CN110001703A - 列车连挂辅助导引系统、方法及连挂列车完整性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车连挂辅助导引系统，设置于待连挂的第一列车和第二列车上，包括：设置在第一列车的待连挂端的热光源，其包括多个连接构成光源排列图形的线段光源；正对所述热光源地设置在第二列车的待连挂端，通过扫描热光源获得图像，依据图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传给第二列车的列车控制器进行辅助导引以完成连挂的双目相机。本发明还公开了列车连挂辅助导引方法以及连挂列车完整性监测方法。本发明提升自动连挂的智能化水平，提高连挂的效率和可靠性，并保证连挂后的安全性，并且准确、有效地实现完整性判断。

Description

列车连挂辅助导引系统、方法及连挂列车完整性监测方法

技术领域

本发明涉及轨道交通控制技术领域，尤其涉及列车连挂辅助导引的系统、方法及连挂列车完整性监测方法。

背景技术

城市轨道交通有很明显潮汐客流特征，采用不同编组的列车来满足早晚高峰及日常平峰时间段的客运需求的策略，有利于提高列车的使用效率，节省用电能耗具有很高的经济价值。而采用“合分联运”即动态编组列车的方式能使得列车使用更加高效，但是其难度在于连挂过程需要很多的人工介入，控制操作过程复杂，有一定的安全风险。

对于连挂的自动化过程，现有基于机器视觉的连挂辅助技术，其特点是利用UWB的测距和通信功能来辅助列车控制系统实现救援车向故障车靠近，在靠近到足够距离时开启视觉伺服系统检测车钩对准情况，以图像识别技术判断是否能够实现联挂。但没有具体的图像识别技术方案，且其识别目标局限于在连挂过程中的车钩连挂条件的检测。

在城市轨道交通中，列车完整性都是由专用的贯通列车线来表示，列车完整性监督通过监测列车线的电平状态来实现。此方案简单实用，但由于贯通列车线都需要通过电气车钩进行机械连接，对于需要反复连挂解编的应用，电气车钩的机械可靠性是实现全自动连挂的主要限制。

发明内容

本发明的目的在于提供列车连挂辅助导引系统，以及基于该系统的列车连挂辅助导引方法，提升自动连挂的智能化水平，提高连挂的效率和可靠性，并保证连挂后的安全性。

本发明的目的还在于提供连挂列车完整性监测方法，准确、有效地实现完整性判断。

实现上述目的的技术方案是：

一种列车连挂辅助导引系统，设置于待连挂的第一列车和第二列车上，包括：

设置在第一列车的待连挂端的热光源，其包括多个连接构成光源排列图形的线段光源；以及

正对所述热光源地设置在第二列车的待连挂端的双目相机，其通过扫描热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传递至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间的角度判断是否能够安全启动连挂，并根据所述第一列车和第二列车之间相对距离控制连挂过程中的列车速度。

优选的，所述双目相机包括均对所述热光源成像的一红外通道和一可见光通道。

优选的，所述热光源的各线段光源相互并联。

优选的，第二列车的待连挂端还设置有另一个所述热光源；

第一列车的待连挂端还设置正对第二列车上热光源的另一个所述双目相机，该双目相机连接第一列车的列车控制器。

优选的，所述热光源通过其所在列车的列车控制器控制电源进行激发和消隐。

本发明的基于上述列车连挂辅助导引系统的列车连挂辅助导引方法，包括：

所述双目相机预先进行几何参数标定，建立相机成像的透视投影矩阵；

第一列车制动停车，并开启所述热光源，所述双目相机扫描所述热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并发送至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间的角度判断是否能够安全启动连挂；

在确认安全后，第二列车启动向第一列车靠近，所述双目相机持续扫描所述热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并发送至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间相对距离控制连挂过程中的列车速度，从而完成连挂过程辅助导引。

