基于紅外熱成像技術(shù)的鐵路機(jī)車車載障礙物智能預(yù)警研究

黃昌奎

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 安全監(jiān)察室，上海 200071)

隨著鐵路高速發(fā)展，鐵路部門(mén)加強(qiáng)了線路封閉管理，來(lái)防止異物進(jìn)入鐵路線路。但是，仍有行人、飄浮物、泥石流等障礙物時(shí)常侵入鐵路線路，嚴(yán)重威脅著列車運(yùn)行安全。這些障礙物主要依賴列車司機(jī)或巡視人員發(fā)現(xiàn)后再處置，由于160 km/h的普速旅客列車緊急制動(dòng)距離為1400 m[1]，往往當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，已經(jīng)避免不了相撞事故的發(fā)生。研究鐵路機(jī)車車載紅外探測(cè)技術(shù)，增加司機(jī)可視距離，設(shè)置自動(dòng)預(yù)警提醒功能，及時(shí)提醒司機(jī)前方線路狀況，是解決列車在瞭望距離不足或低能見(jiàn)度條件下行車安全問(wèn)題的重要手段。

1 列車防止撞異物風(fēng)險(xiǎn)管控現(xiàn)狀

1.1 鐵路部門(mén)采取的主要安全管控措施

鐵路部門(mén)為防止列車撞異物，在調(diào)度指揮、施工維修等方面采取了一定安全管控措施。在調(diào)度指揮時(shí)采取行車閉塞法，來(lái)保證列車在運(yùn)行過(guò)程中相互間始終保持安全間隔距離，即調(diào)度人員在指揮列車運(yùn)行時(shí)，通過(guò)相鄰車站的設(shè)備或人為控制，操作設(shè)置在鐵路線路上的各類信號(hào)機(jī)，開(kāi)放不同的信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備保持與列車司機(jī)的不間斷聯(lián)系，要求按照允許運(yùn)行的信號(hào)、憑證，以相應(yīng)速度安全運(yùn)行[2]。在施工維修作業(yè)時(shí)執(zhí)行“天窗修”制度，防止列車與在鐵路線路上的作業(yè)人員、機(jī)具相撞。

鐵路部門(mén)對(duì)鐵路線路實(shí)行封閉管理和道口看守制度，防范閑雜人員、車輛、牲畜進(jìn)入鐵路線路，主要在鐵路線路兩側(cè)，按照高速鐵路、普速鐵路不同等級(jí)，安裝了不同標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)柵欄進(jìn)行物理隔離；鐵路與社會(huì)道路原則上不設(shè)置平面交叉，一些尚未改造的平面交叉道口安排人員看守，避免行人、車輛橫越交叉線路時(shí)與鐵路列車車輛發(fā)生相撞[3]。

1.2 列車撞異物的主要因素

（1）列車運(yùn)行速度和天氣因素。列車速度越快，制動(dòng)距離越長(zhǎng)，司機(jī)的瞭望距離需要更遠(yuǎn)，但在能見(jiàn)度低的天氣下瞭望距離受到限制。列車制動(dòng)距離主要與列車運(yùn)行速度、列車制動(dòng)能力有關(guān)，受線路曲線、坡度、雨雪天氣等因素影響。正常情況下，鐵路普速旅客列車的緊急制動(dòng)距離為800 ～1400 m，動(dòng)車組列車的制動(dòng)距離達(dá)到2000 m以上。在惡劣天氣情況下司機(jī)的瞭望距離僅有200 m，甚至更近，不能滿足制動(dòng)距離要求。列車運(yùn)行速度越快，天氣能見(jiàn)度條件越差，相撞的安全風(fēng)險(xiǎn)越大。

