CN102673609B - 一种铁路维修作业安全预警系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路维修作业安全预警系统及其方法，图像采集单元采集施工作业现场的图像信息；计算控制单元对图像采集单元采集的图像信息进行处理，并与存储在计算控制单元中的铁路线路设备模版进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；计算控制单元解算铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离，结合铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离，以及相应铁路线路设备的警报和安全动作触发距离，发出警报和安全动作触发信息；用户接口单元对计算控制单元中的信息进行显示，并对计算控制单元进行参数设置。本发明实现了对铁路线路设备的智能识别并进行规避，用户可根据大型养路机械车型进行施工安全限界参数设置，具有良好的适应性。

Description

一种铁路维修作业安全预警系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种作业安全预警系统及其方法，尤其是涉及一种应用于铁路线路维修和养路过程中的作业安全预警系统及其方法。

背景技术

铁路线路维修机械——大型养路机械自轮运转设备(主要是配砟车和清筛车)作业机构本身在施工过程中存在超限现象。而在实际施工安全管理过程中，现在采用的是操作人员人工观察保障施工安全。在以往的施工过程中，多次出现操作人员倦怠，而造成较为严重的线路设备安全事故；如：配砟车撞断接触网电线杆等事故。线路维修安全关系到铁路线路的运营安全性和可靠性，铁路单位对安全生产和安全施工进行严格规范检查，迫切需要自动化程度更高，安全性和稳定性更好的施工安全保障装置，确保铁路运营线路、施工人员和设备的安全。

机器视觉是指通过摄像机采集数字图像，再对采集的数字图像的某些特征进行分析，计算和模式识别的方法。目前国内大型养路机械的实际施工安全管理过程中，主要采用的是操作人员人工安全监控，人工观察保障施工安全，一方面施工作业人员增加，维修成本增加，另一方面，人工观察依赖人员的责任心，维修任务繁重时，人员容易倦怠疏忽，极易引起事故。同时，单一方向的距离测量传感器也不能满足大角度范围测量需要，仅能测定某一部分指定角度位置的障碍物距离。

在现有技术当中，由北京龙达科技开发有限公司、陆亦群和高春雷于2006年09月05日申请，并于2007年09月12日公开，公开号为CN200947120Y的中国实用新型专利涉及一种探测铁路道床表面障碍物的避障系统，包括测距单元、数据处理单元、参数设置单元和避障动作信号单元，数据处理单元和测距单元、参数设置单元、避障动作信号单元分别连接，测距单元为安装在行驶车辆前端的上部的传感器，其轴线方向为相对水平线向下倾斜，从而使得其探测方向为水平向下倾斜一定角度，并且该传感器能够对前方180度范围进行探测。本实用新型能够实时探测到障碍物的各个点的位置，从而可以判断该障碍物位于侧犁的外部还是位于侧犁的内部,以便及时进行避障处理。但是该专利是一种使用单一方向距离测量传感器的简单避障系统，不能满足大角度范围测量的需要，该方法主要安装指定方向的距离探测器，根据探测器的信号解算障碍物与探测器的距离，再触发避障动作。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路维修作业安全预警系统及其方法，该系统及其方法实现了对铁路线路设备的智能识别并进行规避，用户可根据大型养路机械车型进行施工安全限界参数设置，具有良好的适应性。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种铁路维修作业安全预警系统的技术实现方案，一种铁路维修作业安全预警系统，包括：计算控制单元、图像采集单元、用户接口单元、警报和安全动作触发单元，计算控制单元分别与图像采集单元、用户接口单元、警报和安全动作触发单元相连，图像采集单元采集施工作业现场的图像信息，计算控制单元通过现场标定准确获取焦距实际值；计算控制单元对图像采集单元采集的图像信息进行处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元中的铁路线路设备模版进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；计算控制单元根据图像采集单元获取的焦距实际值和图像采集单元采集的图像信息解算出铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离；计算控制单元结合铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离，以及相应铁路线路设备的警报和安全动作触发距离，向警报和安全动作触发单元发出警报和安全动作触发信息；用户接口单元对计算控制单元中的相应信息进行显示，并对计算控制单元进行参数设置。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警系统技术方案的进一步改进，计算控制单元、图像采集单元、用户接口单元、警报和安全动作触发单元安装在施工作业车上，图像采集单元安装在施工作业车作业方向的前端视野开阔处。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警系统技术方案的进一步改进，存储在计算控制单元中的铁路线路设备模版进一步包括线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱在内的模板；警报和安全动作触发单元进一步包括低频喇叭、低频警示灯、高频喇叭和高频警示灯。

