軌道作業(yè)車(chē)周邊異物侵線監(jiān)測(cè)技術(shù)

尹成斐 劉尚昆 張世紅 宋曉陽(yáng) 劉傳

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

軌道作業(yè)車(chē)在線路上維修作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工配合人員較多，且人員跨線流動(dòng)性強(qiáng)［1］?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)繁重時(shí)，人員容易倦怠疏忽，易出現(xiàn)施工人員侵入本線或鄰線鐵路限界的情況，極易造成人員安全事故。另外，一些既有線沿線周邊環(huán)境復(fù)雜，軌道作業(yè)車(chē)的作業(yè)機(jī)構(gòu)可能與沿線鐵路設(shè)備或其他侵線物體發(fā)生碰撞，存在極大安全隱患［2］。

軌道作業(yè)車(chē)施工安全管理過(guò)程中，主要在司機(jī)室人工監(jiān)控［3］。通過(guò)在軌道作業(yè)車(chē)前后安裝攝像頭，在軌道作業(yè)車(chē)司機(jī)室安裝顯示終端，顯示軌道作業(yè)車(chē)周邊環(huán)境視頻圖像，由司機(jī)對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行人工識(shí)別，從而做出相應(yīng)操作［4］。這種方式受司機(jī)主觀因素影響較大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

線路維修安全關(guān)系到鐵路線路的運(yùn)營(yíng)安全，迫切需要自動(dòng)化程度更高、安全性和穩(wěn)定性更好的施工安全系統(tǒng)，確保鐵路運(yùn)營(yíng)線路設(shè)備的安全［5］。因此，急需開(kāi)發(fā)相應(yīng)的智能化軌道作業(yè)車(chē)周邊異物侵線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高作業(yè)安全性。

針對(duì)鐵路沿線異物侵線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外主要使用超聲波技術(shù)、毫米波雷達(dá)技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)［6］。本文選用激光雷達(dá)傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，對(duì)三維點(diǎn)云的處理、異物識(shí)別與定位技術(shù)開(kāi)展研究；開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)鐵路沿線異物的識(shí)別和準(zhǔn)確定位，從而實(shí)現(xiàn)軌道作業(yè)車(chē)周邊異物在線監(jiān)測(cè)的功能。

1 總體技術(shù)方案

軌道作業(yè)車(chē)周邊異物侵線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括安裝在軌道作業(yè)車(chē)輛前后端的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、聲光報(bào)警器、測(cè)控箱、工控主機(jī)等。

圖1 軌道作業(yè)車(chē)周邊異物侵線檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

激光雷達(dá)在夜間可以正常工作，且能適應(yīng)霧天、雨天等惡劣天氣，軟硬件成本相對(duì)較低，適用于工務(wù)作業(yè)中的侵線異物識(shí)別。

該方案中，激光雷達(dá)用于獲取空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)百兆以太網(wǎng)口與工控機(jī)連接，將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た貦C(jī)。工控機(jī)運(yùn)行編寫(xiě)的軟件程序?qū)⑶志€異物識(shí)別并定位，毫米波雷達(dá)用于對(duì)激光雷達(dá)感知結(jié)果進(jìn)行二次確認(rèn)。

1.1 技術(shù)指標(biāo)

1）識(shí)別范圍5～20 m；

2）異物定位誤差不大于200 mm；

3）軌道作業(yè)車(chē)運(yùn)行速度不大于10 km/h。

1.2 異物識(shí)別與定位

異物識(shí)別及定位流程如圖2所示。

圖2 異物識(shí)別及定位流程

通過(guò)百兆以太網(wǎng)將激光雷達(dá)采集的球坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)，從雷達(dá)姿態(tài)傳感器中得到雷達(dá)的側(cè)滾角和俯仰角，在軟件中對(duì)雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換和修正，得到基于指定視角的直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)每幀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，處理時(shí)間長(zhǎng)。因此，采用點(diǎn)云濾波對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，減少噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)，并劃分得到感興趣區(qū)域。在感興趣區(qū)域中，分割出鐵路道床，然后采用歐氏聚類(lèi)法對(duì)分割出的點(diǎn)云進(jìn)行聚類(lèi)，得到異物點(diǎn)云簇。對(duì)點(diǎn)云簇?cái)?shù)據(jù)做窗口濾波得到異物的位置信息。

2 關(guān)鍵算法

2.1 點(diǎn)云濾波算法

濾波算法流程如圖3所示。在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，加之受到外界干擾如視線遮擋、傳感器抖動(dòng)等原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中往往存在著一些離散點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。因此，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理中，濾波作為預(yù)處理的第一步，對(duì)后續(xù)處理的步驟影響很大，必須針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)中噪聲類(lèi)型，進(jìn)行有效濾波，才能保證后續(xù)的聚類(lèi)和特征提取的正確性。

圖3 濾波算法流程

2.2 點(diǎn)云聚類(lèi)算法

聚類(lèi)的方法主要包括DBSCAN算法、K-means聚類(lèi)算法、歐氏聚類(lèi)算法、利用深度圖像進(jìn)行聚類(lèi)分析等［7］。DBSCAN算法是基于密度的數(shù)據(jù)聚類(lèi)算法，能夠快速對(duì)任意形狀點(diǎn)云進(jìn)行聚類(lèi)，但該法內(nèi)存資源消耗大，對(duì)處理器要求很高。K-means聚類(lèi)算法準(zhǔn)確率高，但需要手動(dòng)輸入聚類(lèi)數(shù)目k，難以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求［8］。歐氏聚類(lèi)算法對(duì)大多數(shù)據(jù)具有通用性，點(diǎn)云分割的效果與實(shí)時(shí)性良好［9］。綜上本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采取歐氏聚類(lèi)法進(jìn)行異物的識(shí)別，其算法流程如圖4所示。

圖4 歐氏聚類(lèi)算法流程

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在軌道作業(yè)車(chē)端部安裝激光雷達(dá)傳感器，在軌道作業(yè)車(chē)端部下方安裝毫米波雷達(dá)，對(duì)侵入鐵路限界的異物進(jìn)行掃描。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和界面顯示如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與界面顯示

激光雷達(dá)將實(shí)時(shí)掃描到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至工控機(jī)，經(jīng)過(guò)濾波、聚類(lèi)后，識(shí)別出侵入鐵路限界的異物并得到其位置信息，在工控機(jī)軟件界面上用方框圈出；同時(shí)毫米波雷達(dá)對(duì)掃描出的異物進(jìn)行二次確認(rèn)，在界面上用圓框圈出距離軌道作業(yè)車(chē)最近的異物。

在線路上進(jìn)行多次試驗(yàn)得到異物監(jiān)測(cè)定位誤差，見(jiàn)表1?？芍愇锉O(jiān)測(cè)定位精度滿(mǎn)足誤差不大于200 mm的要求。

表1 異物監(jiān)測(cè)定位精度

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軌道作業(yè)車(chē)施工作業(yè)時(shí)車(chē)輛周邊施工配合人員眾多，極易發(fā)生異物侵線從而造成安全事故的難題，本文提出了基于三維激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)融合的軌道作業(yè)車(chē)周邊異物侵線監(jiān)測(cè)技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果表明，該技術(shù)方案可有效識(shí)別并定位侵線異物，降低了現(xiàn)場(chǎng)異物侵線導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障了施工安全。