CN205601869U - 车载运行环境安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种车载运行环境安全监测系统，该系统包括对列车前方运行环境的图像信息进行实时检测的线路状态检测装置、接收并显示所述的图像信息的车载显示终端、对所述的图像信息进行分析判断并识别异常信息的分析处理模块、对所述异常信息进行报警的报警装置，所述的线路状态检测装置设置在列车头的外侧，所述的线路状态检测装置包括：红外图像信息采集模组和可见光图像信息采集模组。本实用新型将红外图像信息和可见光图像信息进行结合分析，具有成像清晰、受天气影响小的优点。

Description

车载运行环境安全监测系统

技术领域

本实用新型属于铁路安全监测技术领域，特别涉及一种列车前方障碍物检测系统。

背景技术

随着我国一带一路建设的高速发展，在幅员辽阔的国土上数以千计的高速列车高速度、高密度的运行，这对行车安全保障体系提出了更高的要求。由于自然灾害而导致的落石、山洪、以及人为因素而导致的异物侵入所形成的线路障碍会给高速运行中的列车造成导致灾难性的后果，因此，实现高铁线路环境的监控至关重要，但是，要在铁路沿线建立一套全线路监控系统成本高、施工复杂、建设周期长、维护困难。

此外，CN104386092A提出了一种基于图像识别和多感知融合的列车自动防护系统，该系统通过CCD摄像机或夜间红外摄像机采集图像信息，通过计算机分析获知障碍物情况，并加以报警。然而该系统仅仅能够对近距离的运行环境进行监测，并且容易受到阴雨、雾霾等因素影响监测效果，由于列车运行速度高，制动距离远，发现障碍物后制动时间短，预见性较差。另外，现有技术中的CCD摄像机或红外摄像机通畅设置在列车内部，列车在夜间运行时，由于前挡风玻璃存在炫光，也会影响监测准确性。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的问题，提供一种远距离监测铁路沿线环境的车载运行安全监测系统。

本实用新型的技术方案是，一种车载运行环境安全监测系统，其包括：

对列车运行前方的环境信息进行实时检测的线路状态检测装置，所述的线路状态检测装置包括用于向列车运行前方发射脉冲激光信号，并通过接收反射光信号获得列车运行前方的图像信息的激光雷达探测系统；

接收并显示所述的图像信息的车载显示终端；

对所述的图像信息进行分析判断并识别异常信息的分析处理模块；及，

对所述异常信息进行报警的报警装置；

所述的激光雷达探测系统的输出端分别与所述的车载显示终端的输入端以及分析处理模块的输入端相连，所述的分析处理模块的输出端与报警装置的输入端相连。

本实用新型进一步的技术方案是：所述的线路状态检测装置还包括用于采集列车运行前方热源信息的热成像信息采集模组。

优选地，所述的线路状态检测装置还包括用于检测和识别列车运行前方的障碍物信息的微波雷达探测系统。

优选地，所述激光雷达探测系统包括：

第一脉冲激光源，用于对列车运行前方发出脉冲激光，形成探测区域；

光学天线，接收视场内的反射光信号，光学天线的视场与探测区域至少部分重合；

光学成像模块，用于记录反射光信号并形成光学成像信息；

探测成像模块，用于接收反射光信号并形成探测成像信息；及，

第一信号处理单元，与所述的光学成像模块、探测成像模块信号、分析处理模块以及车载显示终端连接，所述的第一信号处理单元用于接收所述的光学成像信息和探测成像信息并处理形成所述的图像信息。

优选地，所述的探测成像模块为线阵光电探测器和/或所述的光学成像模块为CCD成像模块。

优选地，所述的线路状态检测装置设置在列车头的外侧，且靠近列车头的大灯处。由于线路状态检测装置安装在列车头的外侧，因此可以避免夜间行驶时，列车前侧挡风玻璃炫光，减少误报警情况。

