CN109375239A - 一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法，它包括：多个前端设备：安装在铁道线路上用于采集铁道线路上障碍物的三维数据信息信号以及接收控制信号进行控制及报警；多个前端主控机柜：安装在铁道线路上并与所述前端设备通信连接，实现接收所述前端设备发送的障碍物的数据信息信号以及发送控制信号到所述前端设备中；铁路控制中心：与所述前端主控机柜通信连接，接收所述前端主控机柜传输的数据信息，对所有前端主控机柜进行整体控制。通过三维激光雷达的三维成像技术对障碍物进行整体扫描，形成三维点云图像，能够对障碍物的性质以及停留时间进行精准的判断。

Description

一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种障碍物监测系统及方法，尤其涉及一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法。

背景技术

铁道线路的安全是铁路运输永恒的主题，为加强铁道线路的防护管理确保铁路行车安全和人身安全，减少铁路内外人身伤亡事故，通过一定的监测设备来对铁道线路上障碍物的监测是铁路运营安全中必不可少的手段。

现中国专利申请号为201710269081.9公开了“铁道线路障碍物自动监测识别方法”，其包括沿铁道线路上方一平面按设定角度范围发出激光，进行扫动搜索；接收返回的激光信号，自动判断是否存在有害障碍物。该方法能够在各种天气和气候条件下，对铁路线路上可能威胁到列车正常行驶的有害障碍物进行快速，准确地判别，并对告警目标进行定位。但是这种方法存在着以下缺陷：

(1)该方法采用激光对一平面进行扫描得到的只是障碍物的二维平面图形图像数据，而二维数据不能够真实反映出障碍物的实际性质，不能对障碍物进行准确的识别；

(2)其激光器安装方式为高于铁轨一定距离且沿水平于两轨道延长线进行安装，只能对高于铁轨指定区域障碍物的截面进行检查，很容易受到杂草、道砟等外部条件的干扰，造成误报。

(3)不能对报警数据信息进行优先级传输以及对报警等级进行区分，在网络情况不好时将会影响对报警真实情况的判断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法，解决了现有监测方法中存在的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，它包括：

多个前端设备：安装在铁道线路上用于采集铁道线路上障碍物的三维数据信息信号以及接收控制信号进行控制及报警；

多个前端主控机柜：安装在铁道线路上并与前端设备通信连接，实现接收前端设备发送的障碍物的数据信息信号以及发送控制信号到前端设备中；

铁路控制中心：与前端主控机柜通信连接，接收前端主控机柜传输的数据信息，对所有前端主控机柜进行整体控制。

前端设备包括面向铁路轨道吊装在铁路轨道一侧的，实现采集障碍物三维图像数据的三维数据采集装置；三维数据采集装置与前端主控机柜连接，实现数据的交互。

前端设备还包括安装在铁道线路上的摄像装置和报警装置；摄像装置将采集到的视频图像数据发送到前端主控机柜，前端主控机柜发送报警控制信号到报警装置实现现场报警，以及发送控制信号到摄像装置实现控制。

前端主控机柜包括工控机、硬盘录像机、网络通信模块、接口模块和电源模块；前端设备通过接口模块将采集的障碍物数据传输到前端主控机柜，再通过网络通信模块将数据上传到铁路控制中心；硬盘录像机实现在网络中断时将采集的障碍物数据进行缓存；工控机内嵌入有前端程序，并与铁路控制中心进行相互通信，通过接口模块向前端设备发送控制指令；电源模块实现为前端主控机柜提供电源。

铁路控制中心包括用于根据报警信息确定报警等级的客户端，客户端安装有客户端软件，与硬盘录像机缓存的数据同步的实现网络通信模块上传数据存储的中心数据库，以及向客户端推送报警信息的服务器，服务器内嵌入有服务端程序。

