一种基于激光和图像结合的铁路限界检测方法和系统与流程

本发明涉及铁路限界检测技术领域，特别是涉及一种基于激光扫描及视频捕捉技术的铁路限界检测方法及系统。

背景技术：

铁路限界是为了保证行车安全，防止车辆与邻近建筑物和设备发生碰撞，而对机车车辆、临线建筑物和设备不允许超过的尺寸所做的限制，限界包括机车车辆限界和建筑限界两种，其中建筑限界包括建筑物限界和设备限界两部分。

目前我国铁路营运里程已到达十几万公里，但是铁路限界检测手段却很有限，特别是建筑限界检测，既有的限界检测设备和检测车，大多应用于隧道检测，不能实现信号机等边缘不规则物体的限界检测，且只能慢速检测，检测结果只有数据参数，无法对超限界状态进行直观展示，给限界检测工作带来很大困难。

本发明是为了解决建筑限界检测问题而提出的，可对全路限界区段进行检测，本发明采用高速激光测距传感器矩阵，能够适应时速160km以上的车速，配合位置数据、限界数据和倾角传感器，对铁路轨旁两侧设备进行检测和超限界报警，并能够联动摄像头进行拍摄，便于查看现场情况，本发明为限界检测提供了新的检测手段，提高了检测的效率，实现对铁路沿线的信号机、各种设备箱盒以及道旁异物侵线的检查，对保障铁路行车安全有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供一种基于激光和图像结合的铁路限界检测方法及系统，采用高速激光测距传感器矩阵，能够适应时速160km以上的车速，配合线路数据和倾角传感器，对铁路轨旁建筑进行检测和报警，并能够联动摄像头进行拍摄，便于查看现场实际情况。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，它包括高速激光位移传感器组、角度传感器、摄像机、串口服务器、限界处理主机、网络交换机；

所述高速激光位移传感器组包括多组点式位移传感器和面阵位移传感器，位移传感器组分别安装在车辆两端的对角一侧，点式位移传感器通过串口连接串口服务器，面阵位移传感器连接网络交换机；

所述角度传感器安装在限界处理主机机柜中，通过usb接口与限界处理主机连接；

所述摄像机为双向摄像机，每台摄像机包含两路摄像头，两路摄像头方向相反，安装于车辆两端的高速激光位移传感器组一侧，通过网络接口与网络交换机连接；

所述限界处理主机部署在车辆内部机柜中，通过网络接口与网络交换机连接，并能够通过网络取得外部行车数据。

在检测车动态运行状态下，系统对轨旁信号设备、目标设施等实时测量限界边界距离，采集车体倾斜角度、方向角等修正数据，纠正位移偏差，根据各个区段的限界数值自动判断超限物体，并触发摄像机视频抓拍、取证，系统还支持数据回放、异常查询，及还原外部限界的轮廓。

有益效果：

1、检测速度快，能够适应160km/h及以上车速进行检测；

2、不受轨旁建筑形状限制，能够对边缘不规则设备进行检测，满足全路段限界检测需求；

3、轨旁建筑侵限数据和实景图像关联，现场异常状况查询更直观；

4、可以通过网络远程实时查看或历史回放，实现对轨旁信号设备的自动化巡检。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的结构图。

图3是本发明摄像机检测演示图。

图4是处理主机实时显示界面图。

图5是处理主机回放界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

基于激光和图像结合的铁路限界检测方法，如图1所示，限界处理主机采集激光测距和车体倾斜数据，通过纠正位移偏差达到数据修正，计算轨旁信号设备等建筑体距离轨道中心垂直线的数值，结合外部行车数据判断限界边界距离，如超限界值，则触发安装于车辆运行方向相反的摄像头响应报警信号并捕捉经过的超限界处建筑的图像，系统还支持数据回放、异常查询，及还原外部限界的轮廓。

一种基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，如图2所示，系统包括多组点式位移传感器和面阵位移传感器组成高速激光位移传感器组、角度传感器、摄像机、串口服务器、限界处理主机、网络交换机。

位移传感器组分别安装在车辆两端的对角一侧，点式位移传感器组通过串口连接串口服务器，面阵位移传感器连接网络交换机，点式位移传感器组由4个点式位移传感器组成，4个传感器呈纵向排列，发出的激光束组成一个竖的平面，由于相邻测距传感器的激光束会发生串扰，因此相邻传感器垂直方向间隔距离8cm，传感器水平方向夹角10°，每两个传感器连接一个串口服务器，实现串口到网口的转换，点式激光位移传感器采用红外激光点测距方式，每秒测量5千次，通过软件对每3个值取一次中值滤波，最终输出1666个有效值，在时速160km/h时，横向点间隔约为3cm，垂直方向点间距约为8cm；由于传感器发射的光束还有一个很小的发散角，测量距离2m时垂直距离小于8cm，对于一般的道旁设备而言，水平尺寸大于等于2cm，垂直尺寸大于等于8cm，都能够被检测出来；面阵激光位移传感器每秒20帧，可测量垂直9°、水平130°的平面，面阵激光位移传感器采用网络传输，输出由距离数据组成的点云信息，面阵传感器横向安装，拍摄范围较大，可以采用连续拍摄画面的方式进行测量，由于车速最大160公里每小时，1秒20帧，每帧只需要拍摄约2.25m的宽度就够了，在1m的距离，通过几何运算可以得到，只需要约50°的角度就可以覆盖2.25m的横向物体，130°的角度达到完全覆盖，垂直距离1m的距离能够测量大约20cm高度的物体，遇到体积较大的设备，会有部分被激光扫到，因此，在激光传感器垂直照射面上下还有10cm的冗余，也就是垂直40cm的高度范围内，设备都能被检测到，采用两个激光传感器，大约能覆盖80cm的高度，完全满足了轨面以上设备限界检测的目的。

