CN113022643A - 故障导向安全的应答器检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障导向安全的应答器检测系统，包括：与BTM的天线并排安装在列车底部的双目相机和光源，以及连接所述双目相机的安全主处理器。所述双目相机的两个相机分别安装在BTM的天线的两侧；所述双目相机采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，所述安全主处理器对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果对轨道和应答器进行识别。本发明还公开了一种应答器检测方法。本发明能够大大简化信号系统的应答器信息读取方案，提升系统安全性。

Description

故障导向安全的应答器检测系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及应答器检测。

背景技术

按照ETCS标准Subset-036,Subset-088和Subset-091，欧式应答器和应答器传输模块BTM分配的应答器漏读的可容忍的危害率THR(每小时发生的危险侧故障)，其中单个应答器本身造成的漏读THR为2x10-5,在有两个应答器组织应答器组的条件下达到10-9,而由车载应答器设备BTM(含天线)应达到10-7。然而BTM(应答器读取模块)本身没有直接判断漏读的技术手段，这样是不能仅仅依靠这些设备实现故障安全。

为解决漏读的问题，防范安全风险，需要从信号系统层面上采取缓解措施。现有的城轨信号系统的主列车定位系统基于车载电子地图、地面应答器的读取以及速度传感器的车轮转动里程信息进行位置推定。地面应答器一般采用欧标应答器，应答器在线路上按一定间距进行布置，一般小于300米。结合车载地图信息提供的线路数据和应答器布置位置数据，CBTC(基于通信的列车自动控制系统)车载系统对应答器漏读可以通过列车行驶相对于上一个应答器的相对距离与数据库中的下一个应答器的预期相对距离进行比对来判断，若在预期的位置上未读取到数据库中的应答器，则判断丢失一个应答器。在国铁CTCS系统中，定位方案类似，但车载设备没有电子地图，地面应答器按照应答器组的方式布置，一个应答器组至少包含两个应答器，组内两个应答器间距约5米，两个应答器组之间的相对距离通过应答器组中保存的链接信息提供，链接信息能够给车载系统提供两个方向上的下两组应答器的相对位置信息，通过这种方式，国铁信号系统也能使用一样的原理实现漏读的判断。

以上方案存在的问题主要是过于复杂，牵涉系统设备较多，需要提供重复的信息来通过比对实现漏读判断，而实际应用中，由于应答器设备可靠性很高，漏读的情况又极少发生，事实上是用了一个复杂的方案来应对一个极少发生的故障的影响。当应答器位置需要进行调整时，相关数据库和应答器数据也需要再进行更新。特别是，国铁系统中还需要增加成组应答器来减少漏读风险，从成本和维护的角度都有改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供故障导向安全的应答器检测系统和方法，能够大大简化信号系统的应答器信息读取方案，提升系统安全性。

实现上述目的的技术方案是：

一种故障导向安全的应答器检测系统，包括：与BTM的天线并排安装在列车底部的双目相机和光源，以及连接所述双目相机的安全主处理器；

所述双目相机的两个相机分别安装在BTM的天线的两侧；

所述双目相机采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，所述安全主处理器对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果对轨道和应答器进行识别。

优选的，预存图像包括不同厂家的应答器尺寸、应答器颜色、钢轨轨枕和钢轨紧固扣件的外观图像信息。

优选的，所述双目相机的两个相机各自的图像传感器分别采用彩色与灰度传感器。

优选的，每个相机的视场角大于或等于BTM的天线的检测范围，成像平面与轨面平行；

两个相机在沿轨道方向上有预设的偏移。

优选的，所述安全主处理器采用SIFT算子进行图像特征提取。

优选的，所述安全主处理器对轨道和应答器进行识别后，进行距离测量：

应答器相对于BTM的天线的水平相对距离：d＝d1*y/x1＝d2*y/x2＝d3*y/x3；

其中，d1为钢轨紧固扣件安装距离；d2为应答器沿着轨道方向的长度；d3为应答器垂直于轨道方向的的宽度；图像中两个钢轨紧固扣件间距表达为x1个像素，应答器垂直于轨道方向的宽度表达为x3个像素；应答器沿着轨道方向的图像长度表达为x2个像素；通过图像获得应答器中心延轨道方向相对于图像中心的像素值y。

