基于北斗高精度定位的重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

項(xiàng)鵬飛

關(guān)鍵詞：北斗高精度定位；重載鐵路；列檢作業(yè)；電子地圖；安全預(yù)警；電子圍欄

列檢作業(yè)人員上線作業(yè)主要依靠人工監(jiān)督，來車接近通過人工嘹望的原始方式進(jìn)行盯控，一旦出現(xiàn)過車嘹望不及時(shí)或作業(yè)人員超出安全區(qū)域作業(yè)的情況，極易造成人員傷亡；同時(shí)由于作業(yè)場(chǎng)作業(yè)范圍大，人員是否到達(dá)指定作業(yè)區(qū)域、是否按標(biāo)準(zhǔn)用時(shí)進(jìn)行作業(yè)難以衡量；作業(yè)安排仍由人工分配，作業(yè)量統(tǒng)計(jì)仍采用原始方式，無法做到均衡分配、信息化統(tǒng)計(jì)；工作中設(shè)備與設(shè)施的巡檢和交接完全由人工紙質(zhì)填記，沒有有效的卡控措施，造成人工作業(yè)耗時(shí)耗力，效率低下?；谶@種現(xiàn)狀，有必要建設(shè)一套列檢作業(yè)安全管理系統(tǒng)，用技防手段輔助人防手段來實(shí)現(xiàn)盯控和監(jiān)督提醒，提高現(xiàn)場(chǎng)工作的管理水平和效率。為滿足高載鐵路列檢作業(yè)安全管理的高精度定位要求，選用我國自主設(shè)計(jì)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)人員及車輛的定位及軌跡追蹤，該系統(tǒng)面向民用市場(chǎng)開放，配合北斗地面增強(qiáng)站，可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)。

楊美皓等人針對(duì)鐵路作業(yè)人員安全問題，構(gòu)建了鐵路作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用北斗高精度定位技術(shù)、電子地圖、載波相位差分技術(shù)等實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的準(zhǔn)確定位，并能夠?qū)`規(guī)闖入或越過電子圍欄的人員給予預(yù)警，但是應(yīng)用局限性較大且成本較高。李煜等人針對(duì)鐵路控制中心無法實(shí)現(xiàn)作業(yè)車檢修的準(zhǔn)確定位監(jiān)控問題，構(gòu)建了高鐵作業(yè)車的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在．NET平臺(tái)上搭建，并利用MYSQL數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)具備作業(yè)信息的實(shí)時(shí)性采集與監(jiān)測(cè)功能，但該系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度較低。因此，設(shè)計(jì)基于北斗高精度定位的重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)，降低列檢作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)水平，提高高載鐵路的精確定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。

1重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)

1.1重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)總體框架

重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)的總體框架如圖1所示。

該平臺(tái)由五部分構(gòu)成，各層的詳細(xì)內(nèi)容如下：

（1）基礎(chǔ)層。該層由重載鐵路列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)攝像設(shè)備和定位終端設(shè)備、設(shè)施構(gòu)成，利用基于FP-GA的紅外視頻設(shè)備獲取重載鐵路列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員、車輛圖像信息；定位終端設(shè)備、設(shè)施，如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端、北斗地基增強(qiáng)站、對(duì)講與預(yù)警一體機(jī)、列檢手持機(jī)喇叭器、5T系統(tǒng)檢測(cè)傳感器等。

（2）傳輸層。該層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的端到端通信，主要包括鐵路無線專網(wǎng)、局域網(wǎng)網(wǎng)橋、移動(dòng)專用無線網(wǎng)等信息傳輸通道。

（3）支持層。該層可實(shí)現(xiàn)北斗地基增強(qiáng)／北斗定位[實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK）]、高精度電子地圖矢量化、5T故障預(yù)報(bào)服務(wù)、接人調(diào)度集中控制（CTC）數(shù)據(jù)服務(wù)、接人鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)（HMIS）數(shù)據(jù)、Web服務(wù)器、激光測(cè)距影像識(shí)別等功能，并可對(duì)重載鐵路列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合處理，為平臺(tái)應(yīng)用層提供有力數(shù)據(jù)支持。

