轨道车辆主动式障碍物检测技术

随着轨道交通的快速发展，轨道车辆已经越来越多地融入到有出行需求的旅客生活中，特别是结合轨道交通的“大运量、高速度”等特点，安全防护技术的重要性变得越来越突出。在传统的轨道车辆中，大量地利用了被动式安全保护技术，例如利用车端的吸能装置来实现对列车碰撞后的安全防护，利用烟雾传感器对火灾后产生的烟雾进行检测，利用灭火器进行车厢内发生火灾后的灭火，以上安全保护技术均为事故后的处理，能在一定程度上将故障造成的影响降低到最小，但是无法避免事故发生。相对被动安全保护技术，近年来主动安全保护技术在各个领域（汽车、船舶、航空等）开展了大量的研究和应用，均取得了良好的效果。

主动安全保护技术是指能够在故障（或事故）发生前通过传感器等检测手段对列车（或运行环境）进行检测，实现状态感知的目的，然后通过经验库或者其他算法进行分析，实现故障预判的目的，在判断出故障（或事故）即将发生或者存在发生的可能时，通过保护装置（或策略）实现对轨道车辆的保护功能。

主动安全保护系统框图

利用主动安全保护技术，能够实现对轨道车辆故障的预判断和评估，将故障（或事故）避免或者将损失降到最低。我们以主动式障碍物检测技术在轨道车辆上的应用，从原理、特点和应用等角度进行分析论述。

无人驾驶（或自动驾驶）目前已经成为轨道车辆发展趋势之一，其最大特点是取消了列车司机（或者司机在列车行驶中不对列车进行人为干预），能够有效地提高列车运行秩序，提高准点率等；但是，随之而来的问题是在发生异物侵入限界或者前方发生意外事故等情况时，如何能够及时将信息传递给列车，进而采取必要的措施（减速、停车等）。同时，针对传统有人驾驶的轨道车辆（地铁、低地板车和市域车等），在恶劣工况下（雨、雪、风或者进出隧道口等环境剧烈变化时）司机对前方障碍物的观察准确性和及时性将大打折扣，存在列车与障碍物发生碰撞的可能。现有的障碍物检测系统为被动式障碍物检测，即通过在头车前部安装支架和力传感器，当障碍物与支架发生碰撞时，通过力传感器的输出信号将信息传递给列车，列车采取必要措施。此方式的缺点是无法预先判断障碍物的存在，检测距离很短（不超过列车前进方向0.3m），同时保护措施的效果非常有限。与之相比，非接触式障碍物检测系统能够有效地解决以上问题，实现全天候、高可靠性的障碍物检测。

1.基本思路

采用激光雷达技术、机器视觉技术、红外检测技术和北斗导航技术，通过数据融合算法实现多维异质传感器的综合状态感知，利用数据融合后的状态信息结合经验库数据完成对轨道车辆前方障碍物的判断，实现故障预判，根据判断结果控制轨道车辆运行状态，实现对轨道车辆的安全保护。

非接触式障碍物检测系统结构示意图

2.状态感知

针对轨道车辆运行复杂工况，任何一种单一传感器均无法实现全天候的障碍物检测，故考虑利用不同种类传感器的优势实现多维异质传感器的组合应用，实现全天候的状态检测。几种传感器性能对比见下表。

数据融合具体过程如下：

(1) 通过多个摄像头完成车辆运行方向的轨道内外两侧的图像采样，利用图像处理和立体视觉技术进行障碍物数据分析；

(2) 通过激光雷达和红外检测仪同步完成以上功能；

(3) 利用北斗技术完成车辆运行速度、运行位置和时间的检测；

(4) 利用检测到的数据和车辆时间对运行工况进行数据分析。

数据融合过程 

数据融合部分为非接触式障碍物检测的重点和难点，具体算法包括卡尔曼滤波等技术。本文介绍以下几种工况下的数据融合算法：

(1) 白天并且无恶劣工况（雨、雾和雪或者频繁进出隧道口等）。优先认为多个摄像头获取的数据为有效数据，激光雷达和红外摄像头获得的数据为补充数据。

(2) 夜晚并且无恶劣工况（雨、雾和雪或者频繁进出隧道口等）。优先认为激光雷达获取的数据为有效数据，红外摄像头获得的数据为补充数据，不再使用多个摄像头获得数据。

(3) 恶劣工况（雨、雾和雪）。优先认为红外摄像头获得的数据为有效数据，其他数据均为补充数据。

(4) 进入弯道时。通过车载电子地图来控制激光雷达判别障碍物的距离，以避免列车进入弯道后可能造成的误判。摄像头通过计算弯道的大致距离，提供给激光雷达参考距离，以避免激光雷达把弯道外的物体误判为障碍物。

3.主要检测目标

根据现有车辆的性能（减速度等）以及车辆的运行环境，非接触式障碍物检测系统主要检测目标包括：

(1) 在平交道口等的行人和车辆；

(2) 轨道内的异物；

(3) 接触网上的异物；

(4) 其他侵入限界内的异物（倒塌的树木、线路上方脱落的大型物体等等）。

4.障碍物预判

通过多维异质传感器的感知和数据融合得到融合后的数据，对比经验库数据，实现对障碍物的预判断。主要判断依据包括：

(1) 障碍物大小；

(2) 障碍物运动方向和速度；

(3) 障碍物位置；

(4) 车辆运行速度、位置；

(5) 障碍物和车辆的相对距离、相对速度。

5.主动保护

在完成对障碍物的预判后，系统将向车辆发出障碍物报警信息，由车辆完成主动保护措施，主要包括：

(1) 车辆紧急制动并停车；

(2) 车辆采取常用制动减速行驶，在减速过程中根据检测系统的最新检测结果进行障碍物的多次预判；

(3) 车辆继续行驶。

6.结语

主动安全保护技术已经成为轨道车辆未来发展的方向之一，提升车辆的自身保护能力、在故障（或事故）发生前实施预警、降低故障（或事故）对旅客和车辆的危害已经成为众多车辆制造厂的目标，同时也是车辆业主的重要需求之一。目前在非接触式障碍物检测领域，伴随传感器检测技术的快速发展（32线或更多的激光雷达）和新型数据融合技术（基于车车通信的数据融合方法），未来将会实现更高的检测距离和检测精度。主动安全保护技术作为近年新兴技术，尚需要在实践中继续探索和完善。 

本文来源：轨道世界