优选的，在任意位置，所述双目相机能够实时采集到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，在一定时间内未读取到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，则认为应答器检测系统故障。

优选的，应答器检测系统正常时，向信号车载系统报告当前检测状态，检测到应答器时还报告相对位置；信号车载系统结合应答器检测系统报告信息与BTM报文读取信息直接判断是否有应答器漏读；

列车通过一个应答器且运行一定距离后，若还是没有正确解析出应答器报文，可判断为漏读故障。

优选的，BTM与安全主处理器集成，BTM的天线与双目相机的机械结构集成。

一种上述应答器检测系统的应答器检测方法，包括：

所述双目相机采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，

所述安全主处理器对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果判断图像是否正常，若否，故障报告；若是，进行下一步骤；

所述安全主处理器根据匹配结果判断是否检测到应答器，若否，返回第一步骤；若是，所述安全主处理器测量应答器相对于BTM的天线的水平相对距离；

所述安全主处理器判断是否越过应答器中心点，若否，返回第一步骤；若是，进入下一步骤；

所述安全主处理器判断是否读取到应答器报文，若否，报告漏读；若是，返回第一步骤。

本发明的有益效果是：本发明通过实时图像的解析的方式，实现对检测故障的自诊断，确保应答器漏读的检测是故障导向安全的。采用传统的图像处理算法，保证算法本身的确定性，符合CENELEC SIL4安全标准要求。特征提取采用SIFT算子，系统对安装要求不高，并能够适应列车动态高度变化、弯道、坡道运行的需求，系统可靠性高。无需依赖外部输入，通过检测系统与BTM的集成即可以完成对漏读的判断，系统的独立性高。为简化信号系统提供了设备基础，能够实现减少轨旁设备的目标，列车进一步智能化。

附图说明

图1是本发明的故障导向安全的应答器检测系统的结构示意图；

图2是本发明中应答器和轨道俯视图像特征示意图；

图3是本发明的应答器检测方法的流程示意图。

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和图2，一种故障导向安全的应答器检测系统，包括：与BTM的天线并排安装在列车底部的双目相机1和光源2，以及连接双目相机1的安全主处理器3。双目相机1安装方向垂直于车辆纵向。

双目相机1的两个相机各自的图像传感器分别采用彩色与灰度传感器，能够在不同波段对视觉图像进行感知。感知的对象主要是轨道上安装的应答器(一般为欧式应答器)，应答器的外观特征主要包括形状、尺寸比例和颜色。

双目相机1的两个相机分别安装在BTM的天线的两侧。每个相机的视场角大于或等于BTM的天线的检测范围，成像平面与轨面平行，两个相机组合的视场角保证包含至少一个轨枕间距范围内的轨道图像。另外，为提供列车位移方向信息，两个相机在沿轨道方向上有预设的偏移，这样在一个方向上会有一目相机先检测应答器，通过两目检测到应答器的先后关系可以判断列车运行的方向。

列车经过应答器时，应答器检测系统能够在BTM读取应答器的同时对应答器进行视觉检测。

双目相机1采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，安全主处理器3对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果对轨道和应答器进行识别。预存图像包括不同厂家的应答器尺寸d2和d3、应答器颜色(一般为黄色)、钢轨轨枕和钢轨紧固扣件的外观图像信息。双目相机1的视场能够保证相机安装在车辆底部一定高度范围内都能够采集完整的应答器直至两侧的钢轨轨枕图像。

安全主处理器3对轨道和应答器进行识别后，进行距离测量：

应答器相对于BTM的天线的水平相对距离：d＝d1*y/x1＝d2*y/x2＝d3*y/x3；

其中，d1为钢轨紧固扣件安装距离；d2为应答器沿着轨道方向的长度；d3为应答器垂直于轨道方向的的宽度；图像中两个钢轨紧固扣件间距表达为x1个像素，应答器垂直于轨道方向的宽度表达为x3个像素；应答器沿着轨道方向的图像长度表达为x2个像素；通过图像获得应答器中心延轨道方向相对于图像中心的像素值y。

安全主处理器3采用SIFT(Scale-invariant feature transform，尺度不变特征转换)算子进行图像特征提取。SIFT算子能够提供旋转、缩放不变的特性，自适应传感器安装高度、列车动态高度变化、列车弯道坡道运行的特征不变性要求，保证图像特征的正确识别。