（4）應(yīng)用層。該層可實(shí)現(xiàn)重載鐵路列檢安全作業(yè)管理，具體包括考勤排班、列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別、安全預(yù)警、設(shè)備巡檢交接管理、人員位置實(shí)時(shí)跟蹤、故障預(yù)報(bào)處理、電子地圖展示等職能。

（5）服務(wù)層。平臺(tái)管理、維護(hù)人員及車輛列檢管理部門的有關(guān)工作人員是該平臺(tái)的合法身份用戶，用戶可通過PC端和移動(dòng)客戶端訪問重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)。

1.2重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1紅外視頻圖像采集設(shè)備

由于重載鐵路列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像采集過程中會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、氣象條件各因素的干擾，外部光源具有強(qiáng)烈的變化，嚴(yán)重影響采集圖像的視覺效果。而紅外圖像對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度更強(qiáng)，在夜晚、惡劣天氣下也能采集到高質(zhì)量的視頻圖像，滿足重載鐵路列檢作業(yè)要求；同時(shí)，輔助紅外近光源不會(huì)影響列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作人員及車輛駕駛員的正常作業(yè)，因此，重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)的基礎(chǔ)層通過基于FPGA的紅外視頻圖像采集設(shè)備獲取列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，基于FPGA的紅外視頻圖像采集設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該設(shè)備上側(cè)為紅外視頻圖像采集的光學(xué)單元，內(nèi)置CCD面陣傳感器，通過該攝像頭可獲取到720×576分辨率的標(biāo)準(zhǔn)PAL列檢作業(yè)紅外視頻流，圖像視覺效果達(dá)到后期處理要求。其輔助紅外光源為36枚LED，由其發(fā)送紅外線投射于列檢現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員、作業(yè)車輛上，并通過CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)紅外視頻圖像的獲取。為降低其余光源對(duì)成像效果的干擾，將適應(yīng)CCD光譜特性的光學(xué)干涉濾光片加入光學(xué)單元中，并將其置于CCD攝像頭前，以此完成列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)紅外視頻圖像的采集，可使圖像灰度更加均勻，將環(huán)境等因素對(duì)成像效果的影響降至最低。FPGA芯片集紅外視頻的采集、控制、保存及成像功能于一體。通過光學(xué)單元獲取列檢作業(yè)紅外視頻信息流后，經(jīng)視頻解碼芯片的解碼處理，傳輸至XC2VP30型號(hào)的FPGA芯片中，首先對(duì)其進(jìn)行時(shí)序檢測(cè)，獲取視頻幀的時(shí)序數(shù)據(jù)，并完成時(shí)序定位的處理，再將其保存于芯片自身的存儲(chǔ)器中，通過視頻顯示器完成紅外圖像的展示。視頻幀數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過VGA接口與重載鐵路列檢安全作業(yè)管理平臺(tái)的監(jiān)控設(shè)備連接，完成列檢作業(yè)視頻的采集。

1.2.2北斗高精度定位終端設(shè)備

將北斗高精度定位終端設(shè)備運(yùn)行于嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，可有效提升設(shè)備的運(yùn)行速度，由于該系統(tǒng)具備卓越的內(nèi)核處理能力，可允許多條請(qǐng)求同時(shí)訪問，具有響應(yīng)效率高的特點(diǎn)，并且無響應(yīng)拖延問題，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。該定位終端設(shè)備選用高精度解算定位主板，并與北斗、GPS等多星系融合算法具有較高的兼容性，其內(nèi)配置高質(zhì)量螺旋天線，結(jié)合抗干擾技術(shù)有效提升設(shè)備的抗干擾能力。利用全星座北斗GNSS定位通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可滿足數(shù)據(jù)通信的瞬時(shí)性要求。采用NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并以TSIP格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

