樓向東，姜憲憲，陳德偉，祝石林，孟祥忠

(1.兗礦能源股份有限公司鐵路運(yùn)輸處，山東 鄒城273500；2.青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島266100)

0 引言

我國(guó)大部分的礦區(qū)鐵路有人看守平交道口由值班人員瞭望來(lái)確定道口兩側(cè)的車(chē)況，在大霧等惡劣天氣中，能見(jiàn)度較低，容易瞭望判斷不及時(shí)引發(fā)安全事故，隨著科技的發(fā)展，我國(guó)提出了“智能制造”的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，集物聯(lián)網(wǎng)、目標(biāo)檢測(cè)[1]、智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控為一體的智能安防機(jī)器人[2]應(yīng)用到礦區(qū)鐵路無(wú)人值守道口。在鐵路運(yùn)輸中，道口是安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，是鐵路運(yùn)輸?shù)母呶５囟?，道口安全直接威脅到過(guò)往群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。采取更加有效技術(shù)的措施，保證礦區(qū)鐵路無(wú)人看守道口運(yùn)輸安全已迫在眉睫。本文研發(fā)的無(wú)人看守道口智能安防機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人道口虛擬有人監(jiān)護(hù)，通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)道口兩側(cè)路況進(jìn)行監(jiān)控；機(jī)器人本體裝有多路傳感器[3]，能實(shí)時(shí)反應(yīng)機(jī)器人的工作狀況。同時(shí)開(kāi)發(fā)了監(jiān)控中心管理平臺(tái)，可對(duì)無(wú)人道口智能安防機(jī)器人進(jìn)行管理和監(jiān)控。

1 智能安防機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

無(wú)人道口智能安防機(jī)器人道口機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，分為四部分，第一部分為供電部分，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電[4]給機(jī)器人供電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能板接至風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制器轉(zhuǎn)化成DC72 V，后接至蓄電池組與隔離電源，隔離電源將DC72 V轉(zhuǎn)化為DC12 V，DC12 V用于給通信控制板、控制主板供電。第二部分為通信控制部分，采集多路傳感器數(shù)據(jù)，通信控制板外接有溫度傳感器、門(mén)磁傳感器、振動(dòng)傳感器、煙霧傳感器、蓄電池傳感器與聲光報(bào)警器。該通信主板通過(guò)RS485通信線與控制主板相連。第三部分為主控制部分，控制主板外接兩路智能識(shí)別攝像機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋、4G模塊、GPS/北斗模塊。實(shí)現(xiàn)道口智能識(shí)別攝像機(jī)視頻圖像的采集、處理、記錄。第四部分為智能識(shí)別攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道口行人、車(chē)輛的監(jiān)測(cè)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)人道口智能安防機(jī)器人的工作原理

無(wú)人道口智能安防機(jī)器人通過(guò)智能識(shí)別攝像機(jī)[5]對(duì)跨越鐵路道口的人員及車(chē)輛進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，視頻圖像通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋傳輸?shù)綑C(jī)車(chē)車(chē)載終端，當(dāng)檢測(cè)到有行人或車(chē)輛通過(guò)且有機(jī)車(chē)接近道口時(shí)，控制主板控制連接聲光報(bào)警器的繼電器吸合，打開(kāi)聲光報(bào)警器。控制主板與數(shù)據(jù)采集與通信主板，讀取監(jiān)測(cè)到的道口風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(包括蓄電池)和榙桿上的監(jiān)控箱及電池箱等設(shè)備本體受到偷盜、破壞等襲擾信號(hào),通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守道口智能安防機(jī)器人與平臺(tái)之間的信息互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道口設(shè)備的管理。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程圖

3 無(wú)人道口智能安防機(jī)器人的系統(tǒng)組成

無(wú)人值守道口智能安防機(jī)器人系統(tǒng)包括目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)道口兩側(cè)的行人或車(chē)輛；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)機(jī)器人本體重要設(shè)備的工作狀況；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制機(jī)器人動(dòng)作；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)責(zé)給機(jī)器人供電。

3.1 目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)

