軌道交通非接觸式障礙物檢測(cè)技術(shù)及前景方向探討

摘 要：本文介紹了軌道交通非接觸式障礙物檢測(cè)技術(shù)及前景方向。通過使用先進(jìn)的技術(shù)手段，可以及時(shí)檢測(cè)到軌道上的障礙物，避免事故的發(fā)生，保障乘客的安全出行。非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)主要基于視頻識(shí)別和雷達(dá)多傳感器信息融合技術(shù)，具有連續(xù)探測(cè)識(shí)別前方一定距離內(nèi)障礙物的能力。不同的傳感器技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇、優(yōu)化和結(jié)合。新型的傳感器和技術(shù)也將不斷出現(xiàn)，為軌道交通的安全性和效率提供更加可靠的支持。

關(guān)鍵詞：軌道交通；障礙物檢測(cè)；非接觸式障礙物檢測(cè)

引言

隨著城市交通向智能化、環(huán)?；l(fā)展，軌道交通作為一種高效、便捷的交通方式，逐漸成為城市交通的重要組成部分。同時(shí)，由于軌道交通的特殊性質(zhì)，其運(yùn)行安全和順暢性與廣大乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)秩序的穩(wěn)定密切相關(guān)。在這種情況下，障礙物檢測(cè)技術(shù)成為保障軌道交通安全和順暢運(yùn)行的重要手段。軌道交通的發(fā)展帶來了更高的時(shí)速和更繁忙的運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也增加了軌道上的風(fēng)險(xiǎn)。障礙物檢測(cè)技術(shù)的重要性日益凸顯，通過使用先進(jìn)的技術(shù)手段，可以及時(shí)檢測(cè)到軌道上的障礙物，避免事故的發(fā)生，保障乘客的安全出行。

目前，障礙物檢測(cè)手段在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域中較為成熟，在復(fù)雜的路況中，障礙物被歸類為“正障礙物”和“負(fù)障礙物”兩類。其中從地面“向上”出現(xiàn)的物體被視為正障礙物，反之在路面“向下”出現(xiàn)的深坑甚至懸崖則被視為負(fù)障礙物，負(fù)障礙物的檢測(cè)比正障礙物要更加困難。

而在軌道交通中，由于軌道的作用，車輛的行駛條件相較于汽車更為簡(jiǎn)單，更多的精力應(yīng)當(dāng)被施加于對(duì)正障礙物的檢測(cè)中，例如前方的非通信列車、誤入軌道的人或動(dòng)物、現(xiàn)場(chǎng)遺留的施工工具或者行李箱等，根據(jù)探測(cè)方式不同而分為接觸式和非接觸式兩種。

接觸式障礙物檢測(cè)采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬線通信結(jié)合的方式，故障率極低，其主要檢測(cè)裝置是一根安裝在轉(zhuǎn)向架前端的輕質(zhì)鋁合金探測(cè)橫梁，通過與軌道上的障礙物物理接觸后，吸能變形觸發(fā)干接點(diǎn)信號(hào)[1]。但這種檢測(cè)方式受軌道條件及探測(cè)橫梁距離的限制，檢測(cè)距離過短，逐漸不適于平均設(shè)計(jì)速度高的軌道交通，因此非接觸式障礙物檢測(cè)應(yīng)運(yùn)而生。

一、非接觸式障礙物檢測(cè)傳感器

非接觸式障礙物檢測(cè)主要依賴于各種車載或軌旁的傳感器，對(duì)車輛行駛前方范圍（車載傳感器）或者固定軌行區(qū)內(nèi)（軌旁傳感器）的障礙物進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，不同的傳感器有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

（一）計(jì)算機(jī)立體視覺

計(jì)算機(jī)立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺中最活躍的研究領(lǐng)域之一。立體視覺測(cè)量方法具有效率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)立體視覺始于20世紀(jì)70年代初。具有雙目視覺技術(shù)的計(jì)算機(jī)立體視覺與自動(dòng)駕駛汽車或移動(dòng)機(jī)器人一起用于收集數(shù)據(jù)和檢測(cè)障礙物。在車載傳感器方面，兩臺(tái)性能相同但相隔一段距離的相機(jī)拍攝同一個(gè)圖像，計(jì)算機(jī)將兩個(gè)圖像疊加在一起進(jìn)行比較，以找到匹配的部分。偏移的量稱為視差，通過特征點(diǎn)的視差，以及已知的鏡頭間距、焦距等參數(shù)，就可以利用計(jì)算機(jī)算法得出特征點(diǎn)與鏡頭的距離。

而在實(shí)際場(chǎng)景中，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，例如直接制作雙目攝像機(jī)以降低間距的人為測(cè)量誤差，增加攝像頭以提高冗余性能，對(duì)采集到的RGB圖像進(jìn)行預(yù)處理及灰度轉(zhuǎn)換以降低干擾與計(jì)算量，通過優(yōu)化算法提高算力，通過計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)增加對(duì)特定的模型的靈敏度等。王維等研究了一套基于視頻圖像識(shí)別技術(shù)的列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)，其傳感器采用的是2臺(tái)獨(dú)立且相同的高清攝像機(jī)，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車前方障礙物的檢測(cè)[2]。高暉設(shè)計(jì)了一套基于紅外圖像和可見光圖像匹配并進(jìn)行算法篩選，從而檢測(cè)軌道交通障礙物的系統(tǒng)[3]。