北斗高精度定位終端設(shè)備可與所有平臺(tái)的GNSS定位手持接收機(jī)進(jìn)行無縫連接，其定位準(zhǔn)確度可達(dá)到分米級(jí)別，與千尋位置服務(wù)建立關(guān)聯(lián)后，可有效提升其定位準(zhǔn)確度，達(dá)到厘米級(jí)別。北斗高精度定位技術(shù)對(duì)接千尋位置服務(wù)架構(gòu)如圖3所示。

1.3高精度電子地圖的矢量化處理技術(shù)

平臺(tái)支持層將獲取的高載鐵路的各類設(shè)備高精度電子地圖進(jìn)行矢量化處理，實(shí)現(xiàn)高載鐵路線路的劃分及標(biāo)注．其中線路標(biāo)注為帶狀，道岔用塊狀進(jìn)行記錄，并將高載鐵路公里標(biāo)信息標(biāo)注于相應(yīng)位置處。采用QGIS軟件實(shí)現(xiàn)高載鐵路高精度電子地圖的矢量化操作。矢量化處理過程如下：

第一步：調(diào)入高清影像地圖。

第二步：對(duì)WGS84坐標(biāo)軸進(jìn)行設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)高載鐵路線路坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換處理。

第三步：確定高載鐵路線路的起始、終點(diǎn)位置坐標(biāo)，在兩點(diǎn)之內(nèi)完成點(diǎn)線面圖層的規(guī)劃處理，并將公里標(biāo)標(biāo)記于高載鐵路線路中，為后續(xù)的列檢作業(yè)計(jì)劃的加載、電子圍欄的生成打下基礎(chǔ)。

第四步：為高載鐵路的各核心場(chǎng)所設(shè)置矢量化圖元，并作標(biāo)記。

第五步：實(shí)現(xiàn)高載鐵路高精度電子地圖展示。

1.4重載鐵路列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別

平臺(tái)應(yīng)用層的列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別模塊，采用Cstx小波融合技術(shù)對(duì)采集到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解析，獲取列檢作業(yè)圖像，經(jīng)降噪、增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)一系列處理后，基于Hausdorff距離的自動(dòng)識(shí)別列檢作業(yè)目標(biāo)，完成列檢作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.4.1基于Cstx小波融合的北斗衛(wèi)星信號(hào)解析

利用Cstx小波融合方法對(duì)北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解析處理，使列檢作業(yè)安全管理平臺(tái)的資源損耗量有效降低，提高列檢作業(yè)安全管理平臺(tái)的計(jì)算效率。北斗衛(wèi)星信號(hào)歸于圖像信號(hào)之列，對(duì)其進(jìn)行解析處理后，可得到R、G、B及Y通道圖層融合的彩色圖像。各通道圖像邊緣的灰度差存在差異性，導(dǎo)致信號(hào)解析效果無法控制。選擇灰度差大的通道，并視之為解析均值，可使信號(hào)解析率獲得一定程度的提升。

對(duì)于北斗衛(wèi)星信號(hào)，獲取其灰度差最高的信號(hào)源，利用Cstx小波融合實(shí)現(xiàn)其二維小波的解析分離，可通過式（1）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解析描述：

1.4.2基于Hausdorff距離的列檢作業(yè)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別

北斗衛(wèi)星信號(hào)解析處理后，采用Hausdorff距離方法對(duì)基于北斗衛(wèi)星定位的列檢作業(yè)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，目標(biāo)識(shí)別過程如下：

第一步：在北斗衛(wèi)星信號(hào)解析處理的基礎(chǔ)上，采用中值濾波法對(duì)列檢作業(yè)圖像進(jìn)行降噪處理，再通過直方圖均衡化處理增強(qiáng)圖像，提高列檢作業(yè)圖像質(zhì)量。

