CN104442924A - 全天候高速铁路车载路障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全天候高速铁路车载路障智能检测系统及方法。检测系统中：镜头与短波红外成像装置相连；姿态调整装置驱动镜头及辅助照明装置，智能实时调整其姿态；短波红外成像装置与车载主控系统相连；车载主控系统分别与显示装置、报警装置、储存装置连接；列车运行监控记录装置接口用于车载主控系统与列车运行监控记录装置间的通讯，获取列车运行及轨道相关信息。检测方法，主要包括实时采集前方轨道图像，图像序列帧处理，实时调整镜头及辅助照明装置的朝向，障碍物检测及通知等。本发明具备较高的目标细节分辨率及全天候工作能力，能与列车运行监控记录装置进行实时通讯，获取前方轨道信息及列车运行速度等信息，能有效降低虚警率。

Description

全天候高速铁路车载路障检测系统及方法

技术领域

本发明涉及高速铁路安全监控技术，具体是一种全天候高速铁路车载路障检测方法。

背景技术

 列车行车安全一直是一个热门研究课题，特别是中国铁路的六次大提速，使得铁路运输发生了重大变化。列车运行速度的提高带来更多的安全隐患和安全风险。高速铁路技术的快速发展，已使我国的高速铁路安全得到了比较好的保障，但由于自然灾害和人为破坏等因素，加上列车行车速度快，保证行车安全的难度很大，具体体现在：一、列车运行中，轨道上如有障碍物，紧急刹车所需制动距离长；二、在列车运行速度提升后，司机对于线路状态不能做出快速反应；三、一旦发生行车事故，破坏力大，事故严重。因此，如何保证高速铁路的行车安全是一个亟需解决的技术难题。

影响列车行车安全的因素主要包括管理水平、装备的可靠性以及铁路路障等。铁路轨道路障是指在铁轨上的影响列车行车安全的障碍物，如山体滑坡、泥石流塌方等自然灾害、非法在轨道上放置障碍物以及非法上道的人畜车辆等。由于列车行车速度快，且雨雾等恶劣天气和夜晚瞭望条件差，单靠司机视觉和传统的常规检测方法来进行路障识别，难以保证行车安全。虽然铁路部门采取了限速及相关应急措施，但事故仍时有发生。因此，铁路特别是高速铁路的路障检测成为保证列车行车安全的关键及技术难题，研究全天候高速铁路车载路障检测系统及方法，为确保列车行车安全和减小事故危害提供有效的技术手段，具有显著的社会经济效益和学术理论价值。

根据目前的研究现状，铁路路障检测物检测主要分为如下两类方法：一类是基于毫米雷达、激光雷达、超声波等非可视化传感器的主动探测方法，即向待检测方向发出信号，通过传感器检测回波实现障碍物检测，该方法的算法简单，容易实现，不受天气影响，但检测距离及空间覆盖率有限，分辨率低，易受环境噪声干扰，识别率也较低；另一类是基于计算机视觉的被动检测方法，采用光学传感器，运用图像检测的相关理论来进行障碍物检测，该方法算法复杂，计算量大，不易实现，但其识别率较高，随着计算机软硬件技术的发展，图像检测方法也被广泛应用于诸多领域。

基于计算机视觉的铁路路障检测方法按照摄像机的安装地点可分为两类：一类是在铁路沿线安装摄像机对路障进行检测，该方式检测区域不连续，检测信息需要通过无线方式实时传输，相对复杂，硬件成本较高；另一类是在列车上安装光学传感器进行路障检测，该方法算法复杂，检测距离有限，弯道无法及时检测。

申请号为200820230293.2的中国实用新型专利，名称为：基于被动红外热成像仪的列车智能交通监控系统，“该系统将红外热成像仪安装在列车头部的顶上，获取列车行驶方向轨道上的实时视频，并对实时视频图像进行增强预处理，然后通过图像智能处理器进行图像处理，完成对前方障碍物、前方列车、弯道、分叉等危险情况进行自动识别并实时报警”。该实用新型专利采用基于中波红外成像技术进行轨道障碍物识别，能一定程度避免大雾、夜晚等恶劣气象条件的影响，但该系统的检测距离短，分辨率低，成本高，且中波红外对车窗玻璃的穿透性差，所以摄像头只能安装在车体外部。因此，该系统无法满足高速铁路要求。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明提出了全天候高速铁路车载路障检测系统及方法。

一种全天候高速铁路车载路障检测系统，包括：镜头、短波红外成像装置、姿态调整装置、辅助照明装置、车载主控系统、显示装置、报警装置、列车运行监控记录装置接口（LKJ接口）以及存储装置；