（2）列車司機(jī)因素。普速鐵路列車設(shè)正、副司機(jī)各1名，動(dòng)車組列車僅設(shè)1名司機(jī)，在列車運(yùn)行過(guò)程中，執(zhí)行“徹底瞭望”制度，遇到危及行車安全時(shí)，采取緊急制動(dòng)措施。列車司機(jī)工作事項(xiàng)較多，需確認(rèn)各種儀表、手動(dòng)各項(xiàng)操作，容易疲勞分心，時(shí)常發(fā)生間斷、中斷瞭望的風(fēng)險(xiǎn)事件。少數(shù)司機(jī)在發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，因精力不集中、反應(yīng)不及時(shí)等，在采取緊急措施時(shí)的反應(yīng)時(shí)間大于4 s，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，而列車每秒的走行距離要超過(guò)30 m，在司機(jī)反應(yīng)遲滯狀況下列車至少運(yùn)行100 m，相撞的安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）鐵路施工維修作業(yè)因素。一是施工作業(yè)前，由于指揮施工作業(yè)的調(diào)度命令沒(méi)有傳達(dá)到施工作業(yè)人員，或者作業(yè)人員違章提前作業(yè)等因素，造成作業(yè)人員進(jìn)入列車正在運(yùn)行的線路。二是施工作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)人員、機(jī)具侵入鄰線限界。三是施工作業(yè)后，作業(yè)人員或作業(yè)機(jī)具未及時(shí)撤離線路，或遺留機(jī)具在線路上，在列車恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生相撞風(fēng)險(xiǎn)。

（4）鐵路線路外部環(huán)境因素。目前，全路尚有450 km的地段沒(méi)有進(jìn)行柵欄封閉，社會(huì)人員、牲畜容易在鐵路柵欄破損或未設(shè)柵欄區(qū)段非法上道，非法人員人為在鐵路線路上放置障礙物。有些機(jī)動(dòng)車輛通過(guò)鐵路道口時(shí)非法闖入鐵路線路。汛期暴風(fēng)雨期間，落石、倒樹(shù)、泥石流、大風(fēng)刮起的飄浮物等障礙物侵入鐵路線路。

2 障礙物智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外熱像儀已廣泛應(yīng)用于紅外制導(dǎo)、坦克夜視儀、武器瞄準(zhǔn)、安防和汽車紅外夜視儀等領(lǐng)域。紅外成像技術(shù)主要是利用紅外線探測(cè)器捕獲目標(biāo)自身輻射的能量、熱特征來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤[4]，再優(yōu)化遠(yuǎn)端探測(cè)距離設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到160 km/h及其以下速度的1400 m列車制動(dòng)距離的要求，再通過(guò)圖像自動(dòng)處理、異物分析功能及自動(dòng)鎖閉功能，能夠觀察具有極高清晰度的目標(biāo)，實(shí)時(shí)探測(cè)捕捉鐵路線路限界內(nèi)的障礙物，并通過(guò)顯示終端提醒列車司機(jī)線路情況，且不易受環(huán)境、氣候、光線等因素干擾。因此，可利用紅外探測(cè)障礙物預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，搭載在鐵路機(jī)車上，實(shí)現(xiàn)列車司機(jī)遠(yuǎn)距離觀察運(yùn)行前方線路情況，實(shí)時(shí)接收預(yù)警提醒，避免列車與障礙物相撞。

2.1 系統(tǒng)的主要功能

搭載預(yù)警系統(tǒng)的列車在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)紅外探測(cè)裝置自動(dòng)檢測(cè)機(jī)車前方線路情況，發(fā)現(xiàn)行人、倒樹(shù)、泥石流、施工機(jī)具、車輛等異物及時(shí)預(yù)警提醒司機(jī)[5]，尤其在黑夜、霧雪天等能見(jiàn)度差的天氣狀況下效果更理想。能夠?yàn)樗緳C(jī)提供采取安全措施的時(shí)間，有效解決列車在瞭望距離不足或低能見(jiàn)度條件下行車安全問(wèn)題，彌補(bǔ)現(xiàn)有列車運(yùn)行安全保障系統(tǒng)的不足。根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)主要功能如下。

（1）遠(yuǎn)距離探測(cè)功能。在濕度大于70%時(shí)，滿足2000 m以上的探測(cè)距離，不受霧霾及夜間環(huán)境影響，適合國(guó)內(nèi)各類氣候。

