基于數據融合的鐵路沿線落石監測及預警系統設計

馬珺杰，楊艾琳

（1.陜西鐵路物流集團有限公司，陜西西安，710076；2.四川國軟科技發展有限責任公司，四川成都，610031）

0 引言

隨著我國鐵路行業的高速發展，列車運行速度不斷提高，然而山區線路自然條件復雜，自然災害發生較為頻繁，諸如山體滑坡、隧道障礙、落石及異物侵限，都能給行車帶來災難性的后果。特別是，一旦發生這些自然災害，很容易發生列車和障礙物相撞的事故，輕則導致機車損傷，鐵路線路長時間中斷，嚴重的還可能發生列車出軌、人員傷亡等重大事故，因此鐵路沿線突發的落石、邊坡坍塌等成為了影響鐵路行車安全的重大隱患，依靠傳統的人力排查顯然不能滿足鐵路安全運行的需求。因此，能夠準確的在落石發生后第一時間發現并攔停列車是防止發生事故的重要關鍵點。所以，研發并安裝一套鐵路沿線落石監測及預警系統迫在眉睫。

現階段，一些機構根據落石監測需求開發了相應的異物侵限安全監控系統，并在某些線路到應用，但在應用過程中仍存在一系列問題。隨著雷達監控和視頻監控技術的普及與融合，越來越多的工程運行行業在引入這兩種技術來實現對運行情況的多重監控與預警。這些運行監控自然產生了海量的視頻和圖像數據，進而對傳統的后端存儲和帶來一系列的考驗。對采用智能化技術建設的設施的要求也越來越高。能夠準確的在落石發生后第一時間發現并攔停列車，防止發生事故才是關鍵所在，研發并安裝一套線路落石監測及預警平臺對于保障鐵路運輸安全具有極其積極的重要意義。

1 系統概述

■1.1 系統目標

對鐵路線路進行落石的監控、識別與預警是行車安全的重要保障與關鍵需求，當列車運行線路發生泥石流、崩塌、落石等異物侵限和突發事件時可以及時地發現特情并進行應急處置，實現線路監測信息的分布式感知、應急管理和綜合控制。

■1.2 系統原理

該系統將雷達圖像和視頻圖像進行了傳感融合，地面監測單元將采用激光雷達實時向監測區域內發射激光脈沖，當激光脈沖遭遇障礙物發生反射，激光雷達根據接收到的激光脈沖信號獲取障礙物的目標信息。核心控制單元對地面監測單元上傳的數據判斷發生落石告警，聯動高清網絡攝像機轉動到障礙物所在區域進行抓拍、錄像，將視頻圖像信息上傳至監控中心進行存儲、展示，監控終端通過聲光報警提示值班人員。同時，核心控制單元聯動現場的報警裝置發出語音及報警燈警示，提醒列車司機注意行車安全，系統運行可靠后實現聯動控車的目的。

■1.3 數據融合

首先搭建分布式攝像頭和分布式雷達分別覆蓋沿線進行數據收集，然后對分布式傳感器所采集的數據進行特征提取與識別，并將目標與環境進行數據關聯，最后選擇合適的融合算法將目標區域的全部傳感器數據進行融合處理，從而得出關于線路目標狀態的態勢感知。這對傳感器之間的時空融合與數據融合都提出了更高的要求，具體方法如圖1所示。

圖1 數據融合框架

（1）空間融合

將雷達坐標系、攝像機坐標系、圖像坐標系、像素坐標系與三維世界坐標系進行融合與轉換，是多傳感器數據之間實現空間融合的關鍵步驟。雷達與視覺傳感器空間融合就是將不同傳感器坐標系的測量值轉換到同一個坐標系中。由于前向視覺系統以視覺為主，只需將雷達坐標系下的測量點通過坐標系轉換到攝像機對應的像素坐標系下即可實現多傳感器的空間同步。

（2）時間融合

雷達信息和視頻信息在除了在空間中需要融合與同步之外，還需要在相同的時間框架下進行同步與融合。根據雷達功能工作手冊，其采樣周期為50ms，即采樣幀速率為20 幀/秒，而攝像機采樣幀速率為25 幀/秒。為了保證數據的可靠性，以攝像機采樣速率為基準，攝像機每采一幀圖像，選取雷達上一幀緩存的數據，即完成共同采樣一幀雷達與視覺融合的數據，從而保證了雷達數據和攝像機數據時間上的同步。

