TWI804113B

TWI804113B - 智慧軌道監控系統及其方法

Info

Publication number: TWI804113B
Application number: TW110147518A
Authority: TW
Inventors: 林邦傑; 龔皇光; 李順良; 林聖傑; 郭偉銘; 黃一宸
Original assignee: 正修學校財團法人正修科技大學
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TW202326634A

Abstract

一種智慧軌道監控系統，包含：一雲端資料庫模組，儲存軌道車輛行車紀錄影像資料；一中央監控主系統，電性連接該雲端資料庫模組，進行資料訊號傳輸；及至少一車載子系統，分別電性連結該雲端資料庫模組及該中央監控主系統，該車載子系統包含：一影像擷取模組、一即時影像儲存模組、一資料傳輸模組、一參考影像儲存模組、一影像辨識模組、一異常警示模組及一控制模組，該影像擷取模組產生一欲比對影像，該參考影像儲存模組儲存一參考影像，該影像辨識模組辨識該欲比對影像與該參考影像之差異，當該影像辨識模組辨識出該欲比對影像與該參考影像之間有異常狀態時，該異常警示模組發出警示訊號。

Description

智慧軌道監控系統及其方法

本發明係關於一種智慧軌道監控系統及其方法，尤其是一種應用於軌道車輛，透過擷取軌道車輛行車紀錄影像，並經由影像辨識，比對軌道車輛行徑前方之影像畫面是否有異常狀態之智慧軌道監控系統及其方法。

目前關於軌道車輛行駛的安全，例如；高速鐵路、一般鐵路、輕軌列車及捷運，除了有賴駕駛員的警覺性及注意力，或是車站裡的行控中心經由監視器畫面來了解軌道的狀況外，大多數情況都是發生了意外狀況造成事故後，經通報才知道軌道哪一路段發生意外或異常，因此，較難做到及時性的危險預防工作。

習知技術中華民國公告專利號I318187主要在提供影像讓軌道車輛駕駛觀看，增加駕駛員的視野範圍，並減少軌道巡邏的人力支出。習知技術中華民國公告專利號I307325係透過在軌道上安裝微動感應器，利用震動頻率的差異性，藉此來判斷軌道本身是否有毀損、鬆脫或其他非正常狀況。習知技術中華民國公告專利號I304191透過一無人前導車來進行軌道前方路況的判斷，並將訊號傳回軌道車上。

惟，技術中華民國公告專利號I318187仍須透過駕駛員的肉眼視力進行判斷，習知技術中華民國公告專利號I307325並無法知悉軌道上是否有異物阻礙，習知技術中華民國公告專利號I304191需要另一無人前導車進行判斷，其建置複雜、成本過高，且揭示透過影像辨識來辨識軌道異常之狀態。綜上所述，前述習知技術仍無達到由行車系統自動判斷前方軌道是否有異常或異常狀態及預警機制，因此，需要加以改良。本發明利用軌道車輛本身裝設影像辨識系統，來自動隨時辨識判定行徑前方軌道的狀況及軌道周遭是否有異狀，可以解決習知技術所不足之處。