本发明还另外具体提供了一种铁路维修作业安全预警方法的技术实现方案，一种铁路维修作业安全预警方法，包括以下步骤：

S100：图像采集单元采集施工作业现场的图像信息；

S101：计算控制单元对图像采集单元采集的图像信息进行处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元中的铁路线路设备模版进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；

S102：计算控制单元根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线之间的距离，并解算出相应铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离；

S103：计算控制单元解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离；

S104：计算控制单元结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元发出警报和安全动作触发信息。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S101中计算控制单元对图像采集单元采集的图像信息进行处理的过程进一步包括以下步骤：

计算控制单元读取图像采集单元采集的原始图像信息，然后采用中值滤波、最大值滤波、最小值滤波、中点滤波、修正阿尔法均值滤波、算术均值滤波、几何均值滤波、谐波均值滤波、逆谐波均值滤波中的任意一种滤波方式对原始图像信息进行平滑滤波处理，以减小图像噪声。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S101中计算控制单元进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型的过程进一步包括以下步骤：

S200：读取滤波之后的图像数据；

S201：按顺序分别读取铁路线路设备模版，如线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱等的模板数据；

S202：将模板数据与图像数据进行相关运算，即将模板数据和图像数据相应位置的数据进行相关运算，得到相关系数；

S203：当计算得到的相关系数大于一设定值时，确定图像与模板匹配，从而获取图像数据中的铁路线路设备类型。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S103中计算控制单元解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离根据以下公式进行计算：

施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离D_A=D_s+x，

其中，x为施工作业车的中心位置与图像采集单元之间的距离，D_s为铁路线路设备与图像采集单元的实际物理距离。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S202中的相关系数按照以下公式进行计算：

$C(x,y,u,v)=\frac{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(x+i,y+j)\×I_2(x+u+i,y+v+j)}{\sqrt{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I_1}^2(x+i,y+j)\×{I_2}^2(x+u+i,y+v+j)}},-N\≤u,v\≤N$

其中，C(x,y,u,v)为相关系数，(x,y)为中心点坐标，(u,v)为位移量，I₁(x+i,y+j)为(x+i,y+j)点处的像素点灰度，I₂(x+u+i,y+v+j)为(x+i,y+j)点产生(u,v)的位移后该处的像素点灰度，n为搜索区域值，N为搜索区域边界设定值。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，在步骤S203中，当计算得到的相关系数大于0.6时，确定图像与模板匹配。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S102中计算控制单元根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线之间的距离，并解算出相应铁路线路设备与图像采集单元之间的实际物理距离的过程进一步包括以下步骤：

S300：获取匹配确定的铁路线路设备类型；

S301：读取用户设定的铁路线路设备与轨道中线的距离关系表；

S302：计算图像中铁路线路设备与轨道中线的距离D_mm，读取距离关系表中距离为D_T，获取图像采集焦距为f，则铁路线路设备与图像采集单元的实际物理距离为D_s：

D_s=D_T*f/D_mm；

S303：解算出铁路线路设备与图像采集单元的实际物理距离。

作为本发明一种铁路维修作业安全预警方法技术方案的进一步改进，步骤S105中计算控制单元结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元发出警报和安全动作触发信息的过程进一步包括以下步骤：

S400：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：l≥15m时，进入第一警告区域，计算控制单元触发警报和安全动作触发单元的低频喇叭报警，同时低频警示灯闪烁；

S401：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：12m≤l<15m时，进入第二警告区域，计算控制单元触发警报和安全动作触发单元的高频喇叭报警，同时警示灯连续闪烁；

S402：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：l<12m时，计算控制单元触发警报和安全动作触发单元的高频喇叭发出刺耳警报，触发与施工停车信号相连的继电器，自动停车，解除超限施工作业机构之后，自动或手动解除警报。

