城市軌道交通線路異物檢測與識別技術(shù)需求分析＊

宋以華，曾 光

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510650）

我國城市軌道交通運營線路長度不斷增長，線路覆蓋面及敷設(shè)形式也呈現(xiàn)多樣化，這種變化給城市軌道交通運營安全帶來新的挑戰(zhàn)。近年來，線路異物導(dǎo)致城市軌道交通線路重大安全事件多發(fā)，給線路運營安全帶來巨大隱患。

1 異物檢測與識別技術(shù)的必要性分析

線路異物指的是，城市軌道交通運營線路范圍內(nèi)，由于設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生位移、脫落，或者自然、人為等因素導(dǎo)致其他物體侵入設(shè)備限界（可能）影響運營的物體、人或動物[1]。線路異物導(dǎo)致的安全事件：2017 年12 月，深圳地鐵11 號線連續(xù)發(fā)生兩次列車撞擊異物事件，一是列車撞斷違規(guī)打樁施工侵限的樁頭造成線路運營中斷，二是列車碾壓到不明物體，證實為1 人被碾壓死亡；2019 年1 月，重慶地鐵環(huán)線區(qū)間人防門侵入車輛限界，列車撞擊后造成1死、3 傷的事件。

列車司機作為駕駛?cè)藛T負責列車安全行駛，由于列車運行速度快、司機反應(yīng)時間及個體技術(shù)差異等因素影響，異物侵限導(dǎo)致的安全事件時有發(fā)生。特別是無人駕駛地鐵線路的興起，線路異物智能檢測與識別技術(shù)顯得尤為重要，這也逐步得到行業(yè)人士的關(guān)注。隨著圖像識別、機器視覺等人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得快速檢測與識別列車前方異物并及時反饋的技術(shù)成為可能。

2 城市軌道交通線路異物來源與分類

線路異物的分類與接觸網(wǎng)類型、線路敷設(shè)形式及場所（車輛段、正線）等密切相關(guān)。線路異物對行車的影響也需要根據(jù)異物的大小、材質(zhì)、狀態(tài)、位置、時間段等屬性而定。根據(jù)異物對列車運行影響的通常可分為3 類：

（1）不影響行車的小型異物。該類型異物通常不會對列車運行帶來直接影響，運營期間可不做處理。一是在高架及地面線路出現(xiàn)的漂浮掉落物，如小型塑料袋、紙張等；二是地下線路常出現(xiàn)塑料瓶、紙張、鞋子等乘客掉落進入線路的異物；三是進入線路的雞、貓、鳥、老鼠等小型動物。

（2）可能影響行車的異物。該類型異物對列車運行暫時不會造成直接的影響，但此類異物經(jīng)過移動或者狀態(tài)的改變后可能對行車安全造成影響。該類異物主要是線路上的氣球、雨傘、繩索、衣物等。

（3）影響行車的異物（包括人）。該類型異物（包括人）直接影響列車運行，可能導(dǎo)致線路運營中斷。該類型異物通常包括：侵入限界的內(nèi)部設(shè)備設(shè)施，外部進入線路的大型物體，接觸網(wǎng)（軌）附近可纏繞的異物，牛、大狗等大型動物，進入線路的人。

3 線路異物處理及檢測分析原則

3.1 線路異物應(yīng)急處理的原則

由于不同的異物對列車運行的影響程度不同，處理的思路是不同的。對于不影響行車的小型異物，運營期間不做任何處理，可在夜間施工期間處理；對于可能影響行車的異物，就需要留意觀察，根據(jù)異物的狀態(tài)變化進行處置，不影響行車不做任何處理，影響行車則立即處理；對于影響行車的異物，發(fā)現(xiàn)后異物后相關(guān)人員立即上報，根據(jù)現(xiàn)場情況盡快組織處理。若有人員出現(xiàn)在運營線路中，則需立即中斷行車。

3.2 限定檢測區(qū)域

采用人工智能技術(shù)檢測異物對列車運行的影響，其中獲取的信息源的區(qū)域極為關(guān)鍵，較大的檢測識別范圍無法準確識別異物且系統(tǒng)識別時間較長，偏小的檢測識別范圍無法保障列車運行區(qū)域的安全性。列車運行安全與限界密切相關(guān)，城市軌道交通限界分為建筑限界、設(shè)備限界、車輛限界，車輛限界是保障車輛運行安全保障不允許超越的輪廓尺寸線，約束列車運行和建筑、設(shè)備安裝的范圍[2]。異物檢測區(qū)域的選定，一方面要涵蓋列車安全運行的范圍，另一方面要減小識別的范圍，所以車輛限界是相對安全穩(wěn)定的方案。

3.3 異物檢測識別原則

根據(jù)線路異物的類型及處理原則，以及快速識別異物速度的要求，可以判定異物檢測與識別的原則：一是對于不影響列車運行的異物不做識別；二是對可能影響行車的異物，可以在不影響檢測效率前提下進行檢測識別，只有到達影響列車運行的狀態(tài)時才可做出應(yīng)急反饋；三是能夠及時準確檢測識別影響列車運行異物，特別是能夠快速檢測可能導(dǎo)致車損人亡的異物，比如：人、倒塌的建筑體、隧道重大裂縫、侵限設(shè)備等。

