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來源:小編 2021-02-07

三維激光雷達的鐵路異物監測系統方案

1.       概述

三維激光雷達在二維平面掃描模式的基礎上進行功能延伸,增加俯仰角度的掃描功能,在獲取目標掃描點距離的同時獲取航向掃描角度和俯仰掃描角度,通過坐標變換還原目標掃描區域的三維立體信息。三維立體掃描模式是在二維平面模式上的功能擴展,在實際功能上和目標的準確識別上有進一步的提高,其關鍵技術優勢如下:

1.1. 三維立體信息判斷

三維雷達的關鍵功能提升表現在能夠對目標高度進行判斷,增強了雷達本身對目標的識別能力,拓展了可檢測目標的范圍,并且能夠有效對目標進行分類,提高現場報警狀態的準確性,降低虛警率。二維雷達只能夠得到鐵軌上方平面內的入侵物體,不能夠對入侵物體高度及危害程度進行判斷。物體高度信息是目標準確判斷和分類的重要依據,三維雷達的立體掃描數據能夠對獲取的目標高度和目標大小進行分類,可將目標的判斷縮小到一定的范圍,對目標的危險程度有相對準確的判斷,同時也為視頻監控提供依據。另外,二維雷達受鐵路周邊障礙物的影響較大,分布在障礙物之后的物體將不能被觀測到;二維雷達的平面掃描模式,在障礙物擋住激光掃描束之后,激光不能探測到扇形區域之后存在的物體,由此便會帶來安全隱患。三維雷達由于是安裝在一定的高度位置,受到單一障礙物的影響減小,能夠實現對防區目標較為全面的可靠監測。

1.2. 長探測距離

三維雷達將監測范圍提高到50-60米,而當前應用的二維激光雷達只能夠達到35米,較長的探測距離是激光雷達的安裝、施工、檢修等工程性工作減少,同時當前的三維雷達系統簡化了網絡通信系統,降低單個主控機柜的運算處理負荷,使現場的單個主控機柜能夠對更遠距離、更多的雷達數據采集單元進行監控。

1.3. 軌道自識別算法簡化系統安裝、調試與維護

三維雷達利用鐵軌面的自動尋找算法,降低了雷達安裝過程中的平面調節過程。二維激光雷達在安裝過程中,需要對平面進行調節以使得激光的擺掃平面能夠與軌道平面相切,與軌道相切的平面調節占據了安裝過程的大量人力、物力與時間,也增加了雷達后續的調試與檢修工作,尤其是當鐵軌或激光雷達基座發生形變、沉降之后,平面掃描工作模式的二維雷達需要重新到現場對其進行重新調試和維護。三維雷達通過安裝桿安裝在距離鐵軌一定距離的位置,在調整好雷達朝向之后,僅需根據防區需要對俯仰角度進行設置,便可完成對雷達的安裝工作。雷達在完成一幀的數據掃描之后,便可利用鐵軌自識別算法獲取軌道基準面,并在后續幀數據中以此面為基準對侵入防區內的目標進行判斷。

1.4 環境自適應與特殊場景識別

三維激光雷達算法對鐵路軌道自適應識別,定期自更新的軌道基準面可以自發修正由外界因素導致的目標識別誤差問題。例如,當發生路基沉降、安裝桿傾斜的時候,算法通過實時查詢當前系統狀態便可對坐標系進行修正,重新自發選取當前掃描結果為新的基準。此外,系統對一些特殊復雜的情況也能夠有效判斷,比如大雪造成的鐵軌上方整體高度發生變化,則可以通過三維數據的立體信息進行判定。

1.5 準確的火車和其他大型異物的識別

二維雷達利用的平面掃描模式,利用平面內掃描獲取的車輪信息來判斷列車,在使用中發現準確度不高,容易受到多種因素的影響,造成其判斷錯誤,例如,車輛行進過程中的鐵軌起伏情形便會導致錯誤的信息。而利用其它方式,比如磁鋼,則會增加現場的施工、維護、維修難度,尤其是在復雜地形,偏遠地區這種施工帶來的問題更加嚴重。在三維立體數據中,火車的特征非常顯著,通過對火車特征輪廓的提取便可準確識別。與此類似,其他大型異物的判斷在準確性上也相對提高。

1.6 彎道監測能力

三維雷達能夠對識別的軌道面進行分段處理,并根據彎曲的程度進行不同數量的分段,這種分段處理特點在彎道區域的監測中展現出其顯著優勢。在軌道彎曲的位置,兩側軌道的高度不一致,造成平面掃描工作模式的二維激光雷達不能實現對軌道面的一致掃描監測,三維激光雷達的點云算法則可以逐段處理擬合曲面為基準面,解決了二維平面掃描模式固有的缺陷問題。

1.7 空間占用少,功能模塊化

三維激光雷達系統即可單套雷達獨立工作,也可以實現多套雷達的協同工作,方便應用于復雜多樣的環境中。立式安裝,對距離和施工要求相對較少,在特殊地形下設備安裝更加方便。整體采用功能模塊化設計,統一工具型號,數據采集終端僅需提供電源和網線即可滿足要求,降低了系統的安裝、調試、檢修難度和施工工作量。

2.       系統組成

三維雷達異物監控系統包括現場數據采集單元,現場控制單元,工務段監控中心三大部分組成,如圖2.1所示。現場監控單元的單臺三維激光雷達完成對總50m長度的監控區域內三維數據采集、算法分析、目標識別、危險狀況判定,然后將報警信息通過以太網傳輸到現場控制單元,現場控制單元中完成對所管理的各個雷達單元進行通信協同,并根據報警狀況進行綜合分類,將報警信息準確、及時的上傳到工務段的鐵路監控中心。鐵路監控中心則對工作在現場的激光雷達進行實時監控,判斷當前所運行的激光雷達是否工作正常,是否有上報信息,并根據上報信息的內容對現場危險狀況進行確認與及時排查。此系統既可以在現場控制單元的管理下實現本地局域網覆蓋區域內多套雷達協同工作,也可實現集成通信功能的單套雷達獨立運行工作,滿足多種應用環境的需要。


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