优选地，所述的车载运行环境安全监测系统，还包括安装在列车的车头上的接触网状态检测装置，该接触网状态检测装置与列车的车载显示终端相连，包括：用于采集列车运行前方远距离接触网图像信息的第一图像信息采集装置；用于采集列车运行前方全景图像信息的第二图像信息采集装置；与列车的受电弓控制接口相连的受电弓控制模块。

进一步地说，所述的第一图像信息采集装置还包括用于采集热源信息的红外图像信息采集模组，该红外图像信息采集模组为红外热像仪。

优选地，所述的分析处理模块包括：用于识别所述的远距离接触网图像信息中的接触网异常信息的接触网异常识别模块、位置信息识别模块、结构异常识别模块。

另外，本实用新型采用激光雷达成像和红外热成像结合分析的方式，激光雷达探测系统具有照射距离远、发散角小的优点，能够获得列车运行前方5km外的高清晰的图像，而通过光学成像和探测成像结合，进一步使本实用新型能够获得分辨率更高、更清晰的成像质量，获得高质量的图像信息；红外图像信息用来显示热源性目标或者是不明显的人员和动物类目标，在雾霾和雨雪天气时，红外图像信息可自动识别3km以外的线路状态，而不受天气因素影响，能够显著提高观测效果，实现障碍识别和自动预警提示；微波雷达探测系统能够不受环境照度影响，全天候探测前方障碍物信息，实现对铁轨上异物的检测和识别，微波雷达探测系统的探测距离为5km。

本实用新型与现有技术相比的优点是：本实用新型的线路状态检测装置由激光雷达探测系统对列车运行前方进行检测，激光具有发散小、抗干扰的优点，能够在车辆前方远距离处形成椭圆形成像区域，而通过探测成像和光学成像结合分别能够获得成像区域内物体的探测成像信息和光学成像信息，具有探测距离远、精度高的优点。

附图说明

附图1为本实用新型的车载运行环境安全监测系统的结构框图；

附图2为线路状态检测装置的工作状态示意图；

附图3为接触网状态检测装置的工作状态示意图；

附图4为线路状态检测装置的结构框图；

附图5为激光雷达探测系统的结构框图；

附图6为接触网状态检测装置的结构框图；

附图7为接触网状态检测装置的第二图像信息采集装置的工作状态示意图。

其中：10、列车；11、受电弓；20、接触网；30、轨道；

100、线路状态检测装置；110、激光雷达探测系统；111、第一脉冲激光源；112、光学天线；113、分光镜；114、光学成像模块；115、探测成像模块；116、第一信号处理单元；120、热成像信息采集模组；130、微波雷达探测系统；140、光照传感器；150、成像切换模块；

200、接触网状态检测装置；210、激光雷达探测模组；211、第二脉冲激光源；212、光学成像单元；213、探测成像单元；214、第二信号处理单元；220、红外图像信息采集模组；230、全景图像采集模组；240、第一图像信息采集装置；250、第二图像信息采集装置；260、网络通讯模块；

400、报警装置；500、分析处理模块；600、车载显示终端；700、受电弓控制模块；701、判断模块；702、脉冲产生模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。车载运行环境安全监测系统属于智能化动车组的线上检测系统的一种，利用高速摄像技术对轨道与线路状态、接触网系统状态进行实时检测，研究对列车运行安全的影响因素与作用规律，对列车运行轨道进行实时检测，以全方位获取车辆运行安全状态为目的，建立动车组自感知网络系统。

参见附图1所示，本实用新型公开了一种车载运行环境安全监测系统，包括：

对列车运行前方的环境信息进行实时检测的线路状态检测装置100；

对列车运行前方的接触网进行检测的接触网状态检测装置200；

分析处理模块500，分别接收线路状态检测装置100、接触网状态检测装置200的信号，并对上述信号进行分析识别，并提取异常信息；

车载显示终端600，接收并显示反应列车的线路状态、接触网状态的图像信息，并在异常发生时显示报警提示；以及，

对所述异常信息进行报警的报警装置400。

分析处理模块500一般为具有处理器、存储器的计算机，通过采集到的图像信息进行大量的分析计算，并将计算结果通过车载显示终端600或者报警装置400输出。而在轨道交通系统中，分析处理模块通常指装设在有轨列车上的计算机系统，借助于网络，分析处理模块可以与车辆控制中心互联，实现数据实时交换。