本發明之一目的在提供一種智慧軌道監控系統及其方法，具有透過影像辨識預先判斷軌道前方某一路段是否有異常及何種異常狀況的功能。

本發明之另一目的在提供一種智慧軌道監控系統及其方法，具有即時通報鄰近軌道車輛某一軌道路段有異常狀況發生的功能。

為達成上述及其他目的，本發明之智慧軌道監控系統，包含：一雲端資料庫模組，儲存軌道車輛行車紀錄影像資料；一中央監控主系統，電性連接該雲端資料庫模組，進行資料訊號傳輸；及至少一車載子系統，各該車載子系統分別設置於複數軌道車輛上，且分別電性連結該雲端資料庫模組及該中央監控主系統，該車載子系統包含：一影像擷取模組，紀錄軌道車輛行車影像，產生一即時行車紀錄影像，並擷取該即時行車紀錄影像產生一欲比對影像；一即時影像儲存模組，儲存該即時行車紀錄影像及該欲比對影像；一資料傳輸模組，將該即時行車紀錄影像上傳至該雲端資料庫模組及從該雲端資料庫模組下載一參考影像；一參考影像儲存模組，儲存該參考影像；一影像辨識模組，辨識該欲比對影像與該參考影像之差異；一異常警示模組，當該影像辨識模組辨識出該欲比對影像與該參考影像之間有異常狀態時，該異常警示模組發出一警示訊號；及一控制模組，分別電性連結該影像擷取模組、該即時影像儲存模組、該參考影像儲存模組、該資料傳輸模組、該影像辨識模組及該異常警示模組，並控制各模組間的運行機制，其中，該欲比對影像及該參考影像之影像資訊包含紀錄日期時間及經緯度座標。

為達成上述及其他目的，本發明之智慧軌道監控方法，包含：由一資料傳輸模組從一雲端資料庫模組下載一參考影像，將該參考影像儲存在一參考影像儲存模組；從一影像擷取摸組取得一即時行車紀錄影像，再從該即時行車紀錄影像擷取一欲比對影像，並將該欲比對影像儲存在一即時影像儲存模組；由該資料傳輸模組將該即時行車紀錄影像傳送至該雲端資料庫模組儲存；分別從該參考影像及該欲比對影像擷取一參考經緯度座標及一欲比對經緯度座標，利用該參考經緯度座標及該欲比對經緯度座標進行影像重疊校正，使該參考影像及該欲比對影像之影像比對基準點在一座標誤差範圍內，依據影像之座標位置將該欲比對影像及該參考影像之畫面進行影像差異比對；當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，由設置於該軌道車輛上之一異常警示模組發出一異常警示訊號。

在本發明的一些實施例中，該影像辨識模組另包含一測距單元，計算前方障礙物與軌道車輛間之距離。

在本發明的一些實施例中，該異常警示模組另包含一即時通報單元，將該警示訊號傳送至該中央監控主系統或其他軌道車輛。

在本發明的一些實施例中，該控制模組另包含一制動單元，電性連接該軌道車輛之煞車系統，降低該軌道車輛行駛速度。

在本發明的一些實施例中，該欲比對影像及該參考影像之畫面進行影像差異比對時，具有一比對週期。

在本發明的一些實施例中，當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，在該欲比對影像中界定出一異常範圍，依據軌道車輛當下之行駛速度及經緯度座標計算多久單位時間內到該達異範圍之座標位置。

在本發明的一些實施例中，在該欲比對影像中界定出一異常範圍後，依據該異常範圍在該欲比對影像中之位置區域，判斷是否在行徑軌道上、對向軌道上或橫跨雙向軌道。

在本發明的一些實施例中，當執行影像差異比對時，在該欲比對影像及該參考影像之畫面分別界定一比對範圍，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常點，但異常點位置落於該比對範圍外，則仍判定為無異常狀態。

在本發明的一些實施例中，當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，該異常警示模組啟動一制動單元，該制動單元降低軌道車輛行駛速度。

10:雲端資料庫模組

20:中央監控主系統

30:車載子系統

31:影像擷取模組

32:即時影像儲存模組

33:資料傳輸模組

34:參考影像儲存模組

35:影像辨識模組

350:測距單元

36:異常警示模組

360:即時通報單元

37:控制模組

370:制動單元

RV:軌道車輛

IC:欲比對影像

IR:參考影像

圖1為本發明之智慧軌道監控系統之一實施例架構圖；圖2為本發明之智慧軌道監控系統之另一實施例架構圖；圖3為本發明之智慧軌道監控系統之一實施例異物阻礙軌道示意圖；圖4為本發明之智慧軌道監控方法之一實施例影像比對示意圖；圖5為本發明之智慧軌道監控方法之一實施例異常狀態示意圖；圖6為本發明之智慧軌道監控方法之另一實施例異常狀態示意圖。

