城市轨道交通线路异物检测与识别技术需求分析＊

宋以华，曾 光

（广东交通职业技术学院，广东 广州 510650）

我国城市轨道交通运营线路长度不断增长，线路覆盖面及敷设形式也呈现多样化，这种变化给城市轨道交通运营安全带来新的挑战。近年来，线路异物导致城市轨道交通线路重大安全事件多发，给线路运营安全带来巨大隐患。

1 异物检测与识别技术的必要性分析

线路异物指的是，城市轨道交通运营线路范围内，由于设备设施产生位移、脱落，或者自然、人为等因素导致其他物体侵入设备限界（可能）影响运营的物体、人或动物[1]。线路异物导致的安全事件：2017 年12 月，深圳地铁11 号线连续发生两次列车撞击异物事件，一是列车撞断违规打桩施工侵限的桩头造成线路运营中断，二是列车碾压到不明物体，证实为1 人被碾压死亡；2019 年1 月，重庆地铁环线区间人防门侵入车辆限界，列车撞击后造成1死、3 伤的事件。

列车司机作为驾驶人员负责列车安全行驶，由于列车运行速度快、司机反应时间及个体技术差异等因素影响，异物侵限导致的安全事件时有发生。特别是无人驾驶地铁线路的兴起，线路异物智能检测与识别技术显得尤为重要，这也逐步得到行业人士的关注。随着图像识别、机器视觉等人工智能技术的发展，使得快速检测与识别列车前方异物并及时反馈的技术成为可能。

2 城市轨道交通线路异物来源与分类

线路异物的分类与接触网类型、线路敷设形式及场所（车辆段、正线）等密切相关。线路异物对行车的影响也需要根据异物的大小、材质、状态、位置、时间段等属性而定。根据异物对列车运行影响的通常可分为3 类：

（1）不影响行车的小型异物。该类型异物通常不会对列车运行带来直接影响，运营期间可不做处理。一是在高架及地面线路出现的漂浮掉落物，如小型塑料袋、纸张等；二是地下线路常出现塑料瓶、纸张、鞋子等乘客掉落进入线路的异物；三是进入线路的鸡、猫、鸟、老鼠等小型动物。

（2）可能影响行车的异物。该类型异物对列车运行暂时不会造成直接的影响，但此类异物经过移动或者状态的改变后可能对行车安全造成影响。该类异物主要是线路上的气球、雨伞、绳索、衣物等。

（3）影响行车的异物（包括人）。该类型异物（包括人）直接影响列车运行，可能导致线路运营中断。该类型异物通常包括：侵入限界的内部设备设施，外部进入线路的大型物体，接触网（轨）附近可缠绕的异物，牛、大狗等大型动物，进入线路的人。

3 线路异物处理及检测分析原则

3.1 线路异物应急处理的原则

由于不同的异物对列车运行的影响程度不同，处理的思路是不同的。对于不影响行车的小型异物，运营期间不做任何处理，可在夜间施工期间处理；对于可能影响行车的异物，就需要留意观察，根据异物的状态变化进行处置，不影响行车不做任何处理，影响行车则立即处理；对于影响行车的异物，发现后异物后相关人员立即上报，根据现场情况尽快组织处理。若有人员出现在运营线路中，则需立即中断行车。

3.2 限定检测区域

采用人工智能技术检测异物对列车运行的影响，其中获取的信息源的区域极为关键，较大的检测识别范围无法准确识别异物且系统识别时间较长，偏小的检测识别范围无法保障列车运行区域的安全性。列车运行安全与限界密切相关，城市轨道交通限界分为建筑限界、设备限界、车辆限界，车辆限界是保障车辆运行安全保障不允许超越的轮廓尺寸线，约束列车运行和建筑、设备安装的范围[2]。异物检测区域的选定，一方面要涵盖列车安全运行的范围，另一方面要减小识别的范围，所以车辆限界是相对安全稳定的方案。

3.3 异物检测识别原则

根据线路异物的类型及处理原则，以及快速识别异物速度的要求，可以判定异物检测与识别的原则：一是对于不影响列车运行的异物不做识别；二是对可能影响行车的异物，可以在不影响检测效率前提下进行检测识别，只有到达影响列车运行的状态时才可做出应急反馈；三是能够及时准确检测识别影响列车运行异物，特别是能够快速检测可能导致车损人亡的异物，比如：人、倒塌的建筑体、隧道重大裂缝、侵限设备等。