目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)主要由智能識(shí)別攝像機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)視頻智能分析、道口人車(chē)識(shí)別、視頻回放以及實(shí)時(shí)抓拍功能。智能識(shí)別攝像機(jī)內(nèi)置YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)算法[6]，通過(guò)大量真實(shí)的場(chǎng)景樣本訓(xùn)練后，能夠在各種應(yīng)用場(chǎng)景下及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)場(chǎng)景中發(fā)生的物體入侵行為發(fā)出告警信息。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)視頻圖像進(jìn)行智能分析識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)圖像全屏周界防護(hù)、劃定區(qū)域周界防護(hù)等功能。以YOLOv5s為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括四部分：輸入端、骨干網(wǎng)絡(luò)、Neck網(wǎng)絡(luò)、Head輸出層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

訓(xùn)練模型過(guò)程中首先輸入端對(duì)輸入圖像進(jìn)行Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)、自適應(yīng)錨框計(jì)算、自適應(yīng)圖片縮放等一系列操作增加訓(xùn)練集提高網(wǎng)絡(luò)的推理速度。處理后圖片送入骨干網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)絡(luò)由Focus結(jié)構(gòu)與CSP結(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)ocus模塊用于對(duì)輸入圖像的切割；CSP結(jié)構(gòu)有兩種，在主干網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用CSP1_X結(jié)構(gòu)，在Neck網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用CSP2_X結(jié)構(gòu)。Neck網(wǎng)絡(luò)由FPN+PAN結(jié)構(gòu)組成，特征圖金字塔網(wǎng)絡(luò)主要用于解決目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的目標(biāo)多尺度問(wèn)題，在基本保持原有計(jì)算量的同時(shí)大幅提高了對(duì)小物體檢測(cè)能力；PAN用于實(shí)例分割，將檢測(cè)輸入圖像中的目標(biāo)。Head輸出層由邊界框(Bounding box)損失函數(shù)和非極大值抑制(NMS)兩部分組成，YOLOv5中采用GIoU_Loss為Bounding box的損失函數(shù)，通過(guò)增加交尺度衡量的方式解決邊界框不相交的問(wèn)題。GloU_Loss公式如下：

(1)

(2)

其中：C為包含預(yù)測(cè)框A和真實(shí)框B的包圍框大??；IoU表示預(yù)測(cè)框的重疊區(qū)域。在NMS中采用DIoU_nms替代普通IoU。

目標(biāo)檢測(cè)的預(yù)測(cè)階段可能出現(xiàn)很多目標(biāo)框，非極大值抑制作用是對(duì)目標(biāo)框進(jìn)行最優(yōu)化篩選，剔除冗余目標(biāo)框，在YOLOv5中采用加權(quán)NMS來(lái)進(jìn)行。

(3)

其中：b和bgt分別表示預(yù)測(cè)框與真實(shí)框的中心點(diǎn)；ρ表示歐氏距離；c是包圍預(yù)測(cè)框與真實(shí)框的最小框的對(duì)角線長(zhǎng)度。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為確保無(wú)人看守道口智能機(jī)器人能夠安全可靠地運(yùn)行，需設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人重要設(shè)備工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為機(jī)器人箱體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與通信系統(tǒng)、蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2.1 機(jī)器人箱體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與通信系統(tǒng)

機(jī)器人箱體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與通信系統(tǒng)由基于STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與通信主機(jī)板、煙霧傳感器、紅外傳感器、振動(dòng)傳感器、門(mén)磁傳感器組成，用于獲取機(jī)器人作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備管理人員提供設(shè)備狀態(tài)信息，防止設(shè)備由于惡意破壞或者環(huán)境問(wèn)題引起的設(shè)備損壞.其中煙霧傳感器用于檢測(cè)柜外是否有火災(zāi)引起的煙霧，溫度傳感器用于檢測(cè)柜內(nèi)溫度是否異常，門(mén)磁傳感器用于檢測(cè)是否存在非法開(kāi)啟柜門(mén)的情況，振動(dòng)傳感器用于檢測(cè)柜體是否收到巨大的撞擊破壞。

