基于数据融合的铁路沿线落石监测及预警系统设计

马珺杰，杨艾琳

（1.陕西铁路物流集团有限公司，陕西西安，710076；2.四川国软科技发展有限责任公司，四川成都，610031）

0 引言

随着我国铁路行业的高速发展，列车运行速度不断提高，然而山区线路自然条件复杂，自然灾害发生较为频繁，诸如山体滑坡、隧道障碍、落石及异物侵限，都能给行车带来灾难性的后果。特别是，一旦发生这些自然灾害，很容易发生列车和障碍物相撞的事故，轻则导致机车损伤，铁路线路长时间中断，严重的还可能发生列车出轨、人员伤亡等重大事故，因此铁路沿线突发的落石、边坡坍塌等成为了影响铁路行车安全的重大隐患，依靠传统的人力排查显然不能满足铁路安全运行的需求。因此，能够准确的在落石发生后第一时间发现并拦停列车是防止发生事故的重要关键点。所以，研发并安装一套铁路沿线落石监测及预警系统迫在眉睫。

现阶段，一些机构根据落石监测需求开发了相应的异物侵限安全监控系统，并在某些线路到应用，但在应用过程中仍存在一系列问题。随着雷达监控和视频监控技术的普及与融合，越来越多的工程运行行业在引入这两种技术来实现对运行情况的多重监控与预警。这些运行监控自然产生了海量的视频和图像数据，进而对传统的后端存储和带来一系列的考验。对采用智能化技术建设的设施的要求也越来越高。能够准确的在落石发生后第一时间发现并拦停列车，防止发生事故才是关键所在，研发并安装一套线路落石监测及预警平台对于保障铁路运输安全具有极其积极的重要意义。

1 系统概述

■1.1 系统目标

对铁路线路进行落石的监控、识别与预警是行车安全的重要保障与关键需求，当列车运行线路发生泥石流、崩塌、落石等异物侵限和突发事件时可以及时地发现特情并进行应急处置，实现线路监测信息的分布式感知、应急管理和综合控制。

■1.2 系统原理

该系统将雷达图像和视频图像进行了传感融合，地面监测单元将采用激光雷达实时向监测区域内发射激光脉冲，当激光脉冲遭遇障碍物发生反射，激光雷达根据接收到的激光脉冲信号获取障碍物的目标信息。核心控制单元对地面监测单元上传的数据判断发生落石告警，联动高清网络摄像机转动到障碍物所在区域进行抓拍、录像，将视频图像信息上传至监控中心进行存储、展示，监控终端通过声光报警提示值班人员。同时，核心控制单元联动现场的报警装置发出语音及报警灯警示，提醒列车司机注意行车安全，系统运行可靠后实现联动控车的目的。

■1.3 数据融合

首先搭建分布式摄像头和分布式雷达分别覆盖沿线进行数据收集，然后对分布式传感器所采集的数据进行特征提取与识别，并将目标与环境进行数据关联，最后选择合适的融合算法将目标区域的全部传感器数据进行融合处理，从而得出关于线路目标状态的态势感知。这对传感器之间的时空融合与数据融合都提出了更高的要求，具体方法如图1所示。

图1 数据融合框架

（1）空间融合

将雷达坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、像素坐标系与三维世界坐标系进行融合与转换，是多传感器数据之间实现空间融合的关键步骤。雷达与视觉传感器空间融合就是将不同传感器坐标系的测量值转换到同一个坐标系中。由于前向视觉系统以视觉为主，只需将雷达坐标系下的测量点通过坐标系转换到摄像机对应的像素坐标系下即可实现多传感器的空间同步。

（2）时间融合

雷达信息和视频信息在除了在空间中需要融合与同步之外，还需要在相同的时间框架下进行同步与融合。根据雷达功能工作手册，其采样周期为50ms，即采样帧速率为20 帧/秒，而摄像机采样帧速率为25 帧/秒。为了保证数据的可靠性，以摄像机采样速率为基准，摄像机每采一帧图像，选取雷达上一帧缓存的数据，即完成共同采样一帧雷达与视觉融合的数据，从而保证了雷达数据和摄像机数据时间上的同步。

