機(jī)車乘務(wù)員輔助瞭望及障礙物智能預(yù)警系統(tǒng)研究

張琨

摘? 要：近年來(lái)隨著鐵路運(yùn)輸任務(wù)的加重，對(duì)機(jī)車運(yùn)行的可靠性、安全性也提出更高的要求。因機(jī)車設(shè)計(jì)原因造成司機(jī)瞭望視角存在較大盲區(qū)，同時(shí)機(jī)車運(yùn)行路線存在非封閉區(qū)間路口等，機(jī)車乘務(wù)員遠(yuǎn)距離瞭望存在困難。該文以解決機(jī)車瞭望盲區(qū)問(wèn)題、機(jī)車乘務(wù)員遠(yuǎn)距離瞭望問(wèn)題為目標(biāo)，利用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)與視頻影像分析系統(tǒng)相結(jié)合的方式，對(duì)機(jī)車瞭望盲區(qū)內(nèi)的人員、車輛、障礙物進(jìn)行探測(cè)感知，同時(shí)將告警信息向機(jī)車乘務(wù)員提示，達(dá)到提示機(jī)車乘務(wù)員安全駕駛，最大限度地降低安全事故發(fā)生的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)車；瞭望；盲區(qū)；探測(cè)；視頻；報(bào)警

中圖分類號(hào)：U298.12? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）05-0040-04

Abstract： In recent years， with the aggravation of railway transportation tasks， higher requirements for the reliability and safety of locomotive operation have been put forward. Due to the reasons of locomotive design， there is a large blind area in the driver's lookout angle， and there are non-closed intersections in the locomotive running route， so it is difficult for locomotive attendants to watch from a long distance. In order to solve the problem of locomotive lookout blind area and long-distance lookout of locomotive attendants， this paper uses the combination of radar detection technology and video image analysis system to detect and perceive the personnel， vehicles and obstacles in the locomotive lookout blind area. At the same time， the warning information is prompted to the locomotive attendants， so as to remind the locomotive attendants to drive safely and minimize the occurrence of safety accidents.

Keywords： locomotive; lookout; blind area; detection; video; alarm

隨著中國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)的大力發(fā)展，機(jī)車進(jìn)入了重載和長(zhǎng)交路運(yùn)用狀態(tài)，對(duì)司乘人員和機(jī)車狀態(tài)提出了更加嚴(yán)格的要求。豐臺(tái)機(jī)務(wù)段地處京山、京廣、京九、京原和豐沙等主要干線交匯處，擔(dān)當(dāng)北京鐵路局重要樞紐咽喉地區(qū)的主要貨運(yùn)任務(wù)，重點(diǎn)列車、重點(diǎn)站場(chǎng)及部分客運(yùn)列車牽引任務(wù)。由于處在重要樞紐節(jié)點(diǎn)，存在站場(chǎng)多，調(diào)車轉(zhuǎn)線作業(yè)機(jī)會(huì)多、等候時(shí)間長(zhǎng)、接發(fā)車密度大等特點(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員作業(yè)幾率多，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員穿插非常頻繁。因機(jī)車設(shè)計(jì)原因造成司機(jī)瞭望視角存在較大盲區(qū)，造成司機(jī)在運(yùn)行中、調(diào)車作業(yè)過(guò)程中以及轉(zhuǎn)線掛車時(shí)帶來(lái)非常大的安全及人身隱患。針對(duì)上述問(wèn)題豐臺(tái)機(jī)務(wù)段開(kāi)發(fā)研制了“機(jī)車乘務(wù)員輔助瞭望及障礙物智能預(yù)警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)利用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)與視頻影像分析系統(tǒng)相結(jié)合的方式，對(duì)機(jī)車瞭望盲區(qū)內(nèi)的人員或障礙物進(jìn)行探測(cè)感知，同時(shí)將告警信息向司機(jī)進(jìn)行提示。防止行車時(shí)，前方人員未避讓或有障礙物的情況下走車。最大限度降低安全事故的發(fā)生。

1? 技術(shù)難點(diǎn)

探測(cè)雷達(dá)和熱成像攝像機(jī)對(duì)機(jī)車瞭望盲區(qū)內(nèi)的人員或障礙物進(jìn)行探測(cè)感知和圖像分析，并在顯示器上顯示機(jī)車周邊和前后方的視頻圖像，當(dāng)探測(cè)雷達(dá)和熱成像攝像機(jī)監(jiān)測(cè)到機(jī)車運(yùn)行方向有行人、車輛、障礙物時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音提示機(jī)車乘務(wù)員前方有人，注意安全駕駛，在視頻監(jiān)視技術(shù)和探測(cè)雷達(dá)技術(shù)大力發(fā)展的當(dāng)下是容易解決的，但是需要選擇合理的安裝位置和固定方式，熱成像攝像頭選擇合理的焦距，要保證熱成像攝像頭的視頻圖像清晰無(wú)抖動(dòng)，以便于圖像的異物識(shí)別算法正確識(shí)別。

