軌道交通列車前視障礙物智能檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)研究

劉建鋒 趙靖 許琿

浙江眾合科技股份有限公司，中國(guó)·浙江 杭州 310051

軌道交通列車；前視障礙物；智能檢測(cè)系統(tǒng)

1 世界各國(guó)研究現(xiàn)狀

軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中需要進(jìn)行軌道障礙物檢測(cè)分析工作，可以使用激光雷達(dá)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，縮小事故發(fā)生的范圍。其他國(guó)家在進(jìn)行軌道交通研究過(guò)程中起步較早，尤其是在進(jìn)行列車障礙物檢測(cè)過(guò)程中，常用的有專用的軌道障礙物探測(cè)機(jī)車、固定軌道沿線的探測(cè)設(shè)備、以及障礙物的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備等。在進(jìn)行以上列車障礙物檢測(cè)時(shí)，首先，對(duì)于專用的軌道障礙物探測(cè)機(jī)車來(lái)說(shuō)，它是一種新型的自動(dòng)軌道探測(cè)機(jī)車，具有高能疝氣燈掃描探燈組合，主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)，能準(zhǔn)確的判斷障礙物的路線。而固定在軌道沿線的探測(cè)設(shè)備，能夠?qū)潭▍^(qū)域內(nèi)的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，它是鐵路站臺(tái)區(qū)域的安全系統(tǒng)，使用的是激光雷達(dá)技術(shù)，能有效地檢測(cè)障礙物出現(xiàn)的范圍、響應(yīng)時(shí)間等，主要是基于智能光學(xué)，它是一種固定檢測(cè)裝置，可以分別在軌道兩側(cè)安裝紅外線發(fā)射以及接收系統(tǒng)，判斷軌道上存在的障礙物。在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備使用過(guò)程中，可以通過(guò)視頻相機(jī)、紅外線雷達(dá)檢測(cè)、了解軌道上存在的障礙，使用障礙物和軌道檢測(cè)算法，進(jìn)行危險(xiǎn)事故的判定工作。

目前，在進(jìn)行軌道交通列車前障礙物智能檢測(cè)系統(tǒng)探究過(guò)程中，中國(guó)絕大部分的研究主要以非接觸式、隨動(dòng)探測(cè)等為依據(jù)，仍然處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和圖像處理，對(duì)列車的軌跡進(jìn)行分析，它是一種自動(dòng)檢測(cè)裝置，可以使用車載的CCD 攝像機(jī)，能夠及時(shí)地記錄列車實(shí)時(shí)畫面，進(jìn)行路軌圖像的預(yù)處理工作，全面提高圖像識(shí)別率。除此之外，列車運(yùn)行前方動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以使用兩個(gè)攝像裝置進(jìn)行圖像采集，能有效的模擬人機(jī)交互，進(jìn)行軌道障礙物的檢測(cè)和掃描工作。尤其是高德紅外股份有限公司在進(jìn)行智能列車交通監(jiān)控系統(tǒng)分析時(shí)，將紅外熱成像儀安裝在列車到頭部，做好前方障礙物、分叉道等危險(xiǎn)情況的報(bào)警工作，避免惡劣環(huán)境產(chǎn)生的影響。

2 軌道交通列車前視障礙物智能檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

基于世界各國(guó)的研究，路障檢測(cè)物在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)鐵路障礙檢測(cè)方式，能夠在列車沿線安裝攝像頭進(jìn)行障礙物的檢測(cè)工作，可以采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，然而在運(yùn)作過(guò)程中成本較高。除此之外，也可以在列車上安裝光學(xué)傳感器進(jìn)行路政檢測(cè)。在進(jìn)行世界各國(guó)軌道交通列車障礙物系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)各種調(diào)研資料，需要進(jìn)行監(jiān)視障礙物系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，做好目標(biāo)細(xì)節(jié)、分辨率以及全天候的管控工作。和列車進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，即時(shí)獲得軌道交通的行車方向、速度、距離等進(jìn)行以上數(shù)據(jù)的綜合分析，能夠及時(shí)地檢測(cè)到障礙物，強(qiáng)化安全裝備的試用效果，保證列車行車安全[1]。

3 軌道交通列車前視障礙物智能檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

只有確定各系統(tǒng)模塊的組織形式，才能夠?qū)α熊嚽罢系K物檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，全方位地分析系統(tǒng)的性能。通常情況下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括列車的地理位置、激光雷達(dá)、無(wú)線電雷達(dá)、紅外線傳感器、3D 攝像機(jī)、超聲波傳感器等。能夠進(jìn)行全局服務(wù)模塊的控制，做好列車行為方式的分析，對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，做好數(shù)據(jù)庫(kù)和日志的記錄工作，提高服務(wù)的可視化[2]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器與模塊化集成

