地鐵軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)方案研究

摘要：隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程和客流量的不斷增加，列車安全運(yùn)行的重要性愈發(fā)突出。地鐵軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)基于視頻智能分析技術(shù)，對(duì)軌旁攝像機(jī)采集的影像進(jìn)行智能分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌行區(qū)障礙物，并向行車指揮人員發(fā)出報(bào)警信息，縮短緊急事件處理時(shí)間，減輕運(yùn)營(yíng)人員的工作壓力和強(qiáng)度，進(jìn)而有效提升地鐵的安全運(yùn)營(yíng)水平，具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通障礙物視頻智能分析自動(dòng)巡檢

ResearchontheObstacleDetectionSystemSchemeinSubwayTrackArea

LINan1YUEXinyu2LIJize3

• BeijingQuanluCommunicationandSignalResearchandDesignInstituteGroupCo.，Ltd.Beijing，100071China;2.BeijingSubwayTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.，Beijing，100071China;3.ShenzhenRailwaySignalTechnology（Shenzhen）Co.，Ltd.，Shenzhen，GuangdongProvince，518000China

Abstract：Withthecontinuousincreasingofoperationmileageandpassengerflowofdomesticurbanrailtransit，theimportanceoftrainsafetyoperationguaranteeisbecomingmoreandmoreprominent.Theobstacledetectionsysteminthesubwaytrackareaisbasedonvideointelligentanalysistechnology，intelligentlyanalyzingtheimagescollectedbythetracksidecameras，timelydetectsobstaclesinthetrackareaandsendsthealarminformationtothecommandpersonnel，shorteningtheemergencyprocessingtime，reducingthepressureandintensityofoperatingpersonnel，andeffectivelyimprovingthesafetyofthesubwayoperationlevelIthasgreatsocialandeconomicvalue.

KeyWords：Urbantracktransit;Obstacles;Intelligentvideoanalysis;Automaticinspection

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通以運(yùn)量大、速度快等優(yōu)勢(shì)在我國(guó)公共交通事業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用，但同時(shí)，各類安全事故在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過程中也時(shí)有發(fā)生，這給地鐵安全運(yùn)營(yíng)帶來了不小的壓力。城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的主要影響因素包括氣象因素、軌道因素、車輛因素、供電因素、信號(hào)系統(tǒng)因素、人為因素等。在軌道因素中，位于軌道上立體行車空間內(nèi)的障礙物極易給列車帶來破壞性撞擊，甚至引發(fā)脫軌等嚴(yán)重事故，造成重大災(zāi)害和不可估量的損失。同時(shí)，城市軌道交通全自動(dòng)駕駛模式的普及對(duì)行車安全也提出了更高的要求?；谏鲜鲈?，軌行區(qū)障礙物檢測(cè)的相關(guān)研究從未停止，并在近些年逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)。

1傳統(tǒng)軌行區(qū)障礙物檢測(cè)方案簡(jiǎn)介

1.1軌道交通軌行區(qū)安全需求分析

異物侵入列車行車限界（簡(jiǎn)為“侵限”）事件會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成極大的影響。對(duì)地面軌道而言，封閉措施難免存在漏洞，高空拋物、山體緩坡、落石等情況都會(huì)造成行車安全事故。而在隧道內(nèi)，線路老化、維護(hù)不到位或人員工作疏忽等也會(huì)發(fā)生隧道內(nèi)構(gòu)筑物松動(dòng)脫落、設(shè)備位置變化，導(dǎo)致異物侵入行車限界，導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生[1]。

目前，對(duì)于鐵路、地鐵等列車侵限物的發(fā)現(xiàn)與處理主要靠人工巡視，需要大量人員參與，人工巡視周期較長(zhǎng)，且巡檢時(shí)間一般在晚上的車輛運(yùn)行窗口期，難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題。因異物侵入事件的突發(fā)性和高危害性，迫切需要一種具有高度智能化、全天候、響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高的障礙物侵入自動(dòng)巡檢系統(tǒng)[2]。

