CN113753094B - 一种道岔检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种道岔检测系统及方法，系统包括：主控模块、分别与主控模块连接的图像采集模块、激光传感模块、无线传输模块；图像采集模块包括摄像机和与摄像机连接的第一微处理器，激光传感模块包括激光传感器和与激光传感器连接的第二微处理器；第一微处理器和第二微处理器分别与主控模块连接。方法包括：摄像机和激光传感器采集道岔初始图像数据和道岔初始点云数据并分别传输至第一微处理器和第二微处理器；第一微处理器和第二微处理器分别对接收的数据进行预处理并将处理后的数据传输至本地存储装置和主控模块；主控模块根据接收的数据判断道岔状态；主控模块将道岔状态判断结果通过无线传输模块发送给控制终端。

Description

一种道岔检测系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道交通安全领域，具体涉及一种道岔检测系统及方法。
背景技术
随着城市轨道交通的迅速发展，轨道交通的安全需要越来越高。现有技术的道岔检测系统主要依靠电力控制系统传递道岔状态，一旦电力控制系统故障，容易引发地铁事故，道岔状态传递错误就有可能引发地铁脱轨。
道岔检测的数据来源有两个：摄像机和激光雷达；使用摄像机得到道岔的高分辨率图片，使用激光雷达检测道岔与传感器之间的精确距离。目前，市面上的激光雷达探测存在±2cm的误差，当道岔的岔尖与铁轨贴合不紧密时，这个误差足以使判断结果发生错误，从而导致列车出轨的严重后果。
发明内容
本发明提供了一种道岔检测系统及方法，提高了道岔检测系统的可靠性和安全性，通过下述技术方案实现：
一方面，本申请提供了一种道岔检测系统，包括：主控模块、分别与主控模块连接的图像采集模块、激光传感模块；其中，图像采集模块包括摄像机和与摄像机连接的第一微处理器，激光传感模块包括激光传感器和与激光传感器连接的第二微处理器；第一微处理器和第二微处理器分别与主控模块连接。
在上述方案的基础上，进一步的有，针对每对道岔，在铁路旁设置有一对或多对激光传感器。
由于市面上的激光雷达探测存在±2cm的误差，当道岔的岔尖与铁轨贴合不紧密时，这个误差足以使判断结果发生错误，从而导致列车出轨的严重后果。本发明采用高精度的激光距离检测传感器，采用前置去雾\去噪算法摄像机可以获得较为清晰度2D图像数据,同时3D线激光传感器精度可达200um，远高于市面上激光雷达的2cm精度，可得到精确的道岔点云数据，将距离误差降低至1mm以内，避免对道岔状态产生错误判断造成安全事故。
在上述方案的基础上，进一步的有，所述第一微处理器用于对摄像机采集的图像数据进行预处理，并将处理后的图像数据传输至主控模块；所述第二微处理器用于对激光传感器采集的点云数据进行预处理，并将处理后的点云数据传输至主控模块。
在上述方案的基础上，进一步的有，所述第一微处理器向主控模块传输数据的方式为：以太网数据传输或PCI-E总线；所述第二微处理器向主控模块传输数据的方式为：以太网或RS485接口或CAN总线数据传输。
在上述方案的基础上，进一步的有，所述道岔检测系统还设置有同时连接第一微处理器和第二微处理器的本地存储装置，第一微处理器和第二微处理器分别对接收的初始数据进行预处理后，将处理后的数据同时传输至本地存储装置和主控模块。
在上述方案的基础上，进一步的有，所述图像采集模块还包括有照明装置，所述照明装置为光控或/和无线信号控制装置，在环境光线过暗时自动开启或手动无线控制开启，保证了摄像机的数据采集精度。
第二方面，本申请提供了一种道岔检测方法，应用于上述道岔检测系统，包括如下步骤：
S1：摄像机按照预设采集频率采集道岔初始图像数据并传输至第一微处理器，激光传感器按照预设采集频率采集道岔初始点云数据并传输至第二微处理器；
S2：第一微处理器对初始图像数据进行预处理并同时将处理后的图像数据传输至本地存储装置和主控模块，第二微处理器对初始点云数据进行预处理并同时将处理后的点云数据传输至本地存储装置和主控模块；
S3：主控模块根据接收的图像数据和点云数据判断道岔状态；
S4：主控模块将道岔状态判断结果发送给控制终端，并将判断结果存储于本地存储装置。
在上述方案的基础上，进一步的有，S3所述的判断道岔状态包括以下子步骤：