通过实施上述本发明一种铁路维修作业安全预警系统及其方法的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明采用机器视觉和智能识别技术，利用高速摄像机实时采集大型养路机械施工现场图像数据，构建基于图像的线路设备智能识别系统，运用限界模式识别、模糊模式识别方法，实现对铁路线路设备的智能识别并进行规避；用户可根据大型养路机械车型进行施工安全限界参数设置，具有良好的适应性。

（2）本发明具有较大的视场范围，操作员能实时监控施工环境，直观简洁；当超限施工作业过程中存在不安全因素时，系统可实时报警，根据铁路线路设备与施工设备之间的距离，分别设置不同的报警级别和对应的处理动作，紧急情况下自动停车避障，确认施工设备与铁路线路设备之间不存在安全隐患后，可自动或人工解除警报。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铁路维修作业安全预警系统一种具体实施方式的系统结构组成框图；

图2为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式的程序流程图1；

图3为本发明铁路维修作业安全预警系统一种具体实施方式图像采集单元采集图像的工作过程示意图；

图4为发明铁路维修作业安全预警系统一种具体实施方式的工作过程示意图；

图5为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式的程序流程图2；

图6为本发明铁路维修作业安全预警系统中线路标志抽象成图像模型的示意图；

图7为本发明铁路维修作业安全预警系统中道岔转换设备抽象成图像模型的示意图；

图8为本发明铁路维修作业安全预警系统中信号标志抽象成图像模型的示意图；

图9为铁路维修作业安全预警系统中信号表示器抽象成图像模型的示意图；

图10为铁路维修作业安全预警系统中接触网电线柱抽象成图像模型的示意图；

图11为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式警报和安全动作触发单元警报和安全动作触发过程的示意图；

图12为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式图像还原过程的示意图1；

图13为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式图像还原过程的示意图2；

图14为本发明铁路维修作业安全预警方法一种具体实施方式模板匹配过程的示意图。

图中：1-计算控制单元，2-图像采集单元，3-用户接口单元，4-警报和安全动作触发单元，5-施工作业车，6-轨道中线，7-铁轨，8-线路标志，9-接触网电线柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图14所示，给出了本发明一种铁路维修作业安全预警系统及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示一种铁路维修作业安全预警系统的具体实施方式，本发明的施工安全预警装置由一套图像采集装置，一台预警显示和声音播报装置和一台工业控制计算装置(含人机接口单元)组成。铁路维修作业安全预警系统具体包括：计算控制单元1、图像采集单元2、用户接口单元3、警报和安全动作触发单元4。计算控制单元1分别与图像采集单元2、用户接口单元3、警报和安全动作触发单元4相连。图像采集单元2采集施工作业现场的图像信息，计算控制单元1通过现场标定准确获取焦距实际值。计算控制单元1对图像采集单元2采集的图像信息进行处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元1中的铁路线路设备模版进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型。计算控制单元1根据图像采集单元2获取的焦距实际值和图像采集单元2采集的图像信息解算出铁路线路设备与图像采集单元2之间的实际物理距离。计算控制单元1结合铁路线路设备与图像采集单元2之间的实际物理距离，以及相应铁路线路设备的警报和安全动作触发距离，向警报和安全动作触发单元4发出警报和安全动作触发信息。用户接口单元3对计算控制单元1中的相应信息进行显示，并对计算控制单元1进行参数设置。

如附图3所示，计算控制单元1、图像采集单元2、用户接口单元3、警报和安全动作触发单元4安装在施工作业车5上。图像采集单元2进一步安装在施工作业车5作业方向的前端视野开阔处。图像采集单元2在出厂设置/或系统检修时已经调节并固定焦距，但是在铁路维修作业安全预警系统进入施工现场后，焦距还会发生细微的变化。因此，在铁路维修作业安全预警系统进入施工现场时，还需要计算控制单元1通过现场标定，更加准确地获取焦距的实际值。

存储在计算控制单元1中的铁路线路设备模版进一步包括线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱，以及还可能包含其他铁路线路设备要素，如临时的限速标志等在内的模板。警报和安全动作触发单元4进一步包括低频喇叭、低频警示灯、高频喇叭和高频警示灯。

