CN109910955A - 基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统及方法，系统根据图像采集模块和测距模块获取的数据，进行视频图像处理，完成障碍物的一次检测。并能通过应答器长距离传输一次检测结果，融合车载检测装置检测结果，完成障碍物的二次检测。根据二次检测结果最终判断障碍物对列车运行的影响程度，从而控制列车预警、减速运行或者停车，最终实现对列车运行环境监控和应急处理的目的。本发明具有硬件成本低、开发效率高、检测精度高的优点。

Description

基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统及方法

技术领域

本发明属于智能交通检测技术领域，特别是一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统。

背景技术

障碍物检测作为一种保障列车运行安全的算法，其在理论和实际上都取得了不错的成果，但在检测精度和检测对象的分析上仍面临下列问题：1)常用检测算法会区分静态障碍物和动态障碍物，检测过程繁琐，检测算法复杂多变，当检测对象为动态障碍物时，通常得到的是障碍物的运动轨迹，很难得到障碍物形态特征；2)当用车载检测装置检测障碍物时，可检测的范围和距离有限，受外界干扰大，当仅用固定在线路两旁的装置检测时，灵活性不高，通信容易中断；3)视频图像处理只能得到障碍物的二维信息，不能得到障碍物的高度信息，因此可能会误判障碍物对列车运行的影响；4)轨道交通常用应急处理方法为当司机看见前方障碍物时，才控制列车减速或停车，此方法可能会导致应急处理不及时，从而发生严重的行车事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，包括图像采集模块、测距模块、地面信息处理模块、车载信息处理模块、地面应答器、车载应答器和车载检测装置，其中：

图像采集模块，隧道内的一侧每隔一段距离设置一个图像采集模块，相邻采集模块监控范围交叉，用于获取列车运行区间的视频图像，并传输给地面信息处理模块；

测距模块，设置于隧道上方和下方的固定高度，用于检测障碍物的高度信息，并传输给地面信息处理模块；

地面信息处理模块安装于隧道内图像采集模块旁，对接收到的视频图像和障碍物高度信息采用帧差法进行图像处理，得到障碍物的大小、位置、对列车运行影响程度，并将处理结果传递给相应地面应答器；

地面应答器，安装于两条轨道中间，用于储存轨道区间信息和前方障碍物最新信息，当列车经过此应答器时，将信息传递给列车；

车载应答器，安装于列车车体底端，当车载应答器途径地面应答器时，读取地面应答器储存信息，并将此信息传递给车载信息处理模块；

车载检测装置是安装于列车前端的障碍物检测装置，包括车载图像采集模块、车载激光雷达和车载信息处理模块；通过融合接收到的车载应答器信息，得到最新的列车行驶前方的障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度。

一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法，具体步骤为：

步骤1、图像采集模块获取隧道视频图像，测距模块获取隧道内各方位障碍物距离信息，两者相融合，将信息传输给地面信息处理模块，进行视频图像处理；

步骤2、将地面信息处理模块中的视频图像处理结果实时传递给相应地面应答器，地面应答器对处理结果进行实时覆盖，仅保留前方最新障碍物信息；

步骤3、当列车行经此地面应答器时，车载应答器读取前方最新障碍物信息，并将此障碍物信息传递给车载信息处理模块；

步骤4、车载信息处理模块通过融合车载应答器传输信息和车载检测装置检测结果，实现障碍物的再次判断，并根据判断结果，实现预警与采取相应应急措施。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)使用图像采集模块与测距模块相结合，在约束条件里加入障碍物的高度信息，使得检测结果更加精确，更容易反应障碍物的体态特征；(2)使用应答器作为信息传输的工具，可以克服远距离传输的困难，使得可检测范围更广泛；(3)在轨道交通隧道内，使用车载检测装置和隧道内检测装置相结合的检测方法，可应对隧道环境视野窄，弯道导致视线受阻的情况；(4)相比于传统的司机辨识障碍物采取应急措施，本发明根据检测结果可以及时预警，可缩短应急时间，提高应急处理效率，从而保障列车运营安全。