圖1為本發明之智慧軌道監控系統之一實施例架構圖，請參考圖1。本發明之智慧軌道監控系統，包含：一雲端資料庫模組(10)、一中央監控主系統(20)及至少一車載子系統(30)，該雲端資料庫模組(10)儲存軌道車輛行車紀錄影像資料，該中央監控主系統(20)電性連接該雲端資料庫模組(10)，進行資料訊號傳輸，各該車載子系統(30)分別設置於複數軌道車輛(RV)，且分別電性連結該雲端資料庫模組(10)及該中央監控主系統(20)。

各該車載子系統(30)較佳具有一身分辨識碼，做為其所設置之軌道車輛身分識別，該車載子系統(30)包含：一影像擷取模組(31)、一即時影像儲存模組(32)、一資料傳輸模組(33)、一參考影像儲存模組(34)、一影像辨識模組(35)、一異常警示模組(36)及一控制模組(37)，其中，該影像擷取模組(31)較佳為具有高倍數之遠距攝像器，用以紀錄軌道車輛行車影像，產生一即時行車紀錄影像，並進行畫面擷取產生一欲比對影像(IC)。

該影像擷取模組(31)具有一衛星定位單元，當執行軌道車輛行車紀錄時，該衛星定位單元會同時將時間及經緯度座標記錄於行車紀錄的影像檔資料中，因此，該欲比對影像(IC)每一幀畫面(單位時間影像畫面)均同時具有時間序列及經緯度座標資訊，可以透過時間序列或經緯度座標鎖定特定時間點或特定座標的影像畫面。在本實施例中，依據實際需求，設定一影像擷取週期來擷取影像畫面產生該欲比對影像(IC)，例如每5秒擷取一次，使得該欲比對影像(IC)具有時間及座標資訊，以作為影像比對之參考基準。另外，該欲比對影像(IC)也可依據行駛距離，例如每行駛10公尺擷取一次影像，其中行駛距離可以兩點之直線距離或是實際行駛距離計算。

該即時影像儲存模組(32)儲存該即時行車紀錄影像及該欲比對影像(IC)。該即時行車紀錄影像可以作為後續其他軌道車輛進行影像比對時的參考影像，當該影像擷取模組(31)擷取該欲比對影像(IC)後，依序將其儲存在該即時影像儲存模組(32)，作為影像畫面比對使用來判斷行車軌道上是否有異常狀況。

該資料傳輸模組(33)將該即時行車紀錄影像上傳至該雲端資料庫模組(10)及從該雲端資料庫模組(10)下載一參考影像(IR)。該即時行車紀錄影像被上傳至該雲端資料庫模組(10)儲存備份，可供做為後續參考影像的來源，而該參考影像(IR)系作為影像比對之用，下載後儲存在該參考影像儲存模組(34)，其中，該參考影像(IR)亦包含時間序列及經緯度座標等資訊。

該影像辨識模組(35)辨識該欲比對影像(IC)與該參考影像(IR)之差異。由於軌道車輛所行駛之軌道及其周邊畫面原則上是固定的，不會有太大的變化，例如：高鐵軌道、台鐵軌道、捷運軌道或輕軌捷運軌道，利用高解析度之行車紀錄的影像畫面可以將辨識範圍往前推至數百公尺處，甚至更遠之處，再透過計算影像畫面像素中某一點或範圍與軌道車輛的相對位置或相距距離。在一般情況，相同座標位置下，該欲比對影像(IC)與該參考影像(IR)之影像畫面除了因為氣候因素或是白天晚上明亮度有差外，兩者影像畫面不會有異常變化，例如軌道本身及其周遭環境，除非軌道變形或軌道上有大型異物，亦或其他軌道車輛，如工程作業車。

該影像辨識模組(35)依據該欲比對影像(IC)與該參考影像(IR)中的座標位置選定比對座標點進行兩者畫面之比對，經由影像辨識比對出兩者之影像畫面是否有差異，並在該欲比對影像(IC)畫面中找出差異點所在之位置。例如，當軌道車輛來到某一座標位置時，即軌道某一段落點，經確定座標位置後，在正常情況下，該影像擷取模組(31)將所擷取之該欲比對影像(IC)與該參考影像(IR)之畫面重疊，兩者畫面內容是吻合的，即表示前方軌道路徑上並無異常狀況。

