馬珺杰，楊艾琳

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

0 引言

隨著我國鐵路行業(yè)的高速發(fā)展，列車運行速度不斷提高，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，都能給行車帶來災(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)生列車和障礙物相撞的事故，輕則導(dǎo)致機車損傷，鐵路線路長時間中斷，嚴(yán)重的還可能發(fā)生列車出軌、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行的需求。因此，能夠準(zhǔn)確的在落石發(fā)生后第一時間發(fā)現(xiàn)并攔停列車是防止發(fā)生事故的重要關(guān)鍵點。所以，研發(fā)并安裝一套鐵路沿線落石監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫。

現(xiàn)階段，一些機構(gòu)根據(jù)落石監(jiān)測需求開發(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)用過程中仍存在一系列問題。隨著雷達(dá)監(jiān)控和視頻監(jiān)控技術(shù)的普及與融合，越來越多的工程運行行業(yè)在引入這兩種技術(shù)來實現(xiàn)對運行情況的多重監(jiān)控與預(yù)警。這些運行監(jiān)控自然產(chǎn)生了海量的視頻和圖像數(shù)據(jù)，進而對傳統(tǒng)的后端存儲和帶來一系列的考驗。對采用智能化技術(shù)建設(shè)的設(shè)施的要求也越來越高。能夠準(zhǔn)確的在落石發(fā)生后第一時間發(fā)現(xiàn)并攔停列車，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)測及預(yù)警平臺對于保障鐵路運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)

對鐵路線路進行落石的監(jiān)控、識別與預(yù)警是行車安全的重要保障與關(guān)鍵需求，當(dāng)列車運行線路發(fā)生泥石流、崩塌、落石等異物侵限和突發(fā)事件時可以及時地發(fā)現(xiàn)特情并進行應(yīng)急處置，實現(xiàn)線路監(jiān)測信息的分布式感知、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)圖像和視頻圖像進行了傳感融合，地面監(jiān)測單元將采用激光雷達(dá)實時向監(jiān)測區(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獲取障礙物的目標(biāo)信息。核心控制單元對地面監(jiān)測單元上傳的數(shù)據(jù)判斷發(fā)生落石告警，聯(lián)動高清網(wǎng)絡(luò)攝像機轉(zhuǎn)動到障礙物所在區(qū)域進行抓拍、錄像，將視頻圖像信息上傳至監(jiān)控中心進行存儲、展示，監(jiān)控終端通過聲光報警提示值班人員。同時，核心控制單元聯(lián)動現(xiàn)場的報警裝置發(fā)出語音及報警燈警示，提醒列車司機注意行車安全，系統(tǒng)運行可靠后實現(xiàn)聯(lián)動控車的目的。

■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)分別覆蓋沿線進行數(shù)據(jù)收集，然后對分布式傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行特征提取與識別，并將目標(biāo)與環(huán)境進行數(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)進行融合處理，從而得出關(guān)于線路目標(biāo)狀態(tài)的態(tài)勢感知。這對傳感器之間的時空融合與數(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)系進行融合與轉(zhuǎn)換，是多傳感器數(shù)據(jù)之間實現(xiàn)空間融合的關(guān)鍵步驟。雷達(dá)與視覺傳感器空間融合就是將不同傳感器坐標(biāo)系的測量值轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中。由于前向視覺系統(tǒng)以視覺為主，只需將雷達(dá)坐標(biāo)系下的測量點通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝像機對應(yīng)的像素坐標(biāo)系下即可實現(xiàn)多傳感器的空間同步。

（2）時間融合

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，還需要在相同的時間框架下進行同步與融合。根據(jù)雷達(dá)功能工作手冊，其采樣周期為50ms，即采樣幀速率為20 幀/秒，而攝像機采樣幀速率為25 幀/秒。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，以攝像機采樣速率為基準(zhǔn)，攝像機每采一幀圖像，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)與視覺融合的數(shù)據(jù)，從而保證了雷達(dá)數(shù)據(jù)和攝像機數(shù)據(jù)時間上的同步。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路線路落石監(jiān)測及預(yù)警平臺系統(tǒng)主要通過激光雷達(dá)對軌面進行掃描，基于激光掃描技術(shù)，自動對監(jiān)測范圍內(nèi)的軌面上方一定高度進行實時掃描，采集障礙物特征數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)由工控機進行邏輯判斷，輸出信號到PLC，由PLC控制相應(yīng)喇叭、攝像頭、燈光、電臺等設(shè)備進行相應(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