附图说明

图1是本发明基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法的流程框架示意图。

图2是本发明中信息传输流程示意图；

其中：1为车体、2为地面应答器、3为车载应答器、4为车载检测装置、5为图像采集模块、6为测距模块、7为地面信息处理模块。

图3是本发明中测距模块安装示意图。

其中：8为车载图像采集模块、9为车载激光雷达、10为车载信息处理模块。

图4是本发明中障碍物检测原理俯视图。

具体实施方式

本发明基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，是一种造价低廉、易于适用、检测算法简便、检测精度高、检测范围广的障碍物检测系统，该系统能结合车载检测装置对轨道交通隧道的障碍物进行高精度检测。

包括图像采集模块5、测距模块6、地面信息处理模块7、车载信息处理模块10、地面应答器2、车载应答器3和车载检测装置4，能实现一个软硬件融合的障碍物检测系统，能完成一个基于应答器的信息传输系统，并能实现主动安全的列车应急处理系统。

一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法，具体步骤为：

步骤1、安装于隧道内侧的图像采集模块5实时获取隧道视频图像，测距模块6安装于隧道顶端和底端，呈现形式为一对，安装高度为保证列车运行的最大安全裕量，用于获取各方位的距离信息，获取的两个信息相融合，在地面信息处理模块7中进行视频图像处理，得到障碍物的大小、位置、对列车运行影响，完成障碍物的一次判断。

步骤2、将障碍物一次判断结果实时传递给相应地面应答器2，一个判断结果传递给多个应答器，一个应答器接收多个判断结果，应答器对接收到的来自同一个装置的判断结果进行实时更新覆盖，最终仅保留前方最新的障碍物信息。

步骤3、当列车行经此地面应答器2时，车载应答器3读取前方最新的障碍物信息，检测区间长度可根据图像采集模块5和测距模块6与地面应答器2的信息传递对应关系决定，并融合自身车载检测装置4检测信息，在车载信息处理模块10中进行障碍物检测，得到障碍物的大小、位置、对列车运行影响，完成障碍物的二次判断。

步骤4、列车根据障碍物二次判断结果，在列车司机控制室实时显示前方障碍物的位置、形状、面积、高度、对列车运行影响程度，并根据预先设置的程序实现预警与采取相应应急措施，例如减速运行或停车。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，包括图像采集模块、测距模块、信息处理模块、应答器、车载检测装置。

如图1所示，为本发明中流程框架示意图，所述流程包括图像采集模块、测距模块、地面信息处理模块共同作用的障碍物一次判断，应答器、车载检测装置、车载信息处理模块共同作用的障碍物二次判断，其中障碍物一次判断和二次判断均获得障碍物的大小、位置、对列车运行的影响，从而对列车进行应急处理，得到轨道交通隧道障碍物检测体系。

如图2所示，为本发明中信息传输流程示意图，所述障碍物检测系统包括车体1、地面应答器2、车载应答器3、车载检测装置4、图像采集模块5和8、测距模块6、地面信息处理模块7。

所述车体1为轨道交通列车，包括地铁、轻轨、高铁等，车体前端底部安装有车载检测装置，包括车载图像采集模块、车载激光雷达和车载信息处理模块，主要用于在列车行驶过程中对列车前方近距离区段进行障碍物检测，并融合地面应答器传输的前方远距离区段障碍物信息，实现障碍物的二次判断，得到障碍物的大小、位置、对列车运行的影响。

所述应答器2采用无源应答器，安装于轨道线路中间和列车底端，每个区间设置一个应答器，为列车运行固有装置，为列车提供固定的区间线路信息和临时限速、车载信号开闭信息，在此系统中还为列车提供前方障碍物最新信息，实现长距离的信息传输，通过融合车载检测装置的检测信息，可实现列车运行前方近距离和远距离的同时监控，共同保障列车运行安全。