一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，所述的方法包括以下步骤：

前端设备将采集到的障碍物数据信息，通过计算转换为报警数据，并推送到服务器；

服务器根据分析的结果判断是否需要向客户端推送报警数据；

客户端根据报警等级进行相应处理。

服务器还需要对障碍物数据信息进行分析判断，具体步骤如下：

根据前端设备采集的三维点云图像中障碍物的体积、形状和移动轨迹数据判断障碍物的类型；

根据障碍物在三维点云图像的空间范围内的位置变化判断障碍物的实时停留时间。

报警数据的推送根据网络情况进行优先级报警数据传输，数据传输优先级等级包括第一优先级传输数据、第二优先级传输数据和第三优先级传输。

根据推送的报警数据和多次对障碍物数据信息的扫描分析结果判断报警等级的步骤为：

如果前端设备采集的三维点云图像内障碍物超过第一阈值条件，则判定为一级报警；

如果前端设备采集的三维点云图像内障碍物超过第二阈值条件，则判定为二级报警；

客户端根据判定的一级报警或者二级报警与接收到的三个优先级报警数据的结合判断是否判定为三级报警。

本发明的有益效果是：一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法，通过三维激光雷达的三维成像技术对障碍物进行整体扫描，形成三维点云图像，能够对障碍物的性质以及停留时间进行精准的判断；并通过障碍物分析判断结果设定三个报警等级区分出报警情况的轻重缓急；在网络传输受影响时通过报警数据的优先级传输保证报警信息的及时长传；通过将三维激光雷面向轨道吊装在轨道的一侧避免了杂草等外部因素对障碍物判断的影响。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为第三优先级影像数据加载流程图；

图4为报警触发和处理流程图；

图5为用户报警处理流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，它包括：

多个前端设备：安装在铁道线路上用于采集铁道线路上障碍物的三维数据信息信号以及接收控制信号进行控制及报警；

多个前端主控机柜：安装在铁道线路上并与所述前端设备通信连接，实现接收所述前端设备发送的障碍物的数据信息信号以及发送控制信号到所述前端设备中；

铁路控制中心：与所述前端主控机柜通信连接，接收所述前端主控机柜传输的数据信息，对所有前端主控机柜进行整体控制。

前端设备包括面向铁路轨道吊装在铁路轨道一侧的，实现采集障碍物三维图像数据的三维数据采集装置；所述的三维数据采集装置与所述前端主控机柜连接，实现数据的交互。

优选地，前端设备包括安装在铁道线路上的激光雷达；激光雷达将采集到的数据发送到前端主控机柜，前端主控机柜发送控制信号到激光雷达实现控制；激光雷达包括三维激光雷达，三维激光雷达面向铁路轨道吊装在铁路轨道的一侧，并实现水平方向和垂直方向等角步进转动扫描方式采集障碍物的三维点云图像数据。

优选地，三维激光雷达面向铁路轨道吊装在铁路轨道的一侧，其离地面的距离根据实际情况可设置为2.5m-3.5m；三维激光雷达在水平方向和垂直方向等角步进的转动角度在0.1度～1度之间连续可调，相对误差小于0.05度。保证三维激光雷达的水平方向的扫描时间和垂直方向的扫描时间同步。

前端设备还包括安装在铁道线路上的摄像装置和报警装置；摄像装置将采集到的视频图像数据发送到所述前端主控机柜，前端主控机柜发送报警控制信号到报警装置实现现场报警，以及发送控制信号到摄像装置实现控制。

优选地，摄像装置包括枪机摄像机和球机网络摄像机，报警装置包括声光报警器，通过LED信号灯进行发光警报，可视范围800m-1000m，通过报警喇叭进行发声报警，报警音量大于115分贝。

前端主控机柜包括工控机、硬盘录像机、网络通信模块、接口模块和电源模块；前端设备通过接口模块将采集的障碍物数据传输到前端主控机柜，再通过网络通信模块将数据上传到所述铁路控制中心；硬盘录像机实现在网络中断时将采集的障碍物数据进行缓存，待网络恢复后再将数据向中心数据库传输实现数据同步的一致性；工控机内嵌入有前端程序，并与铁路控制中心进行相互通信，通过接口模块向前端设备发送控制指令；电源模块实现为前端主控机柜提供电源。

优选地，硬盘录像机采用循环覆盖录像模式，其中报警截取的视频需要保护；自动监控工控机硬盘，当硬盘空间不足时，可自动删除旧的文件数据。

优选地，电源模块包括市电和UPS电源接口；模块包括IO接口、激光雷达接口合摄像装置接口；激光雷达接口包括RS485、CAN总线和RJ45接口中的一种或者多种，摄像装置接口包括RS485或者RJ45；三维激光雷达通过激光雷达接口将采集的障碍物的三维点云图像传输到前端主控机柜中；摄像装置通过摄像装置接口将采集的视频或者图像数据传输到前端主控机柜中；前端主控机柜通过IO接口控制报警装置进行现场报警，也可以通过短信通信模块向相关人员发送报警消息。

