張 利 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海鐵路機(jī)車車輛發(fā)展有限公司

鐵路行車安全控制是鐵路人的一項永恒追求目標(biāo)。當(dāng)前鐵路機(jī)車牽引交路實行長交路跨段、跨局輪乘，結(jié)合雙班單司機(jī)值乘模式，機(jī)車乘務(wù)員操縱區(qū)段長、工作壓力大，列車行車安全的風(fēng)險和責(zé)任也大大增加。據(jù)統(tǒng)計因人為造成的事故仍占較高比例，解決機(jī)車乘務(wù)員行車精神不振、視野偏離、盹睡等間斷了望問題是鐵路人多年來研究的重點領(lǐng)域。

1 立項背景

針對列車運(yùn)行中可能出現(xiàn)的機(jī)車乘務(wù)員行車精神不振、視野偏離、盹睡等間斷了望的重大安全隱患問題，非常有必要通過技術(shù)手段在發(fā)生上述問題的同時給予報警提示，及時糾正乘務(wù)員的駕駛狀態(tài)，防控風(fēng)險于前期。通過多年現(xiàn)場調(diào)查和技術(shù)研發(fā)，我們采用紅外窄帶非可見主動光源，幀間關(guān)聯(lián)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，綜合判別虹膜、眼部幾何特征軟件系統(tǒng)與DSP電路、FPGA識別硬件系統(tǒng)等多項技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)車乘務(wù)員工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。裝置全天候，準(zhǔn)確、清晰地采集在線機(jī)車乘務(wù)員工作狀態(tài)視頻流圖像。以每秒15幀的頻率處理視頻圖像參數(shù)，能夠準(zhǔn)確識別機(jī)車乘務(wù)員當(dāng)前的了望狀態(tài)。

在機(jī)車運(yùn)行中，機(jī)車乘務(wù)員視野偏離運(yùn)行方向10s、15s、20s時，自動分級發(fā)出提示語音，在線提醒機(jī)車乘務(wù)員保持專注了望，避免因機(jī)車乘務(wù)員行車精神不佳、間斷了望造成列車行車安全事故。

該裝置相當(dāng)于每臺機(jī)車配備了一名專職監(jiān)督提醒機(jī)車乘務(wù)員行車精神和了望狀態(tài)的“指導(dǎo)司機(jī)”，安全管理由事后控制轉(zhuǎn)向事先預(yù)防，提升鐵路行車安全管理的信息化和自動化水平，保障行車安全。

2 研究目標(biāo)

本項目旨在利用先進(jìn)的視頻圖像處理技術(shù)，在列車運(yùn)行中，全程實時監(jiān)測機(jī)車乘務(wù)員的工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到機(jī)車乘務(wù)員視野偏離運(yùn)行方向或持續(xù)閉眼10s、15s、20s（時長可設(shè)置）時，判定為間斷了望，立即發(fā)出提示語和預(yù)警信號，喚醒機(jī)車乘務(wù)員，避免事故發(fā)生，守護(hù)行車安全。

（1）結(jié)合鐵路機(jī)車的實際，應(yīng)用動態(tài)圖像識別技和人臉識別技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)成為《乘務(wù)員狀態(tài)預(yù)警提醒系統(tǒng)》。在線提醒機(jī)車乘務(wù)員保持行車精神專注了望，為避免因機(jī)車乘務(wù)員行車精神不佳造成列車行車安全事故發(fā)生提供可靠保障。

（2）在機(jī)車運(yùn)行速度達(dá)到0 km/h以上時，設(shè)備自動投入工作狀態(tài)，實時監(jiān)控機(jī)車乘務(wù)員行車精神和了望狀態(tài)，實現(xiàn)在線及時提醒、警示。

（3）在機(jī)車0 km/h速度時，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，避免對機(jī)車乘務(wù)員的干擾，實現(xiàn)友好監(jiān)測和預(yù)警。。

（4）用專用地面分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對在線機(jī)車乘務(wù)員了望狀態(tài)圖像，實現(xiàn)自動篩選報警存儲圖像，自動生成周期性和定制性報表，為機(jī)務(wù)段安全管理篩選重點人、重點區(qū)段、重點時間提供數(shù)據(jù)支持，增強(qiáng)安全管理的針對性和可操作性。

（5）能接入機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）。

（6）具備全工況模式，調(diào)車工況下可自動識別正常報警。

（7）數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)不外泄，維護(hù)數(shù)據(jù)安全。

（8）可定位機(jī)車位置。

（9）可無線傳輸數(shù)據(jù)，可實時查看乘務(wù)員正面視頻，報警數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸。

（10）預(yù)留接口，可實現(xiàn)乘務(wù)員值乘提醒報警視頻和機(jī)車監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)交互通訊、信息共享。

