城市軌道交通障礙物探測系統設計方案研究

張曉林 高新亞

1.四創電子股份有限公司 安徽 合肥 230088 2.青島理工大學 山東 青島 266520

伴隨我國城市化進展，城市軌道交通以運量大、速度快、準時可靠等優勢，在我國公共交通事業中發揮越來越大的作用[1]。然而，伴隨城市軌道交通的高速發展，各類事故頻發。影響城市軌道交通運營安全的主要因素有軌道障礙物因素、車輛因素、供電因素、信號系統因素以及人為因素等，其中軌道障礙物極易帶來列車的破壞性撞擊，造成重大事故[2,3]。

目前軌道障礙物探測主要分為車載和固定兩種方式[4]。固定式布置于軌道沿線，探測范圍有限，只能布置在重點、敏感區域，不能實現全運行區間的安全保障。事實表明單一的傳感器手段，并不能可靠解決軌道障礙物的探測問題，若不考慮軌道交通特點，不充分利用軌道交通的先驗知識，單純從傳感器的角度解決障礙物探測的技術問題，也會使問題復雜化，造成探測系統成本的極大提升，不利于系統的推廣使用，不利于城市軌道交通運營安全的整體提升。

因此開展多傳感器探測、傳感器信息與軌道地理信息融合處理[5]，低成本的軌道交通障礙物探測技術具有較大的市場需求和一定的迫切性。為提高障礙識別的成功率，本文采用毫米波雷達[6]、高速相機[7]、激光雷達[8]三種傳感器同時進行障礙物探測。毫米波雷達探測距離遠，探測范圍大，不受天氣影響，可靠性高，但受其波束寬度的影響，空間分辨率不高。高速相機分辨率高，目標識別率高，但距離測量難度大，精度低。激光雷達測量精度高，但探測角度小，難以覆蓋全部探測空間。將雷達、相機、激光三者結合，用雷達解決探測距離、探測范圍問題，用圖像解決障礙物分辨、識別問題，用激光解決鐵軌等重點關注區域問題，對探測信息進行融合處理，可以有效提高障礙物的檢測概率。

1 軌道障礙探測系統組成及系統工作原理

本系統由雷達探測分系統、圖像探測分系統、激光探測分系統、信息融合處理分系統和電源分系統組成。其中雷達探測分系統采用35GHz毫米波雷達，固定拋物面天線，脈沖工作方式；圖像探測分系統采用雙相機方案，一個相機用于障礙物探測，另一個相機用于交通信號燈的識別；為保證可靠性，激光探測分系統采用固定安裝方式，不使用伺服系統，共安裝兩臺，分別布置在兩側軌道的上方，用于檢測軌道上方重點區域；信息融合處理分系統統一處理系統數據，完成雷達信號處理，圖像處理，激光雷達同步控制，軌道地理信息處理，障礙物探測信息判決、顯示、預警，運行信息存儲等功能，采用嵌入式設計，ARM處理器+FPGA體系結構。系統組成框圖見圖1。

圖1 系統組成框圖

2 障礙識別方案

2.1 毫米波雷達障礙探測方案

雷達工作頻率35GHz，作用距離80～250m，采用脈沖工作方式，收發共用天線。雷達信號脈沖寬度0.5us，峰值功率2W，波束指向精度1°。雷達由天線、發射機、接收機、頻率源、信號采集與信息處理系統，原理框圖見圖2。其中發射機、接收機、頻率源、天線為系統的射頻模擬收發系統。

圖2 軌道障礙物探測與識別系統組成原理框圖

天線采用拋物面天線，具有較高的波束指向精度，增益42dB，帶寬設計為5MHz，大于信號帶寬2MHz。接收機具有一個發射支路和一個接收支路。中頻信號2GHz，射頻信號35GHz。發射支路輸出功率1W，接收支路噪聲系數6.5dB。收發支路共用本振。中頻信號做正交解調至基帶采樣。

雷達信號由頻率源產生2GHz中頻，在接收機的調制器里受脈沖信號調制成為脈沖信號，上變頻為35GHz射頻信號由天線發射。調制脈沖的時寬和周期受到雷達探測距離的限制。脈沖寬度過窄，影響雷達發射功率，縮短探測距離；脈沖寬度過寬，增加近端盲區范圍。時寬設計為0.5us，可以保證近端75m的盲區和遠端300m的探測距離。信號周期可在線調整，并應大于2.5us以保證300m的探測距離。

2.2 圖像探測系統方案

根據總體功能要求，圖像探測分系統除完成障礙物檢測外，還需要識別軌道交通信號燈。由于障礙物檢測與交通信號燈識別對相機要求差異較大，因此圖像探測分系統采用雙相機方案，一個用于障礙物探測，一個用于軌道交通信號識別。