4 系統(tǒng)技術(shù)需求分析

4.1 檢測的時間與距離要求

線路異物被檢測識別為影響列車運行安全的類型，則列車需做出緊急停車的反饋且在異物前停車，這就對檢測時間、制動停車距離提出要求。根據(jù)圖1檢測識別異物緊急停車示意圖，列車1 為初始位置，列車2 為開始制動的位置，列車3 為停車位置。

圖1 檢測識別異物緊急停車示意圖

d1＝v1t1

D＝d1＋d2

D≤S

0≤v1≤vmax

式中t1為異物檢測識別的時間段，d1為列車在時間t1的運行距離，t2為緊急制動的時間，d2為列車緊急制動距離，D 為列車檢測異物到停車的距離，S為列車檢測異物視距。

系統(tǒng)檢測異物的時間為t1，列車運行速度為v1時，列車移動的距離為d1，列車緊急制定停車距離為d2，緊急制動后列車在異物前停車，那么檢測異物的距離S 大于d1與d2的和。為了提高列車運行過程中的安全性，必須縮短異物檢測的時間，且減小緊急制動停車的距離。該時間參數(shù)t1允許的最大值，需根據(jù)線路列車及線路的參數(shù)確定。t1的大小與圖像識別系統(tǒng)的軟硬件運行速度密切相關(guān)。d2為列車緊急制動距離相對固定，以某地鐵線路車輛緊急制動距離參數(shù)為例，見表1。

表1 電客車緊急制動距離

4.2 異物檢測的快速性、準確性

城市軌道交通線路內(nèi)設(shè)備設(shè)施布置復(fù)雜，包括鋼軌、道床、線纜、設(shè)備、標志標識等，使得圖像檢測識別范圍廣、內(nèi)容多，為了提高檢測的準確性，也可以從以下幾個方面開展：

（1）限定異物檢測區(qū)域。為了限定圖像識別的范圍，把識別的范圍限定為車輛限界區(qū)域，也就是圖像處理中的感興趣區(qū)域（ROI）。列車在運行過程需要一個基準物來標定，車輛限界與鋼軌密切相關(guān)，可以通過鋼軌的位置標定感興趣區(qū)域。文獻[3]，提出通過鋼軌識別算法自動定位鋼軌位置，進一步確定列車前方軌道是否有其他列車或公路車輛等大型異物。通過識別鋼軌位置后，進一步標定車輛限界區(qū)域，建立感興趣區(qū)域，縮小圖像識別的范圍利于提高異物識別的速度與準確度。

（2）簡化檢測內(nèi)容。根據(jù)影響列車運行的異物類型，可以確定城市軌道交通線路影響行車的異物主要由人、大型異物、大型動物等構(gòu)成，其中人進入線路造成的行車安全事件最為多見。為了提高異物檢測的效率，降低異物檢測系統(tǒng)的識別時間，需限定異物檢測的類型，比如：人、大型異物、大型動物、道床裂隙等。

（3）優(yōu)化算法，提高效率。在文獻[4，5]中，實驗結(jié)果顯示異物檢測時間均小于0.2s，按照列車速度120 km/h，0.2s 內(nèi)列車運行距離為6m，遠小于列車緊急制動距離。可判斷異物檢測識別的時間在列車停車過程中影響相對較小，那么準確的判斷異物類型，做出正確的判斷顯得更為關(guān)鍵。此外，文獻[6]中提出高配置的軟件、硬件提高檢測效率。

圖像識別系統(tǒng)對計算機硬件系統(tǒng)要求較高，建議提高計算機硬件配置的建議。

4.3 信息反饋與介入

裝載異物檢測系統(tǒng)的列車需要對檢測到的異物做出反饋，并由相關(guān)設(shè)備或人員做出必要的反應(yīng)來避免事故發(fā)生。對于有人駕駛的列車，可設(shè)計出報警系統(tǒng)，通過聲光提醒司機做出反應(yīng)；對于無人駕駛的列車，需要把應(yīng)急信息反饋給信號系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，信號系統(tǒng)根據(jù)異物的類型做出應(yīng)急反應(yīng)[7]，比如緊急制動；同時，該系統(tǒng)把圖像信息反饋給調(diào)度人員，給調(diào)度人員提供應(yīng)急處理的依據(jù)。

5 小結(jié)

近年來，地鐵列車運行中撞異物事件多發(fā)，隨著無人駕駛列車的運用，線路異物檢測系統(tǒng)逐步得到行業(yè)人員的重視。線路異物檢測系統(tǒng)能夠為列車運行提供穩(wěn)定的安全保障，本文從現(xiàn)場實際案例分析角度提出異物檢測系統(tǒng)的必要性，從實際案例中提煉得到檢測對象類型，以技術(shù)需求為出發(fā)點分析線路異物處理及檢測分析的原則，最后時間與距離、快速性與準確性、信息反饋與介入的要求分析異物檢測系統(tǒng)設(shè)計的思路和方向，為異物檢測與識別技術(shù)的技術(shù)需求、研發(fā)方向提供借鑒。