参见附图2所示，其中，线路状态检测装置是对列车10运行前方、3km～5km（D₃）距离范围内的轨道30状态进行检测的，用来探测前方是否存在塌方、洪水、动物和人员等。为了防止前挡玻璃炫光，所述的线路状态检测装置设置在列车头的外侧，且靠近列车头的大灯处，安装高度大约距离地面1.5m处。

参见附图4，该线路状态检测装置100包括，用于获得列车运行前方的图像信息的激光雷达探测系统110、用于采集列车运行前方热源信息的热成像信息采集模组120、用于检测和识别前方障碍物信息的微波雷达探测系统130。激光雷达探测系统110能够对5km外的区域进行超远距离障碍物探测，热成像信息采集模组120能够探测在3km以内范围的热源信息，热成像信息采集模组为红外热像仪，微波雷达探测系统130用于辅助探测障碍物。

本实用新型的优选实施例中，线路状态检测装置100还包括用于检测环境照度的光照传感器140以及根据所述的光照传感器的输出值对所述的激光雷达探测系统110和红外图像信息采集模组120进行切换的成像切换模块150。这样线路状态检测装置100就能够根据环境照度、天气情况自动选择采用激光雷达探测系统成像还是采用热成像信息采集模组成像，在晴朗天气、空气质量优良的天气里采用激光雷达探测系统，而在阴雨、雾霾天气或者夜间采用热成像信息采集模组成像，或者可以采用激光雷达探测系统110和热成像信息采集模组120同时工作。

参见附图5所示，激光雷达探测系统110包括：

第一脉冲激光源111，用于对列车运行前方的探测区域发出脉冲激光，以列车宽度3.38m，铁轨宽度1.435m为例，激光雷达探测系统110安装在列车10车头1.4m高度处，其能够在列车前方5km处形成宽度5m左右的椭圆形探测区域，脉冲激光光束宽度为0.1度，下偏角0.07度，则在列车运行前方探测区域可以覆盖700m～5km的长度探测范围；

光学天线112，光学天线通常包括多个透镜，其用于接收视场内的光学信号；

分光镜113，将光学天线接收到的光学信号分成两束；

光学成像模块114，接收其中一束分光信号并将其记录形成光学成像信息；

探测成像模块115，接收另一束分光信号并形成探测成像信息；

第一信号处理单元116，与所述的光学成像模块114、探测成像模块115、分析处理模块500以及车载显示终端600连接，所述的第一信号处理单元116用于接收所述的光学成像信息和探测成像信息，并进行恢复、防抖、检测障碍物等处理形成图像信息。

进一步地说，所述的探测成像模块115为APD线阵光电探测器，该光学成像模块114为成像传感器，如CCD成像模块或CMOS成像模块。

本实施例中，光学天线112的视线角度为0.1度，列车运行前方反射光信号被光学天线112接收后，再被分光镜113分成两路，一路进入光学成像模块114，通过CCD成像模块或CMOS成像模块将光学信号转化成电信号（光学成像信息）输出，经过第一信号处理单元116进行防抖、降噪等处理后，将光学成像信息输出至分析处理模块500，该光学成像信息包括可见光图像信息；另一路光束进入探测成像模块115，通过APD线阵光学探测器，对前方轨道进行探测成像，探测成像信息经过第一信号处理单元116进行计算处理，并能够得出前方路况的图像、以及障碍物和距离等信息，再将上述图像、障碍物、距离等信息送入分析处理模块500。其中，光学成像结果用于辅助人眼进行障碍物识别，成像精度取决于光学成像模块的精度，以CCD成像模块为例其精度取决于CCD的象元数，象元数越高，成像质量越好。探测成像模块可以直接给出前方是否有障碍物的存在，APD线阵光电探测器的纵向分辨率取决于APD器件的距离分辨率，精度可达0.15m，APD线阵光电探测器的横向分辨率取决于象元数和成像区域的大小，成像区域越小，检测障碍物的分辨率越高。