困難的是探測(cè)雷達(dá)會(huì)受到安裝角度的影響，需要選擇合理的安裝位置并選用掃描角度較小的探測(cè)雷達(dá)，以達(dá)到電子圍欄的效果。由于鐵路線路彎道較多，熱成像攝像頭視頻圖像可能看到軌道外邊，這就需要圖像算法實(shí)時(shí)識(shí)別軌道，并以軌道為依據(jù)劃定監(jiān)測(cè)范圍。

2? 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法

2.1? 機(jī)車實(shí)時(shí)信息獲取

機(jī)車實(shí)時(shí)信息包括機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的工作參數(shù)。

例如，機(jī)車運(yùn)行的工作參數(shù)主要有以下內(nèi)容：機(jī)車儀表信息、閘缸壓力、制動(dòng)輸出、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速（內(nèi)燃）/原邊電流（電力）、實(shí)速、公里標(biāo)、列車管壓力和狀態(tài)指示燈等。

目前，機(jī)車普遍安裝的TAX2（3）型機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置是通過(guò)串行總線接口發(fā)出的。采用串行總線通信模塊，并且按照上述設(shè)備的通信協(xié)議編程就可以解析出各種機(jī)車運(yùn)行參數(shù)。

2.2? 探測(cè)雷達(dá)的監(jiān)測(cè)

探測(cè)雷達(dá)是一種利用電磁波進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量的技術(shù)，可以通過(guò)發(fā)射電磁波并接收反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置、速度、方向等信息。探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理是基于電磁波的反射和散射現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理的基本步驟包括發(fā)射、接收和信號(hào)處理3個(gè)過(guò)程。首先，探測(cè)雷達(dá)發(fā)射一束電磁波，這個(gè)電磁波會(huì)在空氣中傳播，當(dāng)遇到目標(biāo)時(shí)，一部分電磁波會(huì)被目標(biāo)吸收，另一部分則會(huì)被目標(biāo)反射回來(lái)；接著，探測(cè)雷達(dá)會(huì)接收到反射回來(lái)的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；最后，探測(cè)雷達(dá)會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算反射信號(hào)的時(shí)間延遲和頻率變化等參數(shù)來(lái)確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。探測(cè)雷達(dá)的監(jiān)測(cè)原理關(guān)鍵在于電磁波的反射和散射現(xiàn)象，當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電磁波的傳播方向和強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量反射回來(lái)的信號(hào)的時(shí)間延遲和頻率變化等參數(shù)，可以確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.3? 熱成像攝像頭的監(jiān)測(cè)

熱成像攝像頭無(wú)需外界光源輔助，而是通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外輻射（與物體本身溫度相關(guān)），即捕獲物體溫度來(lái)成像。盡管肉眼無(wú)法觀測(cè)紅外輻射（IR），但是紅外熱像儀可將其轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像，描繪被測(cè)物體或場(chǎng)景的溫度變化。任何有溫度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，且物體溫度越高，紅外輻射量越大。熱成像攝像頭就是接收物體發(fā)出的紅外線，通過(guò)有顏色的圖片來(lái)顯示被測(cè)量物表面的溫度分布，根據(jù)溫度的微小差異找出溫度的異常點(diǎn)，來(lái)判斷物體。

人眼能夠感受到的可見(jiàn)光波長(zhǎng)為：0.38～0.78 μm。通常將比0.78 μm長(zhǎng)的電磁波，稱為紅外線。自然界中，一切物體都會(huì)輻射紅外線，因此利用探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見(jiàn)光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，或者說(shuō)，紅外熱圖像是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

熱成像攝像頭的核心就是熱像儀，它是一種能夠探測(cè)極微小溫差的傳感器，將溫差轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)視頻圖像顯示出來(lái)。如圖1所示。

物體發(fā)出的紅外能量通過(guò)光學(xué)鏡頭聚焦在紅外探測(cè)器上，探測(cè)器向傳感器電子元件發(fā)送信息，進(jìn)行圖像處理，電子元件將探測(cè)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成可在顯示器上顯示的圖像，熱成像攝像頭具有如下特點(diǎn)：①熱成像攝像頭能夠穿過(guò)霧靄煙塵而且工作波段寬，作用距離遠(yuǎn)；②采用被動(dòng)工作方式，不易被干擾；③可在晝夜和惡劣天氣下工作；④不易受照明閃光燈強(qiáng)光影響。

熱成像攝像頭在檢測(cè)到鐵路圖像時(shí)，軌道表面亮度與相鄰區(qū)域呈階躍性變化，在提取到的邊緣圖像中，鐵軌邊緣和其他物體的邊緣混淆在一起，利用軌道的特性，通過(guò)算法提取到連續(xù)的軌道，以實(shí)現(xiàn)鐵路軌道的動(dòng)態(tài)識(shí)別。

2.3.1? 攝像頭關(guān)鍵參數(shù)分析

攝像頭主要由CCD、濾光片、鏡頭和信號(hào)處理電路板組成。

鏡頭是攝像頭的光學(xué)部件，是攝像頭的重要組成部分，根據(jù)不同場(chǎng)景需要，選用不同參數(shù)的鏡頭。

鏡頭的主要參數(shù)如下（圖2）。

焦距（f）：焦距是鏡頭中心和感光元件表面之間的距離。

視場(chǎng)角：是指畫面的覆蓋范圍。焦距f大小，影響視場(chǎng)角的大小。

信號(hào)處理電路板的作用：將來(lái)自CCD輸出的電信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、放大等數(shù)字圖像處理后輸出到顯示器。

