線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

楊明 金強(qiáng) 湯亞鴿

摘? 要：針對鐵路系統(tǒng)近年來頻發(fā)的因線路障礙而引發(fā)行車事故的情況，提出了采用激光雷達(dá)、振動感應(yīng)、聲波監(jiān)測、視頻監(jiān)控等多種方式結(jié)合實現(xiàn)對鐵路線路障礙自動監(jiān)測報警的方法，應(yīng)用于鐵路線路的落石監(jiān)測報警。首先進(jìn)行了整體方案設(shè)計;然后設(shè)計了硬件電路、智能過濾算法和視頻圖像分析識別算法;最后進(jìn)行了系統(tǒng)整體調(diào)試?，F(xiàn)場實測和實驗表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了障礙物入侵鐵路線路后自動監(jiān)測報警。

關(guān)鍵詞：鐵路線路障礙;激光雷達(dá);自動監(jiān)測報警

中圖分類號：U298? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0159-02

Abstract： In view of the frequent traffic accidents caused by line obstacles in the railway system in recent years， this paper puts forward a method to realize the automatic monitoring and alarm of railway line obstacles by means of LiDAR， vibration induction， acoustic wave monitoring， video monitoring and so on， which is applied to the rockfall monitoring and alarm of railway lines. First of all， the overall scheme is designed; then the hardware circuit， intelligent filtering algorithm and video image analysis and recognition algorithm are designed; finally， the whole system is debugged. The field measurement and experiment show that the system realizes the automatic monitoring and alarm after the obstacle invades the railway line.

Keywords： railway line obstacle; LiDAR; automatic monitoring alarm

1 概述

為了滿足鐵路運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，鐵路線網(wǎng)建設(shè)的安全性，對線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究刻不容緩。本文提出了采用激光雷達(dá)傳感器、振動傳感器、攝像機(jī)構(gòu)建系統(tǒng)的方法，通過激光雷達(dá)傳感器對鐵路鋼軌水平面的障礙進(jìn)行檢測，對障礙的大小、位置進(jìn)行判斷從而對線路安全報警提示;設(shè)計了激光雷達(dá)控制電路、雷達(dá)波處理電路和電機(jī)驅(qū)動電路，實現(xiàn)了激光雷達(dá)掃描設(shè)備的全向運(yùn)動、精確定位和智能過濾。

2 總體方案設(shè)計

鐵路線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)由激光雷達(dá)傳感器、視頻監(jiān)控、振動傳感器、聲波監(jiān)測傳感器、動物驅(qū)趕裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、中心設(shè)備組成。數(shù)據(jù)處理裝置負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備信息匯總、控制、報警產(chǎn)生以及對后臺提供數(shù)據(jù)服務(wù)，包括對攝像機(jī)、報警設(shè)備的控制。

2.1 線路落石監(jiān)測設(shè)計方案

激光雷達(dá)傳感器高頻度地向監(jiān)測區(qū)域發(fā)射紅外激光，并同步采集目標(biāo)反射的激光圖像，通過三角測量方法獲取目標(biāo)的二維截面外形信息和距離信息。通過對激光特征圖像進(jìn)行分析并提取目標(biāo)特征，實現(xiàn)對目標(biāo)完整的運(yùn)行軌跡的跟蹤，并進(jìn)一步對目標(biāo)的速度、幾何外形等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，從而確定目標(biāo)的類型和位置信息，根據(jù)不同的應(yīng)用場合所設(shè)定的報警檢測邏輯做出是否報警的判定。

激光雷達(dá)設(shè)備安裝于鐵路一側(cè)，水平高度高于鐵路鋼軌平面70mm。

2.2 視頻聯(lián)動設(shè)計方案

當(dāng)掃描到線路障礙物并產(chǎn)生報警后，觸發(fā)現(xiàn)場攝像機(jī)進(jìn)行視頻聯(lián)動，啟動視頻監(jiān)控抓拍，視頻圖像采用無線方式傳輸?shù)街行?。管理人員也可以通過云臺控制攝像機(jī)到指定位置查看現(xiàn)場某處的細(xì)節(jié)畫面，及時掌握現(xiàn)場情況。借助視頻監(jiān)控不僅可以對報警信息進(jìn)行直觀確認(rèn)，還可根據(jù)現(xiàn)場狀況第一時間組織維護(hù)搶險，切實保證鐵路行車安全。視頻監(jiān)控保存的視頻圖像可以作為線路維護(hù)資料的重要組成部分，將為日后的維護(hù)維修提供影像依據(jù)。