2 系統架構

鐵路線路落石監測及預警平臺系統主要通過激光雷達對軌面進行掃描，基于激光掃描技術，自動對監測范圍內的軌面上方一定高度進行實時掃描，采集障礙物特征數據，整個系統由工控機進行邏輯判斷，輸出信號到PLC，由PLC控制相應喇叭、攝像頭、燈光、電臺等設備進行相應方式的告警。系統由數據采集裝置、數據處理裝置、數據傳輸裝置、報警裝置等組成，整體系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3 系統設備

對障礙物侵入監測范圍進行智能識別、分析、判斷并產生預警或報警信息的設備，包括雷達識別裝置、視頻分析裝置、數據處理裝置、數據傳輸裝置、報警裝置，如圖3所示。

圖3 系統圖例框圖

■3.1 雷達識別裝置

對障礙物侵入監測范圍進行智能識別的設備，包括二維激光掃描器、雷達智能識別機和電源等，實現基于激光掃描技術對監測報警范圍進行平面掃描，并實時采集和識別障礙物特征數據。

■3.2 視頻分析裝置

對障礙物侵入監測范圍進行智能分析的設備，包括夜視球機攝像機、視頻智能分析機、電源等，能在白天、夜晚、雨天采集到清晰的彩色的圖像，實現基于圖像智能識別技術對監測預警范圍進行攝像，并實時采集和識別障礙物的圖像數據和運動數據。

■3.3 數據處理裝置

對雷達識別裝置和視頻分析裝置傳入的信息進行數據分析、邏輯判斷，發出報警指令，包括上位機、NVR、PLC、電源等。上位機負責邏輯控制、信號轉發、報警驅動等；NVR（網絡視頻錄像機）負責網絡球機的視頻記錄、存儲、轉發等；PLC(可編程邏輯控制器)負責無線列調語音播報和報警燈通斷。

■3.4 預警與報警裝置

（1）預警功能

預警提示:管轄范圍內有預警時自動觸發預警提示，提醒用戶對預警信息進行處理。

預警定位:顯示預警信息時，通過電子地圖等方式給出預警位置信息。

預警處理:支持對預警信息的確認、 處理以及對現場監控、設備預警進行解除。

預警查詢:查詢歷史預警信息及其處理結果。

統計分析: 具備對預警信息及其處理結果、 現場監測設備狀態等重要數據的統計分析功能、并能通過圖表對統計分析結果進行展示。

（2）報警功能

報警提示:管轄范圍內有報警時自動觸發報警提示，提醒用戶對報警信息進行處理。

報警定位:顯示報警信息時，通過電子地圖等方式給出報警位置信息。

報警處理:支持對報警信息的確認、 處理以及對現場監控、設備報警進行解除。

報警查詢:查詢歷史報警信息及其處理結果。

統計分析: 具備對預警信息及其處理結果、 現場監測設備狀態等重要數據的統計分析功能、并能通過圖表對統計分析結果進行展示,系統整體功能如圖4所示。

圖4 系統功能圖

■3.5 監控中心

監控中心以路局為單位設置，按路局、工務段、兩端車站對管轄范圍內現場設備發送的預（報）警信息、設備狀態信息等進行采集、處理、匯總、統計分析，包括應用服務器、數據服務器、流媒體服務器、接口服務器、存儲設備、網絡安全設備、監測終端、維護管理終端等，實現現場設備參數設定、狀態監測、報警信息處理等功能。監測終端為路局安全監測預警終端、工務段調度安全監測預警終端、上行車站關門防護預警終端、下行車站關門防護預警終端。

4 結論

鐵路沿線落石監測及預警系統的實施將有效避免鐵路沿線落石所帶來的安全隱患，為鐵路沿線安全管理辦法提出新的方案。同時該系統還實現了鐵路沿線區域不間斷全天候高可靠性的入侵報警，避免因為天氣情況等造成的誤報和漏報，減少現場巡邏人員數量，大大減輕了巡路人員工作強度，提高了鐵路沿線管理數字化、自動化、智能化水平，避免因各種入侵造成安全風險和損失，降低鐵路沿線安全監控、保安值守等長期綜合成本。