圖4為本發明之智慧軌道監控方法之一實施例影像比對示意圖，請參考圖4。該影像辨識模組(35)依據該欲比對影像(IC)與該參考影像(IR)中的座標位置選定比對座標點進行兩者畫面之比對，若差異處為不重要或比對範圍以外之差異，舉例來說，該欲比對影像與該參考影像之差異處在影像畫面某一處，惟，該差異處在實際上之距離與行徑軌道相距甚遠，並不影響行車安全，因此，仍判定兩者畫面相同，並無異常狀況。

圖2為本發明之智慧軌道監控系統之另一實施例架構圖，請參考圖2。較佳地，該影像辨識模組(35)另包含一測距單元(350)，若該比對影像(IC)之畫面有異常，透過計算影像畫面中某一點或某一區域範圍與軌道車輛的相對位置或距離，可依據該影像擷取模組(31)鏡頭之焦距、像素(Pixel)大小與障礙物(被攝體)之比例進行推算，計算出前方障礙物或異狀之位置與軌道車輛間之距離L，其中，

，被攝體為異物或障礙物，焦距及像素大小為已知，被攝體尺寸(長度或寬度)可以透過影像辨識判定被攝體屬於哪種物體來決定，例如先判定為小客車、卡車或軌道工程作業車，而該些車種之尺寸(長度或寬度)可事先依據車種設定幾組預設值來計算，例如同為小客車，尺寸誤差不大，不影響實際計算結果。或是，由於軌道寬度是固定尺寸，可以依據影像中異物或障礙物之長寬與軌道寬度之比例推算出被攝體尺寸實際大小，以作為計算數據，例如一些掉落物，如大石塊、鷹架之類。透過該測距單元(350)之功能，可以依據當時的車速採取相對的因應措施，例如減速，以進行緊急處理。

圖3為本發明之智慧軌道監控系統之一實施例異物阻礙軌道示意圖。當該影像辨識模組(35)辨識出該欲比對影像與該參考影像之間有異常狀態時，該異常警示模組(36)發出一警示訊號。該警示訊號可以為聲音、燈光或電子訊號，用以通知軌道車輛駕駛人員。

請續參考圖2及圖3。較佳地，該異常警示模組(36)另包含一即時通報單元(360)，將該警示訊號傳送至該中央監控主系統(20)或其他軌道車輛。該中央監控主系統(20)為所有軌道車輛之調度監控中心，當接收到該警示訊號時，可以立即進行緊急處理，例如；透過該身分辨識碼通知異常狀況發事地點即將經過之軌道車輛提高警覺，注意前方路況，或由發現異狀之軌道車輛直接通知其他即將經過該路段之軌道車輛提高警覺。

該控制模組(37)分別電性連結該影像擷取模組(31)、該即時影像儲存模組(32)、該參考影像儲存模組(33)、該資料傳輸模組(34)、該影像辨識模組(35)及該異常警示模組(36)，控制各模組間的運行機制，並藉由該控制模組(37)與該該中央監控主系統(20)網路連線，進行控制訊號與數據資料的傳輸。

請續參考圖2。較佳地，該控制模組(37)另包含一制動單元(370)，電性連接該軌道車輛(RV)之煞車系統，降低該軌道車輛(RV)行駛速度。當該異常警示模組(36)發出該警示訊號時，可以依據該制動單元(370)的設定，自行啟動降速的功能，使得該軌道車輛(RV)依據當下的車速自動適應性降速，例如；當該影像辨識模組(35)發現前方軌道上有異狀或異物，例如一般車輛卡在軌道上、或是軌道工程作業車執行作業時卻忘記通報，此時，該比對影像(IC)中即會被該影像辨識模組(35)辨識比對出異樣，因為在該參考影像(IR)中之該路段並不會有車輛在軌道上。因此，該制動單元(370)便可適應性的立即自動依據當下車速進行適當的減速動作，來確保該軌道車輛(RV)不會因為急煞或撞上前方的異物出軌或翻覆，可將傷亡降至最低。