第二步：利用Canny邊緣檢測(cè)算法獲取列檢作業(yè)圖像邊緣信息，提取其邊緣位置信息之外，可實(shí)現(xiàn)邊緣像素點(diǎn)方向信息的確定。

第三步：通過形態(tài)學(xué)濾波算法確定列檢作業(yè)目標(biāo)輪廓，通過（A+B）@B處理使目標(biāo)邊緣線具有連續(xù)性，勾勒出完整的目標(biāo)輪廓。

第四步：對(duì)列檢作業(yè)邊緣圖像作Hausdorff距離轉(zhuǎn)換處理，確定其具有相同大小的距離映射圖，距離大小即為該圖中各像素點(diǎn)值，距離轉(zhuǎn)換的描述公式為：

第五步：采用粗匹配精定位方法實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)模板的自動(dòng)識(shí)別。對(duì)待匹配圖像內(nèi)模塊所在位置進(jìn)行粗略確定是粗匹配的方法，匹配過程為：實(shí)現(xiàn)圖像I及模板的分辨率的同步更新是列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別首要步驟，以使其處于低分辨率狀態(tài)，衡量二者間的相似度，基于局部最小值確定備選匹配點(diǎn)，數(shù)量為5～10個(gè)。再在各匹配位置周圍生成陣列，以獲得完整的匹配點(diǎn)，完成備選點(diǎn)的選取，陣列尺寸可為3×3或5×5。在備選點(diǎn)粗匹配的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)匹配位置的準(zhǔn)確確定，是精定位需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。根據(jù)閾值大小判斷兩點(diǎn)集是否匹配，當(dāng)匹配結(jié)果小于閾值時(shí)，則兩點(diǎn)集匹配；反之，則判斷二者無法匹配。

1.5高載鐵路列檢作業(yè)人員安全預(yù)警

應(yīng)用層的列檢作業(yè)安全預(yù)警模塊調(diào)用矢量化處理后的高載鐵路高精度電子地圖，并加載列檢作業(yè)日計(jì)劃后，即可實(shí)現(xiàn)電子圍欄區(qū)域的智能化獲取。通過列檢作業(yè)人員配備的北斗定位終端設(shè)備獲取其準(zhǔn)確位置信息，在利用北斗衛(wèi)星信號(hào)完成列檢作業(yè)目標(biāo)的自動(dòng)化識(shí)別的前提下，采用電子圍欄判斷列檢作業(yè)人員是否處于安全作業(yè)范圍之內(nèi)，為越過電子圍欄邊界的作業(yè)人員發(fā)送預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)其列檢作業(yè)安全的實(shí)時(shí)性管理。另外，在高精度電子地圖上．將安全提示信息載入對(duì)應(yīng)的高載鐵路重要場(chǎng)所位置坐標(biāo)處，列檢作業(yè)人員途經(jīng)對(duì)應(yīng)位置后，即可自動(dòng)向其北斗終端定位終端設(shè)備發(fā)送警示信息，起到列檢作業(yè)安全預(yù)控作用，保證列檢作業(yè)人員的人身安全，降低安全事故發(fā)生率。

2實(shí)驗(yàn)分析

將點(diǎn)岱溝列檢作業(yè)場(chǎng)作為研究對(duì)象，將本文平臺(tái)應(yīng)用于該作業(yè)場(chǎng)的列檢作業(yè)安全管理中，實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)人員的監(jiān)控、安全預(yù)警、定位等，分析本文平臺(tái)的實(shí)用性。

北斗衛(wèi)星信號(hào)的解析能力影響列檢作業(yè)目標(biāo)的識(shí)別效果，分析北斗衛(wèi)星信號(hào)利用率指標(biāo)，并與解析前的信號(hào)利用情況作對(duì)比，分析本文平臺(tái)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，采用Cstx小波融合對(duì)北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解析處理前，信號(hào)利用率呈大幅度波動(dòng)性變化，總體利用水平較低；經(jīng)小波融合處理后，有效提升了北斗衛(wèi)星信號(hào)的利用率，利用率接近100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺(tái)具有突出的北斗衛(wèi)星信號(hào)解析性能。