（2）目標(biāo)圖像自動(dòng)鎖定功能。利用鋼軌特定形狀，在司機(jī)室內(nèi)顯示終端上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)圖像沿固定線路自動(dòng)向前運(yùn)行功能，并鎖定顯示前方探測(cè)距離內(nèi)兩側(cè)距線路中心2440 mm的探測(cè)范圍。

（3）特殊場(chǎng)景處理功能。包括去強(qiáng)光、破霧功能，最小曲線半徑800 m的彎道處理功能，實(shí)現(xiàn)不受惡劣天氣、曲線地段限制。

（4）預(yù)警智能化功能。圖像智能篩選出限界內(nèi)異物，能夠分辨行人、牲畜、接觸網(wǎng)異物、其他異物等目標(biāo)，能夠自動(dòng)鎖定目標(biāo)并通過(guò)語(yǔ)音和文字提醒報(bào)警。

（5）可視化功能。顯示終端放置在司機(jī)便于觀察的位置，可以實(shí)時(shí)顯示用方框鎖定的障礙物圖像，相鄰區(qū)間、站名，文字提醒內(nèi)容，并設(shè)置錄音、視頻、預(yù)警、設(shè)備等可查詢功能按鈕[6]。

2.2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路機(jī)車車載障礙物智能探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，由視頻采集系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、警報(bào)系統(tǒng)和顯示終端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System networking diagram

視頻采集系統(tǒng)，主要包括熱像儀、紅外輔助駕駛機(jī)芯組件和紅外導(dǎo)引頭，固定安裝在機(jī)車頭部大燈處適當(dāng)位置，用于收集列車運(yùn)行前方線路內(nèi)物體紅外及可見(jiàn)光信號(hào)并處理為視頻信息，將視頻信息實(shí)時(shí)傳輸給信息處理系統(tǒng)；測(cè)距系統(tǒng)，由激光測(cè)距儀構(gòu)成，激光測(cè)距儀發(fā)送和接收激光測(cè)距信號(hào)，用于將激光測(cè)距儀和被探測(cè)到的物體之間的距離信息實(shí)時(shí)傳輸給信息處理系統(tǒng)；伺服控制系統(tǒng)，用于使測(cè)距系統(tǒng)準(zhǔn)確地跟蹤激光測(cè)距儀和被測(cè)物體之間的距離以及使視頻采集系統(tǒng)準(zhǔn)確地跟蹤機(jī)車隨軌道的轉(zhuǎn)角，自動(dòng)鎖定目標(biāo)追蹤；信息處理系統(tǒng)，由隨動(dòng)控制算法模塊、安全限界判斷模塊組成，用于對(duì)視頻采集系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的紅外及可見(jiàn)光信號(hào)及測(cè)距系統(tǒng)發(fā)來(lái)的距離信息進(jìn)行處理、識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、上傳并傳輸至顯示屏，以及根據(jù)識(shí)別出的障礙物等圖像的處理結(jié)果對(duì)伺服控制系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行前方線路限界內(nèi)障礙物智能探測(cè)報(bào)警提醒的功能。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 紅外成像技術(shù)

鐵路機(jī)車采用非制冷探測(cè)器[7]探測(cè)目標(biāo)物體的紅外熱輻射，探測(cè)的距離較遠(yuǎn)、圖像清晰、應(yīng)用比較成熟，主要原理為焦平面探測(cè)器吸收紅外輻射能量，元件的溫度發(fā)生相應(yīng)變化，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，后續(xù)將電信號(hào)進(jìn)行放大和邏輯處理，采集到目標(biāo)物體溫度分布情況，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成紅外視頻熱圖像[7]。紅外成像技術(shù)的光路圖如圖2所示。

圖2 紅外成像技術(shù)的光路圖Fig.2 Light path diagram of infrared imaging technology

3.2 探測(cè)距離設(shè)計(jì)

紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)探測(cè)的最遠(yuǎn)作用距離受成像面積、信號(hào)能量2個(gè)因素的限制，選取最小成像面積不能小于10×10個(gè)像素，否則，探測(cè)器將無(wú)法識(shí)別目標(biāo)。足夠強(qiáng)的信號(hào)能量要求足夠大的信噪比，需要定義一個(gè)信噪比閾值，只有信噪比高于它時(shí)，系統(tǒng)才能識(shí)別目標(biāo)，經(jīng)過(guò)概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，這里選擇信噪比的閾值(SNR)為5。根據(jù)信噪比與目標(biāo)輻射強(qiáng)度的關(guān)系可以推出非制冷紅外探測(cè)器搜索跟蹤系統(tǒng)作用距離的計(jì)算公式[8]為

式中：r為系統(tǒng)作用距離，m；L目標(biāo)為目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，W；L背景為背景的輻射強(qiáng)度，W；S為輻射物對(duì)應(yīng)的面積，m2；τ(r)為距離r目標(biāo)輻射的大氣透過(guò)率；η為物體表面的反射率；Aenp為光學(xué)系統(tǒng)的有效入射孔徑的面積，m2；Ad為探測(cè)微元的面積，m2；D*為歸一化探測(cè)率；Δf為系統(tǒng)探測(cè)器帶寬，Hz；Nt是系統(tǒng)等效溫差(NETD)，K；SNR為系統(tǒng)工作時(shí)的最小信噪比值；δ為系統(tǒng)修正因子。

歸一化探測(cè)率D*計(jì)算公式為

式中：NEP為噪聲等效功率，W；F為焦距f與通光孔徑d的比值；NETD為熱靈敏度，mK； ?L/?T為相對(duì)背景溫度下光譜輻射出射度對(duì)溫度的變化率，W/(m2·sr·k)。系統(tǒng)作用距離估算參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)作用距離估算參數(shù)Tab.1 System action distance estimation parameters

在改變焦距f和像元尺寸的情況下，列車前方鋼軌限界范圍內(nèi)最大作用距離隨熱靈敏度(NETD)的變化如圖3所示[8]。結(jié)合工程驗(yàn)證結(jié)果，基于此技術(shù)方案的紅外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的最大作用距離滿足2 km以上。

圖3 列車前方鋼軌限界范圍內(nèi)最大作用距離隨熱靈敏度(NETD)的變化Fig. 3 Variation of the maximum working distance within the rail limit in front of the train with NETD

3.3 紅外圖像降噪與增強(qiáng)

由于紅外圖像受到鐵路線路上各種背景干擾，一些障礙物與鋼軌、軌枕的物理特性接近，接收到的目標(biāo)信號(hào)相對(duì)較弱，會(huì)出現(xiàn)噪聲。針對(duì)紅外圖像的特性，要得到理想的紅外圖像關(guān)鍵在于紅外信號(hào)降噪以及圖像增強(qiáng)等微弱圖像處理技術(shù)[9]。紅外圖像降噪與增強(qiáng)算法框圖如圖4所示。

圖4 紅外圖像降噪與增強(qiáng)算法框圖Fig.4 Overall block diagram of infrared image de-noising and enhancement algorithm

（1）固定圖案噪聲(FRN)抑制。由于紅外成像器件的成像焦平面有一定的非均勻性，探測(cè)像元對(duì)于同一溫度響應(yīng)造成不一致，會(huì)出現(xiàn)空間固定圖案噪聲，需要針對(duì)噪聲的性質(zhì)對(duì)圖像中的該類噪聲進(jìn)行抑制。

（2）圖像條帶噪聲抑制。紅外成像系統(tǒng)中，由于每一行(列)成像單元共用一個(gè)輸出電路輸出，輸出電路輸出并不均勻，導(dǎo)致紅外圖像中或多或少都有該類噪聲的污染，這里特指時(shí)間高頻的條帶噪聲。在實(shí)際算法中首先將圖像噪聲提取到中高頻，對(duì)圖像做運(yùn)動(dòng)估計(jì)，利用圖像的平滑區(qū)域進(jìn)行時(shí)域的濾波處理。

（3）圖像非局部均值高頻噪聲抑制。在紅外圖像中，除了時(shí)域高頻噪聲，還具有空域噪聲，包括高斯噪聲、椒鹽噪聲等一系列噪聲，使用了非局部均值的算法進(jìn)行噪聲抑制。在紅外圖像處理中，主要通過(guò)全局直方圖拉伸算法，將高動(dòng)態(tài)范圍的紅外圖像輸出到顯示終端，并且盡可能少地?fù)p失圖像中的信息。