所述图像采集模块5为红外线监控器，相邻图像采集模块监控范围可交叉，实现轨道交通隧道监控全覆盖，因隧道内光照强度基本不变，故对视频监控清晰度几乎无影响，能清晰监控隧道内情况，并将视频图像传递给地面信息处理单元，进行视频图像处理。

所述测距模块6为平面激光测距传感仪，能扫描平面内360°的障碍物距离，隧道上下各一个，为一对，各方位初始距离根据测距模块安装的位置不同而不同，当障碍物超过此平面高度安全阈值时，则此方位的激光会被障碍物阻挡，因此所测距离会比初始设置值小，由此判断此方位障碍物是否超过设置的高度阈值，并融入视频图像进行处理，初步描绘障碍物的大小、位置、对列车运行影响等信息。

如图3所示，为本发明中测距模块安装示意图，其中测距模块安装于隧道顶端和底端，高度为保证列车安全运行的安全裕量，当障碍物超过此高度时，代表可能对列车运行有影响，将此反馈结果融入视频检测中，从而完成障碍物一次判断。

地面信息处理模块7采用背景帧差法对接收到的视频图像和障碍物高度信息进行处理，具体如下：

隧道图像采集模块5将采集到的视频信息实时传递给地面信息处理模块7，初始视频图像为背景模型b(x,y)，当前每一帧图像为f(x,y,i,h)，其中(x,y)为图像位置坐标，i为图像帧数，h为测距模块测得的障碍物与安全阈值之间的关系，将每一帧图像的灰度值减去背景的灰度值得到一个差值图像：

id(x,y,i,h)＝f(x,y,i,h)-b(x,y,h)

通过设置一个图像阈值T和一个高度阈值H得到一个二值化差值图像：

其中高度h是根据激光测距传感器所测，具体对应关系为：

其中r为激光测距传感器测得各方位的实测距离，r’为激光传感器测得各方位的初始距离；取值为1和0的像素分别对应于前景即目标区域和背景，采用静态图像中阈值分割所使用的方法选择阈值T，根据影响列车运行的高度确定阈值H。

车载检测装置4采用帧差法得到障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度的方法为：

车载检测装置4中的车载图像采集模块8将采集到的列车前方近距离视频信息实时传递给车载信息处理模块10，车载激光雷达9将采集到的列车前方近距离障碍物高度信息实时传递给车载信息处理模块10；在车载信息处理模块10中完成视频图像处理，其中初始视频图像为背景模型b(x,y)，当前每一帧图像为f(x,y,i,h)，其中(x,y)为图像位置坐标，i为图像帧数，h为测距模块测得的障碍物与安全阈值之间的关系，将每一帧图像的灰度值减去背景的灰度值得到一个差值图像：

id(x,y,i,h)＝f(x,y,i,h)-b(x,y,h)

通过设置一个图像阈值T和一个高度阈值H得到一个二值化差值图像：

其中高度h是根据车载激光雷达所测，具体对应关系为：

其中r为激光雷达测得各方位的实测距离，r’为激光传感器测得各方位的初始距离；取值为1和0的像素分别对应于前景即目标区域和背景，采用静态图像中阈值分割所使用的方法选择阈值T，根据影响列车运行的高度确定阈值H。

