機車乘務員狀態預警提醒系統研究

張 利 中國鐵路上海局集團有限公司上海鐵路機車車輛發展有限公司

鐵路行車安全控制是鐵路人的一項永恒追求目標。當前鐵路機車牽引交路實行長交路跨段、跨局輪乘，結合雙班單司機值乘模式，機車乘務員操縱區段長、工作壓力大，列車行車安全的風險和責任也大大增加。據統計因人為造成的事故仍占較高比例，解決機車乘務員行車精神不振、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域。

1 立項背景

針對列車運行中可能出現的機車乘務員行車精神不振、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手段在發生上述問題的同時給予報警提示，及時糾正乘務員的駕駛狀態，防控風險于前期。通過多年現場調查和技術研發，我們采用紅外窄帶非可見主動光源，幀間關聯，神經網絡算法，綜合判別虹膜、眼部幾何特征軟件系統與DSP電路、FPGA識別硬件系統等多項技術，實現了機車乘務員工作狀態的在線監測。裝置全天候，準確、清晰地采集在線機車乘務員工作狀態視頻流圖像。以每秒15幀的頻率處理視頻圖像參數，能夠準確識別機車乘務員當前的了望狀態。

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

該裝置相當于每臺機車配備了一名專職監督提醒機車乘務員行車精神和了望狀態的“指導司機”，安全管理由事后控制轉向事先預防，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

本項目旨在利用先進的視頻圖像處理技術，在列車運行中，全程實時監測機車乘務員的工作狀態，當監測到機車乘務員視野偏離運行方向或持續閉眼10s、15s、20s（時長可設置）時，判定為間斷了望，立即發出提示語和預警信號，喚醒機車乘務員，避免事故發生，守護行車安全。

（1）結合鐵路機車的實際，應用動態圖像識別技和人臉識別技術，創新開發成為《乘務員狀態預警提醒系統》。在線提醒機車乘務員保持行車精神專注了望，為避免因機車乘務員行車精神不佳造成列車行車安全事故發生提供可靠保障。

（2）在機車運行速度達到0 km/h以上時，設備自動投入工作狀態，實時監控機車乘務員行車精神和了望狀態，實現在線及時提醒、警示。

（3）在機車0 km/h速度時，設備處于待機狀態，避免對機車乘務員的干擾，實現友好監測和預警。。

（4）用專用地面分析軟件對數據進行分析。對在線機車乘務員了望狀態圖像，實現自動篩選報警存儲圖像，自動生成周期性和定制性報表，為機務段安全管理篩選重點人、重點區段、重點時間提供數據支持，增強安全管理的針對性和可操作性。

（5）能接入機車車載安全防護系統（6A系統）。

（6）具備全工況模式，調車工況下可自動識別正常報警。

（7）數據進行加密處理，確保數據不外泄，維護數據安全。

（8）可定位機車位置。

（9）可無線傳輸數據，可實時查看乘務員正面視頻，報警數據可遠程傳輸。

（10）預留接口，可實現乘務員值乘提醒報警視頻和機車監控視頻數據融合，數據交互通訊、信息共享。

3 主要研究內容

3.1 車載系統組成

6A型機車車載系統由圖像采集器（攝像頭）、AV4板卡、連接線纜組成。

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

3.2 主機

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、光電轉換模塊、圖像采集卡模塊、模擬信號數字信號轉換模塊、DSP電路模塊、FPGA識別模塊、特定閾值計數器模塊、提示語模塊、預警器模塊，數據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

幀間關聯，自適應閾值二值化差分，神經網絡算法，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。

3.2.3 工作原理（見圖1）

圖1 系統工作原理框圖

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

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箱通訊記錄單元發布的廣播信息；插件的機械尺寸要求符合GB/T 19520.3-2004；通訊協議遵守TAX箱485通訊協議；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。

預留接口，可實現乘務員值乘提醒報警視頻和機車監控視頻融合數據交互通訊、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

地面分析系統主要包括七個功能模塊：系統設置、司機錄入、統計分析、檢索分析、退勤分析、清空轉儲盤和無線監控。管理人員可以通過PC機分析工具軟件，查看乘務員值乘過程中的報警情況。通過報警影像回放功能可真實、清晰再現報警情景，便于統計分析。還可將乘務員狀態視頻傳送到地面管理中心，管理人員可通過手機APP和PC網頁登陸后臺在線查看乘務員精神狀態，判斷行車安全狀態。

4 技術性能指標

4.1 實時、準確、及時

根據機車乘務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閉眼10s、15s、20s（時長可設置）時，分別發出“嘀”、“嘀嘀”、“請謹慎駕駛”的提示語音，在線提醒機車乘務員保持專注了望。

根據機車乘務員的臉部特征和臉部與操縱臺的相對空間位置，分析判斷機車乘務員值乘姿勢，在其值乘姿勢不端正連續1 min時，發出“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，做到抗干擾、非侵入，全天候應用。

4.3 舒適、人性化

采用非接觸式的監測、提醒方法，只通過安裝在駕駛臺前方的圖像采集設備，即可完成對機車乘務員了望狀態的監測和預警；非可見性紅外窄帶主動照明光源，不會對機車乘務員造成任何不舒適感覺；非接觸式的監測、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行的使用需求

采用全金屬外殼，結構堅固簡單；防震設計，抗震功能較強；自動運行，基本免維護；體積小、重量輕，安裝和使用方便，滿足列車在各種路況下運行的使用需求，操作簡捷。

5 結束語

通過對行車人為因素問題的思考，提出利用乘務員狀態預警提醒系統解決間斷了望問題的方案。