Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強(qiáng)，王 維HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

基于多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強(qiáng)，王 維
HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei
（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

無人駕駛列車是今后城市軌道交通的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)對無人駕駛列車軌道前方的障礙物的自動(dòng)檢測與識(shí)別是實(shí)現(xiàn)列車無人駕駛的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)克服以上單一傳感器檢測技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)無人駕駛列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)障礙物的高效檢測與識(shí)別，可以在不同氣候、不同天氣、不同環(huán)境下都可以正常工作，提高了無人駕駛運(yùn)營列車的安全性。

城市軌道交通；無人駕駛；障礙物檢測；激光雷達(dá)；紅外攝像機(jī)；3D攝像機(jī)；無線電雷達(dá)；超聲波傳感器

0　引言

目前國內(nèi)地鐵列車基本都采用有人駕駛運(yùn)行方式，由司機(jī)操作列車并負(fù)責(zé)瞭望列車運(yùn)行前方軌道確保無障礙物落入軌道區(qū)間，隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)一些大城市提出建設(shè)全自動(dòng)無人駕駛地鐵列車，提高運(yùn)行效率。2014年8月，國內(nèi)首條全自動(dòng)無人駕駛線路上海10號(hào)線開通運(yùn)營，其無人駕駛列車車頭下方安裝了一個(gè)基于機(jī)械觸發(fā)原理的障礙物檢測系統(tǒng)用于代替司機(jī)對前方線路瞭望功能，其基本原理是在列車高速運(yùn)行中撞到障礙物后將觸發(fā)列車車頭下方安裝的機(jī)械行程桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而觸發(fā)繼電器開關(guān)電路，使列車緊急停車。該方案存在明顯不足之處，即不能對列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)的障礙物實(shí)現(xiàn)提前檢測與預(yù)警，提高行車安全，另一方面通過機(jī)械的碰撞實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測不可避免地對車輛設(shè)備造成損傷。本文提出了一種基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的障礙物識(shí)別系統(tǒng)對軌道中存在的異常物體進(jìn)行檢測和識(shí)別，該系統(tǒng)安裝在無人駕駛列車車頭前方，列車運(yùn)行中各種傳感器同時(shí)工作，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到障礙物處理主機(jī)由主機(jī)進(jìn)行智能分析處理判斷是否為障礙物以及障礙物的距離。

1　障礙物檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1　多技術(shù)融合的障礙物檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多技術(shù)融合的障礙物檢測系統(tǒng)主要由五大模塊組成（如圖1所示），分別為傳感器及傳感器融合模塊、行為分析模塊、用戶接口模塊、列車接口模塊、全局服務(wù)模塊。

圖2　傳感器檢測效果矩陣

傳感器及傳感器融合模塊主要進(jìn)行列車運(yùn)行前方環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和整合，并將采集的障礙物按照障礙物、參照物、無關(guān)物進(jìn)行分類列表建立數(shù)據(jù)庫。由于地鐵列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對列車運(yùn)營安全性要求較高，單一傳感存在不足（如圖2所示），通過多種傳感器技術(shù)相互融合的技術(shù)可以很好的克服單一傳感器技術(shù)的不足，提高系統(tǒng)的檢測效果。

行為分析模塊主要通過周期性的采集傳感器融合模塊檢測到的障礙物信息進(jìn)行列車運(yùn)行控制操作，比如列車加速、減速控制等；

用戶接口模塊主要是一臺(tái)觸摸顯示器，該顯示屏提供列車基本的運(yùn)營狀態(tài)信息，以及列車前方障礙物、參照物、無關(guān)物體信息清單，并設(shè)有一個(gè)緊急制動(dòng)停車按鈕，主要在調(diào)試期間使用。

列車接口模塊主要為列車的牽引和制動(dòng)控制單元，其主要為車輛牽引動(dòng)力單元和列車制動(dòng)停車控制單元兩個(gè)部分組成。

全局服務(wù)模塊為障礙物檢測系統(tǒng)的上位管理主機(jī)主要用于障礙物檢測系統(tǒng)的運(yùn)行信息存儲(chǔ)和運(yùn)行狀態(tài)的檢測和管理。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多技術(shù)融合的障礙物檢測系統(tǒng)基于研華成熟的Mini-ITX工控硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，軟件采用Jave語言進(jìn)行開發(fā)，每個(gè)傳感器設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)傳感器數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)融合點(diǎn)設(shè)有一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)障礙物的觸發(fā)處理設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程，每個(gè)線程通過一個(gè)共享的全局模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳遞，具體的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

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3　試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際路況測試，檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作效果。多技術(shù)融合的障礙物檢測系統(tǒng)的顯示器設(shè)有各種傳感器模式下采集的圖形信息，圖4為激光雷達(dá)識(shí)別出軌道旁邊電線桿，并計(jì)算出電線桿的距離。圖5為紅外線傳感器識(shí)別出軌道內(nèi)的異常物體。

圖4　激光雷達(dá)傳感器工作效果圖

4　結(jié)束語

本文通過基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)，克服單一傳感器技術(shù)檢測的不足，實(shí)現(xiàn)列車前方障礙物的實(shí)時(shí)檢測，代替了司機(jī)的瞭望值守功能，比目前上海十號(hào)線機(jī)械式的障礙物檢測系統(tǒng)在技術(shù)手段上更先進(jìn)，有效提高了列車運(yùn)行的安全性，但是目前該障礙物檢測系統(tǒng)技術(shù)還存在不足，比如在復(fù)雜的光照和雨雪天氣下會(huì)對系統(tǒng)的檢測精度和檢測距離產(chǎn)生不良影響，并存在障礙物誤報(bào)問題，因此需要在以后的工作中進(jìn)一步的完善各種傳感器數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)對障礙物檢測的精度和可靠性。

圖5　紅外傳感器工作效果圖

［1］ 朱翔，王大慶.城市軌道交通無人駕駛技術(shù)的若干應(yīng)用問題［J］.城市軌道交通研究，2006，9（12）：36-38.

［2］ 柴貴蘭.列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與研究［J］.科技信息，2010，（17）：79-79，49.

［3］ 范立南，韓曉微，張廣淵.圖像處理與模式識(shí)別［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 鄧志紅，劉明陽，付夢印.一種改進(jìn)的視覺傳感器與激光測距雷達(dá)特征匹配點(diǎn)提取算法［J］.光學(xué)技術(shù)，2010，36（1）：43-47.

TP391

B

1009-0134（2016）08-0059-03

2016-05-27

黃濤（1981 -），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，本科，主要從事列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研發(fā)工作。