馬珺杰，楊艾琳

（1.陜西鐵路物流集團(tuán)有限公司，陜西西安，710076；2.四川國(guó)軟科技發(fā)展有限責(zé)任公司，四川成都，610031）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的高速發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，然而山區(qū)線路自然條件復(fù)雜，自然災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，諸如山體滑坡、隧道障礙、落石及異物侵限，都能給行車(chē)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。特別是，一旦發(fā)生這些自然災(zāi)害，很容易發(fā)生列車(chē)和障礙物相撞的事故，輕則導(dǎo)致機(jī)車(chē)損傷，鐵路線路長(zhǎng)時(shí)間中斷，嚴(yán)重的還可能發(fā)生列車(chē)出軌、人員傷亡等重大事故，因此鐵路沿線突發(fā)的落石、邊坡坍塌等成為了影響鐵路行車(chē)安全的重大隱患，依靠傳統(tǒng)的人力排查顯然不能滿足鐵路安全運(yùn)行的需求。因此，能夠準(zhǔn)確的在落石發(fā)生后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并攔停列車(chē)是防止發(fā)生事故的重要關(guān)鍵點(diǎn)。所以，研發(fā)并安裝一套鐵路沿線落石監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫。

現(xiàn)階段，一些機(jī)構(gòu)根據(jù)落石監(jiān)測(cè)需求開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的異物侵限安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在某些線路到應(yīng)用，但在應(yīng)用過(guò)程中仍存在一系列問(wèn)題。隨著雷達(dá)監(jiān)控和視頻監(jiān)控技術(shù)的普及與融合，越來(lái)越多的工程運(yùn)行行業(yè)在引入這兩種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行情況的多重監(jiān)控與預(yù)警。這些運(yùn)行監(jiān)控自然產(chǎn)生了海量的視頻和圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)的后端存儲(chǔ)和帶來(lái)一系列的考驗(yàn)。對(duì)采用智能化技術(shù)建設(shè)的設(shè)施的要求也越來(lái)越高。能夠準(zhǔn)確的在落石發(fā)生后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并攔停列車(chē)，防止發(fā)生事故才是關(guān)鍵所在，研發(fā)并安裝一套線路落石監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)對(duì)于保障鐵路運(yùn)輸安全具有極其積極的重要意義。

1 系統(tǒng)概述

■1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

對(duì)鐵路線路進(jìn)行落石的監(jiān)控、識(shí)別與預(yù)警是行車(chē)安全的重要保障與關(guān)鍵需求，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行線路發(fā)生泥石流、崩塌、落石等異物侵限和突發(fā)事件時(shí)可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)特情并進(jìn)行應(yīng)急處置，實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)測(cè)信息的分布式感知、應(yīng)急管理和綜合控制。

■1.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)將雷達(dá)圖像和視頻圖像進(jìn)行了傳感融合，地面監(jiān)測(cè)單元將采用激光雷達(dá)實(shí)時(shí)向監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射激光脈沖，當(dāng)激光脈沖遭遇障礙物發(fā)生反射，激光雷達(dá)根據(jù)接收到的激光脈沖信號(hào)獲取障礙物的目標(biāo)信息。核心控制單元對(duì)地面監(jiān)測(cè)單元上傳的數(shù)據(jù)判斷發(fā)生落石告警，聯(lián)動(dòng)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到障礙物所在區(qū)域進(jìn)行抓拍、錄像，將視頻圖像信息上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行存儲(chǔ)、展示，監(jiān)控終端通過(guò)聲光報(bào)警提示值班人員。同時(shí)，核心控制單元聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警裝置發(fā)出語(yǔ)音及報(bào)警燈警示，提醒列車(chē)司機(jī)注意行車(chē)安全，系統(tǒng)運(yùn)行可靠后實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控車(chē)的目的。

■1.3 數(shù)據(jù)融合

首先搭建分布式攝像頭和分布式雷達(dá)分別覆蓋沿線進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后對(duì)分布式傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與識(shí)別，并將目標(biāo)與環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，最后選擇合適的融合算法將目標(biāo)區(qū)域的全部傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，從而得出關(guān)于線路目標(biāo)狀態(tài)的態(tài)勢(shì)感知。這對(duì)傳感器之間的時(shí)空融合與數(shù)據(jù)融合都提出了更高的要求，具體方法如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)融合框架

（1）空間融合

將雷達(dá)坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系與三維世界坐標(biāo)系進(jìn)行融合與轉(zhuǎn)換，是多傳感器數(shù)據(jù)之間實(shí)現(xiàn)空間融合的關(guān)鍵步驟。雷達(dá)與視覺(jué)傳感器空間融合就是將不同傳感器坐標(biāo)系的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系中。由于前向視覺(jué)系統(tǒng)以視覺(jué)為主，只需將雷達(dá)坐標(biāo)系下的測(cè)量點(diǎn)通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)系下即可實(shí)現(xiàn)多傳感器的空間同步。