铁路控制中心包括用于根据报警数据确定报警等级的客户端，客户端安装有客户端软件，与硬盘录像机缓存的数据同步的实现网络通信模块上传数据存储的中心数据库，以及向客户端推送报警数据的服务器，服务器内嵌入有服务端程序。其中，客户端可以通过前端主控机柜远程控制前端设备。

如图2所示，一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，所述的方法包括以下步骤：

S1、前端设备将采集到的障碍物信息，通过计算转换为报警数据，并推送到服务器；

其中，通过三维激光雷达和摄像机将采集到障碍物数据信息并传输到前端主控机柜进行计算转换为报警数据，并推送到服务器，；

S2、服务器根据分析的结果判断是否需要向客户端推送报警数据；其中，服务器还需要对障碍物数据信息进行分析判断；

S3、客户端根据报警等级进行相应处理。

根据推送的报警数据和多次对障碍物数据信息的扫描分析结果判断报警等级，并根据报警等级进行相应处理。

步骤S2服务器还需要对障碍物数据信息进行分析判断，具体步骤如下：

S211、根据三维激光雷达采集的三维点云图像障碍物的体积、形状和移动轨迹数据判断障碍物的类型；

S212、根据障碍物在三维点云图像的空间范围内的位置变化判断障碍物的实时停留时间。

优选地，对于障碍物类型的判定步骤为：

A1、根据三维点云图中障碍物的外形，如果障碍物的体积在0.5立方米-1.5立方米，且移动速度在1m/s-2m/s，则判定该障碍物为人；

A2、根据三维点云图中障碍物的外形，如果障碍物的体积在0.2立方米-0.5立方米，且移动速度小于1m/s，则判定障碍物为动物；

A3、根据三维点云图中障碍物的外形，如果障碍物的体积大于5立方米，且移动速度大于3m/s，则判定障碍物为泥石流或者落石。

报警数据的推送根据网络情况进行优先级报警数据传输，数据传输优先级等级包括第一优先级传输数据、第二优先级传输数据和第三优先级传输；报警数据的推送根据报警优先级进行数据传输的步骤为：

B1、前端主控机柜将第一优先级传输数据成功上传到中心数据库，中心数据库向前端主控机柜发送确认信息；

B2、中心数据库通过服务器向客户端推送第一优先级传输数据，同时根据网络情况依次向前端主控机柜请求第二优先级传输数据和第三优先级传输数据。

优选地，第一优先级传输数据包括报警信息，第二优先级传输数据包括报警图片和三维点云图像，第三优先级传输数据包括采集的现场截取视频；其中现场截取视频为自动截取报警时间点前后时间段的视频，且视频截取的时间可调；报警图片为抓拍报警点障碍物图片，抓拍的图片包括障碍物细节且障碍物位于图片中心位置。

其中，第二优先级数据传输的报警图片和三维点云图像、第三优先级数据传输的现场截取视频与第一优先级数据传输的报警信息自动关联，即通过第一优先级数据传输的报警信息可以查到与之对应的后续接收到的第二优先级数据传输的障碍物的图片和三维点云图像以及第三优先级数据传输的现场截取视频。

如图3所示，前端程序自动将“确认报警”信息所关联的影像文件上传到服务器，服务器与前端程序之间，需要对文件的上传进行校验。

步骤S2服务器根据分析的结果判断是否需要向客户端推送报警数据的步骤为：

S221、如果分析结果不满足报警要求时，则只记录此次数据；

其中，当分析结果判定为障碍物为火车时，则不进行报警，则记录数据。

S222、如果分析结果满足报警要求时，则根据当时网络情况进行优先级报警数据传输。

其中满足报警要求为至少满足一级报警要求。

如图4所示，前端程序在对障碍物的类型进行计算分析后，根据分析结果判定向客户端推送一、二级报警信息，以及根据网络情况以及报警数据传输的优先级进行报警数据的推送，其中三级报警需要用户通过客户端确认；如果是记录在中心数据库未处理的报警，需要用户通过客户端确认是进行报警或者取消报警；经客户端确认的报警需通过现场的前端报警装置发出警报以及铁路局，并记录确认的报警信息。

