基于雷達(dá)測(cè)距的鐵路工程車防撞系統(tǒng)

康燕仁

本文設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種基于雷達(dá)測(cè)距的鐵路工程車防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由微波測(cè)距雷達(dá)、激光測(cè)距雷達(dá)、激光對(duì)射模塊、攝像頭和主控組成，微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和激光對(duì)射將周圍獲取的信息傳給單片機(jī)，再通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控，主控將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合并與設(shè)定的門限值做比較，從而形成報(bào)警。同時(shí)主控根據(jù)前方路況畫面進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過攝像頭獲取實(shí)時(shí)圖像，導(dǎo)入深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。

近年來，隨著軌道交通建設(shè)規(guī)劃的實(shí)施，軌道交通、客運(yùn)專線建設(shè)正在高速發(fā)展，已成為城市居民便捷出行的主要交通工具。為了實(shí)現(xiàn)更快的人員來往、物資運(yùn)輸，列車運(yùn)行速度在不斷提高，同時(shí)為了保障列車運(yùn)行的安全，對(duì)軌道車輛及運(yùn)營設(shè)備的要求也越來越高。如何保障列車安全運(yùn)營成為軌道交通最為重要和最受關(guān)注的話題。

鐵路檢修工程車作為鐵路安全防護(hù)與檢修中的重要一環(huán)，扮演著至關(guān)重要的角色，其主要應(yīng)用于牽引檢修、運(yùn)輸檢修、軌道檢修和軌道維護(hù)等方面。考慮到運(yùn)營的特殊性和經(jīng)濟(jì)性，鐵路工程車并沒有安裝列車運(yùn)行自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）或其他列控系統(tǒng)，其安全防護(hù)主要依靠人眼識(shí)別判斷，因此在防護(hù)力度、安全性、操作性及反應(yīng)靈敏度等方面存在一定的缺陷，例如：

①鐵路工程車運(yùn)行在還未完成的鐵路上，或多個(gè)不同作業(yè)的工程車同時(shí)工作時(shí)，由于沒有任何檢測(cè)裝置和報(bào)警系統(tǒng)，工程車司機(jī)一旦疏忽，很可能導(dǎo)致相撞。

②當(dāng)前方出現(xiàn)其他物體時(shí)，需要迅速判斷該減速、停止還是繼續(xù)工作。司機(jī)受施工作業(yè)壓力、任務(wù)繁重等因素影響，可能會(huì)出現(xiàn)處理速度慢，甚至錯(cuò)誤處理等危險(xiǎn)行為。

因此需要研究制造一套與信號(hào)系統(tǒng)完全獨(dú)立且能全天時(shí)、全天候自主工作的工程車行車安全保障系統(tǒng)。

系統(tǒng)功能

1.探測(cè)功能

主要對(duì)微波測(cè)距雷達(dá)、激光測(cè)距雷達(dá)、激光對(duì)射模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過單片機(jī)發(fā)送到ZigBee再經(jīng)過ZigBee無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)。其中微波雷達(dá)對(duì)工程車的左、上、右3個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)，探測(cè)距離≥8 m，屬于進(jìn)程防護(hù)；激光雷達(dá)對(duì)工程車的前方和后方進(jìn)行檢測(cè)，探測(cè)距離≥800 m，屬于遠(yuǎn)程防護(hù)；激光對(duì)射模塊，檢測(cè)工程車自身的高度和寬度，以免造成剮蹭或意外事故。

2.分類識(shí)別功能

工程車的前方路況畫面通過攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，同時(shí)傳給主控，主控通過深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行識(shí)別、預(yù)測(cè)和分類。

3.信息融合功能

主控對(duì)獲取的多組雷達(dá)數(shù)據(jù)和分類的結(jié)果進(jìn)行處理，并與設(shè)置的門限值做比較，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警條件進(jìn)行語音報(bào)警。同時(shí)設(shè)置傳感器自檢功能，系統(tǒng)每隔5 s發(fā)一個(gè)信號(hào)脈沖，一旦在超過10 s仍接不到脈沖時(shí)系統(tǒng)立即報(bào)警，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。鐵路工程車防撞系統(tǒng)總體功如圖1所示。

系統(tǒng)硬件模塊

1.微波雷達(dá)測(cè)距

本系統(tǒng)微波雷達(dá)采用的是基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的測(cè)距雷達(dá)，F(xiàn)MCW雷達(dá)與脈沖雷達(dá)相比具有較大的帶寬，因此具有較高的距離分辨力。微波雷達(dá)測(cè)距模塊如圖2所示。且具有超大的時(shí)帶積，遠(yuǎn)大于相同信號(hào)帶寬和電平的脈沖雷達(dá)，所以在相同檢測(cè)能力條件下，F(xiàn)MCW雷達(dá)發(fā)射功率低，不易被截獲。

