CN112977541A - 一种基于多技术融合的列车防护预警系统 - Google Patents

一种基于多技术融合的列车防护预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多技术融合的列车防护预警系统，包括：车载检测装置、轨旁检测装置、转辙机通信装置、车载计算平台、车载显示设备和报警蜂鸣器，所述车载检测装置采集列车行进过程中前方的实时场景数据，并传输到所述车载计算平台；所述轨旁检测装置采集固定场景下的实时数据，检测该场景下是否有异物侵入，并将检测数据传输到所述车载计算平台；所述车载计算平台根据实时场景数据和固定场景下的实时数据识别是否存在障碍物，当存在障碍物时计算风险等级，并将障碍物图像以及风险等级发送给所述车载显示设备进行显示。能够对列车运行前方的障碍物进行无死角检测判别并测距，并对超视距的范围进行检测，更为安全可靠。

Description

一种基于多技术融合的列车防护预警系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及多技术融合的列车防护预警系统。
背景技术
目前，轨道列车障碍物预警意义重大，也快速发展。多采用激光雷达、无线电波测距、超声波传感器等技术进行检测障碍物。存在如下缺点：
1)障碍物检测的范围有限，所涉及的传感器因其物理特性，存在一定的检测死角，在实际的应用过程中，存在安全隐患。
2)摄像机、激光雷达、传感器在隧道弯道处无法对前方的障碍物进行判别，存在安全隐患。
3)单目相机无法对前方的障碍物进行测距，存在可靠性比较差的问题。
4)多个传感器冗余的，因为不同传感器的适用检测范围不同，容易造成误报和漏报。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多技术融合的列车防护预警系统，能够对列车运行前方的障碍物进行无死角检测判别并测距，并对超视距的范围进行检测，更为安全可靠。
实现上述目的的技术方案是：
一种基于多技术融合的列车防护预警系统，包括：车载检测装置、轨旁检测装置、转辙机通信装置、车载计算平台、车载显示设备和报警蜂鸣器，其中，
所述车载检测装置采集列车行进过程中前方的实时场景数据，并传输到所述车载计算平台；
所述轨旁检测装置采集固定场景下的实时数据，检测该场景下是否有异物侵入，并将检测数据传输到所述车载计算平台；
所述转辙机通信装置用于判断道岔的开通方向，判断列车的行驶路线，并与车载计算平台进行通信；
所述车载计算平台根据实时场景数据和固定场景下的实时数据识别是否存在障碍物，当存在障碍物时计算风险等级，并将障碍物图像以及风险等级发送给所述车载显示设备进行显示，同时报警蜂鸣器点亮。
优选的，所述车载检测装置包括：安装在车体前方的短焦相机、长焦相机、广视角激光雷达和长距离激光雷达，其中，
所述广视角激光雷达和长距离激光雷达构成激光雷达检测组件；所述短焦相机和长焦相机构成相机检测组件；
在所述激光雷达检测组件检测范围外，所述长焦相机检测障碍物，获得实时场景数据中的远距离场景数据；
在所述激光雷达检测组件检测范围内，所述激光雷达检测组件和所述相机检测组件同时检测障碍物，获得实时场景数据中的近距离场景数据；
所述车载计算平台包括定位模块、数据处理模块和通信模块，定位模块获取列车的实时位置和所处位置的限界信息，数据处理模块将长距离激光雷达点云和广视角激光雷达点云进行融合，并将点云数据投影至相机采集的图像中，获得融合图像；通信模块负责与转辙机、轨旁检测装置以及其他列车上的车载计算平台进行通信；
所述轨旁检测装置包括：图像采集模块、图像预处理模块、障碍物检测模块和远程传输模块，
所述图像采集模块采集地铁限界内实时图像，所述图像预处理模块对实时图像进行预处理，得到灰度图像；
所述障碍物检测模块将灰度图像分割成若干个子块，通过背景迭代法对这些子块分别进行背景更新，判断是否存在障碍物，获得固定场景下的实时数据；
所述远程传输模块将固定场景下的实时数据传输到所述车载计算平台上。
优选的，所述车载计算平台根据实时场景数据和固定场景下的实时数据，识别出障碍物，对障碍物的大小、形状以及位置进行判断：
若无障碍物、障碍物在地铁限界之外或者障碍物较小而不会影响列车运行，设置为安全运行等级；
若障碍物距离列车在预设距离外，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为低危险等级，并将障碍物图像发送给所述车载显示器进行显示；