1.2目前主流技術(shù)方案

根據(jù)檢測(cè)設(shè)備的安裝位置劃分，現(xiàn)有檢測(cè)方案大體可分為軌旁障礙物檢測(cè)（以下簡(jiǎn)稱軌旁）和車載障礙物檢測(cè)（以下簡(jiǎn)稱車載）兩種[3]。

1.2.1紅外柵欄（軌旁）

該方案在軌行區(qū)兩側(cè)安裝紅外線收發(fā)器，當(dāng)障礙物侵入軌行區(qū)時(shí)，紅外線被遮擋，從而觸發(fā)報(bào)警。該方案靈敏度較高，但也存在易受天氣干擾、設(shè)備部署量大、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。

1.2.2振動(dòng)檢測(cè)（軌旁）

該方案在軌道上安裝振動(dòng)傳感器，并通過算法來區(qū)分振動(dòng)原因是列車經(jīng)過還是障礙物碰撞。該方案單個(gè)檢測(cè)點(diǎn)可覆蓋400m長(zhǎng)度鋼軌，具有設(shè)備部署量少的優(yōu)點(diǎn)。但其僅能檢測(cè)到對(duì)鋼軌有沖擊的障礙物，而對(duì)于小動(dòng)物、風(fēng)箏、塑料袋等沖擊能量較小的物體無法檢測(cè)，且該方案目前處于前期研究階段。

1.2.3車載視覺檢測(cè)（車載）

該方案通過在列車前端安裝攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并通過算法分析列車前方是否有障礙物。該方案具有設(shè)備部署量少的優(yōu)點(diǎn)，但其視覺原理決定了探測(cè)距離較短，對(duì)于高速運(yùn)行的列車無法提供足夠的緊急制動(dòng)時(shí)間[4]。

1.2.4車載激光雷達(dá)（車載）

該方案通過在列車前端安裝激光雷達(dá)來探測(cè)前方障礙物，其優(yōu)、缺點(diǎn)同車載視覺檢測(cè)方案。

2一種新式軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)概述

軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)利用了視頻智能分析技術(shù)。不同于車載視覺檢測(cè)方案，該方案將攝像頭設(shè)置于軌旁。通過采集軌行區(qū)影像，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)運(yùn)行線路進(jìn)行安全巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌行區(qū)影響行車安全的因素（簡(jiǎn)稱“障礙物”），并向行車指揮人員發(fā)出報(bào)警信息，以便其對(duì)運(yùn)行中的列車采取安全措施。

軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)（如圖1所示）由算法服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、行調(diào)終端及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成，并且與車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)共享前端設(shè)備，如軌旁攝像機(jī)、車站視頻服務(wù)器、圖像存儲(chǔ)設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

算法服務(wù)器通過與軌旁攝像機(jī)的接口，按照一定的規(guī)則，周期性地從指定的軌旁攝像機(jī)視頻流中截取軌行區(qū)影像。在獲取軌行區(qū)影像后，其首先判斷列車位置是否位于攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域，當(dāng)列車位于此攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)將忽略此影像，以避免誤報(bào)[5]。

當(dāng)系統(tǒng)獲取無列車占用的軌行區(qū)影像時(shí)，將與事先存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)斷面圖像（無障礙物）進(jìn)行比對(duì)。如圖像一致，則判別為無障礙物；否則，將向控制中心行車調(diào)度員（簡(jiǎn)稱“行調(diào)”）報(bào)警，推送報(bào)警畫面，提供障礙物位置及最近列車位置，供行車調(diào)度員及時(shí)開展后續(xù)操作，避免危及行車安全的事故發(fā)生。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：異物侵限識(shí)別定位與告警上報(bào)，列車位置跟蹤定位，現(xiàn)場(chǎng)圖像調(diào)看，告警誤報(bào)忽略，障礙物告警記錄的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，設(shè)備狀態(tài)管理。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.2.1具備全天候清晰成像能力

