机车乘务员辅助瞭望及障碍物智能预警系统研究

张琨

摘  要：近年来随着铁路运输任务的加重，对机车运行的可靠性、安全性也提出更高的要求。因机车设计原因造成司机瞭望视角存在较大盲区，同时机车运行路线存在非封闭区间路口等，机车乘务员远距离瞭望存在困难。该文以解决机车瞭望盲区问题、机车乘务员远距离瞭望问题为目标，利用探测雷达技术与視频影像分析系统相结合的方式，对机车瞭望盲区内的人员、车辆、障碍物进行探测感知，同时将告警信息向机车乘务员提示，达到提示机车乘务员安全驾驶，最大限度地降低安全事故发生的目的。

关键词：机车；瞭望；盲区；探测；视频；报警

中图分类号：U298.12      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0040-04

Abstract： In recent years， with the aggravation of railway transportation tasks， higher requirements for the reliability and safety of locomotive operation have been put forward. Due to the reasons of locomotive design， there is a large blind area in the driver's lookout angle， and there are non-closed intersections in the locomotive running route， so it is difficult for locomotive attendants to watch from a long distance. In order to solve the problem of locomotive lookout blind area and long-distance lookout of locomotive attendants， this paper uses the combination of radar detection technology and video image analysis system to detect and perceive the personnel， vehicles and obstacles in the locomotive lookout blind area. At the same time， the warning information is prompted to the locomotive attendants， so as to remind the locomotive attendants to drive safely and minimize the occurrence of safety accidents.

Keywords： locomotive; lookout; blind area; detection; video; alarm

随着中国铁路运输事业的大力发展，机车进入了重载和长交路运用状态，对司乘人员和机车状态提出了更加严格的要求。丰台机务段地处京山、京广、京九、京原和丰沙等主要干线交汇处，担当北京铁路局重要枢纽咽喉地区的主要货运任务，重点列车、重点站场及部分客运列车牵引任务。由于处在重要枢纽节点，存在站场多，调车转线作业机会多、等候时间长、接发车密度大等特点。同时，现场人员作业几率多，且现场作业人员穿插非常频繁。因机车设计原因造成司机瞭望视角存在较大盲区，造成司机在运行中、调车作业过程中以及转线挂车时带来非常大的安全及人身隐患。针对上述问题丰台机务段开发研制了“机车乘务员辅助瞭望及障碍物智能预警系统”。该系统利用探测雷达技术与视频影像分析系统相结合的方式，对机车瞭望盲区内的人员或障碍物进行探测感知，同时将告警信息向司机进行提示。防止行车时，前方人员未避让或有障碍物的情况下走车。最大限度降低安全事故的发生。

1  技术难点

探测雷达和热成像摄像机对机车瞭望盲区内的人员或障碍物进行探测感知和图像分析，并在显示器上显示机车周边和前后方的视频图像，当探测雷达和热成像摄像机监测到机车运行方向有行人、车辆、障碍物时，通过语音提示机车乘务员前方有人，注意安全驾驶，在视频监视技术和探测雷达技术大力发展的当下是容易解决的，但是需要选择合理的安装位置和固定方式，热成像摄像头选择合理的焦距，要保证热成像摄像头的视频图像清晰无抖动，以便于图像的异物识别算法正确识别。

困难的是探测雷达会受到安装角度的影响，需要选择合理的安装位置并选用扫描角度较小的探测雷达，以达到电子围栏的效果。由于铁路线路弯道较多，热成像摄像头视频图像可能看到轨道外边，这就需要图像算法实时识别轨道，并以轨道为依据划定监测范围。

2  系统的监测方法

2.1  机车实时信息获取

机车实时信息包括机车运行过程中的工作参数。

例如，机车运行的工作参数主要有以下内容：机车仪表信息、闸缸压力、制动输出、柴油机转速（内燃）/原边电流（电力）、实速、公里标、列车管压力和状态指示灯等。

目前，机车普遍安装的TAX2（3）型机车安全信息综合监测装置是通过串行总线接口发出的。采用串行总线通信模块，并且按照上述设备的通信协议编程就可以解析出各种机车运行参数。

2.2  探测雷达的监测

探测雷达是一种利用电磁波进行探测和测量的技术，可以通过发射电磁波并接收反射回来的信号来探测目标的位置、速度、方向等信息。探测雷达监测原理是基于电磁波的反射和散射现象，通过测量反射回来的信号来确定目标的位置和运动状态。探测雷达监测原理的基本步骤包括发射、接收和信号处理3个过程。首先，探测雷达发射一束电磁波，这个电磁波会在空气中传播，当遇到目标时，一部分电磁波会被目标吸收，另一部分则会被目标反射回来；接着，探测雷达会接收到反射回来的信号，并将其转换成电信号；最后，探测雷达会对接收到的信号进行处理，通过计算反射信号的时间延迟和频率变化等参数来确定目标的位置和运动状态。探测雷达的监测原理关键在于电磁波的反射和散射现象，当电磁波遇到目标时，会发生反射和散射现象，这些现象会导致电磁波的传播方向和强度发生变化，通过测量反射回来的信号的时间延迟和频率变化等参数，可以确定目标的位置和运动状态。