优选的，所述双目相机设有一个红外通道和一个可见光通道，红外通道和可见光通道分别计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并进行比对，融合后发送给第二列车的列车控制器。

优选的，所述双目相机采用相机标定算法进行几何参数标定。

优选的，所述双目相机根据图像计算第一列车和第二列车之间相对距离和角度，包括：

使用标定获得的畸变参数对图像进行畸变校正；

利用滤波平滑算子去除图像中的噪声；

采用自适应阈值法将彩色或灰度图像转换成黑白二值图像；

利用Hough变换算法提取图像中的边缘信息；

从边缘信息提取图像直线及其交点信息；

获得图像直线及交点信息后，通过透视投影几何计算，从图像反推出热光源平面相对于相机成像平面的夹角、旋转角度以及上下左右的平移量。

本发明基于上述列车连挂辅助导引方法的连挂列车完整性监测方法，包括：

在连挂完成后，监测第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并计算第一列车和第二列车的相对距离，并根据相对距离判断出连挂列车的完整性状态。

本发明的有益效果是：本发明利用双目相机配合热光源，计算出连挂列车之间相对距离和角度，辅助导引列车控制器实现连挂，能脱离机械连接的依赖，有效提高连挂的效率和可靠性。同时，采用主动光源减轻了受到环境光照变化带来的影响，能够支持列车在不同运行环境下的检测应用。且热光源的模式采用线段状模式，有充分的冗余信息，有利于提升系统的可靠性和置信度。利用双目相机可以实现图像级的数据融合也可以实现判决级的数据融合，进一步保证了距离测量的精度，以及对完整性判断的准确性。

附图说明

图1是本发明的列车连挂辅助导引系统的结构示意图；

图2是本发明中热光源和双目相机的表面示意图；

图3是本发明中投影几何计算的原理示意图；

图4是本发明中透视投影变换的原理示意图；

图5是本发明中透视投影变换的结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，本发明的列车连挂辅助导引系统，设置于待连挂的第一列车1和第二列车2上，包括：热光源3和双目相机4。

本实施例中，第一列车1制动，第二列车2靠近第一列车1。

热光源3设置在第一列车1的待连挂端（本实施例中，为第一列车1的尾端），采用线状图形模式，即热光源包括多个连接构成光源排列图形的线段光源。不同的线状图形模式可用于区分不同固定编组列车，例如3节编组列车与4节编组列车混编，乘客列车与行李车厢混编的情况。参考图2。

双目相机4正对热光源地设置在第二列车2的待连挂端（本实施例中，为第二列车的头端），通过扫描热光源3获取图像，利用图像的射影几何关系计算出第一列车1和第二列车2之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传给第二列车2的列车控制器进行辅助导引以完成连挂。双目相机4采用双模视觉传感技术，包括一个红外通道和一个可见光通道。热光源3的光谱特性满足可见光通道和红外通道各自实现线状图形模式探测的要求，即：红外通道和可见光通道均对热光源3成像。

热光源3通过其所在列车的列车控制器控制电源进行激发和消隐。另外热光源3采用多源并驱的方式对线状图形模式进行分段并行激发和消隐，即热光源的各线段光源相互并联。在部分分段线状光源故障时，系统具备容错能力，不影响整体探测结果。红外传感器采用面阵非制冷探测器。参考图2，图2只给出了热光源的一种可能的几何线状模式作为例子。

另外，一般在第二列车2的待连挂端还设置有另外一个热光源3。第一列车1的待连挂端还设置正对第二列车2上热光源3的另一个双目相机4，该双目相机4连接第一列车1的列车控制器。当第二列车2制动，第一列车2靠近第二列车1时，能够同样实现辅助导引连挂。

具体地，列车车体结构固定的条件下，双目相机4以及热光源3安装位置固定，例如同一车端的双目相机4和热光源3左右分布。左右分布，则头端相对于尾端为交叉分布。安装的位置能保证列车在通过线路掉头后连挂后车头端的相机与连挂前车尾端的热光源对准，参考图1，图1只给出了一种左右分布的安装方案。