在任意位置，双目相机1能够实时采集到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，在一定时间内未读取到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，则认为应答器检测系统故障。

应答器检测系统正常时，向信号车载系统报告当前检测状态，检测到应答器时还报告相对位置；信号车载系统结合应答器检测系统报告信息与BTM报文读取信息直接判断是否有应答器漏读；列车通过一个应答器且运行一定距离后(一般为越过了应答器中心点)，若还是没有正确解析出应答器报文，可判断为漏读故障。

BTM与安全主处理器3集成，BTM的天线与双目相机的机械结构集成。集成后的系统直接向信号车载系统报告应答器报文读取和漏读状态。集成后的系统无需外部输入即可以进行独立的漏读判断。

请参阅图3，本发明的上述应答器检测系统的应答器检测方法，包括下列步骤：

一、双目相机1采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，

二、安全主处理器3对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果判断图像是否正常，若否，故障报告；若是，进行下一步骤；

三、安全主处理器3根据匹配结果判断是否检测到应答器，若否，返回第一步骤；若是，安全主处理器3测量应答器相对于BTM的天线的水平相对距离；

四、安全主处理器3判断是否越过应答器中心点，若否，返回第一步骤；若是，进入下一步骤；

五、安全主处理器3判断是否读取到应答器报文，若否，报告漏读；若是，返回第一步骤。

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)

1.一种故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，包括：与BTM的天线并排安装在列车底部的双目相机和光源，以及连接所述双目相机的安全主处理器；

所述双目相机的两个相机分别安装在BTM的天线的两侧；

所述双目相机采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，所述安全主处理器对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果对轨道和应答器进行识别。

2.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，预存图像包括不同厂家的应答器尺寸、应答器颜色、钢轨轨枕和钢轨紧固扣件的外观图像信息。

3.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，所述双目相机的两个相机各自的图像传感器分别采用彩色与灰度传感器。

4.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，每个相机的视场角大于或等于BTM的天线的检测范围，成像平面与轨面平行；

两个相机在沿轨道方向上有预设的偏移。

5.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，所述安全主处理器采用SIFT算子进行图像特征提取。

6.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，所述安全主处理器对轨道和应答器进行识别后，进行距离测量：

应答器相对于BTM的天线的水平相对距离：d＝d1*y/x1＝d2*y/x2＝d3*y/x3；

其中，d1为钢轨紧固扣件安装距离；d2为应答器沿着轨道方向的长度；d3为应答器垂直于轨道方向的的宽度；图像中两个钢轨紧固扣件间距表达为x1个像素，应答器垂直于轨道方向的宽度表达为x3个像素；应答器沿着轨道方向的图像长度表达为x2个像素；通过图像获得应答器中心延轨道方向相对于图像中心的像素值y。

7.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，在任意位置，所述双目相机能够实时采集到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，在一定时间内未读取到轨道钢轨和钢轨紧固扣件的图像信息，则认为应答器检测系统故障。

8.根据权利要求6所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，应答器检测系统正常时，向信号车载系统报告当前检测状态，检测到应答器时还报告相对位置；信号车载系统结合应答器检测系统报告信息与BTM报文读取信息直接判断是否有应答器漏读；

列车通过一个应答器且运行一定距离后，若还是没有正确解析出应答器报文，可判断为漏读故障。

9.根据权利要求1所述的故障导向安全的应答器检测系统，其特征在于，BTM与安全主处理器集成，BTM的天线与双目相机的机械结构集成。

10.一种基于权利要求1所述应答器检测系统的应答器检测方法，其特征在于，包括：

所述双目相机采集应答器至两侧的钢轨轨枕的实时图像，

所述安全主处理器对实时图像进行图像特征提取，将提取的图像特征与预先配置的预存图像进行匹配，根据匹配结果判断图像是否正常，若否，故障报告；若是，进行下一步骤；

所述安全主处理器根据匹配结果判断是否检测到应答器，若否，返回第一步骤；若是，所述安全主处理器测量应答器相对于BTM的天线的水平相对距离；

所述安全主处理器判断是否越过应答器中心点，若否，返回第一步骤；若是，进入下一步骤；

所述安全主处理器判断是否读取到应答器报文，若否，报告漏读；若是，返回第一步骤。

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