以下结合附图2和附图5说明铁路维修作业安全预警系统的基本工作流程，一种铁路维修作业安全预警方法的具体实施方式，包括以下步骤：

S100：图像采集单元2采集施工作业现场的图像信息；

S101：计算控制单元1对图像采集单元2采集的图像信息进行图像预处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元1中的铁路线路设备模版进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；

为了进行匹配计算，系统事先将影响施工安全的铁路设备和标志进行归类并抽象化成为模型，如附图6至附图10所示，铁路线路设备模版包括线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱，以及其他铁路线路设备要素，如临时的限速标志等在内的模板；

S102：计算控制单元1根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线6之间的距离，并解算出相应铁路线路设备与图像采集单元2之间的实际物理距离；铁路线路设备与轨道中线6之间的距离为铁路线路设备到轨道中线6的垂直距离；

S103：计算控制单元1解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离；计算控制单元1根据用户设定的施工作业车5的车型参数和作业模式，解算出超限施工点与铁路线路设备的距离；设施工作业车5的中心位置与图像采集单元2距离为x，由于从铁路线路设备到图像采集单元2之间的距离远大于施工作业车5的中心位置到图像采集单元2之间的距离，因此在保证足够安全裕量的前提之下，施工超限点与铁路线路设备之间的距离可以近似地看为：D_A=D_s+x，D_s为铁路线路设备与图像采集单元2的实际物理距离；

S104：计算控制单元1结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元4发出警报和安全动作触发信息。

上述步骤S101中计算控制单元1对图像采集单元2采集的图像信息进行处理的过程进一步包括以下步骤：

计算控制单元1读取图像采集单元2采集的原始图像信息，然后采用中值滤波、最大值滤波、最小值滤波、中点滤波、修正阿尔法均值滤波、算术均值滤波、几何均值滤波、谐波均值滤波、逆谐波均值滤波中的任意一种滤波方式对原始图像信息进行平滑滤波处理，以减小图像噪声。

如附图12所示是图像还原过程的原理示意图。图像复原处理建立在图像退化的数学模型基础上的，退化数学模型能够反映图像退化的原因。其表达式为：

g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)+n(x,y)                        （1）

其中，g(x,y)为图像降质后的退化函数，n(x,y)为加入的噪声函数，f(x,y)为原始输入图像函数，h(x,y)为成像系统的转移函数。

而逆滤波法是一种最为简单的图像恢复方法。对式（1）两边作二维傅立叶变换，得到

G(u,v)=H(u,v)*F(u,v)+N(u,v)

G(u,v)为经过频域变换的退化函数，H(u,v)经过频域变换的系统转移函数，F(u,v)经过频域变换的原始输入函数，N(u,v)经过频域变换的噪声函数。

H(u,v)为成像系统的转移函数，估算得到的恢复图像的傅立叶变换。

F(u,v)的估计值为：

$\hat{F}(u,v)=\frac{G(u,v)}{H(u,v)}=F(u,v)+\frac{N(u,v)}{H(u,v)}---\left(2\right)$

若知道转移函数H(u,v)，通过式（2）经反变换即可得到恢复图像f(x,y)，其退化和恢复的全过程用附图13表示。

当仅存在加性噪声时，可以选择空间滤波方法。在这一特殊情况下，图像的增强和复原几乎不可区别，因此可选用均值滤波方法减少噪声进行图像复原。以下是本发明具体实施方式中应用到的原始图像信息滤波处理算法，本发明包括但不限于以下滤波方法。

1、算术均值滤波的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\frac{1}{\mathrm{mn}}\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Sigma;}}g(s,t)$

其中，为原始图像f(x,y)的估计值，g(s,t)为成像系统采集到的图像像素，S_xy表示中心在(x,y)点，尺寸为m*n的矩形子图像窗口的坐标组。简单平滑了一幅图像的局部变化，其对图像的复原效果最差。

2、几何均值滤波的函数关系：

$\hat{f}(x,y)={\left[\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Pi;}}g(s,t)\right]}^{\frac{1}{\mathrm{mn}}}$

