時佳斌

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，鐵路網(wǎng)不斷加密，列車速度不斷提高，鐵路事故的危害程度也在大大增加。鐵路網(wǎng)與公路網(wǎng)有著大量的交叉點，其中不乏有公跨鐵地段、公鐵并行地段。另外，隨著鐵路向西南發(fā)展，山嶺隧道增多，易發(fā)生異物侵限的區(qū)段增加。當發(fā)生異物侵限時，高速行駛的列車若無法及時得知運行前方的異物侵限信息，不能在到達異物侵限點之前停車，可能導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟損失。異物侵限事件的突發(fā)性和難以預(yù)測凸顯了對其進行實時監(jiān)控的必要性。

既有的二維激光異物侵限監(jiān)測技術(shù)，存在誤報率高、監(jiān)測參數(shù)單一、特殊地段監(jiān)測困難等問題，監(jiān)測時需投入較多人力與物力，難以滿足鐵路異物侵限監(jiān)測的實時性和準確性［1-2］。為解決該問題，開展了基于三維激光掃描技術(shù)的異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)研究。本文對異物侵限監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀、三維激光異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應(yīng)用予以介紹。

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的異物侵限監(jiān)測技術(shù)主要分為非接觸式與接觸式兩種。非接觸式監(jiān)測技術(shù)主要包括激光掃描技術(shù)［3］、紅外探測技術(shù)、智能視頻分析技術(shù)等［4-5］。接觸式監(jiān)測主要包括雙電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)和光纖光柵探測技術(shù)。非接觸式監(jiān)測技術(shù)具有受地形影響小、監(jiān)測范圍廣、易于安裝維護、可對落入監(jiān)測區(qū)域的異物進行特征識別等優(yōu)點［6-8］。

非接觸式監(jiān)測技術(shù)中二維激光掃描技術(shù)比較成熟，識別算法相對簡單［9-11］，故其應(yīng)用較為廣泛。但是，目前大部分線路為雙線、曲線地段，甚至山區(qū)車站有多股道線路，需對整個線路中的軌道上方進行異物侵限監(jiān)測。若仍采用二維激光掃描技術(shù)，不僅增加成本，而且存在干擾與盲區(qū)，極易出現(xiàn)漏報、誤報現(xiàn)象。

2 三維激光異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

三維激光異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)由三維激光傳感器、測點服務(wù)器和監(jiān)控中心三部分組成，見圖1。

圖1 三維激光異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

三維激光傳感器可全天候?qū)崟r生成三維點云數(shù)據(jù)，并通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給測點服務(wù)器。測點服務(wù)器實時對三維點云數(shù)據(jù)進行濾波重構(gòu)，并通過異物侵限與人員識別算法進行異物侵限監(jiān)測，最后將監(jiān)測信息進行融合自動識別出異物位置、尺寸、數(shù)量等空間信息，通過4G網(wǎng)絡(luò)將綜合報警信息上傳至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心進行報警信息分發(fā)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及歷史數(shù)據(jù)追溯。數(shù)據(jù)傳輸流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.3 總體技術(shù)指標

監(jiān)測范圍50 m，異物尺寸大于200 mm，異物侵限報警時間小于5 s。

2.4 技術(shù)特點

1）三維數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)實時采集30萬個以上的三維激光點，并進行濾波處理。

2）異物三維識別。系統(tǒng)自動重構(gòu)三維點云數(shù)據(jù)，并結(jié)合三維特征識別監(jiān)測對象的數(shù)量、位置、尺寸等。

3）圖像智能識別。系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)的圖像智能識別技術(shù)，自動過濾干擾因素。

4）適用性強、維護簡便。系統(tǒng)可適用于不同復(fù)雜線路環(huán)境，全天候運行。采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于維護。

2.5 異物侵限監(jiān)測程序

異物侵限監(jiān)測程序見圖3。首先根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立三維模型，并通過旋轉(zhuǎn)、平移等操作對三維點云進行姿態(tài)補償，使傳感器坐標系與軌道平面坐標系重合；其次，由于三維點云中存在少量噪點會影響異物識別的準確性，所以須對點云進行濾波，剔除其中的離群點；最后，判斷是否發(fā)生異物侵限。

若發(fā)生異物侵限系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，并保存原始點云數(shù)據(jù)與異物侵限圖片，以備后續(xù)歷史追溯。同時，通過識別異物侵限圖片，判斷是否有行人、車輛、飛鳥等侵入，以降低系統(tǒng)的誤報率。若有侵入，系統(tǒng)會記錄相關(guān)信息；若無侵入，系統(tǒng)利用聚類算法自動識別異物數(shù)量，計算出各異物位置、尺寸等空間信息，并及時報警。

3 工程現(xiàn)場測試

在京廣鐵路大廟峽隧道洞口布置三維異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性進行測試。系統(tǒng)布置見圖4，三維激光掃描結(jié)果見圖5。

圖4 異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)布置

圖5 三維激光掃描結(jié)果

測試過程中用紙箱模擬異物侵入，系統(tǒng)可以實時準確地對異物進行報警，并自動識別出異物的數(shù)量、位置、大小等空間信息，見圖6。其中：Obstacles info代表系統(tǒng)識別的異物數(shù)量；Vol代表異物的體積；Lwh代表異物的尺寸（長、寬、高）；Loc代表異物與傳感器的相對位置。

4 結(jié)語

本文提出的異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，以三維點云數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)為核心，并融合基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)，可實現(xiàn)對鐵路沿線危巖落石段、高陡邊坡、隧道洞口等易發(fā)生異物侵限區(qū)段的實時監(jiān)測。

經(jīng)過現(xiàn)場測試，該監(jiān)測系統(tǒng)可以實時準確地識別異物，且其適用于不同復(fù)雜線路環(huán)境，可全天候運行，維護方便。