2 系统架构

铁路线路落石监测及预警平台系统主要通过激光雷达对轨面进行扫描，基于激光扫描技术，自动对监测范围内的轨面上方一定高度进行实时扫描，采集障碍物特征数据，整个系统由工控机进行逻辑判断，输出信号到PLC，由PLC控制相应喇叭、摄像头、灯光、电台等设备进行相应方式的告警。系统由数据采集装置、数据处理装置、数据传输装置、报警装置等组成，整体系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

3 系统设备

对障碍物侵入监测范围进行智能识别、分析、判断并产生预警或报警信息的设备，包括雷达识别装置、视频分析装置、数据处理装置、数据传输装置、报警装置，如图3所示。

图3 系统图例框图

■3.1 雷达识别装置

对障碍物侵入监测范围进行智能识别的设备，包括二维激光扫描器、雷达智能识别机和电源等，实现基于激光扫描技术对监测报警范围进行平面扫描，并实时采集和识别障碍物特征数据。

■3.2 视频分析装置

对障碍物侵入监测范围进行智能分析的设备，包括夜视球机摄像机、视频智能分析机、电源等，能在白天、夜晚、雨天采集到清晰的彩色的图像，实现基于图像智能识别技术对监测预警范围进行摄像，并实时采集和识别障碍物的图像数据和运动数据。

■3.3 数据处理装置

对雷达识别装置和视频分析装置传入的信息进行数据分析、逻辑判断，发出报警指令，包括上位机、NVR、PLC、电源等。上位机负责逻辑控制、信号转发、报警驱动等；NVR（网络视频录像机）负责网络球机的视频记录、存储、转发等；PLC(可编程逻辑控制器)负责无线列调语音播报和报警灯通断。

■3.4 预警与报警装置

（1）预警功能

预警提示:管辖范围内有预警时自动触发预警提示，提醒用户对预警信息进行处理。

预警定位:显示预警信息时，通过电子地图等方式给出预警位置信息。

预警处理:支持对预警信息的确认、 处理以及对现场监控、设备预警进行解除。

预警查询:查询历史预警信息及其处理结果。

统计分析: 具备对预警信息及其处理结果、 现场监测设备状态等重要数据的统计分析功能、并能通过图表对统计分析结果进行展示。

（2）报警功能

报警提示:管辖范围内有报警时自动触发报警提示，提醒用户对报警信息进行处理。

报警定位:显示报警信息时，通过电子地图等方式给出报警位置信息。

报警处理:支持对报警信息的确认、 处理以及对现场监控、设备报警进行解除。

报警查询:查询历史报警信息及其处理结果。

统计分析: 具备对预警信息及其处理结果、 现场监测设备状态等重要数据的统计分析功能、并能通过图表对统计分析结果进行展示,系统整体功能如图4所示。

图4 系统功能图

■3.5 监控中心

监控中心以路局为单位设置，按路局、工务段、两端车站对管辖范围内现场设备发送的预（报）警信息、设备状态信息等进行采集、处理、汇总、统计分析，包括应用服务器、数据服务器、流媒体服务器、接口服务器、存储设备、网络安全设备、监测终端、维护管理终端等，实现现场设备参数设定、状态监测、报警信息处理等功能。监测终端为路局安全监测预警终端、工务段调度安全监测预警终端、上行车站关门防护预警终端、下行车站关门防护预警终端。

4 结论

铁路沿线落石监测及预警系统的实施将有效避免铁路沿线落石所带来的安全隐患，为铁路沿线安全管理办法提出新的方案。同时该系统还实现了铁路沿线区域不间断全天候高可靠性的入侵报警，避免因为天气情况等造成的误报和漏报，减少现场巡逻人员数量，大大减轻了巡路人员工作强度，提高了铁路沿线管理数字化、自动化、智能化水平，避免因各种入侵造成安全风险和损失，降低铁路沿线安全监控、保安值守等长期综合成本。