為了確保前視障礙檢測(cè)系統(tǒng)，滿足列車的行駛需求，需要使用傳感器，做好系統(tǒng)特性的檢測(cè)和分析工作。在進(jìn)行傳感器產(chǎn)品篩選分析時(shí)，可以通過(guò)外圍的電路或者是AD 轉(zhuǎn)換電路，做好控制系統(tǒng)和傳感器之間的控制控制工作，由于絕大多數(shù)的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)信號(hào)特殊性處理以后，會(huì)使用具有高速串行總線的圖像傳感器與系統(tǒng)進(jìn)行直接連接，可以使用統(tǒng)一/通用接口的模塊化傳感器，降低系統(tǒng)升級(jí)存在的故障，提高模塊升級(jí)的便捷性和準(zhǔn)確性[3]。

3.3 傳感器融合軟件模塊

在融合軟件模塊研發(fā)過(guò)程中，為了幫助不同傳感器能夠及時(shí)地采集到信息，提高信息傳遞的真實(shí)性和精準(zhǔn)性，可以通過(guò)高精度時(shí)鐘協(xié)議進(jìn)行個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的控制工作，保證傳感器信號(hào)能夠在時(shí)間上進(jìn)行精準(zhǔn)融合，全面提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。一般情況下，傳感器都是由數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳遞的，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理?？梢允褂镁C合性能最優(yōu)的集中方式，使用最近鄰域法、聯(lián)合概率、數(shù)據(jù)互聯(lián)等多種方式將獲得的雷達(dá)信號(hào)和各相機(jī)信號(hào)在空間上進(jìn)行重構(gòu)和融合[4]。

3.4 相機(jī)成像原理

通過(guò)建立相機(jī)成像模型，確定鐵軌所在平面上的點(diǎn)與屏幕像素點(diǎn)之間映射關(guān)系，如圖2所示。

圖2 相機(jī)成像示意圖

在上圖a 圖中，點(diǎn)A是相機(jī)所在位置，是相機(jī)的朝向，線段AQuv和uQuvv平面分別是相機(jī)的焦距和成像平面，而xOy平面是鐵軌所在平面?，F(xiàn)在已知xOy平面上的一點(diǎn)P，在成像平面uQuvv上對(duì)應(yīng)于點(diǎn)Puv。另外成像平面上的點(diǎn)與屏幕空間上的像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如上圖b 圖所示，Puv是成像平面uQuvv上的點(diǎn)，Pwh是在屏幕上與其對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)。

在已知相機(jī)的位置，OA=ZA；相機(jī)的朝向，∠OAQ=θ；相機(jī)的焦距，AQuv=f；

相機(jī)成像平面的大小，BC=cw，BE=ch；屏幕分辨率，F(xiàn)G=sw，F(xiàn)I=sh。求xOy平面上一點(diǎn)P(xP，yP，0)在屏幕上的像素坐標(biāo)Pwh(wP，hP)的情況下得出：

先將點(diǎn)P(xP，yP，0) 投影到相機(jī)的成像平面上的點(diǎn)Puv(uP，vP)，由已知可得：

所以Puv的坐標(biāo)為

再將成像平面上的點(diǎn)Puv(uP，vP) 變換到屏幕上的點(diǎn)Pwh(wP，hP)，由已知可得：

所以Pwh的坐標(biāo)為

3.5 行為分析決策軟件模塊開(kāi)發(fā)

在現(xiàn)行列車前方環(huán)境信息分析時(shí)，可以使用自動(dòng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)車前方的環(huán)境進(jìn)行智能化檢測(cè)，能夠有效地判斷障礙物的大小以及列車接近障礙物的速度，通過(guò)C 語(yǔ)言進(jìn)行列車前方環(huán)境信息的決策，能有效地規(guī)避危險(xiǎn)物，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交互，在障礙物確認(rèn)完成之后，停止列車牽引。在保證行車安全的同時(shí)做好軟件算法流程的分析工作，強(qiáng)化地理信息系統(tǒng)、全局系統(tǒng)時(shí)鐘、列車位置信息的控制工作，可以采用對(duì)列車臨界判斷、運(yùn)行狀態(tài)判斷、參照物識(shí)別等多種方式，降低地鐵列車的運(yùn)作成本。常見(jiàn)的軟件算法流程如圖3所示[5]。

圖3 軟件算法流程

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，在城市規(guī)模和人口的推動(dòng)之下，中國(guó)軌道交通行業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。絕大部分的軌道交通系統(tǒng)流量大、密度高、運(yùn)營(yíng)環(huán)境較為密閉，為了有效地解決城市交通存在的擁堵問(wèn)題，要提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性，做好設(shè)備、人員、軌道故障等分析工作雖然，相關(guān)部門已經(jīng)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，但是不可避免會(huì)發(fā)生各種各樣的事故。因此，為了完善城市軌道交通路障檢測(cè)系統(tǒng)，提升地鐵列車的安全性指標(biāo)，應(yīng)該做好地鐵列車前視障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究工作，采取有效的方式，強(qiáng)化前視障礙物智能檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)作用，提高細(xì)節(jié)分辨率以及全天候的工作能力，實(shí)現(xiàn)列車的實(shí)時(shí)通訊，即時(shí)獲取軌道以及列車的運(yùn)行速度。