在本实用新型的优选实施例中，线路状态检测装置100还包括波段为3mm的微波雷达探测系统130，系统采用线性调频信号，采用大于1GHz带宽的信号，其距离分辨可达到优于0.2m，可对目标进行高分辨识别，而在方位向上通过高分辨单脉冲成像的方式，提高方位分辨率，并进行成像，最终实现对轨道上异物的检测和识别。

分析处理模块500分别接收所述的光学成像信息、探测成像信息、热成像信息以及微波雷达探测信息，并识别这些信息中的异常信息进行报警，而这些信息中的图像信息、热成像信息和障碍物信息还可以通过车载显示终端600进行显示，工作人员可以实时观测前方轨道的情况。

分析处理模块500运行以下算法：在所述的光学成像信息、探测成像信息、热成像信息以及微波雷达探测信息中提取异常部位，并判断异常部位的大小、距离、位置等信息；其中，探测成像信息、热成像信息以及微波雷达探测信息分别可以通过与设定阈值进行比较，从而提取不同于阈值大小的异常部位，并进行报警，而光学成像信息通常需要人工监视异常，或者分析处理模块还可以通过将当前的光学成像信息与历史光学成像信息进行比较，找到差异而提取异常部位。

参见附图3、6、7所示，接触网状态检测装置200是用来对列车运行前方的接触网系统进行实时检测的，其能够自动识别卡扣脱落、异物悬挂、接触网结构异常等问题。

接触网状态检测装置200安装在列车10车头上，与列车10的车载显示终端相连，其包括：

用于采集列车运行前方远距离接触网图像信息的第一图像信息采集装置240；

用于采集列车运行前方全景图像信息的第二图像信息采集装置250；

与列车的受电弓控制接口相连的受电弓控制模块700。

分析处理模块500的输入端分别与第一图像信息采集装置240和／或第二图像信息采集装置250的输出端相连，分析处理模块500对第一图像信息采集装置240采集到的远距离图像信息和/或第二图像信息采集装置250采集到的全景图像信息进行分析处理，并识别异常部位信息，报警装置400接收所述的异常部位信息并报警。分析处理模块500的输出端还与报警装置400和受电弓控制模块700信号连接，列车的受电弓11通过受电弓控制接口接收到降弓指令后折叠降落，等列车越过异常部位时受电弓11再自动升弓。

具体的说，第一图像信息采集装置240包括采集列车前方1Km外的接触网状态的激光雷达探测模组210，该激光雷达探测模组包括：

第二脉冲激光源211，用于对列车运行前方的接触网发出脉冲激光，并形成探测区域S₁，由于激光的发散角小，因此，探测区域S₁的照射距离远、视场相对较小；

光学成像单元212，一般选用高速工业摄像机，其用于对探测区域S₁成像，并形成光学成像信息；

探测成像单元213，用于对探测区域S₁探测，并形成探测成像信息，系统根据探测信息可以快速发现接触网异物或接触网异常故障；及

第二信号处理单元214，与光学成像单元212、探测成像单元213、分析处理模块500以及车载显示终端600连接，第二信号处理单元214用于接收光学成像信息和探测成像信息并处理形成图像信息。

参见附图3，为避免列车的前挡风玻璃产生眩光，因此本实用新型的第一图像信息采集装置240设置在列车车头外侧，安装在车头大灯位置处，距离地面高度约1.4m。第一图像采集装置240的探测距离D₁大于1Km，通过第一图像信息采集装置240，列车接触网状态检测装置能够获知1Km外的接触网状态，自动识别卡扣脱落、异物悬挂等异常情况，并完成报警提示或自动降弓动作。