計(jì)算機(jī)立體視覺在軌旁傳感器領(lǐng)域也有很多的應(yīng)用。由于軌道的存在，軌道交通車輛的行駛條件較為簡(jiǎn)單，背景較為固定，因此可以利用在相同的位置連續(xù)拍攝的圖片進(jìn)行對(duì)比，利用計(jì)算機(jī)識(shí)別其中的差異，判斷障礙物入侵的情況。例如王先選等提出了一種基于機(jī)器視覺理論和仿射幾何原理的異物入侵軌道交通線路檢測(cè)方法，可有效地識(shí)別列車軌道區(qū)域，發(fā)現(xiàn)入侵的障礙物[4]。

（二）雷達(dá)傳感器

在眾多的檢測(cè)技術(shù)中，雷達(dá)傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為軌道交通障礙物探測(cè)的重要手段。雷達(dá)傳感器通過發(fā)射電磁波并接收反射回來的信號(hào)，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到軌道上的障礙物，如石頭、鐵塊、動(dòng)物等。雷達(dá)傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到障礙物，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，為快速排除障礙物提供依據(jù)，確保軌道交通的安全和順暢運(yùn)行。因此，可以說雷達(dá)傳感器在軌道交通障礙物探測(cè)中發(fā)揮著不可或缺的作用，成為行業(yè)中的重要技術(shù)手段。其中，毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)是兩種主要的類型。

表1是不同類型雷達(dá)的特性對(duì)比：

表1? ?不同類型雷達(dá)的特性對(duì)比

1.毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)傳感器是21世紀(jì)障礙物檢測(cè)的熱門研究領(lǐng)域。毫米波雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于車輛防撞系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代，隨著雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，76GHz毫米波雷達(dá)帶來了傳感器革命。與早期的低頻率毫米波雷達(dá)相比，這些雷達(dá)的工作頻率更高，體積更小。頻率越高，目標(biāo)的分辨率就越高，從而克服了大多數(shù)錯(cuò)誤信息的問題。

與其他微波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)由于其短波長(zhǎng)和高分辨率而成為更好的選擇。與其他類型的雷達(dá)（超聲波雷達(dá)、紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)）相比，毫米波雷達(dá)具有穩(wěn)定的探測(cè)性能，不受探測(cè)物體的形狀和顏色的影響。此外，它具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。它的探測(cè)精度不易受到雨雪、霧天等惡劣天氣的影響。噪聲和環(huán)境變化也不易影響其性能。

毫米波雷達(dá)探測(cè)一般有兩種基本方法：脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。脈沖雷達(dá)探測(cè)原理很簡(jiǎn)單，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出一定頻率的脈沖電磁波并探測(cè)回波，以發(fā)出及接收到雷達(dá)波的時(shí)間差來判斷障礙物距離，這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用困難。在脈沖測(cè)距中，雷達(dá)應(yīng)在有限的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射大功率脈沖信號(hào)，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴。此外，回波具有60dB至100dB的衰減。在分析回波信號(hào)之前，需要在發(fā)送信號(hào)和回波信號(hào)之間進(jìn)行嚴(yán)格隔離。這個(gè)問題可能會(huì)增加雷達(dá)設(shè)施的成本。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)則會(huì)發(fā)射連續(xù)的調(diào)頻信號(hào)，雷達(dá)的混頻器收集回波并將其與發(fā)射信號(hào)混合。混頻器后的波形用于計(jì)算障礙物的距離和相對(duì)速度。景亮等開發(fā)了一種結(jié)合毫米波雷達(dá)和計(jì)算機(jī)視覺的軌道交通障礙物自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，證明了此系統(tǒng)的可靠性。

2.激光雷達(dá)

激光雷達(dá)在軌道交通障礙物探測(cè)的歷史可以追溯到20世紀(jì)90年代。當(dāng)時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)開始在鐵路領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，激光雷達(dá)逐漸成為軌道交通障礙物探測(cè)的主要技術(shù)手段之一。相較于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)的測(cè)量精度更高，能夠檢測(cè)到更小的障礙物，其有著更加精確的3D感知能力，可以更好地對(duì)障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)建模。激光雷達(dá)的原理類似于脈沖型毫米波雷達(dá)，基于回波時(shí)間差來判斷障礙物距離，數(shù)據(jù)量豐富，但是相應(yīng)的計(jì)算量也會(huì)增大。激光雷達(dá)可以利用SLAM技術(shù)同步定位和建圖，對(duì)軌行區(qū)的障礙物進(jìn)行建模處理。