步骤S3根据推送的报警数据和多次对障碍物数据信息的扫描分析结果判断报警等级的步骤为：

S31、如果检测到在激光扫描采集的三维点云图像内障碍物体积超过预先设置的第一体积阈值条件且停留时间超过预先设置的第一时间阈值条件，则判定为一级报警；

其中，第一体积阈值条件为任意横截面积大于15-25平方厘米，第一时间阈值条件为障碍物停留时间超过10s-18s；则认定为固定障碍物，判定为一级报警。

S32、如果检测到在激光扫描采集的三维点云图像内障碍物体积超过预先设置的第二体积阈值条件且停留时间超过预先设置的第二时间阈值条件，则判定为二级报警；

其中，第二体积阈值条件为障碍物体积大于4立方米-6立方米，第二时间阈值条件为停留时间单元25s-40s，则判定为二级报警；

S33、客户端根据判定的一级报警或者二级报警与接收到的三个优先级报警数据的结合判断是否判定为三级报警。

如图5所示，用户可以对报警不做任何处理，也可以选择“确认报警”和“取消报警”，但是需要在客户端填写操作记录，该记录必须写入中心数据库，以方便后续数据查询。

优选地，在正常天气情况下在对障碍物进行扫描分析判断报警等级时，扫描次数应不少于两次，如果遇到极端或者恶劣天气会造成对障碍物类型的判断，则通过增加对障碍物的扫描次数(不少于4次)和增加障碍物停留的判定时间(在原来的基础上增加至少25％停留时间的判定)来实现在极端或者恶劣天气对障碍物的精准判断。

以上所述仅为本发明/发明的实施例，并非因此限制本发明/发明的专利范围，凡是利用本发明/发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明/发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，其特征在于：它包括：

多个前端设备：安装在铁道线路上用于采集铁道线路上障碍物的三维数据信息信号以及接收控制信号进行控制及报警；

多个前端主控机柜：安装在铁道线路上并与所述前端设备通信连接，实现接收所述前端设备发送的障碍物的数据信息信号以及发送控制信号到所述前端设备中；

铁路控制中心：与所述前端主控机柜通信连接，接收所述前端主控机柜传输的数据信息，对所有前端主控机柜进行整体控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，其特征在于：所述的前端设备包括面向铁路轨道吊装在铁路轨道一侧的，实现采集障碍物三维图像数据的三维数据采集装置；所述的三维数据采集装置与所述前端主控机柜连接，实现数据的交互。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，其特征在于：所述的前端设备还包括安装在铁道线路上的摄像装置和报警装置；所述的摄像装置将采集到的视频图像数据发送到所述前端主控机柜，所述的前端主控机柜发送报警控制信号到所述报警装置实现现场报警，以及发送控制信号到所述摄像装置实现控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，其特征在于：所述的前端主控机柜包括工控机、硬盘录像机、网络通信模块、接口模块和电源模块；所述的前端设备通过所述接口模块将采集的障碍物数据传输到前端主控机柜，再通过所述网络通信模块将数据上传到所述铁路控制中心；硬盘录像机实现在网络中断时将采集的障碍物数据进行缓存；所述工控机内嵌入有前端程序，并与所述铁路控制中心进行相互通信，通过所述接口模块向所述前端设备发送控制指令；所述的电源模块实现为前端主控机柜提供电源。

5.根据权利要求4所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统，其特征在于：所述的铁路控制中心包括用于根据报警信息确定报警等级的客户端，客户端安装有客户端软件，与所述硬盘录像机缓存的数据同步的实现所述网络通信模块上传数据存储的中心数据库，以及向所述客户端推送报警信息的服务器，所述的服务器内嵌入有服务端程序。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

前端设备将采集到的障碍物数据信息，通过计算转换为报警数据，并推送到服务器；

服务器根据计算分析的结果判断是否需要向客户端推送报警数据；

客户端根据报警等级进行相应处理。

7.根据权利要求6所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，其特征在于：服务器还需要对障碍物数据信息进行分析判断，具体步骤如下：

根据前端设备采集的三维点云图像中障碍物的体积、形状和移动轨迹数据判断障碍物的类型；

根据障碍物在三维点云图像的空间范围内的位置变化判断障碍物的实时停留时间。

8.根据权利要求6所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，其特征在于：报警数据的推送根据网络情况进行优先级报警数据传输，数据传输优先级等级包括第一优先级传输数据、第二优先级传输数据和第三优先级传输。

9.根据权利要求8所述的一种基于三维成像的线路障碍物监测报警方法，其特征在于：所述的根据推送的报警数据和多次对障碍物数据信息的扫描分析结果判断报警等级的步骤为：

如果前端设备采集的三维点云图像内障碍物超过第一阈值条件，则判定为一级报警；

如果前端设备采集的三维点云图像内障碍物超过第二阈值条件，则判定为二级报警；

客户端根据判定的一级报警或者二级报警与接收到的三个优先级报警数据的结合判断是否判定为三级报警。