异物侵限监测报警系统在太焦线安全行车中的应用

李鹏利

（山西省自动化研究所， 山西 太原 030000）

引言

太焦线穿越山西、河南地区，铁路途径山区、丘陵地带居多，这些地带的地质情况多数不良，使得自然灾害发生的几率大增，包括严重威胁铁路安全行车的异物侵限灾害。铁路异物侵限灾害若没有被及时发现，会对铁路部门造成巨大危害和损失。

根据线路沿线的环境特点，本系统采用高频红外激光扫描成像和目标类型智能分析的综合技术方法，在技术研究的基础上进行工程强化设计，形成适用于铁路沿线环境、能针对沿线重点路段危及行车安全的侵限异物进行全天候自动监测。

1 系统构成

1.1 系统网络结构

系统通过激光雷达扫描轨面，激光雷达将扫描到的数据通过以太网传到终端，由终端进行识别运算，当终端识别防区内有影响行车安全的异物时，立即输出信号到PLC，由PLC控制相应喇叭、红灯、电台进行相应方式的报警，并通知云端，云端控制短信网关发送通知短信，操作员可以确认或解除报警。系统网络结构如图1所示。

图1 系统网络结构图

1.2 系统硬件结构

监测系统采用分体式结构，分成核心控制系统、激光扫描单元、微光夜视系统、云端监控中心四部分。

1.2.1 核心控制单元

采用室外露天防护箱，采用高弹性的发泡PU密封装置保证高防护等级，具有散热、防冻特点，内装温控器，保证内部设备能在任何天气条件下正常工作。主要功能是采集数据、分析数据、上传数据，并为整个系统提供稳定电源。

1.2.2 激光扫描单元

采用特殊防护结构，进行有效防护内部激光扫描雷达不被损坏，根据需要监测区域的大小，由一套或多套激光扫描单元来组成。每套单元的有效防护半径为40 m，防护角度为180°。

1.2.3 微光夜视球机

采用微光夜视球机，全天候对监测现场进行视频图像的采集，能根据指令进行障碍物侵限位置的跟踪，拍摄现场图像或视频并上传送至监控中心。

1.2.4 云端控制中心

云端系统软件平台采用B/S结构（Browser/Server），MVC开发模式，MVC强制性的使应用程序的输入、处理和输出分开。使用MVC开发的应用程序被分成视图、模型、控制器三个核心部件。

系统硬件结构如下页图2所示。

2 系统功能及技术创新点

系统采用模块化的设计，根据实现功能和用途的不同，划分为五个部分，其中监控中心是云端控制中心，部署在中央机房，其他部分部署在铁路现场。

2.1 主要技术创新点

1）本系统以BP神经网络算法为基础与模糊算法相结合，可识别多种物体轮廓。使该系统具有在复杂多变的环境中，胜任多样化任务的能力。

2）利用激光雷达高频度的扫描铁道轨面，自动完成监测区域内线路障碍物的目标发现与跟踪。具备很高的全天候工作能力和可靠性。

3）采用多目标锁定技术，单台激光检测设备可在其监测区域内，同时对多个物体进行锁定，分别计算出其位置，形态，大小等信息，将侵限信息通过无线网络及时上传云端监控中心。

4）综合运用激光扫描成像技术、目标类型智能分析技术、微光夜视技术、目标视频跟踪技术对线路各种侵限障碍进行非接触式监测和识别。

图2 系统硬件结构图

2.2 系统主要功能

一是自动监测。系统可完全不依赖人工干预，自动对监测区域的各类目标进行监测，具备很高的智能判别能力和工作可靠性，为高危路段和隧道桥梁线路障碍的监测提供了一种周密、有效的技术手段，可以替代人工值守的防洪模式，实现减员增效的目标。二是物体识别。激光检测设备根据测量的实时数据计算分析出侵限异物的外轮廓与运动情况，从而对物体的类型分类，识别侵入安全限界以内的物体是否会对行车安全产生影响。三是多目标锁定。单台激光检测设备可在其监测区域内，同时对多个物体进行锁定，分别计算出其位置，形态，大小等信息，并及时上传，便于工作人员进行准确处理，提高工作效率。四是学习能力。本系统采用神经识别算法，模拟人体大脑的学习、判断模式，具有再学习的能力。如将本系统安置在不同的环境中，识别的物体差异非常大，可将该环境下的数据收集进入数据库，系统可按照数据库中的数据进行再学习，从而适应环境。五是非接触运行。系统与被监测区域的线路、路基等无物理接触和连接，确保其不对铁路线路的正常运行和施工维修带来任何影响，同时能够在各种铁路线路地质条件下快速部署和便捷维护。六是全天候工作。系统可在春夏秋冬各个季节24 h不间断工作，并能适应各种大风、大雨、大雪、大雾天气对系统工作造成的影响，尤其是系统在夜间的工作可靠性保持了一个极高的水平。七是丰富的报警接口。系统同时预留支持行车告警的接口和工务告警的接口。八是告警信息直观。系统采用微光夜视摄像技术，具备目标跟踪能力，能够提供告警现场的清晰、直观的告警图片，便于相关领导和工作人员准确判断危害程度，快速、合理地组织抢险。九是可靠运行。系统针对线路现场自然条件设计，在高温、低温、高湿等各种环境下能可靠运行，同时在系统整体工作的可靠性及防盗、防破坏等方面也做了针对性设计，经现场实地运行验证，在国内南北地区、各个季节均有很强的工作适应性。十是系统自检功能。系统还具备完整的故障自诊断能力，运行维护工作量很低。十一是云端系统软件平台采用B/S结构（Browser/Server），主要功能有登录权限、用户管理、角色管理、部门管理、站点管理、实时报警、定时巡航。

3 项目运行

异物侵限监测报警系统自2016年安装运行以来，没有出现断电情况，所有数据都能正常传送到数据库，系统运行稳定。系统显示界面友好，操作简便。后台数据分析、统计功能齐全，能从不同角度对入库的添乘数据进行分析并生成报表。

在运行期间异物侵限监测报警系统能有效的排除线路上车辆、人员、动物等因素的干扰，准确、可靠的判定出影响行车安全的障碍物，充分保证了系统在线路自然环境下的可用性。在此期间共进行150次现场试验，激光扫描单元测量精准，监测有效方位均超出40 m半径。数据上产迅速，报警信息发送及时。

在运行期间，所有经过监测点的火车均被发现并拍照上传，图片清晰，能有效识别，没有形成报警事件。发现工务养护人员1243次经过或者逗留，形成报警事件22次。发现动物入侵19次，全部形成报警事件，并成功驱离。

4 应用体会

异物侵限监测报警系统在太焦线的应用，实现了高密度行车线路的全天候非接触式自动监测，提高了工务养护人员的工作效率，降低了养护工人的劳动强度，改善了掩护工人的工作环境，缩短了线路的养护周期，使线路入侵得到及时处理。线路质量的提高必将有力地保证行车安全，降低事故发生率。

根据用户使用需求、跟踪技术和业务需求的发展，进一步完善和优化系统功能。