其中，式中的参数说明如前所述，几何均值滤波相对于算术均值滤波平滑度差不多，但图像的细节丢失更少。算术均值滤波器和几何均值滤波器适于处理高斯或均匀分布噪声。

3、谐波均值滤波的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\frac{\mathrm{mn}}{\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{g(s,t)}}$

其中，式中的参数说明如前所述，谐波均值滤波器对于“盐”噪声效果较好，但不适于“胡椒”噪声。它善于处理高斯噪声。

4、逆谐波均值滤波的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\frac{\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Sigma;}}g{(s,t)}^{Q+1}}{\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Sigma;}}g{(s,t)}^Q}$

在逆谐波均值滤波器中，Q成为滤波器的阶数。当Q为正数时，滤波器消除胡椒噪声；当Q为负值时，滤波器消除盐噪声；当Q=0，逆谐波滤波器退化为算术均值滤波器；当Q=-1时，逆谐波均值滤波器变为谐波均值滤波器。谐波均值滤波器适于处理脉冲噪声，但必须知道噪声是暗噪声还是亮噪声，以便于选择合适的Q符号。

5、中值滤波器的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{median}}\left\{g(s,t)\right\}$

其中，式中的参数说明如前所述，中值滤波适于处理椒盐噪声，通过多次使用小模板，可以获得很好的去噪效果。

6、最大值滤波器的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\max }\left\{g(s,t)\right\}$

其中，式中的参数说明如前所述，这种滤波器对发现图像中的最亮点非常有用，可以用来消除胡椒噪声。

7、最小值滤波器的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\min }\left\{g(s,t)\right\}$

其中，式中的参数说明如前所述，这种滤波器对发现图像中的最暗点非常有用，可以用来消除盐噪声

8、中点滤波器的函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\frac{1}{2}\left[\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\max }\right\{g(s,t)\}+\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\min }\{g(s,t)\left\}\right]$

其中，式中的参数说明如前所述，取最大值和最小值的平均值。对高斯和均匀随机分布的噪声有效。

9、修正后的阿尔法均值滤波器函数关系：

$\hat{f}(x,y)=\frac{1}{\mathrm{mn}-d}\underset{(s,t)\&Element;S_{\mathrm{xy}}}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_r(s,t)$

其中，式中的参数说明如前所述，g_r(s,t)为S_xy邻域内去掉d/2个最大值和d/2个最小值后剩余的m*n-d个像素。由这些点的平均值形成的滤波器称为修正后的阿尔法均值滤波器。d值可以取到0到m*n-1之间的任意数。当d＝0时，滤波器退变为算术均值滤波器；当d＝(m*n-1)/2时，滤波器就成为中值滤波器。d取其它值时，滤波器在包含多种噪声的情况下非常适用，例如高斯噪声和椒盐。

上述步骤S101中计算控制单元1进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型的过程进一步包括以下步骤：

S200：计算控制单元1读取滤波之后的图像数据；

S201：计算控制单元1按顺序分别读取铁路线路设备模版，如线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱等的模板数据；

S202：计算控制单元1将模板数据与图像数据进行相关运算，即将模板数据和图像数据相应位置的数据进行相关运算，得到相关系数；

S203：当计算控制单元1计算得到的相关系数大于一设定值时，确定图像与模板匹配，从而获取图像数据中的铁路线路设备类型。

如附图14所示，上述步骤S202中的图像相关度计算过程采用块匹配法总的相似度量法，如归一化相关系数最大化方法。它的基本思想是假设光流w=(u，v)为不同时刻的图像区域的位移量，在图像序列的顺序图像对之间实施位置对应。模板数据与图像数据之间的相关系数进一步按照以下公式进行计算：

$C(x,y,u,v)=\frac{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(x+i,y+j)\&times;I_2(x+u+i,y+v+j)}{\sqrt{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_1}^2(x+i,y+j)\&times;{I_2}^2(x+u+i,y+v+j)}},-N\&le;u,v\&le;N$

其中，C(x,y,u,v)为相关系数，(x,y)为中心点坐标，(u,v)为位移量，I₁(x+i,y+j)为(x+i,y+j)点处的像素点灰度，I₂(x+u+i,y+v+j)为(x+i,y+j)点产生(u,v)的位移后该处的像素点灰度，n为搜索区域值，N为搜索区域边界设定值。