2.3.2? 成像要求與攝像機(jī)焦距的選擇

攝像頭可視區(qū)域圖像大小與焦距關(guān)系：因機(jī)車時(shí)速在80～100 km/h時(shí)，機(jī)車的制動(dòng)距離為600 m，設(shè)定熱成像攝像頭可視距離L=600 m；選用100 mm焦距鏡頭。

3? 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1? 功能簡(jiǎn)述

機(jī)車乘務(wù)員輔助瞭望技術(shù)的應(yīng)用，能將機(jī)車周邊360°的視頻圖像在顯示器上顯示，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車盲區(qū)視頻圖像的全景顯示，以方便機(jī)車乘務(wù)員盲區(qū)瞭望，探測(cè)雷達(dá)和熱成像攝像頭的應(yīng)用能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)障礙物并提示機(jī)車乘務(wù)員前方有障礙物，注意觀察，安全駕駛。同時(shí)系統(tǒng)采用500 G硬盤存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，保存時(shí)間可達(dá)7 d。

3.2? 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、探測(cè)雷達(dá)、揚(yáng)聲器、熱成像攝像頭、AI攝像頭、全景攝像頭和4G天線等組成，系統(tǒng)組成如圖4所示。

3.3? 探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

探測(cè)雷達(dá)由超聲波雷達(dá)、熱釋電傳感器、激光測(cè)距模塊組成，探測(cè)雷達(dá)能監(jiān)測(cè)7 m內(nèi)的行人、車輛、障礙物，熱釋電傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)7 m內(nèi)的行人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，激光測(cè)距模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)100 m內(nèi)的行人、車輛、障礙物的監(jiān)測(cè)。探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理如圖5所示。

探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)到機(jī)車運(yùn)行方向有行人、車輛、障礙物時(shí)，通過(guò)串口輸出報(bào)警數(shù)據(jù)給主機(jī)，主機(jī)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警，提示機(jī)車乘務(wù)員安全駕駛，顯示器圖像顯示機(jī)車運(yùn)行方向圖像，探測(cè)雷達(dá)報(bào)警顯示如圖6所示。

3.4? 熱成像攝像頭監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

熱成像攝像頭安裝在機(jī)車兩端上方，安裝位置如圖7所示。

熱成像攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)行方向600 m的行人、車輛、障礙物的監(jiān)測(cè)，熱成像攝像頭監(jiān)測(cè)到鐵路軌道圖像，系統(tǒng)通過(guò)算法提取出軌道的像素點(diǎn)，進(jìn)而識(shí)別出鐵路軌道。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)識(shí)別鐵路軌道并動(dòng)態(tài)劃定防護(hù)區(qū)域，熱成像攝像頭視頻圖像如圖8所示。

熱成像攝像頭通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)識(shí)別軌道并劃定防護(hù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)電子圍欄的效果。當(dāng)防護(hù)區(qū)域內(nèi)有行人、車輛、障礙異物時(shí)，熱成像攝像頭實(shí)現(xiàn)報(bào)警，防護(hù)區(qū)域的大小可以設(shè)定，熱成像攝像頭報(bào)警效果如圖9所示。

機(jī)車乘務(wù)員輔助瞭望及障礙物智能預(yù)警系統(tǒng)適用于調(diào)車機(jī)、軌道車、普速機(jī)車，當(dāng)探測(cè)雷達(dá)和熱成像攝像頭監(jiān)測(cè)到機(jī)車運(yùn)行方向有行人、車輛、障礙物時(shí)，語(yǔ)音提示機(jī)車乘務(wù)員注意行人、安全駕駛。

4? 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)和視頻分析技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在機(jī)車乘務(wù)員瞭望盲區(qū)的人員和障礙物，并可通過(guò)視頻實(shí)時(shí)進(jìn)行確認(rèn)，防止司機(jī)在前方人員未避讓或有障礙物的情況下盲目行車。該系統(tǒng)能有效判斷、分析機(jī)車運(yùn)行周邊信息后，提供預(yù)警性信息，對(duì)機(jī)車安全運(yùn)行提供充足的科學(xué)依據(jù)，滿足現(xiàn)代鐵路快速發(fā)展的安全需要。該裝置的研發(fā)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，是一款主動(dòng)的安全防御技術(shù)裝備，有利于保障機(jī)車運(yùn)行安全和人身安全，解決了因無(wú)法進(jìn)行徹底瞭望而導(dǎo)致的人員及設(shè)備相撞事故，最大限度降低安全事故的發(fā)生。該系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)防御技術(shù)在保障鐵路機(jī)車行車安全方面又一重大技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)路內(nèi)空白，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。安裝機(jī)車乘務(wù)員輔助瞭望及障礙物智能預(yù)警裝置后，能直觀有效判斷機(jī)車周邊情況，滿足了現(xiàn)代鐵路快速發(fā)展的安全需要。

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