3 主要研究內(nèi)容

3.1 車載系統(tǒng)組成

6A型機(jī)車車載系統(tǒng)由圖像采集器（攝像頭）、AV4板卡、連接線纜組成。

非6A型機(jī)車車載系統(tǒng)由圖像采集器(攝像頭)、主機(jī)、工況信息采集板卡或GPS模塊、連接線纜組成。

3.2 主機(jī)

3.2.1 硬件組成

紅外窄帶非可見主動光源模塊、圓頻率濾波模塊、垂直和水平掃描模塊、特殊攝像焦距模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、圖像采集卡模塊、模擬信號數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊、DSP電路模塊、FPGA識別模塊、特定閾值計數(shù)器模塊、提示語模塊、預(yù)警器模塊，數(shù)據(jù)存儲及事故追憶模塊、與LKJ裝置通信接口模塊等。

3.2.2 軟件組成

幀間關(guān)聯(lián)，自適應(yīng)閾值二值化差分，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，綜合判別眼虹膜、眼部幾何特征、全程存儲和定點檢索及事故追憶等軟件系統(tǒng)。

3.2.3 工作原理（見圖1）

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

檢測面部姿勢與朝向以及眼睛狀態(tài)變化，分析機(jī)車乘務(wù)員的行車精神和了望狀態(tài)，是國內(nèi)外在主動安全技術(shù)領(lǐng)域研究的主要課題之一。其基本模式是：采用高清晰度CCD攝像機(jī)獲取機(jī)車乘務(wù)員的臉部圖像，采用圖像對比技術(shù)提取眼部變化參數(shù)，通過特定的算法求得機(jī)車乘務(wù)員的行車精神和了望狀態(tài)。

3.2.4 工作流程（見圖2）

圖2 工作流程框圖

3.2.5 接口

工況信息插件采集TAX箱通訊記錄單元發(fā)布的廣播信息；插件的機(jī)械尺寸要求符合GB/T 19520.3-2004；通訊協(xié)議遵守TAX箱485通訊協(xié)議；插件功率：取用TAX箱5V電源供電時電流小于150 mA；取用15V電源供電時電流小于240 mA。

預(yù)留接口，可實現(xiàn)乘務(wù)員值乘提醒報警視頻和機(jī)車監(jiān)控視頻融合數(shù)據(jù)交互通訊、信息共享。

3.2.6 電源

定輸入電壓直流110V，電壓輸入范圍直流77V～137V。

3.3 地面分析軟件

地面分析系統(tǒng)主要包括七個功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置、司機(jī)錄入、統(tǒng)計分析、檢索分析、退勤分析、清空轉(zhuǎn)儲盤和無線監(jiān)控。管理人員可以通過PC機(jī)分析工具軟件，查看乘務(wù)員值乘過程中的報警情況。通過報警影像回放功能可真實、清晰再現(xiàn)報警情景，便于統(tǒng)計分析。還可將乘務(wù)員狀態(tài)視頻傳送到地面管理中心，管理人員可通過手機(jī)APP和PC網(wǎng)頁登陸后臺在線查看乘務(wù)員精神狀態(tài)，判斷行車安全狀態(tài)。

4 技術(shù)性能指標(biāo)

4.1 實時、準(zhǔn)確、及時

根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員的眼睛以及頭部位置等綜合因素，分析、判斷其視野方向，在其視野偏離或持續(xù)閉眼10s、15s、20s（時長可設(shè)置）時，分別發(fā)出“嘀”、“嘀嘀”、“請謹(jǐn)慎駕駛”的提示語音，在線提醒機(jī)車乘務(wù)員保持專注了望。

根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員的臉部特征和臉部與操縱臺的相對空間位置，分析判斷機(jī)車乘務(wù)員值乘姿勢，在其值乘姿勢不端正連續(xù)1 min時，發(fā)出“請端正駕駛姿勢”的提示語音。

4.2 抗干擾、非侵入、全天候

采用人臉、虹膜等生物特征識別技術(shù)，做到抗干擾、非侵入，全天候應(yīng)用。

4.3 舒適、人性化

采用非接觸式的監(jiān)測、提醒方法，只通過安裝在駕駛臺前方的圖像采集設(shè)備，即可完成對機(jī)車乘務(wù)員了望狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警；非可見性紅外窄帶主動照明光源，不會對機(jī)車乘務(wù)員造成任何不舒適感覺；非接觸式的監(jiān)測、對話式警示方式更加人性化。

4.4 操作簡捷，滿足列車在各種路況下運(yùn)行的使用需求

采用全金屬外殼，結(jié)構(gòu)堅固簡單；防震設(shè)計，抗震功能較強(qiáng)；自動運(yùn)行，基本免維護(hù)；體積小、重量輕，安裝和使用方便，滿足列車在各種路況下運(yùn)行的使用需求，操作簡捷。

5 結(jié)束語

通過對行車人為因素問題的思考，提出利用乘務(wù)員狀態(tài)預(yù)警提醒系統(tǒng)解決間斷了望問題的方案。