相比于激光雷達(dá)，微波雷達(dá)的抗干擾能力更強(qiáng)，可以在雨雪、霧霾及沙塵暴等惡劣天氣下正常工作，在糟糕環(huán)境下微波雷達(dá)的穿透性更勝一籌。

2.激光雷達(dá)測(cè)距

相比于微波雷達(dá)，激光雷達(dá)具有探測(cè)范圍較廣（本系統(tǒng)激光雷達(dá)最高可測(cè)得1 000 m）、探測(cè)精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理與微波雷達(dá)基本類似，只是激光雷達(dá)發(fā)射的電磁波是一條直線，主要以光粒子發(fā)射為主要方法。

3.激光對(duì)射探測(cè)

激光對(duì)射屬于主動(dòng)式入侵探測(cè)器，由激光發(fā)射機(jī)和激光接收機(jī)兩部分構(gòu)成。

在激光發(fā)射機(jī)和激光接收機(jī)之間形成調(diào)制后的一條或者多條激光光束，當(dāng)激光接收機(jī)可靠接收到激光發(fā)射機(jī)發(fā)出的調(diào)制信號(hào)時(shí)，激光接收機(jī)判定激光入侵探測(cè)器工作正常，就會(huì)維持當(dāng)前的輸出信號(hào)不變。當(dāng)激光接收機(jī)接收不到激光發(fā)射機(jī)的調(diào)制信號(hào)時(shí)（激光發(fā)射機(jī)和激光接收機(jī)之間有物體阻斷激光射線或者激光發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障），激光接收機(jī)就會(huì)判定激光入侵探測(cè)器工作不正常，激光接收機(jī)就會(huì)輸出變化的報(bào)警信號(hào)給后端相連接的報(bào)警控制器或者相關(guān)聯(lián)動(dòng)設(shè)備，產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息。

4. ZigBee無線通信

有線通信的布線繁瑣復(fù)雜，因此本系統(tǒng)采用無線通信網(wǎng)絡(luò)代替有線通信進(jìn)行信息傳輸，無線傳輸技術(shù)主要有WiFi、NFC、ZigBee以及藍(lán)牙等。采用ZigBee是因其具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率及低成本等特點(diǎn)。

系統(tǒng)軟件功能模塊

1.數(shù)據(jù)信息采集

微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和激光對(duì)射3個(gè)模塊將獲取的信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控。

2.圖像分類識(shí)別

本系統(tǒng)需要對(duì)前面路況進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，判斷前方是直行還是轉(zhuǎn)彎，判斷前方是否出現(xiàn)人、畜和其他工程車。采用的圖像識(shí)別模型是基于Keras的CNN深度學(xué)習(xí)的AlexNet模型。先在測(cè)試集上進(jìn)行訓(xùn)練，并將各層權(quán)重進(jìn)行保存。之后通過Python調(diào)用攝像頭，并每隔數(shù)幀讀取圖片，并通過上述模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果保存在文檔，實(shí)時(shí)更新，供QT Creator調(diào)用。

3.主控?cái)?shù)據(jù)處理

主控通過ZigBee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)獲取各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，與自己設(shè)定的門限值比較，根據(jù)報(bào)警條件產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警，并將報(bào)警信息顯示在屏幕上，同時(shí)將前方路況預(yù)測(cè)的信息顯示在屏幕上。此外，還設(shè)置信號(hào)通道自檢功能，在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到相應(yīng)ZigBee的數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，由于該危險(xiǎn)系數(shù)較高，因此將直接中斷總串口的讀取。

結(jié)果數(shù)據(jù)分析

模型數(shù)據(jù)顯示，微波雷達(dá)讀取速率≥10 Hz，測(cè)距精度≤0.1 m，探測(cè)距離≥10 m，且數(shù)據(jù)正確率達(dá)到98 %以上。激光雷達(dá)讀取速率≥2 Hz，測(cè)距精度≤1 m，探測(cè)距離≥800 m，數(shù)據(jù)正確率達(dá)90 %以上。激光對(duì)射模塊至少可在10 m距離實(shí)現(xiàn)感應(yīng)，數(shù)據(jù)正確率達(dá)到99%以上。前方路況識(shí)別率全部80%以上。

本項(xiàng)目通過對(duì)所研究系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了討論、驗(yàn)證和測(cè)試，搭建了樣機(jī)模型。隨著現(xiàn)代化交通設(shè)施的發(fā)展，鐵路工程車作為保障鐵路安全性能最重要的一環(huán)，對(duì)其行駛時(shí)的安全防護(hù)與周圍環(huán)境的檢測(cè)不容忽視。基于此，本項(xiàng)目基于雷達(dá)測(cè)距的鐵路工程車防撞系統(tǒng)將具有極大的參考和應(yīng)用價(jià)值。