当相关系数为1时，表示两个块完全匹配。实际上，由于噪声及目标图像形状的变化，不同图像的对应块亮度会有变化，不可能达到完全匹配。在(2N+1)×(2N+1)搜索区内的相关系数最大的位置就是最佳匹配，其偏离中心点(x,y)的位移量(u,v)即为光流。作为一种较佳的实施方式，步骤S203中，当计算控制单元1计算得到的相关系数大于0.6时，确定图像与模板匹配。

在计算铁路线路设备与轨道中线6之间距离的过程中，根据匹配确定的铁路线路设备类型，在图像中计算该设备的中心，采用Hough变换（哈夫变换），求解出图像中轨道中线6的位置，设备中心到轨道中线6的最短距离记为图像中铁路线路设备与轨道中线6的距离D_p，单位为像素(pixels)。Hough变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法之一。Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性，将原始图像空间给定的曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点。这样就把原始图像中给定曲线的检测问题转化为寻找参数空间中的峰值问题。也即把检测整体特性转化为检测局部特性。比如直线、椭圆、圆、弧线等。Hough变换的思想为：在原始图像坐标系下的一个点对应了参数坐标系中的一条直线，同样参数坐标系的一条直线对应了原始坐标系下的一个点，然后，原始坐标系下呈现直线的所有点，它们的斜率和截距是相同的，所以它们在参数坐标系下对应于同一个点。这样在将原始坐标系下的各个点投影到参数坐标系下之后，看参数坐标系下有没有聚集点，这样的聚集点就对应了原始坐标系下的直线。

如附图3和附图4所示，上述步骤S102中计算控制单元1根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线6之间的距离，并解算出相应铁路线路设备与图像采集单元2之间的实际物理距离的过程进一步包括以下步骤：

S300：计算控制单元1获取匹配确定的铁路线路设备类型；

S301：计算控制单元1读取用户设定的铁路线路设备与轨道中线6的距离关系表；

S302：计算控制单元1计算图像中铁路线路设备与轨道中线6的距离D_mm，读取距离关系表中距离为D_T，获取图像采集焦距为f，则铁路线路设备与图像采集单元2的实际物理距离为D_s：

D_s=D_T*f/D_mm；

S303：计算控制单元1解算出铁路线路设备与图像采集单元2的实际物理距离。

如附图5和附图11所示，上述步骤S105中计算控制单元1结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元4发出警报和安全动作触发信息的过程进一步包括以下步骤：

S400：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：l≥15m时，进入第一警告区域，计算控制单元1触发警报和安全动作触发单元4的低频喇叭报警，同时低频警示灯闪烁；

S401：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：12m≤l<15m时，进入第二警告区域，计算控制单元1触发警报和安全动作触发单元4的高频喇叭报警，同时警示灯连续闪烁；

S402：在铁路线路设备距离施工超限点距离l为：l<12m时，计算控制单元1触发警报和安全动作触发单元4的高频喇叭发出刺耳警报，触发与施工停车信号相连的继电器，自动停车，解除超限施工作业机构之后，自动或手动解除警报。

在附图11中，包括轨道中线6、铁轨7、线路标志8和接触网电线柱9。轨道中线6位于左右两条铁轨7的中心部位。整个作业区域由距离线划分成安全区域A、第一警告区域B、第二警告区域C和紧急区域D。

在上述警报和安全动作触发过程中，计算控制单元1将结合下表1中各类铁路线路设备是否影响铁路作业施工安全的信息，触发警报和安全动作触发单元4。为简化施工作业操作员的工作，铁路维修作业安全预警系统人机交互界面友好，采取类似汽车倒车雷达图的方式显示影响铁路作业安全的铁路线路设备与施工设备的距离。

设备类型	是否影响施工安全
		线路标志	否
信号标志	是
		接触网电线柱	是
道岔转换设备	是
		继电器箱	是
信号表示器	是

表1

本发明具体实施方式所描述的技术方案利用机器视觉模板匹配，模糊识别等原理，进行铁路设备的识别，根据铁路线路设备与轨道中线6之间的距离关系，进行铁路线路设备与施工作业车5的距离解算，根据实际施工作业超限情况进行施工预警，保证铁路维修作业的施工安全，并具有以下技术效果：