本发明的基于上述列车连挂辅助导引系统的列车连挂辅助导引方法，包括下列步骤：

一、双目相机4预先进行几何参数标定，建立相机成像的透视投影矩阵。在系统使用前，模拟在平直轨道上连挂一对列车后激发热光源的场景，采用通用的相机标定算法，例如张正友算法，对双目相机4进行几何参数标定，获得双目相机4的内部参数、外部参数以及畸变参数，建立相机成像的几何模型，即透视投影矩阵。可见光与红外相机成像平面有左右和前后平移的关系，这些关系由标定后的参数获得，在图3中显示的是两个通道的成像平面在同一平面上的例子，基于小孔成像的相机模型，成像平面与光心的距离Dc可以通过标定获得，实际的双通道相机，两个相机的Dc可以不同。同时通过标定，两个通道相机的平面距离Dis也包含中几何模型参数中。

二、第一列车1制动停车，并开启热光源3。双目相机4扫描热光源3获取图像，根据所述图像计算出第一列车1和第二列车2之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传递至第二列车2的列车控制器，该列车控制器根据第一列车1和第二列车2之间的角度判断是否能够安全启动连挂。

在确认安全后，第二列车2向第一列车1靠近，一般在两列车接近小于5米时，第二列车2制动停车，并开启双目相机4扫描热光源3，获取热光源的图像，根据所述图像计算出第一列车1和第二列车2之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传递至第二列车2的列车控制器，该列车控制器根据第一列车1和第二列车2之间的相对距离控制连挂过程中的列车速度，从而完成连挂过程辅助导引。

完成标定后的双目相机4可以通过透视投影计算获得热光源3至双目相机4的距离，距离越近，成像越大，即像素点越多。获得的图像先进行预处理，其典型的处理步骤包括：

1）使用标定获得的畸变参数对图像进行畸变校正。

2）图像滤波，利用滤波平滑算子去除图像中的噪声。

3）图像二值化，采用自适应阈值法将彩色或灰度图像转换成黑白二值图像。

4）利用Hough变换（霍夫变换）算法提取图像中的边缘信息。

5）利用对热光源图形的先验知识：图形在同一平面内，线段光源平行和垂直两种关系，线段光源的物理长度已知，从边缘信息提取图像直线及其交点信息，线宽信息是无用信息，予以剔除。

获得部分直线及交点信息后，就可以通过透视投影几何计算，系统从图像反推出热光源平面相对于相机成像平面的夹角和旋转角度，还有上下左右的平移量。其简化的原理可参考图3、4、5，在图3中，成像平面与光心的距离Dc和两个通道相机的平面距离Dis的参数是通过标定获得的参数，对于A点，假设其为光源线段中的一个交点，待获得的信息是Da，即相机与A点的物理距离（深度信息），其计算可以通过下列方程组获得，其中有3个位置数S1、S2和Da，S1、S2分别为A点到两个光轴C1、C2的距离；A’、A’’ 表A点在双目相机4两个通道的投影点，A’C1表示投影点A’到光轴C1的距离，A’’C2表示投影点A’’到光轴C2的距离。

Dis = S1+S2

S1/A’C1 = Da/Dc

S2/A’’C2 = Da/Dc

同理，Db是相机与B点的物理距离（深度信息），B’、 B’’ 表B点在双目相机4两个通道的投影点。

另外图5中，C线段表示热光源中的一段，A和B是与C垂直的热光源段，当列车位于弯道时，取决于弯曲的方向，A会相对于B更远离或靠近相机成像平面，图4中给出了A/B线段长度相等的情况下，由于透视投影的几何变换，在成像平面上获得的长度不同。通过获得成像平面与热光源平面之间的距离、夹角等数据，系统可以给出前后连挂列车的相对位置和角度。

