李鵬利

（山西省自動(dòng)化研究所， 山西 太原 030000）

引言

太焦線穿越山西、河南地區(qū)，鐵路途徑山區(qū)、丘陵地帶居多，這些地帶的地質(zhì)情況多數(shù)不良，使得自然災(zāi)害發(fā)生的幾率大增，包括嚴(yán)重威脅鐵路安全行車的異物侵限災(zāi)害。鐵路異物侵限災(zāi)害若沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)對(duì)鐵路部門造成巨大危害和損失。

根據(jù)線路沿線的環(huán)境特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用高頻紅外激光掃描成像和目標(biāo)類型智能分析的綜合技術(shù)方法，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程強(qiáng)化設(shè)計(jì)，形成適用于鐵路沿線環(huán)境、能針對(duì)沿線重點(diǎn)路段危及行車安全的侵限異物進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過激光雷達(dá)掃描軌面，激光雷達(dá)將掃描到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到終端，由終端進(jìn)行識(shí)別運(yùn)算，當(dāng)終端識(shí)別防區(qū)內(nèi)有影響行車安全的異物時(shí)，立即輸出信號(hào)到PLC，由PLC控制相應(yīng)喇叭、紅燈、電臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)方式的報(bào)警，并通知云端，云端控制短信網(wǎng)關(guān)發(fā)送通知短信，操作員可以確認(rèn)或解除報(bào)警。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分體式結(jié)構(gòu)，分成核心控制系統(tǒng)、激光掃描單元、微光夜視系統(tǒng)、云端監(jiān)控中心四部分。

1.2.1 核心控制單元

采用室外露天防護(hù)箱，采用高彈性的發(fā)泡PU密封裝置保證高防護(hù)等級(jí)，具有散熱、防凍特點(diǎn)，內(nèi)裝溫控器，保證內(nèi)部設(shè)備能在任何天氣條件下正常工作。主要功能是采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)，并為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。

1.2.2 激光掃描單元

采用特殊防護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有效防護(hù)內(nèi)部激光掃描雷達(dá)不被損壞，根據(jù)需要監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小，由一套或多套激光掃描單元來組成。每套單元的有效防護(hù)半徑為40 m，防護(hù)角度為180°。

1.2.3 微光夜視球機(jī)

采用微光夜視球機(jī)，全天候?qū)ΡO(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻圖像的采集，能根據(jù)指令進(jìn)行障礙物侵限位置的跟蹤，拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像或視頻并上傳送至監(jiān)控中心。

1.2.4 云端控制中心

云端系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server），MVC開發(fā)模式，MVC強(qiáng)制性的使應(yīng)用程序的輸入、處理和輸出分開。使用MVC開發(fā)的應(yīng)用程序被分成視圖、模型、控制器三個(gè)核心部件。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

2 系統(tǒng)功能及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和用途的不同，劃分為五個(gè)部分，其中監(jiān)控中心是云端控制中心，部署在中央機(jī)房，其他部分部署在鐵路現(xiàn)場(chǎng)。

2.1 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）本系統(tǒng)以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為基礎(chǔ)與模糊算法相結(jié)合，可識(shí)別多種物體輪廓。使該系統(tǒng)具有在復(fù)雜多變的環(huán)境中，勝任多樣化任務(wù)的能力。

2）利用激光雷達(dá)高頻度的掃描鐵道軌面，自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)線路障礙物的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與跟蹤。具備很高的全天候工作能力和可靠性。

3）采用多目標(biāo)鎖定技術(shù)，單臺(tái)激光檢測(cè)設(shè)備可在其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行鎖定，分別計(jì)算出其位置，形態(tài)，大小等信息，將侵限信息通過無線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)上傳云端監(jiān)控中心。

4）綜合運(yùn)用激光掃描成像技術(shù)、目標(biāo)類型智能分析技術(shù)、微光夜視技術(shù)、目標(biāo)視頻跟蹤技術(shù)對(duì)線路各種侵限障礙進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)主要功能

