線路障礙自動監測報警系統開發與應用

楊明 金強 湯亞鴿

摘? 要：針對鐵路系統近年來頻發的因線路障礙而引發行車事故的情況，提出了采用激光雷達、振動感應、聲波監測、視頻監控等多種方式結合實現對鐵路線路障礙自動監測報警的方法，應用于鐵路線路的落石監測報警。首先進行了整體方案設計;然后設計了硬件電路、智能過濾算法和視頻圖像分析識別算法;最后進行了系統整體調試。現場實測和實驗表明，該系統實現了障礙物入侵鐵路線路后自動監測報警。

關鍵詞：鐵路線路障礙;激光雷達;自動監測報警

中圖分類號：U298? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0159-02

Abstract： In view of the frequent traffic accidents caused by line obstacles in the railway system in recent years， this paper puts forward a method to realize the automatic monitoring and alarm of railway line obstacles by means of LiDAR， vibration induction， acoustic wave monitoring， video monitoring and so on， which is applied to the rockfall monitoring and alarm of railway lines. First of all， the overall scheme is designed; then the hardware circuit， intelligent filtering algorithm and video image analysis and recognition algorithm are designed; finally， the whole system is debugged. The field measurement and experiment show that the system realizes the automatic monitoring and alarm after the obstacle invades the railway line.

Keywords： railway line obstacle; LiDAR; automatic monitoring alarm

1 概述

為了滿足鐵路運輸的飛速發展，鐵路線網建設的安全性，對線路障礙自動監測報警系統的研究刻不容緩。本文提出了采用激光雷達傳感器、振動傳感器、攝像機構建系統的方法，通過激光雷達傳感器對鐵路鋼軌水平面的障礙進行檢測，對障礙的大小、位置進行判斷從而對線路安全報警提示;設計了激光雷達控制電路、雷達波處理電路和電機驅動電路，實現了激光雷達掃描設備的全向運動、精確定位和智能過濾。

2 總體方案設計

鐵路線路障礙自動監測報警系統由激光雷達傳感器、視頻監控、振動傳感器、聲波監測傳感器、動物驅趕裝置、數據處理裝置、中心設備組成。數據處理裝置負責現場設備信息匯總、控制、報警產生以及對后臺提供數據服務，包括對攝像機、報警設備的控制。

2.1 線路落石監測設計方案

激光雷達傳感器高頻度地向監測區域發射紅外激光，并同步采集目標反射的激光圖像，通過三角測量方法獲取目標的二維截面外形信息和距離信息。通過對激光特征圖像進行分析并提取目標特征，實現對目標完整的運行軌跡的跟蹤，并進一步對目標的速度、幾何外形等數據進行智能分析，從而確定目標的類型和位置信息，根據不同的應用場合所設定的報警檢測邏輯做出是否報警的判定。

激光雷達設備安裝于鐵路一側，水平高度高于鐵路鋼軌平面70mm。

2.2 視頻聯動設計方案

當掃描到線路障礙物并產生報警后，觸發現場攝像機進行視頻聯動，啟動視頻監控抓拍，視頻圖像采用無線方式傳輸到中心。管理人員也可以通過云臺控制攝像機到指定位置查看現場某處的細節畫面，及時掌握現場情況。借助視頻監控不僅可以對報警信息進行直觀確認，還可根據現場狀況第一時間組織維護搶險，切實保證鐵路行車安全。視頻監控保存的視頻圖像可以作為線路維護資料的重要組成部分，將為日后的維護維修提供影像依據。

2.3 振動監測設計方案

采用振動傳感器對監測區域的振動進行監測，以便對落石、崩塌等災害發生情況等振動信號進行進一步的分析判斷，用于過濾無效干擾信號，增強系統報警準確率，降低誤報警。根據實際的現場測試情況，振動傳感器能夠先對列車經過及障礙物掉落進行識別，之后由雷達傳感器和音頻傳感器對監測區域內的目標特征采集信息，進行更精確的識別，使系統可以更為精準的判斷障礙物是否影響列車安全運行。

2.4 聲波監測設計方案

當發生落石、滑坡、崩塌造成障礙物阻塞線路，危及行車安全時，可通過次聲波監測裝置進行監測分析，因為落石和崩塌等有特點的聲波信號，可以作為現場掃描監測的輔助確認手段，保證系統的可用性。系統采用音頻采集器將采集到的音頻信號進行頻譜分析，通過對不同頻段的信號進行分析，確定列車經過及障礙物掉落所產生的聲音信號所在頻段進行判斷分析，可以有效判斷出是否為列車經過，結合雷達傳感器和振動傳感器數據確定障礙物性質。

2.5 動物驅趕設計方案

系統設置動物驅趕裝置，在運行過程中發出超聲波刺激動物的神經系統，從而在一定范圍內驅趕誤入的動物，避免動物靠近防御區域，以避免因動物造成的監測誤報情況，保證系統報警準確可靠。驅趕器工作在超聲波頻段，不會對列車駕駛員及其他相關人員造成影響。

3 硬件系統設計

線路障礙自動監測報警系統硬件包括激光雷達傳感器、振動傳感器、聲波監測傳感器、動物驅趕裝置、視頻監控攝像機、數據處理裝置、中心設備組成。

激光雷達傳感器，最大掃描角度能夠達到270°、角度分辨率為0.25/0.5°、掃描頻率為25/50Hz、響應時間為10～40ms，測量精度為±20mm、光斑大小為11.9 mrad（11.9mm/m）、激光波長為紅外（905nm），激光等級為1級（人眼安全）。

振動傳感器采用高精度三軸振動傳感器，可選量程±2g/±4g/±8g，最高采樣精度（1/1024）g。通過大量現場實際采集數據分析，將傳感器量程配置為±2g。

音頻傳感器采用進口部件，具有高靈敏度、高帶寬、低噪音的特點，頻率響應20Hz-20KHz。傳感器內置防雷擊、防電源反接功能，外殼采用一體化金屬外殼，防水、防潮、防塵性能好，符合IP65標準。

數據處理裝置處理各種探測傳感器的信息，配置為嵌入式工業級工控機，采用Intel i7處理器、8G內存、1T工業級固態硬盤，運行環境為-40℃～55℃。通過綜合比較分析，得出報警結果，一方面直接輸出給現場報警燈、列調電臺等通知現場人員進行險源查看和避讓;另一方面通過數據通信系統發送到中心設備，中心設備在終端顯示報警信息，并以手機短信方式通知相關管理人員。

4 軟件系統設計

服務器軟件編程環境為visual studio2017，采用C#開發語言，數據庫采用Oracle 11g。

數據處理主機編程軟件選擇visual studio2017，采用C++開發語言，用基于物體識別、目標追蹤的算法，能夠對障礙物的尺寸、運動軌跡、停留時間等信息進行計算、分析、判斷等。

5 結束語

本文所設計的線路障礙自動監測報警系統實現了對鐵路線路異物侵入監測和報警等功能，通過測試和實驗，結果表明達到預期設計目標，該產品具有很好的應用前景和推廣價值。

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