CN110466562B - 一种基于红外激光和微波的平交道口存在检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置与方法，在铁路平交道口待检测空间同时布置微波雷达和红外激光雷达，采用互补的方式对平交道口的列车、道路车辆、行人等目标进行全天候、高精度、高可靠性的全方位检测，防止铁路列车与道路车辆及行人发生冲撞。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置与方法，属于铁路道路交通安全技术。
背景技术
无人看守的平交道口是铁路运输系统中的安全薄弱环节，每年铁路的平交道口都会发生大量的路外伤亡事故。导致平交道口事故的主要原因有两个：一个主要原因是行人的安全意识淡薄，他们不注意铁路车辆的接近或通过，强行徒步穿越平交道口，和列车抢道，而列车在接近平交道口时的车速非常快，不能够及时避让抢道的行人；另一个主要原因是环境，由于地形限制容易造成铁路曲线距离平交道口太近，使得列车司机瞭望受阻不提前掌握平交道口情况，进而不能及时调整列车速度，再加上雾霾等恶劣天气的影响，更容易造成事故的发生。
目前，国内外主要采用智能道口控制系统来预防平交道口事故，其通过电子和机械手段对道口闸杆/栅栏和相交公路信号灯进行自动控制，结合声光预警系统以减少平交道口事故的发生。如图1所示，这种智能道口控制系统主要包括三个模块，分别为道口目标探测器、道口智能控制设备和栏杆控制/声光报警设备，通过道口目标探测器探测道口列车/车辆/行人存在信息，并将存在信息通过网络发送给道口智能控制设备，道口智能控制设备根据存在信息产生控制指令，并将控制指令通过网络发送给栏杆控制/声光报警设备，栏杆控制/声光报警设备根据控制指令动作实施改善方案。
目前道口目标探测器仅使用电磁线圈来感应列车和汽车在铁轨上的行驶情况，其工作模式单一，不能够实现平交道口的综合防护，并且只能探测列车在该段铁路上的运行情况，若该段区域内有人存在的话无法是无法探测到的，造成了探测盲点；若是电磁线圈发生故障，由于缺少备用探测设备，更容易造成安全事故。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，以及智能道口信号、栏杆控制系统对前端检测系统的要求，本发明提供一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置与方法，在铁路平交道口待检测空间同时布置微波雷达和红外激光雷达，采用互补的方式对平交道口的列车、道路车辆、行人等目标进行全天候、高精度、高可靠性的全方位检测，防止铁路列车与道路车辆及行人发生冲撞。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，包括两组以上道口目标探测器，每组道口目标探测器均包括一个微波雷达和一个红外激光雷达，对应每个微波雷达配置一个角锥；所述角锥的入射波区域覆盖铁路平交道口待检测空间，所述微波雷达用于识别角锥的反射波，所述红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行红外成像；其中两组道口目标探测器设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角区域。角锥作为微波雷达的探测参考物，因此角锥设置在铁路平交道口待检测空间中匹配对应微波雷达的对角位置。
本发明在铁路平交道口待检测空间同时布置微波雷达和红外激光雷达，采用互补的方式对平交道口的列车、道路车辆、行人等目标进行全天候、高精度、高可靠性的全方位检测，防止道路车辆或行人等影响列车通过；同时还能够检测到列车是否通行完毕。
具体的，所述红外激光雷达采用固态设计和面阵投影方式对铁路平交道口待检测空间进行三维立体成像，包括异物高度，不论是列车、道路车辆、走动的行人或蹲坐/跌倒的行人，能够清晰检测到，能够覆盖低小慢异物的检测，且检测精度高。相对来说，微波雷达对运动的异物能够有很高的检测精度，且环境适应度较高，在低反射截面的异物检测上可以与红外激光雷达形成良好的互补。
具体的，在铁路平交道口待检测空间无异物时，微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；在铁路平交道口待检测空间有异物时，微波雷达能够识别到对应角锥的抖动/闪烁的反射波。
优选的，还包括信号处理单元和主控单元；
所述信号处理单元对微波雷达识别到的角锥的反射波进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据角锥反射波的能量值是否抖动/闪烁判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；
所述信号处理单元对红外激光雷达的红外成像数据进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据红外成像与背景图像的差别判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；所述背景图像为在铁路平交道口待检测空间无异物时，红外激光雷达的红外成像。
具体的，所述防护指令包括声光报警指令、智能交通信号灯警示指令、铁路平交道口待检测空间两侧栏杆的动作提示指令、列车减速指令中的一种或两种以上。
