三維激光異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

時(shí)佳斌

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路網(wǎng)不斷加密，列車(chē)速度不斷提高，鐵路事故的危害程度也在大大增加。鐵路網(wǎng)與公路網(wǎng)有著大量的交叉點(diǎn)，其中不乏有公跨鐵地段、公鐵并行地段。另外，隨著鐵路向西南發(fā)展，山嶺隧道增多，易發(fā)生異物侵限的區(qū)段增加。當(dāng)發(fā)生異物侵限時(shí)，高速行駛的列車(chē)若無(wú)法及時(shí)得知運(yùn)行前方的異物侵限信息，不能在到達(dá)異物侵限點(diǎn)之前停車(chē)，可能導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。異物侵限事件的突發(fā)性和難以預(yù)測(cè)凸顯了對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的必要性。

既有的二維激光異物侵限監(jiān)測(cè)技術(shù)，存在誤報(bào)率高、監(jiān)測(cè)參數(shù)單一、特殊地段監(jiān)測(cè)困難等問(wèn)題，監(jiān)測(cè)時(shí)需投入較多人力與物力，難以滿(mǎn)足鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性［1-2］。為解決該問(wèn)題，開(kāi)展了基于三維激光掃描技術(shù)的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。本文對(duì)異物侵限監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、三維激光異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及應(yīng)用予以介紹。

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的異物侵限監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為非接觸式與接觸式兩種。非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括激光掃描技術(shù)［3］、紅外探測(cè)技術(shù)、智能視頻分析技術(shù)等［4-5］。接觸式監(jiān)測(cè)主要包括雙電網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和光纖光柵探測(cè)技術(shù)。非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)具有受地形影響小、監(jiān)測(cè)范圍廣、易于安裝維護(hù)、可對(duì)落入監(jiān)測(cè)區(qū)域的異物進(jìn)行特征識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)［6-8］。

非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)中二維激光掃描技術(shù)比較成熟，識(shí)別算法相對(duì)簡(jiǎn)單［9-11］，故其應(yīng)用較為廣泛。但是，目前大部分線(xiàn)路為雙線(xiàn)、曲線(xiàn)地段，甚至山區(qū)車(chē)站有多股道線(xiàn)路，需對(duì)整個(gè)線(xiàn)路中的軌道上方進(jìn)行異物侵限監(jiān)測(cè)。若仍采用二維激光掃描技術(shù)，不僅增加成本，而且存在干擾與盲區(qū)，極易出現(xiàn)漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象。

2 三維激光異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

三維激光異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三維激光傳感器、測(cè)點(diǎn)服務(wù)器和監(jiān)控中心三部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 三維激光異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

三維激光傳感器可全天候?qū)崟r(shí)生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)點(diǎn)服務(wù)器。測(cè)點(diǎn)服務(wù)器實(shí)時(shí)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波重構(gòu)，并通過(guò)異物侵限與人員識(shí)別算法進(jìn)行異物侵限監(jiān)測(cè)，最后將監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行融合自動(dòng)識(shí)別出異物位置、尺寸、數(shù)量等空間信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將綜合報(bào)警信息上傳至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心進(jìn)行報(bào)警信息分發(fā)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及歷史數(shù)據(jù)追溯。數(shù)據(jù)傳輸流程見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.3 總體技術(shù)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)范圍50 m，異物尺寸大于200 mm，異物侵限報(bào)警時(shí)間小于5 s。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

1）三維數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集30萬(wàn)個(gè)以上的三維激光點(diǎn)，并進(jìn)行濾波處理。

2）異物三維識(shí)別。系統(tǒng)自動(dòng)重構(gòu)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合三維特征識(shí)別監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)量、位置、尺寸等。

3）圖像智能識(shí)別。系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)的圖像智能識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)過(guò)濾干擾因素。

4）適用性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)便。系統(tǒng)可適用于不同復(fù)雜線(xiàn)路環(huán)境，全天候運(yùn)行。采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于維護(hù)。

2.5 異物侵限監(jiān)測(cè)程序

異物侵限監(jiān)測(cè)程序見(jiàn)圖3。首先根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立三維模型，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移等操作對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，使傳感器坐標(biāo)系與軌道平面坐標(biāo)系重合；其次，由于三維點(diǎn)云中存在少量噪點(diǎn)會(huì)影響異物識(shí)別的準(zhǔn)確性，所以須對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波，剔除其中的離群點(diǎn)；最后，判斷是否發(fā)生異物侵限。

若發(fā)生異物侵限系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，并保存原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)與異物侵限圖片，以備后續(xù)歷史追溯。同時(shí)，通過(guò)識(shí)別異物侵限圖片，判斷是否有行人、車(chē)輛、飛鳥(niǎo)等侵入，以降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。若有侵入，系統(tǒng)會(huì)記錄相關(guān)信息；若無(wú)侵入，系統(tǒng)利用聚類(lèi)算法自動(dòng)識(shí)別異物數(shù)量，計(jì)算出各異物位置、尺寸等空間信息，并及時(shí)報(bào)警。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在京廣鐵路大廟峽隧道洞口布置三維異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)布置見(jiàn)圖4，三維激光掃描結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

圖5 三維激光掃描結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中用紙箱模擬異物侵入，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)異物進(jìn)行報(bào)警，并自動(dòng)識(shí)別出異物的數(shù)量、位置、大小等空間信息，見(jiàn)圖6。其中：Obstacles info代表系統(tǒng)識(shí)別的異物數(shù)量；Vol代表異物的體積；Lwh代表異物的尺寸（長(zhǎng)、寬、高）；Loc代表異物與傳感器的相對(duì)位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，以三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)為核心，并融合基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線(xiàn)危巖落石段、高陡邊坡、隧道洞口等易發(fā)生異物侵限區(qū)段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別異物，且其適用于不同復(fù)雜線(xiàn)路環(huán)境，可全天候運(yùn)行，維護(hù)方便。