S31：主控模块对接收的图像数据和点云数据分别进行判断，得到图像-道岔状态和点云-道岔状态；
S32：主控模块将接收的图像数据和点云数据进行融合建模，得到三维融合道岔数据；根据三维融合道岔数据进行判断，得到融合-道岔状态；
S33：根据图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态对道岔的实际状态进行综合判断。
在上述方案的基础上，进一步的有，当图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态三种状态判断结果一致时，系统认可判断结果；当三种状态判断结果出现差异时，系统进行告警并提示人工复核道岔状态及检测系统的工作状态；若道岔状态异常，检测系统将持续告警，直至异常状态消失或人工关闭告警。
在上述方案的基础上，进一步的有，道岔检测是一个基于t1时间周期的连续检测过程，在时间范围t2内的连续检查结果完全一致时，系统才能根据判断结果认证道岔状态，t2≥3t1；
若检测结果不一致，则认为道岔在移动过程中，判断状态为临时状态，不作为最终状态来判定；
道岔完成状态的机械时间为t3，若系统在t4时仍未检查到道岔的最终状态，则认为道岔存在机械故障，并进行告警；t4≥2t3。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明对两种不同类型的数据进行分别分析再将两个数据进行融合分析，得到三个对道岔状态的判断结果，针对三个通过不同手段得到的判断结果来综合判断铁路道岔的实际状态，通过多特征融合与多模型融合相结合的双层融合计算机制，提高了道岔状态的实时判断精度，并且使得检测结果具有很高的冗余性和安全性。
2.由于市面上的激光雷达探测存在±2cm的误差，当道岔的岔尖与铁轨贴合不紧密时，这个误差足以使判断结果发生错误，从而导致列车出轨的严重后果。本发明采用高精度的激光距离检测传感器，结合特有的算法，将距离误差降低至1mm以内，避免对道岔状态产生错误判断造成安全事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为系统的结构原理框图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-本地存储装置，2-图像采集模块，3-激光传感模块，4-照明装置，5-摄像机，6-第一微处理器，7-第二微处理器，8-激光传感器，9-主控模块，10-无线传输模块。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。
实施例：
如图1所示，在本发明的一个实施例中，道岔检测系统包括：主控模块9、分别与主控模块9连接的图像采集模块2、激光传感模块3、无线传输模块10。道岔检测系统主机为插卡式3u机架结构，主控模块9即为主控卡，所有功能模块采用标准欧卡结构，系统具有多个带独立保险的12VDC电源输出，可为各模块提供带安全保护的供电，可扩展接入多种总线结构的功能板卡，采用千兆以太网口支持TRDP协议通信。
优选的，所述道岔检测系统还设置有同时连接第一微处理器6和第二微处理器7的本地存储装置1，即SSD固态硬盘存储，第一微处理器6和第二微处理器7分别对接收的初始数据进行预处理后，将处理后的数据同时传输至本地存储装置1和主控模块9。
其中，图像采集模块2包括摄像机5和与摄像机5连接的第一微处理器6；所述第一微处理器6用于对摄像机5采集的图像数据进行预处理，并将处理后的图像数据通过以太网或PCI-E总线传输至主控模块9。第一微处理器6选用AI核心板卡，摄像机5通过线缆与AI核心板卡连接，板卡插入插卡式主机中，摄像机5采集的图像数据经过AI核心识别处理之后获得成像图片，成像图片采用JPEG压缩编码，分辨率不低1024*1024，存入固态硬盘方便远程控制中心复查，图像分析结果通过以太网或PCI-E总线传给主控卡。
激光传感模块3包括多对激光传感器8和与激光传感器8连接的第二微处理器7，所述第二微处理器7用于对激光传感器8采集的点云数据进行预处理，并将处理后的点云数据通过以太网或RS485接口或CAN总线传输至主控模块9。第二微处理器7选用接入板卡，激光传感器8采集道岔两轨点云数据，经过接入板卡处理后通过主机背板以太网或RS485接口或CAN总线传输给主控卡。针对每对道岔，在铁路旁设置有一对或多对激光传感器8。