獲取解析后的高載鐵路列檢作業(yè)圖像，建立列檢作業(yè)數(shù)據(jù)集。在數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇一張圖像，如圖5所示，通過分析列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別結(jié)果，驗(yàn)證本文平臺(tái)的監(jiān)控性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知，所采集的原始列檢作業(yè)圖像含有一定量的噪聲，圖像對(duì)比度低，存在細(xì)節(jié)損失，會(huì)直接影響圖像目標(biāo)的識(shí)別效果，因此，對(duì)其進(jìn)行去噪及直方圖處理。由圖6（a）得出，經(jīng)處理，列檢作業(yè)圖像噪聲有效去除，圖像質(zhì)量有所提升，圖像細(xì)節(jié)信息得以恢復(fù)，其對(duì)比度、清晰度得到明顯改善，提升圖像的視覺效果；由圖6（b）的邊緣提取結(jié)果可知，圖像邊緣輪廓清晰，輪廓線連續(xù)，能夠完整勾勒出圖像邊緣，表明本文平臺(tái)具有較強(qiáng)的邊緣檢測(cè)能力；由圖6（c）得出，本文平臺(tái)可識(shí)別列檢作業(yè)目標(biāo)，并用紅色線條進(jìn)行標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺(tái)具有列檢作業(yè)目標(biāo)識(shí)別能力，可完成對(duì)列檢作業(yè)的監(jiān)控。

根據(jù)高載鐵路高精度電子地圖及列檢作業(yè)的日任務(wù)計(jì)劃完成對(duì)電子圍欄區(qū)域的確定，是實(shí)現(xiàn)本文平臺(tái)列檢作業(yè)安全預(yù)警的必要條件。采用本文平臺(tái)對(duì)列檢作業(yè)進(jìn)行安全預(yù)警，通過分析本文平臺(tái)的預(yù)警結(jié)果，驗(yàn)證本文方法的預(yù)警能力，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

分析圖7可知，圖中黑色陰影即為確定的電子圍欄范圍，視該范圍為安全作業(yè)區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)作業(yè)方可確保列檢作業(yè)的安全性。當(dāng)列檢作業(yè)人員越過電子圍欄邊界或處于邊界時(shí)，本文平臺(tái)將向列檢作業(yè)人員攜帶的對(duì)講與預(yù)警一體機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。如圖8所示的安全預(yù)警結(jié)果中包含北斗定位終端設(shè)備編號(hào)及列檢作業(yè)位置、時(shí)間等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺(tái)可完成電子圍欄的獲取，并具有列檢作業(yè)安全預(yù)警功能，確保列檢作業(yè)的安全性。

將北斗高精度定位技術(shù)應(yīng)用于列檢作業(yè)管理中，通過定位結(jié)果分析本文平臺(tái)的定位能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

分析圖9可知，應(yīng)用北斗高精度定位技術(shù)對(duì)高載鐵路列檢作業(yè)進(jìn)行定位管理后，可實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，用紅色方框進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)，可完成對(duì)作業(yè)目標(biāo)軌跡的跟蹤，其運(yùn)動(dòng)軌跡用虛線標(biāo)注。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)目標(biāo)的定位、軌跡跟蹤功能。

3結(jié)論

將本文平臺(tái)應(yīng)用于點(diǎn)岱溝列檢作業(yè)場(chǎng)中，對(duì)其進(jìn)行列檢作業(yè)安全管理，分別從列檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別、定位及安全預(yù)警方面分析本文平臺(tái)的應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）可實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)圖像的處理，并識(shí)別出列檢作業(yè)目標(biāo)。

（2）可獲取電子圍欄，并對(duì)跨越其邊界的作業(yè)人員進(jìn)行安全預(yù)警。

（3）可實(shí)現(xiàn)列檢作業(yè)人員的準(zhǔn)確定位及軌跡追蹤。