具体的，在没有列车通行情况，且铁路平交道口待检测空间无异物情况时，安装角锥并使用红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行检测：调节角锥的位置至微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；基于红外激光雷达的检测结果，主控单元通过学习获取背景图像。
具体的，在列车通行时，主控单元通过对微波雷达和红外激光雷达的检测结果进行学习，获取到列车驶入和驶出铁路平交道口待检测空间信号。
具体的，所述红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行红外成像的结果为点云数据，基于距离-多普勒成像技术将点云数据转换成图像数据。
一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测方法，包括如下步骤：
学习阶段：
（1）对铁路平交道口待检测空间配置上述基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，道口目标探测器的探测区域均覆盖铁路平交道口待检测空间，其中两个角锥分别设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角位置；
（2）在没有列车通行，且铁路平交道口待检测空间无异物情况下，开启微波雷达和红外激光雷达进行检测：基于微波雷达的检测结果调整角锥的位置，使得微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；基于红外激光雷达的检测结果，主控单元通过学习获取背景图像；
（3）在列车通行时，主控单元通过对微波雷达和红外激光雷达的检测结果进行学习，获取到列车驶入和驶出铁路平交道口待检测空间信号；
检测阶段：
（4）在铁路平交道口未接收到列车通行预警信息时，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，铁路平交道口待检测空间两侧栏杆完全打开；
（5）在铁路平交道口接收到列车通行预警信息时，智能交通信号灯转换为红灯，开始关闭一侧栏杆，延时设定时间后开始关闭另一侧栏杆，在开始关闭另一侧栏杆的同时或之前启动微波雷达和红外激光雷达；
（6）在另一侧栏杆完全关闭前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
（7）在另一侧栏杆完全关闭后、列车到达前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；
（8）在列车通行期间，通过道口目标探测器对列车通行速度进行监测；
（9）在列车通行结束后，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，栏杆打开。
有益效果：本发明提供的基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置与方法，相对于现有技术，具有如下优势：
1、同时采用红外激光雷达和微波雷达进行检测：微波雷达的环境适应性好，但对低小慢目标的检测精度低，无法精准检测到人；虽然激光雷达的环境适应性差一些，在恶劣环境会影响检测精度，但是对低小慢目标检测存在优势；两者形成互补，能够提高系统的鲁棒性；采用微波雷达和红外激光雷达双重检测能够适应各种复杂环境，智能化、全天候的道口监控及报警设备能够弥补人为疏忽、提升道口安全、保障道口正常通行；
2、两组道口目标探测器分别设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角位置，当有异物遮挡时可以同时补盲，形成互补；当其中一个道口目标探测器出现故障时，另个可以作为备份之选；
3、微波雷达是接收角锥的反射波变化来判定当前区域的目标存在情况，整个装置均采用非接触式安装，无需破坏铁路平交道口现有设备。
附图说明
图1为智能道口控制系统的结构框图；
图2为本发明装置的系统结构框图；
图3为本发明装置的安装示意图；
图4为本发明方法的实施流程示意图；
图中包括：1-道口目标探测器；2-角锥；3-铁路平交道口待检测空间；4-栏杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1~3所示为一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，包括两组道口目标探测器、信号处理单元和主控单元，所有设备均通过电源供电。
每组道口目标探测器均包括一个微波雷达和一个红外激光雷达，对应每个微波雷达配置一个角锥；所述角锥的入射波区域覆盖铁路平交道口待检测空间，所述微波雷达用于识别角锥的反射波，所述红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行红外成像；两组道口目标探测器设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角区域，对应的两个角锥设置也设置在相同的斜对角区域。