一般的安装方式是将铁轨打孔并将传感器安装在铁轨中，或者将传感器安装在铁轨内侧。但道岔位置比较特殊，不能对铁轨打孔(会影响铁轨强度)，也不能将传感器安装在铁轨内侧(影响道岔贴合)。
激光传感器8安装在道岔的两根轨道外侧，每个激光传感器8测对面基本轨与尖轨的贴合距离。安装位置与高度需要根据现场环境实际确定，并且保证不超过界限。隧道内安装在墙上，露天用铁杆支架，停车场/车辆段内可根据实际情况安装在墙上或者柱子上。停车场/车辆段一个激光传感器8可同时测量多组道岔状态。摄像头根据图像判断标准安装在现场适当区域；第一微处理器6和第二微处理器7分别与主控模块9连接。
无线传输模块10由天线和无线传输板卡组成，内置于插卡式主机中，用于和远程控制中心通信，主控卡获取图像分析结果和激光传感器8测距结果后对道岔状态作出判断，将判断结果通过无线传输模块10发送给远程控制中心。
由于市面上的激光雷达探测存在±2cm的误差，当道岔的岔尖与铁轨贴合不紧密时，这个误差足以使判断结果发生错误，从而导致列车出轨的严重后果。本发明采用高精度的激光距离检测传感器，结合特有的算法，将距离误差降低至1mm以内，避免对道岔状态产生错误判断造成安全事故。
优选的，所述图像采集模块2还包括有照明装置4，所述照明装置4为光控或/和无线信号控制装置，在环境光线过暗时自动开启或手动无线控制开启，保证了摄像机5的数据采集精度。
在本发明的另一个实施例中，一种道岔检测方法，应用于上述实施例中的道岔检测系统，包括如下步骤：
S1：摄像机5按照预设采集频率采集道岔初始图像数据并传输至第一微处理器6，激光传感器8按照预设采集频率采集道岔初始点云数据并传输至第二微处理器7；
S2：第一微处理器6对初始图像数据进行预处理并同时将处理后的图像数据传输至本地存储装置1和主控模块9，第二微处理器7对初始点云数据进行预处理并同时将处理后的点云数据传输至本地存储装置1和主控模块9；
S3：主控模块9根据接收的图像数据和点云数据判断道岔状态；
S4：主控模块9将道岔状态判断结果通过无线传输模块10发送给控制终端，并将判断结果存储于本地存储装置1。
优选的，S3所述的判断道岔状态包括以下子步骤：
S31：主控模块9对接收的图像数据和点云数据分别进行判断，得到图像-道岔状态和点云-道岔状态；
S32：主控模块9将接收的图像数据和点云数据进行融合建模，得到三维融合道岔数据；根据三维融合道岔数据进行判断，得到融合-道岔状态；
S33：根据图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态对道岔的实际状态进行综合判断。
优选的，当图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态三种状态判断结果一致时，系统认可判断结果；当三种状态判断结果出现差异时，系统进行告警并提示人工复核道岔状态及检测系统的工作状态；若道岔状态异常，检测系统将持续告警，直至异常状态消失或人工关闭告警。
优选的，道岔检测是一个基于t1时间周期的连续检测过程，在时间范围t2内的连续检查结果完全一致时，系统才能根据判断结果认证道岔状态，t2≥3t1；
若检测结果不一致，则认为道岔在移动过程中，判断状态为临时状态，不作为最终状态来判定；
道岔完成状态的机械时间为t3，若系统在t4时仍未检查到道岔的最终状态，则认为道岔存在机械故障，并进行告警；t4≥2t3。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本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的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种道岔检测方法，其特征在于，基于一种道岔检测系统，包括：主控模块、分别与主控模块连接的图像采集模块、激光传感模块；其中，图像采集模块包括摄像机和与摄像机连接的第一微处理器，激光传感模块包括激光传感器和与激光传感器连接的第二微处理器；第一微处理器和第二微处理器分别与主控模块连接；
具体包括如下步骤：