（1）本发明采用图像采集单元与模板匹配识别铁路线路设备的方法。将常见铁路线路设备模式化处理，建立模板库，将采集图像进行模板匹配，得到对应的铁路线路设备类型；

（2）本发明采用铁路线路设备与图像采集单元的实际物理距离解算方法，根据用户设定参数，形成设备与轨道中线6的距离关系表，并根据图像中铁路线路设备与轨道中线6的距离，解算铁路线路设备与图像采集单元的实际距离；

（3）本发明采用超限施工点与铁路线路设备距离解算方法，根据用户设定的车型参数和作业模式，实时解算超限点与铁路线路设备的距离，能适应多种车型和多个工作模式的施工安全预警；

（4）本发明采用将不同的铁路线路设备与当前作业设备的距离进行显示，以及警报和警报解除的方法，采取一套图像采集单元完成图像的采集，主要通过图像的预处理和模板匹配的模式识别方法，快速有效地检测铁路线路设备。

（5）本发明根据用户参数设置，形成铁路线路设备与轨道中线6的距离关系表，并由此可以高效准确解算铁路线路设备与图像采集单元的实际距离，提高测量速度和多类型铁路线路设备检测的适应性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种铁路维修作业安全预警系统，其特征在于，包括：计算控制单元(1)、图像采集单元(2)、用户接口单元(3)、警报和安全动作触发单元(4)，所述计算控制单元(1)分别与图像采集单元(2)、用户接口单元(3)、警报和安全动作触发单元(4)相连，所述图像采集单元(2)采集施工作业现场的图像信息，计算控制单元(1)通过现场标定准确获取焦距实际值；所述计算控制单元(1)对图像采集单元(2)采集的图像信息进行处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元(1)中的铁路线路设备模板进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；计算控制单元(1)根据图像采集单元(2)获取的焦距实际值和图像采集单元(2)采集的图像信息解算出铁路线路设备与图像采集单元(2)之间的实际物理距离；计算控制单元(1)结合铁路线路设备与图像采集单元(2)之间的实际物理距离，以及相应铁路线路设备的警报和安全动作触发距离，向警报和安全动作触发单元(4)发出警报和安全动作触发信息；所述用户接口单元(3)对计算控制单元(1)中的相应信息进行显示，并对计算控制单元(1)进行参数设置；所述计算控制单元(1)还解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离，并根据以下公式进行计算：

施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离D_A＝D_s+x，

其中，x为施工作业车(5)的中心位置与图像采集单元(2)之间的距离，D_s为铁路线路设备与图像采集单元(2)的实际物理距离。

2.根据权利要求1所述的一种铁路维修作业安全预警系统，其特征在于：所述计算控制单元(1)、图像采集单元(2)、用户接口单元(3)、警报和安全动作触发单元(4)安装在施工作业车(5)上，所述图像采集单元(2)安装在施工作业车(5)作业方向的前端视野开阔处。

3.根据权利要求1或2所述的一种铁路维修作业安全预警系统，其特征在于：所述存储在计算控制单元(1)中的铁路线路设备模板进一步包括线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱在内的模板；所述警报和安全动作触发单元(4)进一步包括低频喇叭、低频警示灯、高频喇叭和高频警示灯。

4.一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述安全预警方法包括以下步骤：

S100：图像采集单元(2)采集施工作业现场的图像信息；

S101：计算控制单元(1)对图像采集单元(2)采集的图像信息进行处理，并将处理得到的信息与存储在计算控制单元(1)中的铁路线路设备模板进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型；

S102：计算控制单元(1)根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线(6)之间的距离，并解算相应铁路线路设备与图像采集单元(2)之间的实际物理距离；

S103：计算控制单元(1)解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离；

S104：计算控制单元(1)结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元(4)发出警报和安全动作触发信息；

在所述步骤S103中，所述计算控制单元(1)解算施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离根据以下公式进行计算：

施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离D_A＝D_s+x，

其中，x为施工作业车(5)的中心位置与图像采集单元(2)之间的距离，D_s为铁路线路设备与图像采集单元(2)的实际物理距离。

5.根据权利要求4所述的一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述步骤S101中计算控制单元(1)对图像采集单元(2)采集的图像信息进行处理的过程进一步包括以下步骤：