若障碍物距离列车在预设距离内，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为高危险等级，并将障碍物图像发送给所述车载显示器进行显示。
优选的，所述的预处理包括灰度化、平滑滤波和图像增强。
优选的，所述车载计算平台通过列车位置信息接口实时获得列车位置。
优选的，所述车载检测设备和轨旁检测设备安装完成后，对其进行坐标系的初始标定：
设所述激光雷达检测组件的一个点云数据P在世界坐标系的坐标为P(X,Y,Z)，这一点P在图像坐标系中的坐标为p(u,v)，按如下的转换关系：
Figure BDA0002980832110000031
将点P的图像坐标转换到世界坐标，其中，Zc为点云数据到相机检测组件光心之间的距离在光轴上的投影长度，M为参数矩阵，其值为：
Figure BDA0002980832110000041
其中，第一个矩阵为内参数矩阵，Fx、Fy分别为图像平面中x、y方向的等效焦距，Cx、Cy分别为光轴与像面焦点在图像平面中x、y方向的图像坐标；第二个矩阵为外参数矩阵，R、T分别为3×3旋转矩阵和3×1平移矩阵。
优选的，车载显示设备包括车载显示器、安全运行指示灯、低风险运行指示灯和高风险运行指示灯；
所述车载计算平台设置安全运行等级时，点亮所述安全运行指示灯；
所述车载计算平台设置低危险等级时，点亮所述低风险运行指示灯；
所述车载计算平台设置高危险等级时，点亮所述高风险运行指示灯。
优选的，车载检测装置和轨旁检测装置采取“并”操作，即只要检测装置探测到障碍物均会显示相应内容,车载检测装置的检测结果优先级要高于轨旁检测装置，即当车载检测装置和轨旁检测装置探测同一段线路时，显示不同的检测结果，此时以车载检测装置的结果为准。
本发明的有益效果是：本发采用短焦和长焦摄像机、广视角和长距离激光雷达的检测方案，列车主动检测障碍物且无检测死角。在隧道的弯道处和坡道处安装轨旁检测设备，可实现对列车运行线路的超视距检测，减少列车安全运行风险。在检测到障碍物时，车载显示器可以实时显示检测结果，并给出预警信息，保障列车的安全运行，更为安全可靠。
附图说明
图1是本发明的基于多技术融合的列车防护预警系统的结构图；
图2是本发明检测障碍物的示意图；
图3是本发明中轨旁检测装置的结构图。
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1-3，本发明的基于多技术融合的列车防护预警系统，包括：车载检测装置7、轨旁检测装置6、转辙机通信装置、车载计算平台5、车载显示设备和报警蜂鸣器。车载显示设备包括车载显示器8、安全运行指示灯9、低风险运行指示灯10和高风险运行指示灯11。
车载检测装置7采集列车行进过程中前方的实时场景数据，并传输到车载计算平台5。轨旁检测装置6采集固定场景下的实时数据，并传输到车载计算平台5。车载计算平台5根据实时场景数据和固定场景下的实时数据识别是否存在障碍物，当存在障碍物时计算风险等级，并将障碍物图像以及风险等级发送给车载显示器8进行显示,同时报警蜂鸣器点亮。障碍物包括列车、行人以及其他不同类型和大小的物体。转辙机通信装置用于判断道岔的开通方向，判断列车的行驶路线，并与车载计算平台5进行通信。
车载检测装置7包括：安装在车体前方的短焦相机1、长焦相机2、广视角激光雷达3和长距离激光雷达4。广视角激光雷达3和长距离激光雷达4构成激光雷达检测组件，作为一套检测方案，不同视角的激光雷达是一种互补的关系，长距离激光雷达4因其特性会使列车前部存在一定的检测死角，广视角激光雷达3适用于近距离的障碍物检测，二者固定于同一工装上，同时工作即可对列车运行方向进行无死角的障碍物检测。短焦相机1和长焦相机2构成相机检测组件，作为一套检测方案，长焦相机2的焦距适用于远距离的障碍物检测，对于近距离障碍物无法进行精准定焦，容易造成漏检和误检。激光雷达检测组件和相机检测组件互为冗余，相机的检测距离要大于激光雷达检测距离。在激光雷达检测组件检测范围外，长焦相机2检测障碍物，获得实时场景数据中的远距离场景数据。在激光雷达检测组件检测范围内，激光雷达检测组件和相机检测组件同时检测障碍物，获得实时场景数据中的近距离场景数据。
轨旁检测装置6包括：图像采集模块61、图像预处理模块62、障碍物检测模块63和远程传输模块64。