角度传感器安装在限界处理主机机柜中，通过usb接口与限界处理主机连接，车体在道岔或转弯区段会有一定的倾斜，内侧由于内轮差，车体会偏内侧一些，因此车体内侧的限界尺寸会增大，外侧会减少，目前常用的9号道岔辙叉角为6°，通过角度传感器，对车辆的运行状态进行判断，及时对限界值进行修正。

摄像机采用分体式，每个主机包含两路摄像头，两路摄像头方向相反，安装于车辆两端的高速激光位移传感器组一侧，通过网络接口与网络交换机连接，如图3所示，摄像头能够拍摄20m及以内的范围，一秒25帧，在车辆运行时速160km/h时，1秒大约可以行进45m，摄像机每帧间隔大约2m，每次报警触发时，只有与运行方向相反的摄像头进行拍摄，可以精确地拍到当前报警位置的设备图片。

限界处理主机部署在车辆内部机柜中，通过网络接口与网络交换机连接，实时处理和计算检测数据，并能够通过网络取得外部行车数据；如图4所示，主机支持视频、车体轮廓和报警信息实时显示；如图5所示，还可以对报警列表、报警信息和图片进行回放。

技术特征：

1.一种基于激光和图像结合的铁路限界检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

①高速激光位移传感器组测量轨旁建筑和异物距轨道中心的距离，形成一个平面距离点云信息，并发送至限界处理主机；

②角度传感器测量车体的倾角信息并发送至限界处理主机；

③限界处理主机对采集到的距离点云信息和倾角信息数据进行计算处理，同时结合获取的外部行车数据，判断轨旁建筑和异物是否超限界值，若超限界，限界处理主机发出报警信息；

④限界处理主机报警同时，与车辆运行方向相反的一个摄像头启动并捕捉一张超限界处的实时图像，并发送至限界处理主机。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光和图像结合的铁路限界检测方法，其特征在于，高速激光位移传感器组采用点测距方式和面测距方式结合，多个点测距传感器排列成线阵，测量轨旁距离轨道中心垂直距离3米及以内建筑距离，面测距传感器对轨旁距离轨道中心垂直距离2米及以内的建筑进行测距。

3.根据权利要求1所的一种基于激光和图像结合的铁路限界检测方法，其特征在于，所述摄像机采用双向摄像机，每台双向摄像机包含两路摄像头，两路摄像头安装方向相反，每次只有一个与车辆运行方向相反的摄像头响应报警信号并捕捉经过的超限界处建筑的图像。

4.一种基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，其特征在于，它包括高速激光位移传感器组、角度传感器、摄像机、串口服务器、限界处理主机、网络交换机；

所述高速激光位移传感器组包括多组点式位移传感器和面阵位移传感器，点式位移传感器通过串口连接串口服务器，面阵位移传感器连接网络交换机；

所述角度传感器通过usb接口与限界处理主机连接；

所述摄像机与网络交换机连接；

所述限界处理主机与网络交换机连接。

5.根据权利要求4所述的基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，其特征在于，所述位移传感器组分别安装在车辆两端的对角一侧。

6.根据权利要求4所述的基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，其特征在于，所述角度传感器安装于限界处理主机中。

7.根据权利要求4所述的基于激光和图像结合的铁路限界检测系统，其特征在于，所述摄像机采用双向摄像机，每台摄像机包含两路摄像头，两路摄像头方向相反，安装于车辆两端的高速激光位移传感器组一侧。

技术总结
本发明提供一种铁路限界检测方法及系统，采用高速激光测距传感器矩阵，能够适应时速160km以上的车速，配合线路数据和倾角传感器，对铁路轨旁建筑进行检测和报警，并能够联动摄像头进行拍摄，便于查看现场实际情况，本发明为限界检测提供了新的检测手段，提高了检测的效率，实现对铁路沿线的信号机、各种设备箱盒以及道旁异物侵线的检查，对保障铁路行车安全有重要意义。

技术研发人员：王星阳;习道彬;魏元鹏;吴琪;罗冠武
受保护的技术使用者：河南蓝信科技有限责任公司
技术研发日：2019.01.24
技术公布日：2020.07.31