为了在阴雨、雾霾天气下或者夜间行驶情况下获得高质量、清晰的成像，所述的第一图像信息采集装置240还包括用于采集热源信息的红外图像信息采集模组220，该红外图像信息采集模组为红外热像仪。

参见附图7，第二图像信息采集装置250安装在列车车头的驾驶室内。第二图像信息采集装置250包括能够采集列车运行前方距离为D₂的全景图像信息的全景相机，该全景相机的视场范围为S₂，如附图3所示， D₂通常为10～30米左右。全景图像信息中包含接触网结构状态信息、以及反映列车当前所在位置的公里号、接触网支柱杆杆号的信息，结合列车的GPS信息能够自动进行区段划分，可以准确快速的定位，因此通过将全景图像送入分析识别模块进行分析，我们就能够得知列车当前所在位置和接触网的异常状态。全景图像信息还可以通过存储装置被记录下来，作为行车记录仪使用。

在本实施例中，第二图像信息采集装置250包括采集公里号和接触网支撑杆号的第一监控相机和采集接触网悬挂装置状态的第二监控相机，第一监控相机和第二监控相机整合为双摄像头结构。第二图像信息采集装置的安装需要精确调整水平位置、垂直位置以及拍摄角度，在正式拍摄之前首先需要用软件校准拍摄区域，使拍摄区域与数据库中标准图像中的接触网的结构、坡度以及走向等一致。

为了获取接触网状态信息，所述的分析处理模块500还包括以下部分：

接触网异常识别模块，用于识别所述的远距离接触网图像信息中的接触网异常信息，接触网异常识别模块能够识别远距离接触网图像信息中，接触网悬挂区域的卡扣脱落、部件缺失、异物悬挂等异常数据；

位置信息识别模块，用于识别所述的全景图像信息中的实时位置信息，所述的位置信息识别模块包括用于识别杆号的杆号识别模块和用于识别公里标的公里标识别模块；

结构异常识别模块，用于识别全景图像信息中的结构异常信息，该结构异常识别模块能够识别全景图像信息中，接触网结构的相对坡度、相对位置等接触网结构信息，结构异常识别模块还包括存储有各杆号所对应的接触网结构标准信息的存储单元、以及用于将所述的全景图像信息中的接触网结构信息与所述的接触网结构标准信息进行比对的比较器。

所述的接触网异常识别模块和结构异常识别模块分别与报警装置400信号连接，一旦发现存在接触网异常信息或接触网结构异常信息，立即通过报警装置报警，同时将报警信息反馈到车载显示终端600，另外列车接触网状态检测装置200还包括用于将异常信息反馈给调度中心的网络通讯模块260，通过调度中心，可以提醒后续经过的列车注意。

受电弓控制模块700包括用根据所述接触网异常信息或结构异常信息判断是否执行降弓动作的判断模块701、用于发出降弓信号或升弓信号的脉冲产生模块702。由于列车在行驶过程中运行速度很快，因此降弓或升弓动作一般通过接触网异常信息进行判断。所述的接触网异常识别模块、位置信息识别模块以及行车电脑与所述的受电弓控制模块信号连接。该判断模块根据接触网异常信息、实时位置信息、车速信息在列车将要到达故障位置前发出降弓指令，并在列车经过故障位置后，发出升弓指令，从而避免发生由接触网故障引起的行车事故。