在軌旁傳感器領(lǐng)域，相較于計(jì)算機(jī)立體視覺，雷達(dá)傳感器在光照不足、雨霧環(huán)境下更加穩(wěn)定，可以利用多條雷達(dá)波向軌行區(qū)實(shí)時(shí)掃描并利用算法三維立體成像，例如同濟(jì)大學(xué)沈拓等提出了一種基于激光雷達(dá)的區(qū)間障礙物檢測(cè)算法，實(shí)驗(yàn)表明其具有良好的檢測(cè)性能。

二、非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展及前景

當(dāng)前，軌道交通的非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)主要基于視頻識(shí)別和雷達(dá)多傳感器信息融合技術(shù)，如圖1所示，具有連續(xù)探測(cè)識(shí)別前方一定距離內(nèi)障礙物的能力。它能及時(shí)檢測(cè)到軌行區(qū)異物的侵入并觸發(fā)報(bào)警和制動(dòng)，同時(shí)通過通信接口，將在車輛和調(diào)度中心工作站上顯示的相關(guān)障礙物信息，供相關(guān)工作人員確認(rèn)。調(diào)度中心可以隨時(shí)調(diào)用實(shí)時(shí)的視頻畫面，并在檢測(cè)到障礙物時(shí)主動(dòng)推送相關(guān)信息和視頻畫面。此系統(tǒng)由運(yùn)算主機(jī)、雷達(dá)設(shè)備、高清攝像機(jī)以及接口設(shè)備等組成。

圖1? ?車載障礙物檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

目前的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)包括障礙物探測(cè)、障礙物報(bào)警、實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控等多種功能，但如果要達(dá)到其障礙物探測(cè)能力完全優(yōu)于人眼識(shí)別能力及安全距離，運(yùn)用在GOA4級(jí)別的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)列車上，將該系統(tǒng)與車輛制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合，則有以下幾點(diǎn)需要發(fā)展完善：

第一，隨著軌道交通列車時(shí)速的提高，緊急制動(dòng)距離增加，對(duì)障礙物檢測(cè)距離的要求進(jìn)一步提升，因?yàn)樾枰懈泳莒`敏的傳感器設(shè)備和更完善的算法。

第二，如果將障礙物檢測(cè)系統(tǒng)接入車輛的制動(dòng)系統(tǒng)，則對(duì)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)率有著較高的要求，如果障礙物檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)率高，則會(huì)導(dǎo)致車輛頻繁緊急制動(dòng)，影響乘客的出行體驗(yàn)。在優(yōu)化障礙物檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，還可以考慮融合多種傳感器，增加冗余檢測(cè)器的方法，利用三取二等冗余措施提高準(zhǔn)確性。

第三，在某些關(guān)鍵軌行區(qū)增設(shè)軌旁檢測(cè)系統(tǒng)。相對(duì)于車載檢測(cè)，軌旁檢測(cè)的算法更簡(jiǎn)單，且有提前預(yù)測(cè)性，能夠在車輛距離障礙物很遠(yuǎn)時(shí)就發(fā)現(xiàn)入侵的障礙物。然而考慮到成本問題，目前無法做到全線防護(hù)，但是可以在關(guān)鍵的軌行區(qū)增加軌旁檢測(cè)系統(tǒng)，例如彎道處等車載傳感器檢測(cè)不到的區(qū)域、地鐵從地下轉(zhuǎn)換到地面的光線強(qiáng)弱變化處、輕軌的某些開放區(qū)域等。

結(jié)束語

隨著軌道交通發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的市場(chǎng)占比增高，軌道交通對(duì)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的需求進(jìn)一步提高，既有的接觸式傳感器系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足要求。本文介紹了目前常用的幾種非接觸式障礙物檢測(cè)傳感器及其在車載和軌旁方面的應(yīng)用，并對(duì)非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)前景方向進(jìn)行了探討?？偟膩碚f，非接觸式障礙物檢測(cè)技術(shù)為軌道交通的安全運(yùn)行提供了重要保障。不同的傳感器技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇、優(yōu)化和結(jié)合。隨著科技的發(fā)展，新型的傳感器和技術(shù)也將不斷出現(xiàn)，為軌道交通的安全性和效率提供更加可靠的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]張帆，張從旺.基于無人駕駛平臺(tái)的主被動(dòng)障礙物檢測(cè)分析對(duì)比 [J].鐵道車輛，2021，9（04）：1-8.

[2]高暉.基于紅外圖像與SURF算法的軌道交通障礙物識(shí)別技術(shù)研究[J].信息系統(tǒng)工程， 2023（01）：80-82.

[3]景亮，趙程，燕玲，等.基于毫米波雷達(dá)的城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)與探索[J].智能城市， 2021， 7（16）：4.

[4]沈拓，錢沿佐，謝蘭欣，等.考慮反射強(qiáng)度的全自動(dòng)運(yùn)行列車障礙物檢測(cè)算法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2022， 50（01）：7.

作者簡(jiǎn)介：霍然（1992.12－），男，漢族，山西沁縣人，碩士，工程師，研究方向：交通工程。