所述镜头与短波红外成像装置相连，用于前方轨道成像；辅助照明装置与镜头朝向一致，用于镜头视野的照明；姿态调整装置与驱动镜头及辅助照明装置，智能实时调整其姿态，保证前方轨道视野在镜头及辅助照明的视场内；所述短波红外成像装置车载主控系统相连；所述车载主控系统分别与显示装置、报警装置、储存装置连接；所述列车运行监控记录装置接口用于车载主控系统与列车运行监控记录装置间的通讯，获取列车运行及轨道相关信息。

该系统各部分均安装在驾驶室内，镜头、短波红外成像装置及辅助照明装置朝向前挡风玻璃。

所述镜头透过波长在0.9μm~2.3μm的红外光，所述短波红外成像装置工作在0.4μm~1.7μm的短波红外光谱段，采用InGaAs光电探测器。

所述辅助照明装置为1.55μm的短波红外光，根据外界光线强度开关照明光。

所述的姿态调整装置能够通过二维电机控制二维转台精确定位镜头及辅助照明的位置，调整仰角范围0~180°，方位角0~360°。

所述车载主控系统是本系统的主要数据处理及逻辑控制部分，采用DSP及FPGA相结合的逻辑控制芯片，它的主要职能包括配置系统工作参数，接收并处理红外图像数据，控制姿态调整装置的驱动电机，配置大辅助照明装置的工作参数，通过LKJ接口获取LKJ内部参数，向显示装置与报警装置提供数据。

所述的报警装置包括灯光报警器，声音报警器。

 一种全天候高速铁路车载路障检测方法，包括以下步骤：

1）、车载主控系统根据指令配置短波红外成像装置工作参数，检测外界光照强度开关辅助照明装置；

2）、并根据车速控制图像采样频率，开始实时采集前方轨道图像；

3）、将短波红外成像装置得到的动态图像序列帧储存于数据缓存区，等待处理；

4）、DSP对数据缓存区的图像序列帧进行预处理，包括以下步骤：

4-1）、对红外图像采用电子稳像算法消除图像抖动；

4-2）、采用中值滤波方法或小波降噪算法对采集到的红外图像进行滤波降噪，抑制或消除噪声信息；

4-3）对降噪图像进行智能图像增强，使系统能够自适应判断环境情况，针对夜晚、阴霾等低可见恶劣场景进行选择性图像增强；

5）、从预处理图像中进行轨道识别，包括以下步骤：

5-1）对预处理图像进行的边缘检测，凸显图像中的钢轨；

5-2）采用先膨胀后腐蚀的闭运算形态学处理，突出图像中的铁轨区域；

5-3）删除小面积对象；

5-4）根据LKJ中的轨道参数，对图像中的钢轨进行延长及连通处理，识别出图像中的轨道；

6）、车载主控系统根据钢轨在图像中的相对位置控制姿态调整装置驱动电机实时调整镜头及辅助照明装置的朝向；

7）、障碍物检测：提取出图像中的铁轨信息，并通过后面连续帧图像判断轨道是否有可疑障碍物，按危险级别对其进行实时报警；

8）、处理结果通知司机，同时将路障的图片及历程信息自动记录下来，以备人工查询。

8、所述的步骤7）采用曲线拟合的方法或聚类分析、支持向量机等智能方法识别障碍物。

本发明通过上述技术解决方案达到以下效果：

1、本发明利用短波红外穿透玻璃的特性，将路障检测系统安装于驾驶室内，弥补了长波及中波红外系统因无法穿透玻璃需安装车外的不足，同时降低了结构上防风防雨防盗等要求。

2、本发明既有长波红外的穿透能力强，探测距离远的优点，同时具备较高的目标细节分辨率及全天候工作能力。

3、本发明能根据轨道线路特点，自动调整镜头及辅助照明的姿态，保证远距离铁轨处于镜头视场内。

4、充分利用短波红外在恶劣条件下的穿透等特性，另外增加图像消抖及增强单元，使系统能够自适应判断环境情况，并针对夜晚、阴霾等低可见恶劣场景进行选择性图像增强。

5、本发明能与列车运行监控记录装置进行实时通讯，获取前方轨道信息及列车运行速度等信息，将其融入智能图像处理模块中，能有效降低虚警率。

6、体积小、安装简易，具备模块化，可控性。

附图说明

图 1 是本发明的系统组成框图； 

图 2 是本发明实际应用场景图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供全天候高速铁路车载路障检测系统，组成原理如图1所示，检测系统主要包括：镜头、短波红外成像装置、姿态调整装置、辅助照明装置、车载主控系统、显示装置、报警装置、列车运行监控记录装置接口（LKJ接口）以及存储装置。