计算控制单元(1)读取图像采集单元(2)采集的原始图像信息，然后采用中值滤波、最大值滤波、最小值滤波、中点滤波、修正阿尔法均值滤波、算术均值滤波、几何均值滤波、谐波均值滤波、逆谐波均值滤波中的任意一种滤波方式对原始图像信息进行平滑滤波处理，以减小图像噪声。

6.根据权利要求5所述的一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述步骤S101中计算控制单元(1)进行匹配计算，确定铁路线路设备的类型的过程进一步包括以下步骤：

S200：计算控制单元(1)读取滤波之后的图像数据；

S201：计算控制单元(1)按顺序分别读取铁路线路设备模板，所述铁路线路设备模板为包括线路标志、道岔转换设备、信号标志、信号表示器、继电器箱和接触网电线柱在内的模板数据；

S202：计算控制单元(1)将模板数据与图像数据进行相关运算，即将模板数据和图像数据相应位置的数据进行相关运算，得到相关系数；

S203：当计算控制单元(1)计算得到的相关系数大于一设定值时，确定图像与模板匹配，从而获取图像数据中的铁路线路设备类型。

7.根据权利要求6所述的一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述步骤S202中的相关系数按照以下公式进行计算：

$C(x,y,u,v)=\frac{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(x+i,y+j)\&times;I_2(x+u+i,y+v+j)}{\sqrt{\underset{i,j=-n}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_1}^2(x+i,y+j)\&times;{I_2}^2(x+u+i,y+v+j)}},-N\&le;u,v\&le;N$

其中，C(x，y，u，v)为相关系数，(x，y)为中心点坐标，(u，v)为位移量，I₁(x+i，y+j)为(x+i，y+j)点处的像素点灰度，I₂(x+u+i，y+v+j)为(x+i，y+j)点产生(u，v)的位移后该处的像素点灰度，n为搜索区域值，N为搜索区域边界设定值，i，j分别为x，y坐标下搜索区域内相对于中心点坐标的偏移值；

在所述步骤S203中，当计算控制单元(1)计算得到的相关系数大于0.6时，确定图像与模板匹配。

8.根据权利要求4、5、6、7中任一权利要求所述的一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述步骤S102中计算控制单元(1)根据匹配计算确定的铁路线路设备类型，计算相应铁路线路设备与轨道中线(6)之间的距离，并解算出相应铁路线路设备与图像采集单元(2)之间的实际物理距离的过程进一步包括以下步骤：

S300：计算控制单元(1)获取匹配确定的铁路线路设备类型；

S301：计算控制单元(1)读取用户设定的铁路线路设备与轨道中线(6)的距离关系表；

S302：计算控制单元(1)计算图像中铁路线路设备与轨道中线(6)的距离D_mm，读取距离关系表中距离为D_T，获取图像采集焦距为f，则铁路线路设备与图像采集单元(2)的实际物理距离为D_s：

D_s＝D_T*f/D_mm；

S303：计算控制单元(1)解算出铁路线路设备与图像采集单元(2)的实际物理距离。

9.根据权利要求4、5、6、7中任一权利要求所述的一种铁路维修作业安全预警方法，其特征在于，所述步骤S104中计算控制单元(1)结合施工超限点与相应铁路线路设备之间的距离信息，向警报和安全动作触发单元(4)发出警报和安全动作触发信息的过程进一步包括以下步骤：

S400：在铁路线路设备距离施工超限点距离为：时，进入第一警告区域，计算控制单元(1)触发警报和安全动作触发单元(4)的低频喇叭报警，同时低频警示灯闪烁；

S401：在铁路线路设备距离施工超限点距离为：时，进入第二警告区域，计算控制单元(1)触发警报和安全动作触发单元(4)的高频喇叭报警，同时警示灯连续闪烁；

S402：在铁路线路设备距离施工超限点距离为：时，计算控制单元(1)触发警报和安全动作触发单元(4)的高频喇叭发出刺耳警报，触发与施工停车信号相连的继电器，自动停车，解除超限施工作业机构之后，自动或手动解除警报。