基于多技術融合的地鐵列車障礙物檢測系統設計

Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強，王 維HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei（中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 210031）

基于多技術融合的地鐵列車障礙物檢測系統設計

Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration

黃 濤，呂紅強，王 維
HUANG tao， LYU Hong-qiang， WANG wei
（中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 210031）

無人駕駛列車是今后城市軌道交通的發展方向，實現對無人駕駛列車軌道前方的障礙物的自動檢測與識別是實現列車無人駕駛的一個非常關鍵的技術，基于激光雷達、紅外攝像機、3D攝像機、無線電雷達、超聲波傳感器等多技術融合的地鐵列車障礙物識別系統克服以上單一傳感器檢測技術的不足，實現無人駕駛列車前進方向軌道內障礙物的高效檢測與識別，可以在不同氣候、不同天氣、不同環境下都可以正常工作，提高了無人駕駛運營列車的安全性。

城市軌道交通；無人駕駛；障礙物檢測；激光雷達；紅外攝像機；3D攝像機；無線電雷達；超聲波傳感器

0　引言

目前國內地鐵列車基本都采用有人駕駛運行方式，由司機操作列車并負責瞭望列車運行前方軌道確保無障礙物落入軌道區間，隨著城市軌道交通技術的發展，國內一些大城市提出建設全自動無人駕駛地鐵列車，提高運行效率。2014年8月，國內首條全自動無人駕駛線路上海10號線開通運營，其無人駕駛列車車頭下方安裝了一個基于機械觸發原理的障礙物檢測系統用于代替司機對前方線路瞭望功能，其基本原理是在列車高速運行中撞到障礙物后將觸發列車車頭下方安裝的機械行程桿運動，進而觸發繼電器開關電路，使列車緊急停車。該方案存在明顯不足之處，即不能對列車前進方向軌道內的障礙物實現提前檢測與預警，提高行車安全，另一方面通過機械的碰撞實現障礙物的檢測不可避免地對車輛設備造成損傷。本文提出了一種基于激光雷達、紅外攝像機、3D攝像機、無線電雷達、超聲波傳感器等多技術融合的障礙物識別系統對軌道中存在的異常物體進行檢測和識別，該系統安裝在無人駕駛列車車頭前方，列車運行中各種傳感器同時工作，將采集數據發送到障礙物處理主機由主機進行智能分析處理判斷是否為障礙物以及障礙物的距離。

1　障礙物檢測系統的構成

圖1　多技術融合的障礙物檢測系統結構

多技術融合的障礙物檢測系統主要由五大模塊組成（如圖1所示），分別為傳感器及傳感器融合模塊、行為分析模塊、用戶接口模塊、列車接口模塊、全局服務模塊。

圖2　傳感器檢測效果矩陣

傳感器及傳感器融合模塊主要進行列車運行前方環境數據的采集和整合，并將采集的障礙物按照障礙物、參照物、無關物進行分類列表建立數據庫。由于地鐵列車運行環境復雜，對列車運營安全性要求較高，單一傳感存在不足（如圖2所示），通過多種傳感器技術相互融合的技術可以很好的克服單一傳感器技術的不足，提高系統的檢測效果。

行為分析模塊主要通過周期性的采集傳感器融合模塊檢測到的障礙物信息進行列車運行控制操作，比如列車加速、減速控制等；

用戶接口模塊主要是一臺觸摸顯示器，該顯示屏提供列車基本的運營狀態信息，以及列車前方障礙物、參照物、無關物體信息清單，并設有一個緊急制動停車按鈕，主要在調試期間使用。

列車接口模塊主要為列車的牽引和制動控制單元，其主要為車輛牽引動力單元和列車制動停車控制單元兩個部分組成。

全局服務模塊為障礙物檢測系統的上位管理主機主要用于障礙物檢測系統的運行信息存儲和運行狀態的檢測和管理。

2　系統軟件設計

多技術融合的障礙物檢測系統基于研華成熟的Mini-ITX工控硬件平臺設計，軟件采用Jave語言進行開發，每個傳感器設一個獨立的線程，每個傳感器數字信號處理及數據融合點設有一個獨立的線程，每個障礙物的觸發處理設一個獨立的線程，每個線程通過一個共享的全局模型數據結構進行數據交換和傳遞，具體的軟件系統結構如圖3所示。

圖3　系統軟件架構

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3　試驗結果

為了驗證系統的可行性和有效性，對所設計的系統進行了實際路況測試，檢驗系統的工作效果。多技術融合的障礙物檢測系統的顯示器設有各種傳感器模式下采集的圖形信息，圖4為激光雷達識別出軌道旁邊電線桿，并計算出電線桿的距離。圖5為紅外線傳感器識別出軌道內的異常物體。

圖4　激光雷達傳感器工作效果圖

4　結束語

本文通過基于激光雷達、紅外攝像機、3D攝像機、無線電雷達、超聲波傳感器等多技術融合的地鐵列車障礙物識別系統，克服單一傳感器技術檢測的不足，實現列車前方障礙物的實時檢測，代替了司機的瞭望值守功能，比目前上海十號線機械式的障礙物檢測系統在技術手段上更先進，有效提高了列車運行的安全性，但是目前該障礙物檢測系統技術還存在不足，比如在復雜的光照和雨雪天氣下會對系統的檢測精度和檢測距離產生不良影響，并存在障礙物誤報問題，因此需要在以后的工作中進一步的完善各種傳感器數據處理算法，提高系統對障礙物檢測的精度和可靠性。

圖5　紅外傳感器工作效果圖

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TP391

B

1009-0134（2016）08-0059-03

2016-05-27

黃濤（1981 -），男，江蘇南京人，高級工程師，本科，主要從事列車網絡控制系統研發工作。