一是自動(dòng)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可完全不依賴人工干預(yù)，自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的各類目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具備很高的智能判別能力和工作可靠性，為高危路段和隧道橋梁線路障礙的監(jiān)測(cè)提供了一種周密、有效的技術(shù)手段，可以替代人工值守的防洪模式，實(shí)現(xiàn)減員增效的目標(biāo)。二是物體識(shí)別。激光檢測(cè)設(shè)備根據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算分析出侵限異物的外輪廓與運(yùn)動(dòng)情況，從而對(duì)物體的類型分類，識(shí)別侵入安全限界以內(nèi)的物體是否會(huì)對(duì)行車安全產(chǎn)生影響。三是多目標(biāo)鎖定。單臺(tái)激光檢測(cè)設(shè)備可在其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行鎖定，分別計(jì)算出其位置，形態(tài)，大小等信息，并及時(shí)上傳，便于工作人員進(jìn)行準(zhǔn)確處理，提高工作效率。四是學(xué)習(xí)能力。本系統(tǒng)采用神經(jīng)識(shí)別算法，模擬人體大腦的學(xué)習(xí)、判斷模式，具有再學(xué)習(xí)的能力。如將本系統(tǒng)安置在不同的環(huán)境中，識(shí)別的物體差異非常大，可將該環(huán)境下的數(shù)據(jù)收集進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)可按照數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行再學(xué)習(xí)，從而適應(yīng)環(huán)境。五是非接觸運(yùn)行。系統(tǒng)與被監(jiān)測(cè)區(qū)域的線路、路基等無物理接觸和連接，確保其不對(duì)鐵路線路的正常運(yùn)行和施工維修帶來任何影響，同時(shí)能夠在各種鐵路線路地質(zhì)條件下快速部署和便捷維護(hù)。六是全天候工作。系統(tǒng)可在春夏秋冬各個(gè)季節(jié)24 h不間斷工作，并能適應(yīng)各種大風(fēng)、大雨、大雪、大霧天氣對(duì)系統(tǒng)工作造成的影響，尤其是系統(tǒng)在夜間的工作可靠性保持了一個(gè)極高的水平。七是豐富的報(bào)警接口。系統(tǒng)同時(shí)預(yù)留支持行車告警的接口和工務(wù)告警的接口。八是告警信息直觀。系統(tǒng)采用微光夜視攝像技術(shù)，具備目標(biāo)跟蹤能力，能夠提供告警現(xiàn)場(chǎng)的清晰、直觀的告警圖片，便于相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員準(zhǔn)確判斷危害程度，快速、合理地組織搶險(xiǎn)。九是可靠運(yùn)行。系統(tǒng)針對(duì)線路現(xiàn)場(chǎng)自然條件設(shè)計(jì)，在高溫、低溫、高濕等各種環(huán)境下能可靠運(yùn)行，同時(shí)在系統(tǒng)整體工作的可靠性及防盜、防破壞等方面也做了針對(duì)性設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地運(yùn)行驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)南北地區(qū)、各個(gè)季節(jié)均有很強(qiáng)的工作適應(yīng)性。十是系統(tǒng)自檢功能。系統(tǒng)還具備完整的故障自診斷能力，運(yùn)行維護(hù)工作量很低。十一是云端系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server），主要功能有登錄權(quán)限、用戶管理、角色管理、部門管理、站點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)報(bào)警、定時(shí)巡航。

3 項(xiàng)目運(yùn)行

異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)自2016年安裝運(yùn)行以來，沒有出現(xiàn)斷電情況，所有數(shù)據(jù)都能正常傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)顯示界面友好，操作簡(jiǎn)便。后臺(tái)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)功能齊全，能從不同角度對(duì)入庫(kù)的添乘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并生成報(bào)表。

在運(yùn)行期間異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能有效的排除線路上車輛、人員、動(dòng)物等因素的干擾，準(zhǔn)確、可靠的判定出影響行車安全的障礙物，充分保證了系統(tǒng)在線路自然環(huán)境下的可用性。在此期間共進(jìn)行150次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，激光掃描單元測(cè)量精準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)有效方位均超出40 m半徑。數(shù)據(jù)上產(chǎn)迅速，報(bào)警信息發(fā)送及時(shí)。

在運(yùn)行期間，所有經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的火車均被發(fā)現(xiàn)并拍照上傳，圖片清晰，能有效識(shí)別，沒有形成報(bào)警事件。發(fā)現(xiàn)工務(wù)養(yǎng)護(hù)人員1243次經(jīng)過或者逗留，形成報(bào)警事件22次。發(fā)現(xiàn)動(dòng)物入侵19次，全部形成報(bào)警事件，并成功驅(qū)離。

4 應(yīng)用體會(huì)

異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在太焦線的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高密度行車線路的全天候非接觸式自動(dòng)監(jiān)測(cè)，提高了工務(wù)養(yǎng)護(hù)人員的工作效率，降低了養(yǎng)護(hù)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了掩護(hù)工人的工作環(huán)境，縮短了線路的養(yǎng)護(hù)周期，使線路入侵得到及時(shí)處理。線路質(zhì)量的提高必將有力地保證行車安全，降低事故發(fā)生率。

根據(jù)用戶使用需求、跟蹤技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，進(jìn)一步完善和優(yōu)化系統(tǒng)功能。