4 系统技术需求分析

4.1 检测的时间与距离要求

线路异物被检测识别为影响列车运行安全的类型，则列车需做出紧急停车的反馈且在异物前停车，这就对检测时间、制动停车距离提出要求。根据图1检测识别异物紧急停车示意图，列车1 为初始位置，列车2 为开始制动的位置，列车3 为停车位置。

图1 检测识别异物紧急停车示意图

d1＝v1t1

D＝d1＋d2

D≤S

0≤v1≤vmax

式中t1为异物检测识别的时间段，d1为列车在时间t1的运行距离，t2为紧急制动的时间，d2为列车紧急制动距离，D 为列车检测异物到停车的距离，S为列车检测异物视距。

系统检测异物的时间为t1，列车运行速度为v1时，列车移动的距离为d1，列车紧急制定停车距离为d2，紧急制动后列车在异物前停车，那么检测异物的距离S 大于d1与d2的和。为了提高列车运行过程中的安全性，必须缩短异物检测的时间，且减小紧急制动停车的距离。该时间参数t1允许的最大值，需根据线路列车及线路的参数确定。t1的大小与图像识别系统的软硬件运行速度密切相关。d2为列车紧急制动距离相对固定，以某地铁线路车辆紧急制动距离参数为例，见表1。

表1 电客车紧急制动距离

4.2 异物检测的快速性、准确性

城市轨道交通线路内设备设施布置复杂，包括钢轨、道床、线缆、设备、标志标识等，使得图像检测识别范围广、内容多，为了提高检测的准确性，也可以从以下几个方面开展：

（1）限定异物检测区域。为了限定图像识别的范围，把识别的范围限定为车辆限界区域，也就是图像处理中的感兴趣区域（ROI）。列车在运行过程需要一个基准物来标定，车辆限界与钢轨密切相关，可以通过钢轨的位置标定感兴趣区域。文献[3]，提出通过钢轨识别算法自动定位钢轨位置，进一步确定列车前方轨道是否有其他列车或公路车辆等大型异物。通过识别钢轨位置后，进一步标定车辆限界区域，建立感兴趣区域，缩小图像识别的范围利于提高异物识别的速度与准确度。

（2）简化检测内容。根据影响列车运行的异物类型，可以确定城市轨道交通线路影响行车的异物主要由人、大型异物、大型动物等构成，其中人进入线路造成的行车安全事件最为多见。为了提高异物检测的效率，降低异物检测系统的识别时间，需限定异物检测的类型，比如：人、大型异物、大型动物、道床裂隙等。

（3）优化算法，提高效率。在文献[4，5]中，实验结果显示异物检测时间均小于0.2s，按照列车速度120 km/h，0.2s 内列车运行距离为6m，远小于列车紧急制动距离。可判断异物检测识别的时间在列车停车过程中影响相对较小，那么准确的判断异物类型，做出正确的判断显得更为关键。此外，文献[6]中提出高配置的软件、硬件提高检测效率。

图像识别系统对计算机硬件系统要求较高，建议提高计算机硬件配置的建议。

4.3 信息反馈与介入

装载异物检测系统的列车需要对检测到的异物做出反馈，并由相关设备或人员做出必要的反应来避免事故发生。对于有人驾驶的列车，可设计出报警系统，通过声光提醒司机做出反应；对于无人驾驶的列车，需要把应急信息反馈给信号系统和视频监控系统，信号系统根据异物的类型做出应急反应[7]，比如紧急制动；同时，该系统把图像信息反馈给调度人员，给调度人员提供应急处理的依据。

5 小结

近年来，地铁列车运行中撞异物事件多发，随着无人驾驶列车的运用，线路异物检测系统逐步得到行业人员的重视。线路异物检测系统能够为列车运行提供稳定的安全保障，本文从现场实际案例分析角度提出异物检测系统的必要性，从实际案例中提炼得到检测对象类型，以技术需求为出发点分析线路异物处理及检测分析的原则，最后时间与距离、快速性与准确性、信息反馈与介入的要求分析异物检测系统设计的思路和方向，为异物检测与识别技术的技术需求、研发方向提供借鉴。