镜头与短波红外成像装置相连，用于前方轨道成像；辅助照明装置与镜头朝向一致，用于镜头视野的照明；姿态调整装置驱动镜头及辅助照明装置，智能实时调整其姿态，保证前方轨道视野在镜头及辅助照明的视场内；所述短波红外成像装置与车载主控系统相连；所述车载主控系统分别与显示装置、报警装置、储存装置连接；所述列车运行监控记录装置接口用于车载主控系统与列车运行监控记录装置间的通讯，获取列车运行及轨道相关信息。

该系统各部分均安装在驾驶室内，镜头、短波红外成像装置及辅助照明装置朝向前挡风玻璃。

镜头透过波长在0.9um~2.3um范围内的红外光，焦距为300mm。短波红外成像装置工作在0.4~1.7um的短波红外光谱段，采用InGaAs面阵光电探测器，有效像素为：640×512，像素尺寸大小为：15um×15um。短波红外受大气、气溶胶以及微小颗粒的影响相对较小，因此大气透过率较高，观测距离远，并具备玻璃穿透能力及一定穿透烟雾的能力。系统白天工作时，利用太阳光照射所反射的短波红外进行成像；夜间成像时，辅助照明发出照明光，经目标反射后，进行成像。

铁轨轨距是1435mm，假设在保证检测率的情况下要求其在拍摄图像上至少具有20个像素，那么该系统的理论最远检测距离为：

即系统检测距离为1435米。如果采用焦距更大的镜头，理论上是可以看得更远些，但价格相应也会提高。

辅助照明为1.55um的短波红外光，发散角4~12mrad，配以夜空辉光可满足远距离多光谱成像需求。安装时，辅助照明出射轴要与成像光轴校准平行。

姿态调整装置能够通过二维部进电机控制二维转台精确定位镜头及辅助照明的位置，调整仰角范围0~180°，方位角0~360°。

车载主控系统是本系统的主要数据处理及逻辑控制部分，采用DSP及FPGA相结合的逻辑控制芯片，它的主要职能包括配置系统工作参数，接收并处理红外图像数据，控制姿态调整装置的驱动电机，配置大辅助照明装置的工作参数，通过LKJ接口获取LKJ内部参数，向显示装置与报警装置提供数据。

报警装置包括灯光报警器，声音报警器；显示装置采用车载液晶显示模块。

存储装置要能存储列车运行过程中的成像图像，速率要满足探测器成像速率，采用64Mbit 高速RAM。

列车运行监控记录装置为LKJ2000型监控装置，通过RS485总线向本系统提供机车运行及轨道的各种信息，

系统将光电传感器所获取的前方轨道图像模拟视频信号，通过视频A/D采集模块将其转换为DSP能够识别处理的数字信号，得到动态图像序列帧，在DSP中完成数字图像处理相关操作，智能识别前方的铁轨及障碍物，并按照规则出警告或报警信号，为了便于驾驶员的观测，处理后的数字视频信号再通过D/A转换模块转化成模拟信号，输入液晶显示屏，处理后的数字视频信号可以根据需要附加多种信息，如道路走向、障碍物信息、工作状态等等，应用场景如图2所示。

实施例2

一种全天候高速铁路车载路障检测方法，实施步骤如下：

1）、车载主控系统根据指令配置短波红外成像装置工作参数，检测外界光照强度开关辅助照明装置；

2）、并根据车速控制图像采样频率，开始实时采集前方轨道图像；

3）、将短波红外成像装置得到的动态图像序列帧储存于数据缓存区，等待处理；

4）、DSP对数据缓存区的图像序列帧进行预处理，包括以下步骤：

4-1）、对红外图像采用电子稳像算法消除图像抖动；

4-2）、采用中值滤波方法或小波降噪算法对采集到的红外图像进行滤波降噪，抑制或消除噪声信息；

4-3）对降噪图像采用空域图像增强算法进行增强处理，使系统能够自适应判断环境情况，针对夜晚、阴霾等低可见恶劣场景进行选择性图像增强；

5）、从预处理图像中进行轨道识别，包括以下步骤：

5-1）对预处理图像进行的基于Carry算子的边缘检测，凸显图像中的钢轨；

5-2）采用先膨胀后腐蚀的闭运算形态学处理，突出图像中的铁轨区域；

5-3）删除小面积对象；

5-4）根据LKJ中的轨道参数，对图像中的钢轨进行延长及连通处理，识别出图像中的轨道；

6）、车载主控系统根据钢轨在图像中的相对位置控制姿态调整装置驱动电机实时调整镜头及辅助照明装置的朝向；

7）、障碍物检测：提取出图像中的铁轨信息，采用曲线拟合或聚类析方法，并通过后面连续帧图像判断轨道是否有可疑障碍物，按危险级别对其进行实时报警；

8）、处理结果通知司机，同时将路障的图片及历程信息自动记录下来，以备人工查询。

Claims (8)