本發明之智慧軌道監控方法，包含：由一資料傳輸模組從一雲端資料庫模組下載一參考影像，將該參考影像儲存在一參考影像儲存模組，作為參考比對影像之用，其中，該參考影像儲存模組設置在一軌道車輛上。

從一影像擷取摸組取得一欲比對影像，其中，該影像擷取摸組設置在該軌道車輛上，並將該欲比對影像儲存在一即時影像儲存模組。該影像擷取模組較佳設置於軌道車輛車頭前方，紀錄該軌道車輛行進時之前方路況影像，產生一即時行車紀錄影像，並將該即時行車紀錄影像儲存在該即時影像儲存模組，該影像擷取摸組從該即時行車紀錄影像進行畫面擷取產生一欲比對影像，其中，該即時行車紀錄影像包含軌道及其週遭影像，且包含了時間序列及經緯度座標資訊。

較佳地，該欲比對影像及該參考影像之畫面進行影像差異比對時，具有一比對週期。該比對週期可以為單位時間或是單位距離，該欲比對影像依據實際需求從該即時行車紀錄影像中擷取，設定一週期或是一行車距離來進行影像擷取，例如每5秒或10秒擷取影像一次或是每10公尺或20公尺擷取影像一次，可以依據行駛路段環境調整擷取的方式、時間週期或行車距離，已取得較佳之欲比對影像，其中，所得之複數該欲比對影像也包含時間及經緯度座標資訊。

該資料傳輸模組將該即時行車紀錄影像傳送至該雲端資料庫模組儲存。該即時行車紀錄影像被上傳至該雲端資料庫模組儲存備份，可供做為後續參考影像的來源，即較早行駛之軌道車輛所記錄之即時行車紀錄影像做為後續較晚行駛之軌道車輛之參考影像，因此，該參考影像亦包含時間序列及經緯度座標等資訊。

接著，利用一影像辨識模組分別從該參考影像及該欲比對影像擷取一參考經緯度座標及一欲比對經緯度座標資訊，利用該參考經緯度座標及該欲比對經緯度座標進行影像重疊校正，使該參考影像及該欲比對影像之畫面比對基準點在一座標誤差範圍內，依據影像之座標位置將該欲比對影像及該參考影像之畫面進行影像差異比對。

由於每一張影像畫面其所定位之座標會因為GPS定位系統本身、車速或其他干擾等因素而影響實際的經緯度座標，所以，當該參考影像之畫面及該欲比對影像之畫面進行比對時，較佳先進行座標校正，例如該座標誤差範圍為10公尺，則表示在比對座標點之前後10公尺內均為誤差合理範圍。在本實施例中，該座標誤差範圍為5公尺，即該影像辨識模組在辨識比對過程中，將針對該欲比對影像與該參考影像之比對座標點前後各5公尺的影像依序進行比對。若在該座標誤差範圍內比對後，該欲比對影像與該參考影像兩者間有出現至少一次以上相同畫面，則代表無異常狀況，若整個比對範圍區間均沒有相同畫面，則表示有異狀。另外，為了避免誤判，可以增加相同畫面出現次數的判定，在本實施例中，設定為比對出現兩次相同畫面才代表無異常狀況。

請續參考圖4。當執行影像差異比對時，在該欲比對影像及該參考影像之畫面分別界定一比對範圍，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常點，但異常點位置落於該比對範圍外，則仍判定為無異常狀態。相同畫面之認定可依據影像辨識實際需求忽略不重要或在該比對範圍以外之差異，舉例來說，該欲比對影像與該參考影像之差異處在影像畫面某一處，惟，該差異處落於該比對範圍外，即表示該差異處在實際上之距離與行徑軌道相距甚遠，並不影響行車安全，因此，仍判定無異常。