（4）圖像校正算法。焦平面探測(cè)器具有非均勻性，目標(biāo)會(huì)退化或圖像不清，通過(guò)對(duì)時(shí)域高通非均勻性校正算法和自適應(yīng)非均勻校正算法的分析，選擇邏輯編程來(lái)實(shí)現(xiàn)二元非線性響應(yīng)的非均勻性校正算法，并進(jìn)一步研發(fā)自適應(yīng)二元非線性響應(yīng)的非均勻性校正算法進(jìn)行非均勻性校正。

3.4 深度學(xué)習(xí)建模

通過(guò)微弱圖像處理技術(shù)后，得到理想的障礙物紅外圖像，再建立行人、異物侵線檢測(cè)、識(shí)別系統(tǒng)的智能化自主學(xué)習(xí)方法，還需要在軟件中設(shè)置自主學(xué)習(xí)與上述特征識(shí)別的映射關(guān)系，然后利用在鐵路線路上采集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，并根據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果與前置模型進(jìn)行交互改進(jìn)。這樣，通過(guò)多輪交互改進(jìn)的自主學(xué)習(xí)和建模成果，初步固化行人、異物侵線檢測(cè)算法，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。獲得的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)專用圖象處理軟件處理后，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程異物、行人侵線檢測(cè)。

利用能從圖像中分離出具有某種相同特征的幾何形狀的霍夫變換方法，從黑白圖像中檢測(cè)出鋼軌和軌枕所具有的特殊線條，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向，最終實(shí)現(xiàn)鋼軌的自動(dòng)鎖定。針對(duì)彎道引起的遠(yuǎn)程視場(chǎng)中鋼軌及侵線行人、異物短暫丟失的難題需要加強(qiáng)視頻采集、鋼軌識(shí)別、融合GPS數(shù)據(jù)等技術(shù)分析，解決探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的短暫丟失問(wèn)題。先將視頻采集系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)預(yù)先調(diào)整至與鋼軌同方向，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)的彎曲度大于軌道切線轉(zhuǎn)角的限定值時(shí)，再利用彎道細(xì)調(diào)方法進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，即通過(guò)對(duì)軌道圖像作切線，并計(jì)算切線的轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算出軌道的彎曲程度即對(duì)機(jī)車實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)彎曲率進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)轉(zhuǎn)角大于軌道切線轉(zhuǎn)角的限定值時(shí)，計(jì)算伺服控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，向伺服控制系統(tǒng)發(fā)送姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻采集系統(tǒng)探測(cè)角度的實(shí)時(shí)控制。

實(shí)地測(cè)試夜間和不同天氣情況下的障礙物、行人智能識(shí)別，能夠根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景幫助司機(jī)快速捕捉并框選侵入鐵路限界內(nèi)行人及異物等目標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行文字和聲音提醒[10]。預(yù)警系統(tǒng)效果圖如圖5所示。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)效果圖Fig.5 Effect picture of infrared early warning system

4 結(jié)束語(yǔ)

列車司機(jī)通過(guò)觀察前方線路采取安全措施，是防止列車碰撞異物事故的最后一道防線[11]。鐵路機(jī)車車載障礙物智能探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可有效確保鐵路行車安全，系統(tǒng)具備紅外遠(yuǎn)程探測(cè)、異物鎖定報(bào)警功能，將接觸網(wǎng)分相、曲線、限速地段、施工地點(diǎn)等特殊場(chǎng)景的參數(shù)融入系統(tǒng)，增加提醒功能，達(dá)到智能“導(dǎo)航式”輔助司機(jī)安全駕駛列車的目的。不斷研究系統(tǒng)在動(dòng)車組列車上的應(yīng)用，探索與鐵路機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)接口，有效解決瞭望距離不足或低能見(jiàn)度條件下行車安全問(wèn)題，有效彌補(bǔ)現(xiàn)有列車運(yùn)行安全保障系統(tǒng)的不足。