S1：摄像机按照预设采集频率采集道岔初始图像数据并传输至第一微处理器，激光传感器按照预设采集频率采集道岔初始点云数据并传输至第二微处理器；
S2：第一微处理器对初始图像数据进行预处理并同时将处理后的图像数据传输至本地存储装置和主控模块，第二微处理器对初始点云数据进行预处理并同时将处理后的点云数据传输至本地存储装置和主控模块；
S31：主控模块对接收的图像数据和点云数据分别进行判断，得到图像-道岔状态和点云-道岔状态；
S32：主控模块将接收的图像数据和点云数据进行融合建模，得到三维融合道岔数据；根据三维融合道岔数据进行判断，得到融合-道岔状态；
S33：根据图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态对道岔的实际状态进行综合判断；
S4：主控模块将道岔状态判断结果发送给控制终端，并将判断结果存储于本地存储装置。
2.根据权利要求1所述的一种道岔检测方法，其特征在于，当图像-道岔状态、点云-道岔状态、融合-道岔状态三种状态判断结果一致时，系统认可判断结果；当三种状态判断结果出现差异时，系统进行告警并提示人工复核道岔状态及检测系统的工作状态；若道岔状态异常，检测系统将持续告警，直至异常状态消失或人工关闭告警。
3.根据权利要求2所述的一种道岔检测方法，其特征在于，道岔检测是一个基于t1时间周期的连续检测过程，在时间范围t2内的连续检查结果完全一致时，系统才能根据判断结果认证道岔状态，t2≥3t1；
若检测结果不一致，则认为道岔在移动过程中，判断状态为临时状态，不作为最终状态来判定；
道岔完成状态的机械时间为t3，若系统在t4时仍未检查到道岔的最终状态，则认为道岔存在机械故障，并进行告警；t4≥2t3。
4.一种道岔检测系统，其特征在于，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种道岔检测方法，包括：主控模块、分别与主控模块连接的图像采集模块、激光传感模块；其中，图像采集模块包括摄像机和与摄像机连接的第一微处理器，激光传感模块包括激光传感器和与激光传感器连接的第二微处理器；第一微处理器和第二微处理器分别与主控模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种道岔检测系统，其特征在于，针对每对道岔，在铁路旁设置有一对或多对激光传感器。
6.根据权利要求4所述的一种道岔检测系统，其特征在于，所述第一微处理器用于对摄像机采集的图像数据进行预处理，并将处理后的图像数据传输至主控模块；所述第二微处理器用于对激光传感器采集的点云数据进行预处理，并将处理后的点云数据传输至主控模块。
7.根据权利要求5所述的一种道岔检测系统，其特征在于，所述第一微处理器向主控模块传输数据的方式为：以太网数据传输或PCI-E总线；所述第二微处理器向主控模块传输数据的方式为：以太网或RS485接口或CAN总线数据传输。
8.根据权利要求5所述的一种道岔检测系统，其特征在于，所述道岔检测系统还设置有同时连接第一微处理器和第二微处理器的本地存储装置，第一微处理器和第二微处理器分别对接收的初始数据进行预处理后，将处理后的数据同时传输至本地存储装置和主控模块。
9.根据权利要求4所述的一种道岔检测系统，其特征在于，所述图像采集模块还包括有照明装置，所述照明装置为光控或/和无线信号控制装置。
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Denomination of invention: A turnout detection system and method

Effective date of registration: 20230721

Granted publication date: 20221115

Pledgee: Beijing first financing Company limited by guarantee

Pledgor: Beijing Jiemai Polytron Technologies Inc.

Registration number: Y2023980049354

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