如图4所示，为本发明中障碍物检测原理俯视图，其中A为隧道内的检测装置，包括图像采集模块、测距模块和地面信息处理模块，B为障碍物俯视图，C为应答器，r为检测装置到障碍物的最近距离，θ为检测装置到障碍物最近距离与列车前进方向水平线的夹角，d为检测装置到障碍物的最近距离到列车前进方向水平线的投影，R为检测装置到障碍物的最远距离，α为检测装置到障碍物最远距离与列车前进方向水平线的夹角，D为检测装置到障碍物的最远距离到列车前进方向水平线的投影，S为最远水平线投影到列车前端的距离，m为检测装置到应答器的距离，n为应答器到列车前端的距离，它们之间存在如下关系：

d＝|rcosθ|

D＝|Rcosα|

S＝m-n+Rcosα

若无障碍物，则测距模块在θ方位上的激光距离应该为初始距离r’，出现高度大于安全阈值的障碍物时，测得激光距离为r，此时r<r’。假设列车行驶速度为v_t，则已知列车初始运行速度和到达障碍物的距离，可采用目标-距离模式曲线进行速度控制，使列车到达障碍物使能处于安全状态，待清除障碍物后再继续运行。

综上所述，本发明基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统及方法，系统能根据图像采集模块和测距模块获取的数据，进行视频图像处理，完成障碍物的一次检测。并能通过应答器长距离传输一次检测结果，融合车载检测装置检测结果，完成障碍物的二次检测。根据二次检测结果最终判断障碍物对列车运行的影响程度，从而控制列车预警、减速运行或者停车，最终实现对列车运行环境监控和应急处理的目的。

Claims (10)

1.一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于，包括图像采集模块(5)、测距模块(6)、地面信息处理模块(7)、车载信息处理模块(10)、地面应答器(2)、车载应答器(3)和车载检测装置(4)，其中：

图像采集模块(5)，隧道内的一侧每隔一段距离设置一个图像采集模块(5)，相邻采集模块监控范围交叉，用于获取列车运行区间的视频图像，并传输给地面信息处理模块(7)；

测距模块(6)，设置于隧道上方和下方的固定高度，用于检测障碍物的高度信息，并传输给地面信息处理模块(7)；

地面信息处理模块(7)安装于隧道内图像采集模块(5)旁，对接收到的视频图像和障碍物高度信息采用帧差法进行图像处理，得到障碍物的大小、位置、对列车运行影响程度，并将处理结果传递给相应地面应答器(2)；

地面应答器(2)，安装于两条轨道中间，用于储存轨道区间信息和前方障碍物最新信息，当列车经过此应答器时，将信息传递给列车；

车载应答器(3)，安装于列车车体底端，当车载应答器(3)途径地面应答器(2)时，读取地面应答器(2)储存信息，并将此信息传递给车载信息处理模块(10)；

车载检测装置(4)是安装于列车前端的障碍物检测装置，包括车载图像采集模块(8)、车载激光雷达(9)和车载信息处理模块(10)；通过融合接收到的车载应答器(3)信息，得到最新的列车行驶前方的障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度。

2.根据权利要求1所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于：所述图像采集模块(5)、车载图像采集模块(8)采用红外摄像机，用于监控隧道内情况，并将视频信息实时传递给地面信息处理模块(7)，进行视频图像处理。

3.根据权利要求1所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于：所述测距模块(6)为平面激光测距传感器。

4.根据权利要求1所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于：所述车载检测装置(4)安装于车体前端底部，用于检测近距离的障碍物，并与车载应答器(3)传输的障碍物信息相融合，采用帧差法得到障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度。

5.根据权利要求1所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于：所述地面应答器(2)分为无源应答器和有源应答器，用于传递给列车固定的区间线路信息和临时限速、车载信号开闭信息，以及地面信息处理模块(7)传输的障碍物大小、位置和对列车运行影响程度；车载应答器(3)用于读取地面应答器(2)信息，实现车地通信。

6.根据权利要求1所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于：所述地面信息处理模块(7)采用背景帧差法对接收到的视频图像和障碍物高度信息进行处理，具体如下：

隧道图像采集模块(5)将采集到的视频信息实时传递给地面信息处理模块(7)，初始视频图像为背景模型b(x,y)，当前每一帧图像为f(x,y,i,h)，其中(x,y)为图像位置坐标，i为图像帧数，h为测距模块测得的障碍物与安全阈值之间的关系，将每一帧图像的灰度值减去背景的灰度值得到一个差值图像：

id(x,y,i,h)＝f(x,y,i,h)-b(x,y,h)