2.3 振動監(jiān)測設(shè)計方案

采用振動傳感器對監(jiān)測區(qū)域的振動進(jìn)行監(jiān)測，以便對落石、崩塌等災(zāi)害發(fā)生情況等振動信號進(jìn)行進(jìn)一步的分析判斷，用于過濾無效干擾信號，增強(qiáng)系統(tǒng)報警準(zhǔn)確率，降低誤報警。根據(jù)實際的現(xiàn)場測試情況，振動傳感器能夠先對列車經(jīng)過及障礙物掉落進(jìn)行識別，之后由雷達(dá)傳感器和音頻傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)特征采集信息，進(jìn)行更精確的識別，使系統(tǒng)可以更為精準(zhǔn)的判斷障礙物是否影響列車安全運(yùn)行。

2.4 聲波監(jiān)測設(shè)計方案

當(dāng)發(fā)生落石、滑坡、崩塌造成障礙物阻塞線路，危及行車安全時，可通過次聲波監(jiān)測裝置進(jìn)行監(jiān)測分析，因為落石和崩塌等有特點(diǎn)的聲波信號，可以作為現(xiàn)場掃描監(jiān)測的輔助確認(rèn)手段，保證系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)采用音頻采集器將采集到的音頻信號進(jìn)行頻譜分析，通過對不同頻段的信號進(jìn)行分析，確定列車經(jīng)過及障礙物掉落所產(chǎn)生的聲音信號所在頻段進(jìn)行判斷分析，可以有效判斷出是否為列車經(jīng)過，結(jié)合雷達(dá)傳感器和振動傳感器數(shù)據(jù)確定障礙物性質(zhì)。

2.5 動物驅(qū)趕設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)置動物驅(qū)趕裝置，在運(yùn)行過程中發(fā)出超聲波刺激動物的神經(jīng)系統(tǒng)，從而在一定范圍內(nèi)驅(qū)趕誤入的動物，避免動物靠近防御區(qū)域，以避免因動物造成的監(jiān)測誤報情況，保證系統(tǒng)報警準(zhǔn)確可靠。驅(qū)趕器工作在超聲波頻段，不會對列車駕駛員及其他相關(guān)人員造成影響。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)硬件包括激光雷達(dá)傳感器、振動傳感器、聲波監(jiān)測傳感器、動物驅(qū)趕裝置、視頻監(jiān)控攝像機(jī)、數(shù)據(jù)處理裝置、中心設(shè)備組成。

激光雷達(dá)傳感器，最大掃描角度能夠達(dá)到270°、角度分辨率為0.25/0.5°、掃描頻率為25/50Hz、響應(yīng)時間為10～40ms，測量精度為±20mm、光斑大小為11.9 mrad（11.9mm/m）、激光波長為紅外（905nm），激光等級為1級（人眼安全）。

振動傳感器采用高精度三軸振動傳感器，可選量程±2g/±4g/±8g，最高采樣精度（1/1024）g。通過大量現(xiàn)場實際采集數(shù)據(jù)分析，將傳感器量程配置為±2g。

音頻傳感器采用進(jìn)口部件，具有高靈敏度、高帶寬、低噪音的特點(diǎn)，頻率響應(yīng)20Hz-20KHz。傳感器內(nèi)置防雷擊、防電源反接功能，外殼采用一體化金屬外殼，防水、防潮、防塵性能好，符合IP65標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)處理裝置處理各種探測傳感器的信息，配置為嵌入式工業(yè)級工控機(jī)，采用Intel i7處理器、8G內(nèi)存、1T工業(yè)級固態(tài)硬盤，運(yùn)行環(huán)境為-40℃～55℃。通過綜合比較分析，得出報警結(jié)果，一方面直接輸出給現(xiàn)場報警燈、列調(diào)電臺等通知現(xiàn)場人員進(jìn)行險源查看和避讓;另一方面通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)送到中心設(shè)備，中心設(shè)備在終端顯示報警信息，并以手機(jī)短信方式通知相關(guān)管理人員。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

服務(wù)器軟件編程環(huán)境為visual studio2017，采用C#開發(fā)語言，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 11g。

數(shù)據(jù)處理主機(jī)編程軟件選擇visual studio2017，采用C++開發(fā)語言，用基于物體識別、目標(biāo)追蹤的算法，能夠?qū)φ系K物的尺寸、運(yùn)動軌跡、停留時間等信息進(jìn)行計算、分析、判斷等。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的線路障礙自動監(jiān)測報警系統(tǒng)實現(xiàn)了對鐵路線路異物侵入監(jiān)測和報警等功能，通過測試和實驗，結(jié)果表明達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，該產(chǎn)品具有很好的應(yīng)用前景和推廣價值。

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