2.3  热成像摄像头的监测

热成像摄像头无需外界光源辅助，而是通过接收物体发出的红外辐射（与物体本身温度相关），即捕获物体温度来成像。尽管肉眼无法观测红外辐射（IR），但是红外热像仪可将其转化为可见光图像，描绘被测物体或场景的温度变化。任何有温度的物体都会发出红外线，且物体温度越高，红外辐射量越大。热成像摄像头就是接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，根据温度的微小差异找出温度的异常点，来判断物体。

人眼能够感受到的可见光波长为：0.38～0.78 μm。通常将比0.78 μm长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

热成像摄像头的核心就是热像仪，它是一种能够探测极微小温差的传感器，将温差转换成实时视频图像显示出来。如图1所示。

物体发出的红外能量通过光学镜头聚焦在红外探测器上，探测器向传感器电子元件发送信息，进行图像处理，电子元件将探测器发来的数据转译成可在显示器上显示的图像，热成像摄像头具有如下特点：①热成像摄像头能够穿过雾霭烟尘而且工作波段宽，作用距离远；②采用被动工作方式，不易被干扰；③可在昼夜和恶劣天气下工作；④不易受照明闪光灯强光影响。

热成像摄像头在检测到铁路图像时，轨道表面亮度与相邻区域呈阶跃性变化，在提取到的边缘图像中，铁轨边缘和其他物体的边缘混淆在一起，利用轨道的特性，通过算法提取到连续的轨道，以实现铁路轨道的动态识别。

2.3.1  摄像头关键参数分析

摄像头主要由CCD、滤光片、镜头和信号处理电路板组成。

镜头是摄像头的光学部件，是摄像头的重要组成部分，根据不同场景需要，选用不同参数的镜头。

镜头的主要参数如下（图2）。

焦距（f）：焦距是镜头中心和感光元件表面之间的距离。

视场角：是指画面的覆盖范围。焦距f大小，影响视场角的大小。

信号处理电路板的作用：将来自CCD输出的电信号进行AD转换、放大等数字图像处理后输出到显示器。

2.3.2  成像要求与摄像机焦距的选择

摄像头可视区域图像大小与焦距关系：因机车时速在80～100 km/h时，机车的制动距离为600 m，设定热成像摄像头可视距离L=600 m；选用100 mm焦距镜头。

3  系统功能实现

3.1  功能简述

机车乘务员辅助瞭望技术的应用，能将机车周边360°的视频图像在显示器上显示，如图3所示，实现了机车盲区视频图像的全景显示，以方便机车乘务员盲区瞭望，探测雷达和热成像摄像头的应用能实时监测障碍物并提示机车乘务员前方有障碍物，注意观察，安全驾驶。同时系统采用500 G硬盘存储视频数据，保存时间可达7 d。

3.2  系统组成

系统由主机、显示器、探测雷达、扬声器、热成像摄像头、AI摄像头、全景摄像头和4G天线等组成，系统组成如图4所示。

3.3  探测雷达监测功能实现

探测雷达由超声波雷达、热释电传感器、激光测距模块组成，探测雷达能监测7 m内的行人、车辆、障碍物，热释电传感器能实现对7 m内的行人进行监测，激光测距模块能实现对100 m内的行人、车辆、障碍物的监测。探测雷达监测原理如图5所示。

探测雷达监测到机车运行方向有行人、车辆、障碍物时，通过串口输出报警数据给主机，主机实现语音报警，提示机车乘务员安全驾驶，显示器图像显示机车运行方向图像，探测雷达报警显示如图6所示。

3.4  热成像摄像头监测功能实现

热成像摄像头安装在机车两端上方，安装位置如图7所示。

热成像摄像头实现对机车运行方向600 m的行人、车辆、障碍物的监测，热成像摄像头监测到铁路轨道图像，系统通过算法提取出轨道的像素点，进而识别出铁路轨道。系统能实时识别铁路轨道并动态划定防护区域，热成像摄像头视频图像如图8所示。

热成像摄像头通过算法实现动态识别轨道并划定防护区域，实现电子围栏的效果。当防护区域内有行人、车辆、障碍异物时，热成像摄像头实现报警，防护区域的大小可以设定，熱成像摄像头报警效果如图9所示。

机车乘务员辅助瞭望及障碍物智能预警系统适用于调车机、轨道车、普速机车，当探测雷达和热成像摄像头监测到机车运行方向有行人、车辆、障碍物时，语音提示机车乘务员注意行人、安全驾驶。

4  结束语

该系统采用探测雷达技术和视频分析技术，及时发现在机车乘务员瞭望盲区的人员和障碍物，并可通过视频实时进行确认，防止司机在前方人员未避让或有障碍物的情况下盲目行车。该系统能有效判断、分析机车运行周边信息后，提供预警性信息，对机车安全运行提供充足的科学依据，满足现代铁路快速发展的安全需要。该装置的研发达到了预期目标，是一款主动的安全防御技术装备，有利于保障机车运行安全和人身安全，解决了因无法进行彻底瞭望而导致的人员及设备相撞事故，最大限度降低安全事故的发生。该系统应用实现了主动防御技术在保障铁路机车行车安全方面又一重大技术创新，填补路内空白，具有良好的推广应用价值。安装机车乘务员辅助瞭望及障碍物智能预警装置后，能直观有效判断机车周边情况，满足了现代铁路快速发展的安全需要。

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