线路障碍自动监测报警系统开发与应用

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　　摘  要：针对铁路系统近年来频发的因线路障碍而引发行车事故的情况，提出了采用激光雷达、振动感应、声波监测、视频监控等多种方式结合实现对铁路线路障碍自动监测报警的方法，应用于铁路线路的落石监测报警。首先进行了整体方案设计;然后设计了硬件电路、智能过滤算法和视频图像分析识别算法;最后进行了系统整体调试。现场实测和实验表明，该系统实现了障碍物入侵铁路线路后自动监测报警。
　　关键词：铁路线路障碍;激光雷达;自动监测报警
　　中图分类号：U298        文献标志码：A 文章编号：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
　　为了满足铁路运输的飞速发展，铁路线网建设的安全性，对线路障碍自动监测报警系统的研究刻不容缓。本文提出了采用激光雷达传感器、振动传感器、摄像机构建系统的方法，通过激光雷达传感器对铁路钢轨水平面的障碍进行检测，对障碍的大小、位置进行判断从而对线路安全报警提示;设计了激光雷达控制电路、雷达波处理电路和电机驱动电路，实现了激光雷达扫描设备的全向运动、精确定位和智能过滤。
　　2 总体方案设计
　　铁路线路障碍自动监测报警系统由激光雷达传感器、视频监控、振动传感器、声波监测传感器、动物驱赶装置、数据处理装置、中心设备组成。数据处理装置负责现场设备信息汇总、控制、报警产生以及对后台提供数据服务，包括对摄像机、报警设备的控制。
　　2.1 线路落石监测设计方案
　　激光雷达传感器高频度地向监测区域发射红外激光，并同步采集目标反射的激光图像，通过三角测量方法获取目标的二维截面外形信息和距离信息。通过对激光特征图像进行分析并提取目标特征，实现对目标完整的运行轨迹的跟踪，并进一步对目标的速度、几何外形等数据进行智能分析，从而确定目标的类型和位置信息，根据不同的应用场合所设定的报警检测逻辑做出是否报警的判定。
　　激光雷达设备安装于铁路一侧，水平高度高于铁路钢轨平面70mm。
　　2.2 视频联动设计方案
　　当扫描到线路障碍物并产生报警后，触发现场摄像机进行视频联动，启动视频监控抓拍，视频图像采用无线方式传输到中心。管理人员也可以通过云台控制摄像机到指定位置查看现场某处的细节画面，及时掌握现场情况。借助视频监控不仅可以对报警信息进行直观确认，还可根据现场状况第一时间组织维护抢险，切实保证铁路行车安全。视频监控保存的视频图像可以作为线路维护资料的重要组成部分，将为日后的维护维修提供影像依据。
　　2.3 振动监测设计方案
　　采用振动传感器对监测区域的振动进行监测，以便对落石、崩塌等灾害发生情况等振动信号进行进一步的分析判断，用于过滤无效干扰信号，增强系统报警准确率，降低误报警。根据实际的现场测试情况，振动传感器能够先对列车经过及障碍物掉落进行识别，之后由雷达传感器和音频传感器对监测区域内的目标特征采集信息，进行更精确的识别，使系统可以更为精准的判断障碍物是否影响列车安全运行。
　　2.4 声波监测设计方案
　　当发生落石、滑坡、崩塌造成障碍物阻塞线路，危及行车安全时，可通过次声波监测装置进行监测分析，因为落石和崩塌等有特点的声波信号，可以作为现场扫描监测的辅助确认手段，保证系统的可用性。系统采用音频采集器将采集到的音频信号进行频谱分析，通过对不同频段的信號进行分析，确定列车经过及障碍物掉落所产生的声音信号所在频段进行判断分析，可以有效判断出是否为列车经过，结合雷达传感器和振动传感器数据确定障碍物性质。
　　2.5 动物驱赶设计方案
　　系统设置动物驱赶装置，在运行过程中发出超声波刺激动物的神经系统，从而在一定范围内驱赶误入的动物，避免动物靠近防御区域，以避免因动物造成的监测误报情况，保证系统报警准确可靠。驱赶器工作在超声波频段，不会对列车驾驶员及其他相关人员造成影响。 　　3 硬件系统设计
　　线路障碍自动监测报警系统硬件包括激光雷达传感器、振动传感器、声波监测传感器、动物驱赶装置、视频监控摄像机、数据处理装置、中心设备组成。
　　激光雷达传感器，最大扫描角度能够达到270°、角度分辨率为0.25/0.5°、扫描频率为25/50Hz、响应时间为10～40ms，测量精度为±20mm、光斑大小为11.9 mrad（11.9mm/m）、激光波长为红外（905nm），激光等级为1级（人眼安全）。
　　振动传感器采用高精度三轴振动传感器，可选量程±2g/±4g/±8g，最高采样精度（1/1024）g。通过大量现场实际采集数据分析，将传感器量程配置为±2g。
　　音頻传感器采用进口部件，具有高灵敏度、高带宽、低噪音的特点，频率响应20Hz-20KHz。传感器内置防雷击、防电源反接功能，外壳采用一体化金属外壳，防水、防潮、防尘性能好，符合IP65标准。
　　数据处理装置处理各种探测传感器的信息，配置为嵌入式工业级工控机，采用Intel i7处理器、8G内存、1T工业级固态硬盘，运行环境为-40℃～55℃。通过综合比较分析，得出报警结果，一方面直接输出给现场报警灯、列调电台等通知现场人员进行险源查看和避让;另一方面通过数据通信系统发送到中心设备，中心设备在终端显示报警信息，并以手机短信方式通知相关管理人员。
　　4 软件系统设计
　　服务器软件编程环境为visual studio2017，采用C#开发语言，数据库采用Oracle 11g。
　　数据处理主机编程软件选择visual studio2017，采用C++开发语言，用基于物体识别、目标追踪的算法，能够对障碍物的尺寸、运动轨迹、停留时间等信息进行计算、分析、判断等。
　　5 结束语
　　本文所设计的线路障碍自动监测报警系统实现了对铁路线路异物侵入监测和报警等功能，通过测试和实验，结果表明达到预期设计目标，该产品具有很好的应用前景和推广价值。
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