圖5為本發明之智慧軌道監控方法之一實施例異常狀態示意圖，請參考圖5。當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，由設置於該軌道車輛上之一異常警示模組發出一異常警示訊號。當欲比對影像之畫面與該參考影像之畫面有不吻合之處時，該異常警示模組發出該異常警示訊號通知駕駛員注意，該警示訊號可以為聲音、燈光或電子訊號。

較佳地，當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，該異常警示訊號被傳送至一中央監控主系統或其他軌道車輛。當異常狀況發生時，該異常警示訊號除了通知該軌道車輛之駕駛員外，該異常警示模組亦同時將該異常警示訊號之電子訊號傳送至該中央監控主系統或其他準備經過異常點或事故點之軌道車輛，由該中央監控主系統依據每一軌道車輛行駛路線及位置進行緊急通報，或由該軌道列車直接通報即將經過該異常點或事故點之其他軌道車輛，讓其他軌道車輛有所準備，避免連環事故發生。

圖6為本發明之智慧軌道監控方法之另一實施例異常狀態示意圖，請續參考圖6，並續參考圖3。較佳地，當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，在該欲比對影像中之異常區域界定出一異常範圍，依據軌道車輛當下之行駛速度及經緯度座標計算多久單位時間內到該達異範圍之座標位置。當該欲比對影像之畫面有異物出現時，將該異物範圍界定後得到該異常範圍數據，再經由在影像畫面中之位置依據像素(Pixel)比例計算實際距離，再經由軌道車輛當下經緯度座標及車速計算多內到該達異範圍之座標位置，藉此，可以提供駕駛人員進行緊急狀況之對應措施。軌道車輛與異物間之距

，被攝體為異物或障礙物，焦距及像素大小為已知，被攝體尺寸(長度或寬度)可以由該異常範圍數據對造影像比例方式計算取得。另外，為了更精準計算多久到達異物之座標處之時間T，可以將從比對到異狀及計算出距離這段時間△t，依據軌道車前進之速度V計算此段時間之前進距離△l，其中，△l=V×△t，則

。

請續參考圖3及圖5。較佳地，在該欲比對影像中界定出一異常範圍後，依據該異常範圍在該欲比對影像中之位置區域，判斷是否在行徑軌道上、對向軌道上或橫跨雙向軌道。一般軌道車輛所行使之軌道通常是兩個行進方向軌道緊靠，只保持兩反向軌道車輛車身行駛之安全距離，因此，可以從該欲比對影像畫面中之異常點或異常範圍之位置及範圍，來反推該異常點是否在行徑軌道上、對向軌道上或橫跨雙向軌道，例如異常點之範圍若是在軌道寬度內，則不影響對向車道，例如體積較小之不明物體掉落或是軌道工程修護車，若異常點之範圍較廣，已超過軌道寬度，則表示異物可能橫跨兩個車道，恐影響對向車道，例如大型卡車在軌道上拋錨，此時，透過該異常警示模組發出一異常警示訊號通知駕駛員。另外，若該欲比對影像畫面中之異常點或異常範圍之位置及範圍座落在對向軌道上，則該異常警示模組發出之異常警示訊號可將此狀況通知駕駛員，以利進行異常通報讓對向列車駕駛員知曉。

較佳地，當執行影像差異比對時，經辨識比對後若該欲比對影像之畫面有異常，該異常警示模組啟動一制動單元，該制動單元降低軌道車輛行駛速度。當該影像辨識模組發現前方軌道上有異狀，例如車輛卡在軌道上、或是軌道工程作業車執行作業時卻忘記通報，此時，該制動單元立即自動依據當下車速進行適當的減速動作，來確保該軌道車輛不會因為急煞或撞上前方的異物出軌或翻覆，將傷亡降至最低。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特徵，其目的在使熟習此項技藝之人士均能了解本發明之內容並據以實施，當不能以此限定本發明之專利範圍，凡依本發明之精神及說明書內容所作之均等變化或修飾，皆應涵蓋於本發明專利範圍內。