1.一种全天候高速铁路车载路障检测系统，包括镜头、短波红外成像装置、姿态调整装置、辅助照明装置、车载主控系统、显示装置、报警装置、列车运行监控记录装置接口以及存储装置，其特征在于：

所述镜头与短波红外成像装置相连，用于前方轨道成像；辅助照明装置用于车辆前方视野的照明；姿态调整装置驱动镜头及辅助照明装置，智能实时调整姿态，保证前方轨道视野在镜头及辅助照明的视场内；所述短波红外成像装置与车载主控系统相连；所述车载主控系统分别与显示装置、报警装置、储存装置连接；所述列车运行监控记录装置接口用于车载主控系统与列车运行监控记录装置间的通讯，获取列车运行及轨道相关信息；

该系统各部分均安装在驾驶室内，镜头、短波红外成像装置及辅助照明装置朝向前挡风玻璃。

2.根据权利要求1所述的全天候高速铁路车载路障检测系统，其特征在于，所述镜头透过波长在0.9μm~2.3μm的红外光，所述短波红外成像装置工作在0.4μm~1.7μm的短波红外光谱段，采用InGaAs光电探测器。

3.根据权利要求1所述的全天候高速铁路车载路障检测系统，其特征在于，所述辅助照明装置为1.55μm的短波红外光，根据外界光线强度开关照明光。

4.根据权利要求1所述的全天候高速铁路车载路障检测系统，其特征在于，所述的姿态调整装置能够通过二维电机控制二维转台精确定位镜头及辅助照明的位置，调整仰角范围 0~180°，方位角0~360°。

5.根据权利要求1所述的全天候高速铁路车载路障检测系统，其特征在于，所述车载主控系统是系统的数据处理及逻辑控制部分，采用DSP及FPGA相结合的逻辑控制芯片，主要职能包括配置系统工作参数，接收并处理红外图像数据，控制姿态调整装置的驱动电机，配置大辅助照明装置的工作参数，通过LKJ接口获取LKJ内部参数，向显示装置与报警装置提供数据。

6.根据权利要求1所述的全天候高速铁路车载路障检测系统，其特征在于，所述的存储装置包括灯光报警器、声音报警器。

7.一种全天候高速铁路车载路障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、车载主控系统根据指令配置短波红外成像装置工作参数，检测外界光照强度开关辅助照明装置；

2）、并根据车速控制图像采样频率，开始实时采集前方轨道图像；

3）、将短波红外成像装置得到的动态图像序列帧储存于数据缓存区，等待处理；

4）、DSP对数据缓存区的图像序列帧进行预处理，包括以下步骤：

4-1）、对红外图像采用电子稳像算法消除图像抖动；

4-2）、采用中值滤波方法或小波降噪算法对采集到的红外图像进行滤波降噪，抑制或消除噪声信息；

4-3）对降噪图像进行智能图像增强，使系统能够自适应判断环境情况，针对夜晚、阴霾等低可见恶劣场景进行选择性图像增强；

5）、从预处理图像中进行轨道识别，包括以下步骤：

5-1）对预处理图像进行的边缘检测，凸显图像中的钢轨；

5-2）采用先膨胀后腐蚀的闭运算形态学处理，突出图像中的铁轨区域；

5-3）删除小面积对象；

5-4）根据LKJ中的轨道参数，对图像中的钢轨进行延长及连通处理，识别出图像中的轨道；

6）、车载主控系统根据钢轨在图像中的相对位置控制姿态调整装置驱动电机实时调整镜头及辅助照明装置的朝向；

7）、障碍物检测：提取出图像中的铁轨信息，并通过后面连续帧图像判断轨道是否有可疑障碍物，按危险级别对其进行实时报警；

8）、处理结果通知司机，同时将路障的图片及历程信息自动记录下来，以备人工查询。

8.根据权利要求7所述的全天候高速铁路车载路障检测方法，其特征在于，所述的步骤7）采用曲线拟合的方法或聚类分析、支持向量机智能方法识别障碍物。