該系統(tǒng)攝像機(jī)基于擴(kuò)展短波紅外波段進(jìn)行成像，對(duì)實(shí)現(xiàn)大氣紅外透射窗口的“無縫隙探測(cè)”效果良好，并適用于多霧、低照度等光照環(huán)境惡劣情況的全天候場(chǎng)景，不受雨天、大霧、微光或無光等外部光線條件惡劣的影響，并對(duì)運(yùn)營(yíng)列車的車燈具有很好的強(qiáng)光抑制作用。

2.2.2具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和一定的自檢性能

因軌行區(qū)環(huán)境較為惡劣，因此該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮日曬雨淋、列車振動(dòng)、設(shè)備偏移，以及因列車經(jīng)過或者其他原因?qū)е碌目赡軐?duì)檢測(cè)采集設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)、偏移等影響，利用全天候成像穩(wěn)像識(shí)別系統(tǒng)判斷該設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.3智能分析處理能力

該系統(tǒng)通過多點(diǎn)輪詢智能圖像分析算法，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，應(yīng)可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)軌行區(qū)的安全狀態(tài)。

2.2.4具備較強(qiáng)的易部署性

該系統(tǒng)被部署在隧道內(nèi)部側(cè)壁上或者露天安全限界外，應(yīng)具備較高的可部署性，實(shí)現(xiàn)全域監(jiān)控；同時(shí)應(yīng)具有設(shè)備獨(dú)立性，不對(duì)部署區(qū)域內(nèi)的其他設(shè)施產(chǎn)生影響。

2.3系統(tǒng)運(yùn)行模式

系統(tǒng)運(yùn)行模式包括線路巡檢模式、車站巡檢模式、區(qū)間跟蹤巡檢模式3種。

2.3.1全線巡檢模式

把全線所有軌旁攝像機(jī)按列車運(yùn)行方向分為兩個(gè)巡檢單元進(jìn)行巡檢，適合于每天運(yùn)營(yíng)開始前使用。

2.3.2車站巡檢模式

以車站為單位，將該車站管轄范圍的所有軌旁攝像機(jī)按運(yùn)行方向分為兩個(gè)巡檢單元，每個(gè)巡檢單元按照設(shè)定的巡檢周期依次進(jìn)行輪巡抓拍和比對(duì)的運(yùn)行模式。在此模式下，每個(gè)車站可同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)周期巡檢，能縮短巡檢周期，提高巡檢效率，有利于迅速發(fā)現(xiàn)障礙物，適用于高峰運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。

2.3.3區(qū)間跟蹤巡檢模式

系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤列車行進(jìn)位置，并觸發(fā)列車前方所到車站的所有軌旁攝像機(jī)進(jìn)行自動(dòng)巡檢。檢測(cè)到異物入侵時(shí)的處理同全線巡檢模式。區(qū)間跟蹤巡檢模式如圖2所示：

此模式適用于車站設(shè)置密度較高、站間距短的各種運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，目的是減少設(shè)備運(yùn)行次數(shù)，以延長(zhǎng)設(shè)備及系統(tǒng)壽命和提高可用性。

2.4系統(tǒng)工作流程

軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

根據(jù)交通運(yùn)輸部網(wǎng)站數(shù)據(jù)，截至2023年底，全國(guó)（不含港澳臺(tái)）已有55個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路300條，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)9915km，完成客運(yùn)量294億人次。面對(duì)如此龐大的客流量和安全運(yùn)營(yíng)壓力，可充分利用視頻采集、智能分析等人工智能相關(guān)技術(shù)，提升地鐵安全運(yùn)營(yíng)水平。地鐵軌行區(qū)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)以準(zhǔn)確可靠、獨(dú)立運(yùn)行為基本設(shè)計(jì)原則，并輔以完善的聯(lián)動(dòng)預(yù)案體系，通過減少手工操作，提高操作的速度和準(zhǔn)確率，縮短緊急事件的處理時(shí)間，減輕運(yùn)營(yíng)人員的工作壓力和強(qiáng)度，進(jìn)而有效提升地鐵的安全運(yùn)營(yíng)水平。

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