（2）時(shí)間融合

雷達(dá)信息和視頻信息在除了在空間中需要融合與同步之外，還需要在相同的時(shí)間框架下進(jìn)行同步與融合。根據(jù)雷達(dá)功能工作手冊(cè)，其采樣周期為50ms，即采樣幀速率為20 幀/秒，而攝像機(jī)采樣幀速率為25 幀/秒。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，以攝像機(jī)采樣速率為基準(zhǔn)，攝像機(jī)每采一幀圖像，選取雷達(dá)上一幀緩存的數(shù)據(jù)，即完成共同采樣一幀雷達(dá)與視覺(jué)融合的數(shù)據(jù)，從而保證了雷達(dá)數(shù)據(jù)和攝像機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)間上的同步。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路線路落石監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)主要通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)軌面進(jìn)行掃描，基于激光掃描技術(shù)，自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的軌面上方一定高度進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，采集障礙物特征數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)由工控機(jī)進(jìn)行邏輯判斷，輸出信號(hào)到PLC，由PLC控制相應(yīng)喇叭、攝像頭、燈光、電臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)方式的告警。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、報(bào)警裝置等組成，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)備

對(duì)障礙物侵入監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行智能識(shí)別、分析、判斷并產(chǎn)生預(yù)警或報(bào)警信息的設(shè)備，包括雷達(dá)識(shí)別裝置、視頻分析裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、報(bào)警裝置，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)圖例框圖

■3.1 雷達(dá)識(shí)別裝置

對(duì)障礙物侵入監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行智能識(shí)別的設(shè)備，包括二維激光掃描器、雷達(dá)智能識(shí)別機(jī)和電源等，實(shí)現(xiàn)基于激光掃描技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)警范圍進(jìn)行平面掃描，并實(shí)時(shí)采集和識(shí)別障礙物特征數(shù)據(jù)。

■3.2 視頻分析裝置

對(duì)障礙物侵入監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行智能分析的設(shè)備，包括夜視球機(jī)攝像機(jī)、視頻智能分析機(jī)、電源等，能在白天、夜晚、雨天采集到清晰的彩色的圖像，實(shí)現(xiàn)基于圖像智能識(shí)別技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍進(jìn)行攝像，并實(shí)時(shí)采集和識(shí)別障礙物的圖像數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

■3.3 數(shù)據(jù)處理裝置

對(duì)雷達(dá)識(shí)別裝置和視頻分析裝置傳入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、邏輯判斷，發(fā)出報(bào)警指令，包括上位機(jī)、NVR、PLC、電源等。上位機(jī)負(fù)責(zé)邏輯控制、信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)警驅(qū)動(dòng)等；NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)球機(jī)的視頻記錄、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等；PLC(可編程邏輯控制器)負(fù)責(zé)無(wú)線列調(diào)語(yǔ)音播報(bào)和報(bào)警燈通斷。

■3.4 預(yù)警與報(bào)警裝置

（1）預(yù)警功能

預(yù)警提示:管轄范圍內(nèi)有預(yù)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警提示，提醒用戶對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行處理。

預(yù)警定位:顯示預(yù)警信息時(shí)，通過(guò)電子地圖等方式給出預(yù)警位置信息。

預(yù)警處理:支持對(duì)預(yù)警信息的確認(rèn)、 處理以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、設(shè)備預(yù)警進(jìn)行解除。

預(yù)警查詢:查詢歷史預(yù)警信息及其處理結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)分析: 具備對(duì)預(yù)警信息及其處理結(jié)果、 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能、并能通過(guò)圖表對(duì)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行展示。

（2）報(bào)警功能

報(bào)警提示:管轄范圍內(nèi)有報(bào)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警提示，提醒用戶對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理。

報(bào)警定位:顯示報(bào)警信息時(shí)，通過(guò)電子地圖等方式給出報(bào)警位置信息。

報(bào)警處理:支持對(duì)報(bào)警信息的確認(rèn)、 處理以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、設(shè)備報(bào)警進(jìn)行解除。

報(bào)警查詢:查詢歷史報(bào)警信息及其處理結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)分析: 具備對(duì)預(yù)警信息及其處理結(jié)果、 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能、并能通過(guò)圖表對(duì)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行展示,系統(tǒng)整體功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能圖

■3.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心以路局為單位設(shè)置，按路局、工務(wù)段、兩端車(chē)站對(duì)管轄范圍內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的預(yù)（報(bào)）警信息、設(shè)備狀態(tài)信息等進(jìn)行采集、處理、匯總、統(tǒng)計(jì)分析，包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、接口服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端、維護(hù)管理終端等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警信息處理等功能。監(jiān)測(cè)終端為路局安全監(jiān)測(cè)預(yù)警終端、工務(wù)段調(diào)度安全監(jiān)測(cè)預(yù)警終端、上行車(chē)站關(guān)門(mén)防護(hù)預(yù)警終端、下行車(chē)站關(guān)門(mén)防護(hù)預(yù)警終端。

4 結(jié)論

鐵路沿線落石監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施將有效避免鐵路沿線落石所帶來(lái)的安全隱患，為鐵路沿線安全管理辦法提出新的方案。同時(shí)該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線區(qū)域不間斷全天候高可靠性的入侵報(bào)警，避免因?yàn)樘鞖馇闆r等造成的誤報(bào)和漏報(bào)，減少現(xiàn)場(chǎng)巡邏人員數(shù)量，大大減輕了巡路人員工作強(qiáng)度，提高了鐵路沿線管理數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化水平，避免因各種入侵造成安全風(fēng)險(xiǎn)和損失，降低鐵路沿線安全監(jiān)控、保安值守等長(zhǎng)期綜合成本。