图像采集模块61采集地铁限界内实时图像，图像采集模块61中配置双目相机，双目相机可测量得到图像中的深度信息，图像预处理模块62对实时图像进行预处理，得到灰度图像。其中，预处理包括：灰度化、平滑滤波和图像增强等操作。障碍物检测模块63将灰度图像分割成若干个子块，通过背景迭代法对这些子块分别进行背景更新，判断是否存在障碍物，获得固定场景下的实时数据。远程传输模块64将固定场景下的实时数据传输到车载计算平台5上。
车载计算平台5包括定位模块、数据处理模块和通信模块，定位模块获取列车的实时位置和所处位置的限界信息，数据处理模块将长距离激光雷达点云和广视角激光雷达点云进行融合，并将点云数据投影至相机采集的图像中，获得融合图像；通信模块负责与转辙机、轨旁检测装置以及其他列车上的车载计算平台进行通信。
车载检测装置7和轨旁检测装置6采取“并”操作，即只要检测装置探测到障碍物均会显示相应内容,车载检测装置7的检测结果优先级要高于轨旁检测装置6，即当车载检测装置7和轨旁检测装置6探测同一段线路时，显示不同的检测结果，此时以车载检测装置7的结果为准。
车载计算平台5根据实时场景数据和固定场景下的实时数据，识别出障碍物，对障碍物的大小、形状以及位置进行判断，判断过程如下：
若无障碍物、障碍物在地铁限界之外或者障碍物较小而不会影响列车运行，设置为安全运行等级；点亮安全运行指示灯9，表示列车防护预警系统正常工作，线路上无障碍物，列车可顺利通行。
若障碍物距离列车在预设距离外，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为低危险等级，并将障碍物图像发送给车载显示器8进行显示，点亮低风险运行指示灯10。可根据需要由司机操纵或自动控制列车制动停车。
若障碍物距离列车在预设距离内，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为高危险等级，并将障碍物图像发送给车载显示器8进行显示。点亮高风险运行指示灯11。可根据需要由司机操纵或自动控制列车制动停车。
车载检测设备7安装完成后，需要对列车运行线路进行预跑，对激光雷达采集到的点云数据和相机的图像数据进行预处理，构建不同运行线路的轨道限界地图。车载计算平台5通过列车位置信息接口实时获得列车位置，从而在列车进入弯道以及经过站台时提供参照，避免误检与漏检。
车载检测设备7和轨旁检测设备6安装完成后，对其进行坐标系的初始标定：
车载检测设备7主要是通过激光雷达和相机的融合使用，关键是需要完成它们的坐标融合，本发明采用世界坐标系作为介质对二者的坐标系进行统一。
设激光雷达检测组件的一个点云数据P在世界坐标系的坐标为P(X,Y,Z)，这一点P在图像坐标系中的坐标为p(u,v)，按如下的转换关系：
Figure BDA0002980832110000071
将点P的图像坐标转换到世界坐标，其中，Zc为点云数据到相机检测组件光心之间的距离在光轴上的投影长度，M为参数矩阵，其值为：
Figure BDA0002980832110000072
其中，第一个矩阵为内参数矩阵，Fx、Fy分别为图像平面中x、y方向的等效焦距，Cx、Cy分别为光轴与像面焦点在图像平面中x、y方向的图像坐标；第二个矩阵为外参数矩阵，R、T分别为3×3旋转矩阵和3×1平移矩阵。
综上，本发明能够主动无检测死角地检测障碍物，安全可靠，减少列车安全运行风险。
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 (8)

1.一种基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，包括：车载检测装置、轨旁检测装置、转辙机通信装置、车载计算平台、车载显示设备和报警蜂鸣器，其中，
所述车载检测装置采集列车行进过程中前方的实时场景数据，并传输到所述车载计算平台；
所述轨旁检测装置采集固定场景下的实时数据，检测该场景下是否有异物侵入，并将检测数据传输到所述车载计算平台；
所述转辙机通信装置用于判断道岔的开通方向，判断列车的行驶路线，并与车载计算平台进行通信；
所述车载计算平台根据实时场景数据和固定场景下的实时数据识别是否存在障碍物，当存在障碍物时计算风险等级，并将障碍物图像以及风险等级发送给所述车载显示设备进行显示，同时报警蜂鸣器点亮。