所述角锥主要是用于微波雷达来探测异物状态的变化情况，当检测区域存在异物时，微波雷达接收到的角锥的反射波的能量值将会抖动闪烁，以此来判定检测区域进入目标。所述红外激光雷达采用固态设计和面阵投影方式对铁路平交道口待检测空间进行三维立体成像，红外激光雷达采用距离-多普勒成像技术可以得到运动目标的高分辨率的清晰图像，实时探测地面异物的点云数据，主要用于探测地面的低小慢目标。
所述信号处理单元对微波雷达识别到的角锥的反射波进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据角锥反射波的能量值是否抖动/闪烁判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；
所述信号处理单元对红外激光雷达的红外成像数据进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据红外成像与背景图像的差别判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；所述背景图像为在铁路平交道口待检测空间无异物时，红外激光雷达的红外成像。
所述防护指令包括声光报警指令、智能交通信号灯警示指令、铁路平交道口待检测空间两侧栏杆的动作提示指令、列车减速指令中的一种或两种以上。
基于上述检测装置的检测方法，分为学习阶段和检测阶段两部分。
学习阶段：道口目标探测器对检测区域内没有任何异物的情况进行环境背景学习，便于激光雷达和红外微波雷达计算无异物时的检测区域的三维空间情况，同时确保微波雷达用于自检是否被遮蔽、中间是否有异物，便于能稳定识别到对应的角锥。
（1）对铁路平交道口待检测空间配置上述基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，道口目标探测器的探测区域均覆盖铁路平交道口待检测空间，其中两个角锥分别设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角位置；
（2）在没有列车通行，且铁路平交道口待检测空间无异物情况下，开启微波雷达和红外激光雷达进行检测：基于微波雷达的检测结果调整角锥的位置，使得微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；基于红外激光雷达的检测结果，主控单元通过学习获取背景图像；
（3）在列车通行时，主控单元通过对微波雷达和红外激光雷达的检测结果进行学习，获取到列车驶入和驶出铁路平交道口待检测空间信号；
检测阶段：道口目标探测器对检测区域进行成像/扫描，根据回波信号分析当前检测区域的异物存在情况。
（4）在铁路平交道口未接收到列车通行预警信息时，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，铁路平交道口待检测空间两侧栏杆完全打开；
（5）在铁路平交道口接收到列车通行预警信息时，智能交通信号灯转换为红灯，开始关闭一侧栏杆，以阻止新的道路车辆和行人进入，关闭期间，栏杆关闭速度原则上不减速；延时设定时间后开始关闭另一侧栏杆，在开始关闭另一侧栏杆的同时或之前启动微波雷达和红外激光雷达；
（6）在另一侧栏杆完全关闭前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物，正常关闭另一侧栏杆；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则通过主控单元生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则通过主控单元生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
（7）在另一侧栏杆完全关闭后、列车到达前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则通过主控单元生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；主控单元可以根据列车的运行速度计算出碰撞时间，通知列车及时减速；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则通过主控单元生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；主控单元可以根据列车的运行速度计算出碰撞时间，通知列车及时减速；
（8）在列车通行期间，通过道口目标探测器对列车通行速度进行监测；
（9）在列车通行结束后，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，栏杆打开。
现有技术方向主要在于检测到列车是否顺利通过，而发生的事故因素中大多的情况是行人的不规范通过导致的安全隐患，而本案更多的是考虑到如何全方位探测到在列车即将通过、栏杆即将完全关闭期间，防护区域内是否有行人。红外激光雷达可以点云成像，不受天气影响，精准探测到路面跌倒的行人以及其他低小慢目标。微波雷达可快速探测到列车的通过和防护区域内汽车的存在情况。本案采用非接触式安装，在道口增设本案装置后，即使机动车辆不断增多，也能够有效防止意外发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，其特征在于：包括两组以上道口目标探测器，每组道口目标探测器均包括一个微波雷达和一个红外激光雷达，对应每个微波雷达配置一个角锥；所述角锥的入射波区域覆盖铁路平交道口待检测空间，所述微波雷达用于识别角锥的反射波，所述红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行红外成像；其中两组道口目标探测器设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角区域；
