作機(jī)，工作原理如圖2所示。

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

基于UWB 技術(shù)的二次雷達(dá)測距系統(tǒng)，車列測距模塊設(shè)計為主從一體機(jī)，主從模塊通過軟件分時協(xié)調(diào)，分時進(jìn)行自檢和前方列車測距，車輛作為主機(jī)測得前方從機(jī)車輛距離，并作為從機(jī)為后方車輛提供測距應(yīng)答。同時車載設(shè)備主控系統(tǒng)融合CPU 通過列車網(wǎng)絡(luò)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(yùn)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(diǎn)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(dá)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(dá)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(jī)將本車運(yùn)行信息（包括線路號、車次號、運(yùn)行方向、速度等）形成編碼，加入雷達(dá)信號向外發(fā)送。

2）前車從機(jī)收到本車主機(jī)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(yīng)答回波（編碼信息包括線路號、車次號、運(yùn)行方向、車速等）至本車主機(jī)。

3）主機(jī)接收到從機(jī)應(yīng)答信號，在經(jīng)過信號處理并識別為有效信號后，測量到達(dá)時間差進(jìn)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(yīng)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(yīng)用。結(jié)合列車運(yùn)行速度和推薦速度曲線，對識別出的目標(biāo)物在可能發(fā)生危險的范圍內(nèi)發(fā)出預(yù)警，在小于安全距離時向TCMS 輸出預(yù)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(jī)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(dāng)探測到前方列車后，將進(jìn)行信息簽注確定追蹤的前方列車，然后系統(tǒng)將實(shí)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(jìn)行告警（如前方追蹤列車為A，測得A 車信息后進(jìn)行記錄，如突然出現(xiàn)更近的同向B 車則進(jìn)行告警）。在預(yù)警距離內(nèi)時，根據(jù)列車速度提示司機(jī)注意速度。地鐵列車追蹤運(yùn)行利用二次雷達(dá)技術(shù)防撞的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）應(yīng)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(yùn)行的前后列車?yán)镁幋a信號進(jìn)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(dá)其發(fā)射功率更低；

4）應(yīng)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(yīng)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(dá)的基本性能參數(shù)如表1 所示。

表1 二次雷達(dá)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(dāng)信號系統(tǒng)故障導(dǎo)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(dāng)車輛進(jìn)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(luò)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(luò)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(yùn)營商3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有IP 地址進(jìn)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(rèn)證方式；地面專網(wǎng)模塊通過認(rèn)證后由DHCP服務(wù)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(wù)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(yīng)用場景

本文研究的基于二次雷達(dá)技術(shù)的地鐵防撞預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)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(jī)進(jìn)行前方列車距離及超速預(yù)警。

2） 單個或多個列車車載信號設(shè)備故障：輔助駕駛故障列車的司機(jī)進(jìn)行前方列車距離及超速預(yù)警。

3） 通信車救援故障車：輔助駕駛通信車的司機(jī)進(jìn)行前方故障列車距離預(yù)警。

4） 輔助計軸預(yù)復(fù)位：輔助進(jìn)行計軸預(yù)復(fù)位的列車司機(jī)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(dāng)城市軌道交通的信號系統(tǒng)故障導(dǎo)致列車采用ATP 切除的人工駕駛模式運(yùn)行時，基于二次雷達(dá)技術(shù)的列車防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前、后列車追蹤間距預(yù)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(hù)的人工駕駛列車提供設(shè)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(yīng)急情況下運(yùn)營的安全性，減輕信號系統(tǒng)故障對全網(wǎng)運(yùn)營效率的影響。