本实用新型的车载运行环境安全监测系统的工作过程，主要包括：

通过线路状态检测装置对列车运行前方线路进行成像，取得前方线路上的障碍物信息；

通过接触网状态检测装置对列车运行前方的接触网状态进行成像，取得远距离接触网图像信息和全景图像信息；

通过分析处理模块，调用预先存储在存储器中的标准信息、阈值信息等数据，并进行比较计算，识别在障碍物信息、接触网信息、接触网结构信息中的异常信息；

通过报警装置对上述异常信息进行报警；

通过车载显示终端对上述监视结果进行显示。

具体的说，线路状态检测装置的工作过程如下：

a1）、向列车运行前方发射激光信号，接收反射光信息，通过光学成像模块将上述反射光信息转化为光学成像信息，通过探测成像模块将反射光信息转化为探测成像信息；

a2）、向列车运行前方发射微波信号，接收回波，识别回波中的障碍物信息；

a3）、通过热成像信息采集模组采集列车运行前方的热成像信息；

a4）、对所述的光学成像信息和探测成像信息和／或障碍物信息和／或热成像信息进行分析处理；

a5）、提取上述信息中的异常信息并报警；

a6）、将所述的光学成像信息和探测成像信息和／或障碍物信息和／或热成像信息以及异常信息在车载显示终端显示。

接触网状态检测装置的工作过程是：

b1）、采集列车运行前方远距离处的接触网图像信息；

b2）、采集列车运行前方的全景图像信息；

b3）、在所述的全景图像信息中提取位置信息和接触网结构信息，并将所述的接触网结构信息与预存在存储单元中的该位置信息所对应的标准信息进行比对，分析并识别所述的接触网图像信息和全景图像信息中的异常部位；

b4）、提取异常部位信息并报警；

b5）、根据异常部位信息控制列车的受电弓做出降弓或升弓动作。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载运行环境安全监测系统，其特征在于，包括：

对列车运行前方的环境信息进行实时检测的线路状态检测装置，所述的线路状态检测装置包括用于向列车运行前方发射脉冲激光信号，并通过接收反射光信号获得列车运行前方的图像信息的激光雷达探测系统；

接收并显示所述的图像信息的车载显示终端；

对所述的图像信息进行分析判断并识别异常信息的分析处理模块；及，

对所述异常信息进行报警的报警装置；

所述的激光雷达探测系统的输出端分别与所述的车载显示终端的输入端以及分析处理模块的输入端相连，所述的分析处理模块的输出端与报警装置的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的线路状态检测装置还包括用于采集列车运行前方热源信息的热成像信息采集模组。

3.根据权利要求1所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的线路状态检测装置还包括用于检测和识别列车运行前方的障碍物信息的微波雷达探测系统。

4.根据权利要求1所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述激光雷达探测系统包括：

第一脉冲激光源，用于对列车运行前方发出脉冲激光，形成探测区域；

光学天线，接收视场内的反射光信号，光学天线的视场与探测区域至少部分重合；

光学成像模块，用于记录反射光信号并形成光学成像信息；

探测成像模块，用于接收反射光信号并形成探测成像信息；及，

第一信号处理单元，与所述的光学成像模块、探测成像模块信号、分析处理模块以及车载显示终端连接，所述的第一信号处理单元用于接收所述的光学成像信息和探测成像信息并处理形成所述的图像信息。

5.根据权利要求4所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的探测成像模块为线阵光电探测器和/或所述的光学成像模块为CCD成像模块。

6.根据权利要求4所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述激光雷达探测系统距所述列车轨道的高度为0m-4m。

7.根据权利要求1-6任一所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的线路状态检测装置设置在列车头的外侧，且靠近列车头的大灯处。

8.根据权利要求1所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：还包括安装在列车的车头上的接触网状态检测装置，该接触网状态检测装置与列车的车载显示终端相连，其包括：

用于采集列车运行前方远距离接触网图像信息的第一图像信息采集装置；

用于采集列车运行前方全景图像信息的第二图像信息采集装置；

与列车的受电弓控制接口相连的受电弓控制模块。

9.根据权利要求8所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的第一图像信息采集装置还包括用于采集热源信息的红外图像信息采集模组，该红外图像信息采集模组为红外热像仪。

10.根据权利要求1所述的车载运行环境安全监测系统，其特征在于：所述的分析处理模块包括用于识别所述的远距离接触网图像信息中的接触网异常信息的接触网异常识别模块、位置信息识别模块、结构异常识别模块。