轨道交通智能限界检测系统研究

轨道交通智能限界检测系统研究
发布时间：2022-10-18T07:16:09.551Z 来源：《科学与技术》2022年第11期6月作者：吕永宏
[导读] 本文针对多变的轨道隧道环境，设计了障碍物检测模型，解决了检测障碍物的复杂费力问题，大幅降低了隧道轨道检测车与检测片的制造与损坏更换成本。

吕永宏
中交机电工程局有限公司佛山 528000
摘要：本文针对多变的轨道隧道环境，设计了障碍物检测模型，解决了检测障碍物的复杂费力问题，大幅降低了隧道轨道检测车与检测片的制造与损坏更换成本。

本项目基于图像数据处理开展对障碍物检测和判断的研究，将能够有效提高检测系统的智能效率水平，加强系统对不同轨道与不同隧道动态环境的适应能力。

通过设计数据处理模型实现了检测系统在复杂环境中进行自主判断，一定程度上解决了障碍物检测高度依赖人为操作控制的现状，减少对人为更换检测片的需求，降低了人力成本，一定程度上满足了对于当前对于轨道交通隧道安全检测的要求
关键词：轨道交通；智能检测；限界
限界是指列车沿固定的轨道安全运行时所需的空间尺寸，为了确保列车的安全运行，火车轨道交通线路中的各种障碍物及设施设备都需要和列车线路保持着一定距离，需要对列车的车辆限界尺寸进行测量，目前常用的一种测量方式是利用轨道车行驶通过安装的限界板，若尺寸超限则会与限界板发生碰撞，触发报警，采用这样的工作方式，费时费力而且效率很低。

本文打破传统的人工检测列车轨道限界检测方式，采用非接触式列车车辆限界测量方式，使用激光雷达和毫米波雷达实现建模与探测，结合摄像头同步工作，检测列车运行过程中可能存在的障碍物，并通过定位系统障碍物位置，提升检测效率。

一、限界检测作用于功能
限界是指列车沿固定的轨道安全运行时所需的空间尺寸，为了确保列车的安全运行，火车轨道交通线路中的各种障碍物及设施设备都需要和列车线路保持着一定距离，需要对列车的车辆限界尺寸进行测量，目前常用的一种测量方式是人工乘坐小车在轨道上行驶通过安装的限界板，若尺寸超限则会与限界板发生碰撞，触发报警，采用这样的工作方式，费时费力而且效率很低。

本项目打破传统的人工检测列车轨道限界检测方式，采用非接触式列车车辆限界测量方式，使用激光雷达和毫米波雷达实现建模与探测，结合摄像头同步工作，检测列车运行过程中可能存在的障碍物，并通过定位系统障碍物位置，提升检测效率。

二、限界检测系统目前现状
1.目前现状
目前国内常用的轨道障碍物检测技术机械式，建议该一下包括基于机器视觉的轨道交通障碍物检测方法和基于对其图像差异的轨道交通障碍物检测方法，基于激光雷达的轨道障碍物检测方法等单一非接触式检测。

2.智能化检测系统研究
对于目前国内外常用的常规轨道障碍物检测方法进行了总体的分析，其中基于机器视觉的轨道交通障碍物检测方法可包括基于传统图像处理方法对轨道交通障碍物进行检测和基于机器学习的障碍物检测方法对于轨道图像进行目标检测。

其中基于传统图像处理方法中现如今常常使用光流法和帧差法，光流法可用于进行运动障碍物检测，但是无法检测已经存在于轨道之间的静止障碍物。

而对于基于机器学习的障碍物检测方法，对于目前的机器学习方法无法识别数据库中不存在或未经过训练的目标，故在实际检测时，出现数据库中没有的目标时会发生漏检。

并且对于机器视觉而言，单一非接触式检测准确率低，对于反射对比度低，颜色与环境背景相接近或者在弱光条件下的障碍物难以有效识别。

而对于基于对于图像差异的轨道交通障碍物检测方法，常需要预先采集不存在的障碍物的参考视频图像序列，而在实际运行中采集可能存在障碍物的目标视频图像序列，而本方法中需要使用时间—空间对齐，确保对比无误，但本方法中存在轨道限界提取问题和视频图像序列的时间—空间对其问题和光照鲁棒的图像差异检测问题。

在基于激光雷达的轨道障碍物检测方法而言相邻激光线与线之间存在视野盲区，稍远处的小型物体及长条状物体易被漏掉，其准确度有待提高。

3.智能轨道交通限界检测系统基本组成
智能轨道交通限界检测系统基于机器视觉融合，通过摄像头和雷达代替人工进行列车轨道限界障碍物的检测。

系统主要由4个主要模块组成：检测模块、影像模块、定位模块、声光报警模块。

3.1检测模块
检测装置同时利用激光雷达和毫米波雷达进行数据采集，达到系统限界目的，以毫米波雷达负责建模和探测，激光雷达辅助建模和探测，将得到的点云数据结合为分析计算提供探测信息。

检测模块运用了两种实现测距传感器，分别是激光雷达和毫米波雷达，其中毫米波雷达负责建模与探测，为分析计算提供探测信息；激光雷达负责辅助建模与探测，为分析计算提供辅助探测信息。