對障礙物侵入監(jiān)測范圍進行智能識別、分析、判斷并產(chǎn)生預(yù)警或報警信息的設(shè)備，包括雷達(dá)識別裝置、視頻分析裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、報警裝置，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)圖例框圖

■3.1 雷達(dá)識別裝置

對障礙物侵入監(jiān)測范圍進行智能識別的設(shè)備，包括二維激光掃描器、雷達(dá)智能識別機和電源等，實現(xiàn)基于激光掃描技術(shù)對監(jiān)測報警范圍進行平面掃描，并實時采集和識別障礙物特征數(shù)據(jù)。

■3.2 視頻分析裝置

對障礙物侵入監(jiān)測范圍進行智能分析的設(shè)備，包括夜視球機攝像機、視頻智能分析機、電源等，能在白天、夜晚、雨天采集到清晰的彩色的圖像，實現(xiàn)基于圖像智能識別技術(shù)對監(jiān)測預(yù)警范圍進行攝像，并實時采集和識別障礙物的圖像數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)。

■3.3 數(shù)據(jù)處理裝置

對雷達(dá)識別裝置和視頻分析裝置傳入的信息進行數(shù)據(jù)分析、邏輯判斷，發(fā)出報警指令，包括上位機、NVR、PLC、電源等。上位機負(fù)責(zé)邏輯控制、信號轉(zhuǎn)發(fā)、報警驅(qū)動等；NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)球機的視頻記錄、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等；PLC(可編程邏輯控制器)負(fù)責(zé)無線列調(diào)語音播報和報警燈通斷。

■3.4 預(yù)警與報警裝置

（1）預(yù)警功能

預(yù)警提示:管轄范圍內(nèi)有預(yù)警時自動觸發(fā)預(yù)警提示，提醒用戶對預(yù)警信息進行處理。

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

預(yù)警處理:支持對預(yù)警信息的確認(rèn)、 處理以及對現(xiàn)場監(jiān)控、設(shè)備預(yù)警進行解除。

預(yù)警查詢:查詢歷史預(yù)警信息及其處理結(jié)果。

統(tǒng)計分析: 具備對預(yù)警信息及其處理結(jié)果、 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能、并能通過圖表對統(tǒng)計分析結(jié)果進行展示。

（2）報警功能

報警提示:管轄范圍內(nèi)有報警時自動觸發(fā)報警提示，提醒用戶對報警信息進行處理。

報警定位:顯示報警信息時，通過電子地圖等方式給出報警位置信息。

報警處理:支持對報警信息的確認(rèn)、 處理以及對現(xiàn)場監(jiān)控、設(shè)備報警進行解除。

報警查詢:查詢歷史報警信息及其處理結(jié)果。

統(tǒng)計分析: 具備對預(yù)警信息及其處理結(jié)果、 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能、并能通過圖表對統(tǒng)計分析結(jié)果進行展示,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、兩端車站對管轄范圍內(nèi)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送的預(yù)（報）警信息、設(shè)備狀態(tài)信息等進行采集、處理、匯總、統(tǒng)計分析，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、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、監(jiān)測終端、維護管理終端等，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測、報警信息處理等功能。監(jiān)測終端為路局安全監(jiān)測預(yù)警終端、工務(wù)段調(diào)度安全監(jiān)測預(yù)警終端、上行車站關(guān)門防護預(yù)警終端、下行車站關(guān)門防護預(yù)警終端。

4 結(jié)論

鐵路沿線落石監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的實施將有效避免鐵路沿線落石所帶來的安全隱患，為鐵路沿線安全管理辦法提出新的方案。同時該系統(tǒng)還實現(xiàn)了鐵路沿線區(qū)域不間斷全天候高可靠性的入侵報警，避免因為天氣情況等造成的誤報和漏報，減少現(xiàn)場巡邏人員數(shù)量，大大減輕了巡路人員工作強度，提高了鐵路沿線管理數(shù)字化、自動化、智能化水平，避免因各種入侵造成安全風(fēng)險和損失，降低鐵路沿線安全監(jiān)控、保安值守等長期綜合成本。