3.2.2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由蓄電池參數(shù)傳感器、總電流測(cè)量裝置、485通信轉(zhuǎn)換裝置和通信主板組成，蓄電池傳感器采集蓄電池的單體內(nèi)阻、電壓、溫度，配備2個(gè)RJ11通信接口，可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)通信；總電流測(cè)量裝置負(fù)責(zé)測(cè)量電池組的總電流；485通信轉(zhuǎn)換裝置負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換，自帶2個(gè)RJ11通信接口，支持485接口級(jí)聯(lián)通信，主要用于485通訊與SBUS通訊之間的轉(zhuǎn)化，可將采集的蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻、均衡充電狀態(tài)等參數(shù)[7]，通過(guò)RS485接口方式，把蓄電池狀態(tài)參數(shù)上傳到控制主板。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要設(shè)備是基于華為海思嵌入式LR-TR1003NA主板，具有支持光纖、秒級(jí)響應(yīng)以及支持語(yǔ)音、視頻等交互模式的特性。采用CPU+NPU的結(jié)構(gòu)，算力達(dá)到1.2TP，外接兩路AI識(shí)別攝像機(jī)和一路無(wú)線網(wǎng)橋；設(shè)有4G模塊，用于與平臺(tái)中心信息交互；設(shè)有GPS模塊，用于道口位置的實(shí)時(shí)定位；支持SD卡存儲(chǔ)，可對(duì)智能識(shí)別攝像機(jī)進(jìn)行錄像。

3.4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

由于無(wú)人看守道口智能安防機(jī)器人安放地地理位置較偏僻，沒(méi)有供電電源，本課題采用分光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人供電。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、控制器、蓄電池組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電部分由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)葉片總成和桿塔三部分構(gòu)成，風(fēng)機(jī)葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器轉(zhuǎn)換為直流72 V，向蓄電池組充電，可直接對(duì)負(fù)載供電。光伏發(fā)電部分由4塊額定電壓為24 V光伏電池串聯(lián)組成，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能需要利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)實(shí)。風(fēng)光互補(bǔ)控制器在系統(tǒng)中承擔(dān)著能量調(diào)節(jié)的作用，可根據(jù)外界環(huán)境的變化切換蓄電池組的充、放電狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，可控制蓄電池向負(fù)載供電，以保證機(jī)器人工作的穩(wěn)定性和持續(xù)性。蓄電池組由6塊12 V的蓄電池組成，存放在地面特制的電池箱內(nèi)，可接收風(fēng)光發(fā)電傳輸來(lái)的電能并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存，也可在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)向負(fù)載直接供電。

4 監(jiān)控中心管理平臺(tái)

監(jiān)控中心管理平臺(tái)把通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)采集無(wú)人道口智能安放機(jī)器人的視頻、圖片、事件報(bào)警等信息，實(shí)時(shí)用PC終端呈現(xiàn)出來(lái)，并提供歷史視頻、事情等的查詢呈現(xiàn)[10]。設(shè)備通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器的外網(wǎng)IP，通過(guò)防火墻和網(wǎng)關(guān)，連接到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。用戶可查詢的信息包括無(wú)人看守道口智能安防機(jī)器人的視頻、蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果、箱體多路傳感器采集的信息、聲光報(bào)警器狀態(tài)及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，服務(wù)器接入短信模塊，可實(shí)現(xiàn)短信預(yù)警，幫助管理人員及時(shí)了解無(wú)人道口機(jī)器人的工作狀況，保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

該研究的無(wú)人道口智能安防機(jī)器人能夠在無(wú)人看守道口穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道口兩側(cè)行人和車(chē)輛的精確檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的工作環(huán)境和工作狀況，保證機(jī)器人持續(xù)可靠地運(yùn)行。給道口過(guò)往行人的生命財(cái)產(chǎn)和運(yùn)輸車(chē)輛提供了有力的安全保障，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)鐵路無(wú)人看守道口安全管理的可視化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，也為下一步礦區(qū)鐵路運(yùn)輸?shù)男畔⒒?、自?dòng)化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。