在铁路平交道口待检测空间无异物时，微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；在铁路平交道口待检测空间有异物时，微波雷达能够识别到对应角锥的抖动/闪烁的反射波；
还包括信号处理单元和主控单元；
所述信号处理单元对微波雷达识别到的角锥的反射波进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据角锥反射波的能量值是否抖动/闪烁判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；
所述信号处理单元对红外激光雷达的红外成像数据进行预处理，并将预处理后的信息发送给主控单元，主控单元根据红外成像与背景图像的差别判断铁路平交道口待检测空间内是否有异物存在，若存在异物则生成防护指令；所述背景图像为在铁路平交道口待检测空间无异物时，红外激光雷达的红外成像；
所述防护指令包括声光报警指令、智能交通信号灯警示指令、铁路平交道口待检测空间两侧栏杆的动作提示指令、列车减速指令中的一种或两种以上。
2.根据权利要求1所述的基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，其特征在于：所述红外激光雷达采用固态设计和面阵投影方式对铁路平交道口待检测空间进行三维立体成像。
3.根据权利要求1所述的基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，其特征在于：
在没有列车通行情况，且铁路平交道口待检测空间无异物情况时，安装角锥并使用红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行检测：调节角锥的位置至微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；基于红外激光雷达的检测结果，主控单元通过学习获取背景图像；
在列车通行时，主控单元通过对微波雷达和红外激光雷达的检测结果进行学习，获取到列车驶入和驶出铁路平交道口待检测空间信号。
4.根据权利要求1所述的基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，其特征在于：所述红外激光雷达对铁路平交道口待检测空间进行红外成像的结果为点云数据，基于距离-多普勒成像技术将点云数据转换成图像数据。
5.一种基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
学习阶段：
(1)对铁路平交道口待检测空间配置权利要求1所述的基于红外激光和微波的铁路平交道口存在检测装置，道口目标探测器的探测区域均覆盖铁路平交道口待检测空间，其中两个角锥分别设置在铁路平交道口待检测空间的一对斜对角位置；
(2)在没有列车通行，且铁路平交道口待检测空间无异物情况下，开启微波雷达和红外激光雷达进行检测：基于微波雷达的检测结果调整角锥的位置，使得微波雷达能够识别到对应角锥的稳定的反射波；基于红外激光雷达的检测结果，主控单元通过学习获取背景图像；
(3)在列车通行时，主控单元通过对微波雷达和红外激光雷达的检测结果进行学习，获取到列车驶入和驶出铁路平交道口待检测空间信号；
检测阶段：
(4)在铁路平交道口未接收到列车通行预警信息时，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，铁路平交道口待检测空间两侧栏杆完全打开；
(5)在铁路平交道口接收到列车通行预警信息时，智能交通信号灯转换为红灯，开始关闭一侧栏杆，延时设定时间后开始关闭另一侧栏杆，在开始关闭另一侧栏杆的同时或之前启动微波雷达和红外激光雷达；
(6)在另一侧栏杆完全关闭前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，启动声光报警装置报警，减缓另一侧栏杆关闭速度；
(7)在另一侧栏杆完全关闭后、列车到达前：
①若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值维持稳定，且红外激光雷达的红外成像与背景图像维持无差别，则判断铁路平交道口待检测空间无异物；
②若微波雷达检测到的角锥反射波的能量值发生抖动/闪烁，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；
③若红外激光雷达的红外成像与背景图像存在差别，则判断铁路平交道口待检测空间有异物，则生成防护指令，向人工台发送报警指令和列车减速指令，提醒工作人员进行现场检查和手动操作；
(8)在列车通行期间，通过道口目标探测器对列车通行速度进行监测；
(9)在列车通行结束后，微波雷达复位，红外激光雷达复位，声光报警装置复位，智能交通信号灯常规工作，栏杆打开。
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