通过设置一个图像阈值T和一个高度阈值H得到一个二值化差值图像：

其中高度h是根据激光测距传感器所测，具体对应关系为：

其中r为激光测距传感器测得各方位的实测距离，r’为激光传感器测得各方位的初始距离；取值为1和0的像素分别对应于前景即目标区域和背景，采用静态图像中阈值分割所使用的方法选择阈值T，根据影响列车运行的高度确定阈值H。

7.根据权利要求4所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测系统，其特征在于，所述车载检测装置(4)采用帧差法得到障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度的方法为：

车载检测装置(4)中的车载图像采集模块(8)将采集到的列车前方近距离视频信息实时传递给车载信息处理模块(10)，车载激光雷达(9)将采集到的列车前方近距离障碍物高度信息实时传递给车载信息处理模块(10)；在车载信息处理模块(10)中完成视频图像处理，其中初始视频图像为背景模型b(x,y)，当前每一帧图像为f(x,y,i,h)，其中(x,y)为图像位置坐标，i为图像帧数，h为测距模块测得的障碍物与安全阈值之间的关系，将每一帧图像的灰度值减去背景的灰度值得到一个差值图像：

id(x,y,i,h)＝f(x,y,i,h)-b(x,y,h)

通过设置一个图像阈值T和一个高度阈值H得到一个二值化差值图像：

其中高度h是根据车载激光雷达所测，具体对应关系为：

其中r为激光雷达测得各方位的实测距离，r’为激光传感器测得各方位的初始距离；取值为1和0的像素分别对应于前景即目标区域和背景，采用静态图像中阈值分割所使用的方法选择阈值T，根据影响列车运行的高度确定阈值H。

8.一种基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、图像采集模块获取隧道视频图像，测距模块获取隧道内各方位障碍物距离信息，两者相融合，将信息传输给地面信息处理模块，进行视频图像处理；

步骤2、将地面信息处理模块中的视频图像处理结果实时传递给相应地面应答器，地面应答器对处理结果进行实时覆盖，仅保留前方最新障碍物信息；

步骤3、当列车行经此地面应答器时，车载应答器读取前方最新障碍物信息，并将此障碍物信息传递给车载信息处理模块；

步骤4、车载信息处理模块通过融合车载应答器传输信息和车载检测装置检测结果，实现障碍物的再次判断，并根据判断结果，实现预警与采取相应应急措施。

9.根据权利要求7所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法，其特征在于，步骤1所述进行视频图像处理的方法为：

隧道图像采集模块将采集到的视频信息实时传递给地面信息处理模块，初始视频图像为背景模型b(x,y)，当前每一帧图像为f(x,y,i,h)，其中(x,y)为图像位置坐标，i为图像帧数，h为测距模块测得的障碍物与安全阈值之间的关系，将每一帧图像的灰度值减去背景的灰度值得到一个差值图像：

id(x,y,i,h)＝f(x,y,i,h)-b(x,y,h)

通过设置一个图像阈值T和一个高度阈值H得到一个二值化差值图像：

其中高度h是根据激光测距传感器所测，具体对应关系为：

其中r为激光测距传感器测得各方位的实测距离，r’为激光传感器测得各方位的初始距离；

取值为1和0的像素分别对应于前景即目标区域和背景，采用静态图像中阈值分割所使用的方法选择阈值T，根据影响列车运行的高度确定阈值H。

10.根据权利要求7所述的基于应答器信息传输的轨道交通隧道障碍物检测方法，其特征在于，步骤4所述车载检测装置检测近距离的障碍物，并与车载应答器传输的障碍物信息相融合，采用帧差法得到障碍物的大小、位置和对列车运行影响程度。