基于多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強(qiáng)，王 維HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

基于多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強(qiáng)，王 維
HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei
（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

無人駕駛列車是今后城市軌道交通的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛列車軌道前方的障礙物的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別是實(shí)現(xiàn)列車無人駕駛的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)克服以上單一傳感器檢測(cè)技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)無人駕駛列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)障礙物的高效檢測(cè)與識(shí)別，可以在不同氣候、不同天氣、不同環(huán)境下都可以正常工作，提高了無人駕駛運(yùn)營(yíng)列車的安全性。

城市軌道交通；無人駕駛；障礙物檢測(cè)；激光雷達(dá)；紅外攝像機(jī)；3D攝像機(jī)；無線電雷達(dá)；超聲波傳感器

0　引言

目前國(guó)內(nèi)地鐵列車基本都采用有人駕駛運(yùn)行方式，由司機(jī)操作列車并負(fù)責(zé)瞭望列車運(yùn)行前方軌道確保無障礙物落入軌道區(qū)間，隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些大城市提出建設(shè)全自動(dòng)無人駕駛地鐵列車，提高運(yùn)行效率。2014年8月，國(guó)內(nèi)首條全自動(dòng)無人駕駛線路上海10號(hào)線開通運(yùn)營(yíng)，其無人駕駛列車車頭下方安裝了一個(gè)基于機(jī)械觸發(fā)原理的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)用于代替司機(jī)對(duì)前方線路瞭望功能，其基本原理是在列車高速運(yùn)行中撞到障礙物后將觸發(fā)列車車頭下方安裝的機(jī)械行程桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而觸發(fā)繼電器開關(guān)電路，使列車緊急停車。該方案存在明顯不足之處，即不能對(duì)列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)的障礙物實(shí)現(xiàn)提前檢測(cè)與預(yù)警，提高行車安全，另一方面通過機(jī)械的碰撞實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)不可避免地對(duì)車輛設(shè)備造成損傷。本文提出了一種基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的障礙物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)軌道中存在的異常物體進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，該系統(tǒng)安裝在無人駕駛列車車頭前方，列車運(yùn)行中各種傳感器同時(shí)工作，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到障礙物處理主機(jī)由主機(jī)進(jìn)行智能分析處理判斷是否為障礙物以及障礙物的距離。

1　障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1　多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)主要由五大模塊組成（如圖1所示），分別為傳感器及傳感器融合模塊、行為分析模塊、用戶接口模塊、列車接口模塊、全局服務(wù)模塊。

圖2　傳感器檢測(cè)效果矩陣

傳感器及傳感器融合模塊主要進(jìn)行列車運(yùn)行前方環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和整合，并將采集的障礙物按照障礙物、參照物、無關(guān)物進(jìn)行分類列表建立數(shù)據(jù)庫。由于地鐵列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全性要求較高，單一傳感存在不足（如圖2所示），通過多種傳感器技術(shù)相互融合的技術(shù)可以很好的克服單一傳感器技術(shù)的不足，提高系統(tǒng)的檢測(cè)效果。

行為分析模塊主要通過周期性的采集傳感器融合模塊檢測(cè)到的障礙物信息進(jìn)行列車運(yùn)行控制操作，比如列車加速、減速控制等；

用戶接口模塊主要是一臺(tái)觸摸顯示器，該顯示屏提供列車基本的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)信息，以及列車前方障礙物、參照物、無關(guān)物體信息清單，并設(shè)有一個(gè)緊急制動(dòng)停車按鈕，主要在調(diào)試期間使用。

列車接口模塊主要為列車的牽引和制動(dòng)控制單元，其主要為車輛牽引動(dòng)力單元和列車制動(dòng)停車控制單元兩個(gè)部分組成。

全局服務(wù)模塊為障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的上位管理主機(jī)主要用于障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行信息存儲(chǔ)和運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和管理。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)基于研華成熟的Mini-ITX工控硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，軟件采用Jave語言進(jìn)行開發(fā)，每個(gè)傳感器設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)傳感器數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)融合點(diǎn)設(shè)有一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)障礙物的觸發(fā)處理設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)線程通過一個(gè)共享的全局模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳遞，具體的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

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3　試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際路況測(cè)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作效果。多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的顯示器設(shè)有各種傳感器模式下采集的圖形信息，圖4為激光雷達(dá)識(shí)別出軌道旁邊電線桿，并計(jì)算出電線桿的距離。圖5為紅外線傳感器識(shí)別出軌道內(nèi)的異常物體。

圖4　激光雷達(dá)傳感器工作效果圖

4　結(jié)束語

本文通過基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)，克服單一傳感器技術(shù)檢測(cè)的不足，實(shí)現(xiàn)列車前方障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，代替了司機(jī)的瞭望值守功能，比目前上海十號(hào)線機(jī)械式的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)手段上更先進(jìn)，有效提高了列車運(yùn)行的安全性，但是目前該障礙物檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還存在不足，比如在復(fù)雜的光照和雨雪天氣下會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和檢測(cè)距離產(chǎn)生不良影響，并存在障礙物誤報(bào)問題，因此需要在以后的工作中進(jìn)一步的完善各種傳感器數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)對(duì)障礙物檢測(cè)的精度和可靠性。

圖5　紅外傳感器工作效果圖

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TP391

B

1009-0134（2016）08-0059-03

2016-05-27

黃濤（1981 -），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，本科，主要從事列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研發(fā)工作。