首先对激光雷达和毫米波雷达进行动态联合标定。

然后，激光雷达获取隧道环境整体情况的点云数据，通过点云分割算法和点云聚类算法得到障碍物的三维信息；毫米波雷通过有效目标检测、目标关联算法，得到准确的障碍物信息。

最后用激光雷达与毫米波雷达目标融合方法将激光雷达和毫米波雷达二者产生的信息进行融合，进一步提高障碍物的检测精度。

3.2影像模块
系统检测到障碍物，随后进行拍摄并识别，影像模块利用摄像机来直接拍摄障碍物。

为将摄像机拍摄的信息和雷达所探测的信息融合，该模块采用分散式卡尔曼滤波法，以此提高数据的可靠性和精度。

为了实现时间同步，在程序中创建雷达线程、摄像机线程和数据融合处理线程。

系统通过同步机制获取与图像数据同一时刻的雷达数据一起送入缓存，其中，雷达线程用来接收和处理雷达数据，摄像机线程用来接收和处理摄像机图像数据。

当摄像机和雷达同时采样是，系统在雷达数据缓存队列中获取与图像数据同一时刻的雷达数据进行数据融合处理。

由于雷达与摄像机启动的时刻存在时间差，导致雷达数据与图像数据存在初始时间差，而该误差始终小于雷达采样时间，即雷达数据刷新一次的时间，因此不会对时间同步的的正确性造成影响。

在障碍物检测装置的行驶过程中，先通过时间融合获取同一时刻的雷达和图像数据，接着处理雷达和图像数据。

为了将雷达检测的目标转换到图像上，第一步需要先将雷达坐标系的坐标转换到世界坐标系。

雷达先检测获取目标的二维平面信息，但此刻缺少高度z的信息。

以雷达平面建立坐标系，通过坐标的旋转和平移将雷达坐标系下的坐标转换到以相机为中心的世界坐标系中。

第二步是将世界坐标系的坐标转换到图像和像素坐标系。

首先将图像坐标系转换为像素坐标系，再将相机坐标系转换为图像坐标系，加入高度z的信息，最后将世界坐标系转化为像素坐标系,通过计算机处理数据。

3.3定位模块
识别障碍物后需获取限界事故点的位置信息，考虑到运行环境的变换，定位模块采用GPS和信标定位相结合的方式，在外部开放环境中使用现有的GPS定位系统，在密闭环境中采用信标定位，确保能够精确获取障碍物的位置信息。

由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近、安全性要求高，障碍检测装置需要实时了解障碍物在线路中的精确位置，利用GPS定位系统和分布于轨道两端的信标根据线路中障碍物检测装置的绝对、相对位置实时、动态地对有效信息进行传送、调度，对障碍物实现“双定位”。

在确定障碍物位置的前提下，最大限度地提高检修人员排查的效率，为后续轨道交通列车的运行提供最佳条件。

实时、精确地确定障碍物在线路中的位置（即障碍物检测装置实时位置）是保证安全、发挥排查效果的前提。

障碍物检测装置利用轨旁信标及车载GPS定位设备对自身位置进行实时的跟踪：轨旁定位主要采用轨道信标，系统自身的定位可依赖于安装在障碍物检测系统上的GPS设备实现，通过车地之间的信息传输通道，实现轨旁与GPS装置之间实时的信息交换，实时检测障碍物检测装置在线路中的运行。

1)基于信标的区段定位
信标是一种安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。

信标分有源信标和无源信标两种，有源信标可以实现车地的双向通信，无源信标工作于非接触状态，在障碍检测系统经过信标所在位置时，车载天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给系统自身。

城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标，安装在轨道沿线。

信标提供的位置精度很高，达厘米量级，在装置检测到障碍物时，可以有效地确定此刻障碍物所在位置区间，将此段位置信息有效地传递给数据控制中心进行后续处理。

2)GPS定位系统
车载GPS信号接收机可以在检测装置检测到障碍物后通过实时数据反映出此时检测装置即障碍物所在绝对位置，包括经纬度的定位等。

3.4声光报警模块
传输并储存障碍物位置信息后，障碍物检测装置启用声光报警提示随行检测员。

当测试车启动时，则侵限雷达预警系统也被开启，在该系统中通过检测模块中的毫米波雷达测距实时测量是否有障碍物侵限以及障碍物与小车之间的距离。

为了减小测量结果的误差，系统通过加入温度补偿电路提高精确性，当有物体侵限时，系统会发出通过有源蜂鸣器有源蜂鸣器的原理是在输入直流电源后，经过一个放大取样电路，最后在谐振装置作用下产生声音信号。

而针对不同音调的声音，可以通过控制改变蜂鸣器的高电平时长，改变发生频率从而改变声音。

在此功能模块中所用到的报警方式为LED变色报警，其原理为通过光的三原色近似混合出所有的颜色，在计算机中的实现原理为：三原色的亮度被分为256份，每种颜色可以通过三种原色的亮度大小混合表示，如红色可表示为（255,0,0），故可以通过设定不同的颜色来表示侵限的程度大小。

超过某个距离时，对应的灯光亮起。

三、结束语
智能轨道交通限界检测系统，打破传统的人工检测列车轨道限界检测方式解放了人力，采用非接触式列车车辆限界测量方式，有效提高了列车限界障碍物检测的效率。

运用毫米波雷达和激光雷达进行障碍物检测，提高了检测精确性，确保列车行驶的万无一失。

在视觉融合时采用了分散式卡尔曼滤波法，减小计算工作量，提高了数据的精确性和容错率，保证采集的数据有效可靠。

在定位限界事故点时，在GPS的基础上补充了信标定位，确保列车在长距离的隧道当中也能精确有效地反馈事故点。

参考文献
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