異物侵限監測報警系統在太焦線安全行車中的應用

李鵬利

（山西省自動化研究所， 山西 太原 030000）

引言

太焦線穿越山西、河南地區，鐵路途徑山區、丘陵地帶居多，這些地帶的地質情況多數不良，使得自然災害發生的幾率大增，包括嚴重威脅鐵路安全行車的異物侵限災害。鐵路異物侵限災害若沒有被及時發現，會對鐵路部門造成巨大危害和損失。

根據線路沿線的環境特點，本系統采用高頻紅外激光掃描成像和目標類型智能分析的綜合技術方法，在技術研究的基礎上進行工程強化設計，形成適用于鐵路沿線環境、能針對沿線重點路段危及行車安全的侵限異物進行全天候自動監測。

1 系統構成

1.1 系統網絡結構

系統通過激光雷達掃描軌面，激光雷達將掃描到的數據通過以太網傳到終端，由終端進行識別運算，當終端識別防區內有影響行車安全的異物時，立即輸出信號到PLC，由PLC控制相應喇叭、紅燈、電臺進行相應方式的報警，并通知云端，云端控制短信網關發送通知短信，操作員可以確認或解除報警。系統網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構圖

1.2 系統硬件結構

監測系統采用分體式結構，分成核心控制系統、激光掃描單元、微光夜視系統、云端監控中心四部分。

1.2.1 核心控制單元

采用室外露天防護箱，采用高彈性的發泡PU密封裝置保證高防護等級，具有散熱、防凍特點，內裝溫控器，保證內部設備能在任何天氣條件下正常工作。主要功能是采集數據、分析數據、上傳數據，并為整個系統提供穩定電源。

1.2.2 激光掃描單元

采用特殊防護結構，進行有效防護內部激光掃描雷達不被損壞，根據需要監測區域的大小，由一套或多套激光掃描單元來組成。每套單元的有效防護半徑為40 m，防護角度為180°。

1.2.3 微光夜視球機

采用微光夜視球機，全天候對監測現場進行視頻圖像的采集，能根據指令進行障礙物侵限位置的跟蹤，拍攝現場圖像或視頻并上傳送至監控中心。

1.2.4 云端控制中心

云端系統軟件平臺采用B/S結構（Browser/Server），MVC開發模式，MVC強制性的使應用程序的輸入、處理和輸出分開。使用MVC開發的應用程序被分成視圖、模型、控制器三個核心部件。

系統硬件結構如下頁圖2所示。

2 系統功能及技術創新點

系統采用模塊化的設計，根據實現功能和用途的不同，劃分為五個部分，其中監控中心是云端控制中心，部署在中央機房，其他部分部署在鐵路現場。

2.1 主要技術創新點

1）本系統以BP神經網絡算法為基礎與模糊算法相結合，可識別多種物體輪廓。使該系統具有在復雜多變的環境中，勝任多樣化任務的能力。

2）利用激光雷達高頻度的掃描鐵道軌面，自動完成監測區域內線路障礙物的目標發現與跟蹤。具備很高的全天候工作能力和可靠性。

3）采用多目標鎖定技術，單臺激光檢測設備可在其監測區域內，同時對多個物體進行鎖定，分別計算出其位置，形態，大小等信息，將侵限信息通過無線網絡及時上傳云端監控中心。

4）綜合運用激光掃描成像技術、目標類型智能分析技術、微光夜視技術、目標視頻跟蹤技術對線路各種侵限障礙進行非接觸式監測和識別。

圖2 系統硬件結構圖

2.2 系統主要功能

一是自動監測。系統可完全不依賴人工干預，自動對監測區域的各類目標進行監測，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測提供了一種周密、有效的技術手段，可以替代人工值守的防洪模式，實現減員增效的目標。二是物體識別。激光檢測設備根據測量的實時數據計算分析出侵限異物的外輪廓與運動情況，從而對物體的類型分類，識別侵入安全限界以內的物體是否會對行車安全產生影響。三是多目標鎖定。單臺激光檢測設備可在其監測區域內，同時對多個物體進行鎖定，分別計算出其位置，形態，大小等信息，并及時上傳，便于工作人員進行準確處理，提高工作效率。四是學習能力。本系統采用神經識別算法，模擬人體大腦的學習、判斷模式，具有再學習的能力。如將本系統安置在不同的環境中，識別的物體差異非常大，可將該環境下的數據收集進入數據庫，系統可按照數據庫中的數據進行再學習，從而適應環境。五是非接觸運行。系統與被監測區域的線路、路基等無物理接觸和連接，確保其不對鐵路線路的正常運行和施工維修帶來任何影響，同時能夠在各種鐵路線路地質條件下快速部署和便捷維護。六是全天候工作。系統可在春夏秋冬各個季節24 h不間斷工作，并能適應各種大風、大雨、大雪、大霧天氣對系統工作造成的影響，尤其是系統在夜間的工作可靠性保持了一個極高的水平。七是豐富的報警接口。系統同時預留支持行車告警的接口和工務告警的接口。八是告警信息直觀。系統采用微光夜視攝像技術，具備目標跟蹤能力，能夠提供告警現場的清晰、直觀的告警圖片，便于相關領導和工作人員準確判斷危害程度，快速、合理地組織搶險。九是可靠運行。系統針對線路現場自然條件設計，在高溫、低溫、高濕等各種環境下能可靠運行，同時在系統整體工作的可靠性及防盜、防破壞等方面也做了針對性設計，經現場實地運行驗證，在國內南北地區、各個季節均有很強的工作適應性。十是系統自檢功能。系統還具備完整的故障自診斷能力，運行維護工作量很低。十一是云端系統軟件平臺采用B/S結構（Browser/Server），主要功能有登錄權限、用戶管理、角色管理、部門管理、站點管理、實時報警、定時巡航。

3 項目運行

異物侵限監測報警系統自2016年安裝運行以來，沒有出現斷電情況，所有數據都能正常傳送到數據庫，系統運行穩定。系統顯示界面友好，操作簡便。后臺數據分析、統計功能齊全，能從不同角度對入庫的添乘數據進行分析并生成報表。

在運行期間異物侵限監測報警系統能有效的排除線路上車輛、人員、動物等因素的干擾，準確、可靠的判定出影響行車安全的障礙物，充分保證了系統在線路自然環境下的可用性。在此期間共進行150次現場試驗，激光掃描單元測量精準，監測有效方位均超出40 m半徑。數據上產迅速，報警信息發送及時。

在運行期間，所有經過監測點的火車均被發現并拍照上傳，圖片清晰，能有效識別，沒有形成報警事件。發現工務養護人員1243次經過或者逗留，形成報警事件22次。發現動物入侵19次，全部形成報警事件，并成功驅離。

4 應用體會

異物侵限監測報警系統在太焦線的應用，實現了高密度行車線路的全天候非接觸式自動監測，提高了工務養護人員的工作效率，降低了養護工人的勞動強度，改善了掩護工人的工作環境，縮短了線路的養護周期，使線路入侵得到及時處理。線路質量的提高必將有力地保證行車安全，降低事故發生率。

根據用戶使用需求、跟蹤技術和業務需求的發展，進一步完善和優化系統功能。