同时，可以采取措施：双目相机4的红外通道和可见光通道分别计算出第一列车1和第二列车2之间相对距离和角度，并进行比对，融合后发送给第二列车2的列车控制器。从而能够保证计算结果的置信度和系统可靠性，系统指标能够达到安全完整性等级的要求。

本发明的基于上述列车连挂辅助导引方法的连挂列车完整性监测方法，在连挂完成后，监测第一列车1和第二列车2之间相对距离和角度，并计算第一列车1和第二列车2的相对距离，并根据中心相对距离判断出连挂列车的完整性状态，并报告给列车控制系统。第一列车1和第二列车2的相对距离以两列车的各自中心的距离为佳，因为列车有一定的宽度，在弯道处，不同部位的车端距离不一样。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种列车连挂辅助导引系统，设置于待连挂的第一列车和第二列车上，其特征在于，包括：

设置在第一列车的待连挂端的热光源，其包括多个连接构成光源排列图形的线段光源；以及

正对所述热光源地设置在第二列车的待连挂端的双目相机，其通过扫描热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并将该相对距离和角度传递至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间的角度判断是否能够安全启动连挂，并根据所述第一列车和第二列车之间相对距离控制连挂过程中的列车速度。

2.根据权利要求1所述的列车连挂辅助导引系统，其特征在于，所述双目相机包括均对所述热光源成像的一红外通道和一可见光通道。

3.根据权利要求1所述的列车连挂辅助导引系统，其特征在于，所述热光源的各线段光源相互并联。

4.根据权利要求1所述的列车连挂辅助导引系统，其特征在于，第二列车的待连挂端还设置有另一个所述热光源；

第一列车的待连挂端还设置正对第二列车上热光源的另一个所述双目相机，该双目相机连接第一列车的列车控制器。

5.根据权利要求1或4所述的列车连挂辅助导引系统，其特征在于，所述热光源通过其所在列车的列车控制器控制电源进行激发和消隐。

6.一种基于权利要求1所述列车连挂辅助导引系统的列车连挂辅助导引方法，其特征在于，包括：

所述双目相机预先进行几何参数标定，建立相机成像的透视投影矩阵；

第一列车制动停车，并开启所述热光源，所述双目相机扫描所述热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并发送至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间的角度判断是否能够安全启动连挂；

在确认安全后，第二列车启动向第一列车靠近，所述双目相机持续扫描所述热光源获取图像，根据所述图像计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并发送至第二列车的列车控制器，该列车控制器根据所述第一列车和第二列车之间相对距离控制连挂过程中的列车速度，从而完成连挂过程辅助导引。

7.根据权利要求6所述的列车连挂辅助导引方法，其特征在于，所述双目相机设有一个红外通道和一个可见光通道，红外通道和可见光通道分别计算出第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并进行比对，融合后发送给第二列车的列车控制器。

8.根据权利要求6所述的列车连挂辅助导引方法，其特征在于，所述双目相机采用相机标定算法进行几何参数标定。

9.根据权利要求6所述的列车连挂辅助导引方法，其特征在于，所述双目相机根据图像计算第一列车和第二列车之间相对距离和角度，包括：

使用标定获得的畸变参数对图像进行畸变校正；

利用滤波平滑算子去除图像中的噪声；

采用自适应阈值法将彩色或灰度图像转换成黑白二值图像；

利用Hough变换算法提取图像中的边缘信息；

从边缘信息提取图像直线及其交点信息；

获得图像直线及交点信息后，通过透视投影几何计算，从图像反推出热光源平面相对于相机成像平面的夹角、旋转角度以及上下左右的平移量。

10.一种基于权利要求6所述列车连挂辅助导引方法的连挂列车完整性监测方法，其特征在于，包括：

在连挂完成后，监测第一列车和第二列车之间相对距离和角度，并计算第一列车和第二列车的相对距离，并根据相对距离判断出连挂列车的完整性状态。