2.根据权利要求1所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，所述车载检测装置包括：安装在车体前方的短焦相机、长焦相机、广视角激光雷达和长距离激光雷达，其中，
所述广视角激光雷达和长距离激光雷达构成激光雷达检测组件；所述短焦相机和长焦相机构成相机检测组件；
在所述激光雷达检测组件检测范围外，所述长焦相机检测障碍物，获得实时场景数据中的远距离场景数据；
在所述激光雷达检测组件检测范围内，所述激光雷达检测组件和所述相机检测组件同时检测障碍物，获得实时场景数据中的近距离场景数据；
所述车载计算平台包括定位模块、数据处理模块和通信模块，定位模块获取列车的实时位置和所处位置的限界信息，数据处理模块将长距离激光雷达点云和广视角激光雷达点云进行融合，并将点云数据投影至相机采集的图像中，获得融合图像；通信模块负责与转辙机、轨旁检测装置以及其他列车上的车载计算平台进行通信；
所述轨旁检测装置包括：图像采集模块、图像预处理模块、障碍物检测模块、远程传输模块，
所述图像采集模块采集地铁限界内实时图像，所述图像预处理模块对实时图像进行预处理，得到灰度图像；
所述障碍物检测模块将灰度图像分割成若干个子块，通过背景迭代法对这些子块分别进行背景更新，判断是否存在障碍物，获得固定场景下的实时数据；
所述远程传输模块将固定场景下的实时数据传输到所述车载计算平台上。
3.根据权利要求2所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，所述车载计算平台根据实时场景数据和固定场景下的实时数据，识别出障碍物，对障碍物的大小、形状以及位置进行判断：
若无障碍物、障碍物在地铁限界之外或者障碍物较小而不会影响列车运行，设置为安全运行等级；
若障碍物距离列车在预设距离外，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为低危险等级，并将障碍物图像发送给所述车载显示器进行显示；
若障碍物距离列车在预设距离内，并且障碍物较大而会影响列车运行，设置为高危险等级，并将障碍物图像发送给所述车载显示器进行显示。
4.根据权利要求2所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，所述的预处理包括灰度化、平滑滤波和图像增强。
5.根据权利要求2所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，所述车载计算平台通过列车位置信息接口实时获得列车位置。
6.根据权利要求2所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，所述车载检测设备和轨旁检测设备安装完成后，对其进行坐标系的初始标定：
设所述激光雷达检测组件的一个点云数据P在世界坐标系的坐标为P(X,Y,Z)，这一点P在图像坐标系中的坐标为p(u,v)，按如下的转换关系：
Figure FDA0002980832100000031
将点P的图像坐标转换到世界坐标，其中，Zc为点云数据到相机检测组件光心之间的距离在光轴上的投影长度，M为参数矩阵，其值为：
Figure FDA0002980832100000032
其中，第一个矩阵为内参数矩阵，Fx、Fy分别为图像平面中x、y方向的等效焦距，Cx、Cy分别为光轴与像面焦点在图像平面中x、y方向的图像坐标；第二个矩阵为外参数矩阵，R、T分别为3×3旋转矩阵和3×1平移矩阵。
7.根据权利要求3所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于，车载显示设备包括车载显示器、安全运行指示灯、低风险运行指示灯和高风险运行指示灯；
所述车载计算平台设置安全运行等级时，点亮所述安全运行指示灯；
所述车载计算平台设置低危险等级时，点亮所述低风险运行指示灯；
所述车载计算平台设置高危险等级时，点亮所述高风险运行指示灯。
8.根据权利要求2所述的基于多技术融合的列车防护预警系统，其特征在于,车载检测装置和轨旁检测装置采取“并”操作，即只要检测装置探测到障碍物均会显示相应内容,车载检测装置的检测结果优先级要高于轨旁检测装置，即当车载检测装置和轨旁检测装置探测同一段线路时，显示不同的检测结果，此时以车载检测装置的结果为准。
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