系統由障礙物探測相機、交通信號識別相機、數據處理分機等組成，其組成框圖如圖3所示。其中，圖像探測分系統沒有單獨的數據處理分機，其數據處理功能在系統的信息處理分系統內完成，數據處理分機的組成見信息處理分系統。

圖3 圖像探測分系統組成

2.2.1 障礙物探測

障礙物探測由數據處理分機的FPGA與嵌入式處理器共同完成。嵌入式處理器根據獲取的列車地理信息，調取預存的軌道特征庫發送給FPGA，并接收FPGA處理完成的障礙物識別信息；FPGA接收相機圖像數據和嵌入式處理器的軌道特征庫數據，進行圖像處理后，輸出障礙物探測信息。

圖像處理主要通過圖像預處理、限界識別和特征匹配三個步驟來進行障礙物檢測。

(1)圖像預處理

為改善圖像質量，提升后續圖像判讀的準確性，首先要對接收的圖像先進行圖像預處理，主要包括圖像增強、二值化等。

(2)限界識別

系統障礙物限定為限界內，首先應進行限界識別。軌道交通道路的最明顯特征是兩條鐵軌，確定鐵軌后向兩側延伸即為障礙物識別限界，本系統采用Hough變換的方法進行軌道識別。

(3)特征匹配

限界內的軌道圖像特征十分明顯，正常情況下只有鐵軌和規則排列的枕木，具有明顯的，易于區分的紋理特征，通過計算限界內圖像的紋理特征參數與軌道地理信息系統預存的紋理特征參數的差值，設定門限，即可判定是否存在障礙物。

紋理是圖像的基本特征，由灰度分布在空間位置上反復出現而形成的，因而在圖像空間中相隔某距離的兩像素之間會存在一定的灰度關系，灰度共生矩陣就是一種通過研究灰度的空間相關特性來描述紋理的常用方法。本系統通過比較相機圖像中限界內的灰度共生矩與預存的該參數的差值來判定障礙物。

2.2.2 交通信號識別

交通信號的識別較為簡單，只需要進行顏色與形狀的匹配就可以。首先，嵌入式處理器獲取列車位置，根據軌道地理信息，在信號燈進入列車視野內，向FPGA發出交通信號識別啟動信號；FPGA接到交通信號識別啟動信號后，接收相機數據，在圖像數據中識別信號燈并判別顏色，向嵌入式處理器輸出信號識別結果；最后，嵌入式處理器根據列車位置判斷列車經過信號燈后，向FPGA發出交通信號識別結束信號，FPGA停止接收相機數據，信號識別結束。

2.3 激光探測分系統方案

激光探測分系統主要由激光器、發射接收光學系統、發射電路、接收電路、低壓電源、信息處理器等部分組成，如圖4所示。

圖4 激光測距機組成框圖

激光探測分系統采用人眼不可見的近紅外光源，波長905nm，脈沖體制測距，脈沖寬度30ns，重復周期100Hz。為同步多臺激光雷達工作，避免相互干擾，采用外觸發工作方式，同一時間段內只允許一臺激光雷達完成激光發射和目標測量。發射電路主要由窄脈沖發生器、功率放大器、控制電路和激光器組成。接收電路主要由光電轉換電路，放大電路和脈沖整形電路組成。

3 信息處理分系統方案

信息處理分系統完成全系統的數據處理工作、各分系統的控制功能、各傳感器數據融合功能和對外接口的交互功能，主要包括數據處理分機和接口控制分機組成。數據處理分機完成系統所有數據處理、顯示、通信、存儲功能，接口控制分機完成各傳感器同步控制，各傳感器之間和系統對外的接口匹配功能。

數據處理分機采用ARM +FPGA結構。ARM處理器采用Cortex-A9處理器iTOP-4412，FPGA采用Xilinx公司 K7系列的XC7K325T。數據處理分機組成如圖5所示。

圖5 信息處理分機組成框圖

本系統采用嵌入式設計，選用Cortex-A9四核處理器，采用Android 4.4操作系統，完成系統的控制、顯示、日志存儲等功能，軌道地理信息根據軌道實際情況事先編制好，由該處理器依據列車提供的位置信息進行讀取，完成傳感器數據與地理信息融合處理，向列車提供預警信息。

4 結論

軌道上的障礙物極易造成嚴重的安全事故，為確保機車的安全運行，高準確度的障礙物識別尤為重要。本文提出一種將毫米波雷達、高速相機以及激光雷達相結合的障礙識別系統，三種障礙識別模塊分別將識別信號傳遞給信息融合處理分系統，經該系統的綜合判別可以成功地識別出障礙的尺寸和距離，為機車的提供可靠的運行方案決策。