障礙物的監測方法及其系統的製作方法

2023-10-27 17:19:47 1

專利名稱：障礙物的監測方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及安全監測技術領域，尤其是涉及一種障礙物的監測方法及其 系統。
背景技術：
鐵路是國家的重要交通系統，是國民經濟生活的動脈。隨著鐵路交通事 業的快速發展和列車運行速度的提高，如何保證鐵路沿線的路軌、路基安全， 也隨之變得越來越重要。諸如山體滑坡、隧道障礙、落石、洪水和路基塌陷 都能給列車帶來災難性的後果。
由於鐵路橫跨地域廣泛，線路環境複雜，在鐵路的正常運行和維護方面， 鐵路比其他交通系統具備更多的特殊性。鐵路災難時有發生，災害性天氣的
作用不容忽視；山體滑坡、泥石流、雪崩、洪水都可能造成線路不暢，而發 生這些災難的地區大多分布在無人的曠野，這就給線路維護帶來極大麻煩。 特別是， 一旦夜間發生這些地質災害，由於能見度較低，機車司機不易在遠 距離發現，剎車距離不足，很容易發生列車和鐵路障礙相撞的事故，輕則導 致機車損傷，鐵路線路長時間中斷，重則還會發生列車出軌、人員傷亡等重 大事故。鑑於這種形勢，迫切需要一套能夠在夜間各種氣象條件下在鐵路高 危路段沿線長期值守、自動發現鐵路障礙物，並能夠對過往列車提供預警的 鐵路線路障礙自動監測預警系統。
為了防止這些鐵路災難發生，目前通常採用一種傳感器網絡方法，該方法 在高危路段的周邊區域埋設大量的地質壓力傳感器，從而組成一個傳感器網 絡，通過對整個傳感器網絡中各個節點的壓力數據變化情況進行分析，來監 測可能發生或者已發生的落石、塌方、泥石流等地質災害。
但是，根據鐵路部門的相關安全規定，路基範圍內不允許埋設傳感器， 因此，地質壓力傳感器網絡即使監測到了地質災害的發生，也無法判定這些地質災害是否確實影響到火車在行車區域的行車安全，從而很可能誤報火車 行車區域存在障礙物，該方法可靠性較差。
另外，由於可能發生地質災害的區域面積比較大，需要埋設數量眾多的
傳感器，因此系統造價昂貴；且埋設數量眾多的傳感器的工程量大，而且鐵 路高危路段一般自然條件惡劣，進行大規模工程施工的難度很大；此外，還 存在維護困難、施工時容易影響列車正常運行等缺點。

發明內容
本發明的目的在於提供一種障礙物的監測方法及其系統，可以準確地對 鐵路線路上是否存在危險障礙物進行監測，具有較高的可靠性。 為此，本發明提供了一種障礙物的監測方法，包括步驟 基於基本安全高度，對預定路段進行水平雷射照射，同時採集預定路,史 的圖像；
判斷所採集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特徵； 當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射特徵滿足特定條件時，通知 用戶所述預定贈、敬存在危險障礙物。
優選地，所述基本安全高度為車輛的底盤高度。
優選地，所述特定條件是所述雷射反射特徵在連續採集的預定數目圖 像上穩定出現，並且所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。 優選地，所述預定數目的值根據用戶的需要進行預設。 優選地，當連續採集的每幀圖像上雷射反射特徵的目標特性相似度大於 靜止目標判定閾值時，所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。 優選地，所述靜止目標判定閾值為0到1之間任意一個數值。 優選地，所述目標特性為形狀特性、灰度特性、紋理特性和位置特性 的組合。
優選地，所述雷射為面雷射。
優選地，所述預定路段為根據用戶的需要預先設定的路段。 此外，本發明還4是供了一種障礙物的監測系統，包括雷射照射採集裝置，用於在基於基本安全高度上，對預定路段進行水平
雷射照射，同時釆集預定路段的圖像；
判斷裝置，用於判斷所釆集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特徵； 危險分析告知裝置，用於當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射特
徵滿足特定條件時，通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。 優選地，所述基本安全高度為車輛的底盤高度。
優選地，所述雷射照射採集裝置包括雷射單元，用於基於基本安全高 度，對預定路段進行水平雷射照射；圖像採集單元，用於採集預定路段的圖 像。
優選地，所述危險分析告知裝置包括判斷結果獲取單元，用於獲取所 述判斷裝置的判斷結果；確定單元，用於確定所述雷射反射特徵是否滿足特 定條件；通知單元，用於通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。
優選地，所述特定條件是所述雷射反射特徵在連續採集的預定數目圖 像上穩定出現，並且所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。
優選地，當連續採集的每幀圖像上雷射反射特徵的目標特性相似度大於 靜止目標判定閾值時，所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。
優選地，所述目標特性為形狀特性、灰度特性、紋理特性和位置特性 的組合。
優選地，所述雷射單元為紅外面雷射器。
本發明使用雷射設備對預定路段上的基本安全高度進行水平照射，並使 用模擬攝像機等圖像採集設備釆集該預定路段的圖像，於是當存在高於基本 安全高度的雷射反射圖像時，經過雷射反射特徵識別可以獲知該預定路段存 在可能影響車輛行車安全的可疑障礙物，本發明通過繼續對雷射反射特徵進 行分析，獲知預定路段是否存在危險障礙物並通知用戶。通過本發明可以準 確地監測預定路段上是否存在可能影響車輛安全通行的障礙物。本發明跟現 有技術相比，具有識別率高、系統複雜程度低、造價低廉、能夠適應各種天 氣條件的特點。並且由於本發明提供的系統和行車區域完全無接觸，還具有 施工簡易、便於維護、使用壽命較長的特點。


圖1為本發明提供的一種障礙物的監測方法的流程圖； 圖2為本發明才是供的一種障礙物的監測系統的框架圖。
具體實施例方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施 方式對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提供的技術方案主要用於監測鐵路線路上的異常情況(如山體滑 坡、隧道障礙、落石、洪水、泥石流、橋梁險情和路基塌陷)。在具體實現上， 它可以通過架設在監測路段一側的模擬攝像機和雷射器採集圖像，基於雷射 圖像識別技術，實時監測鐵路上夜間的各種險情和障礙。
本發明藉助圖像採集識別系統和輔助監測設備不斷拍攝及掃描監控區 域，當監測到被監測地點有險情(即有影響火車行車安全的障礙物)時，及 時向監控中心報告險情信息(包括圖像)，從而使鐵路線路的監控中心人員可 以通過圖像確認險情級別並相應給過往的列車司機發出警告信息，避免列車 行車事故的發生，或者通過識別判斷單元直接點亮行車告警信號燈，對正在
接近的列車直接報警。
參見圖1,本發明提供了一種障礙物的監測方法，包括以下步驟 步驟S101:基於基本安全高度，對預定路段進行水平雷射照射，同時採
集預定路段的圖像。
具體實現上，該步驟用面雷射器對預定路段鋼軌上方的基本安全高度進
行水平雷射照射，同時用圖像採集設備實時採集預定路段的圖像。
在這裡，預定路段為用戶根據需要預先設定的進行障礙物監測的列車行
車路段，通常為容易出現障礙物的高危列車行車路段，如隧道口。 在這裡，本發明採用的雷射器優選為紅外面雷射器。 上述鋼軌上方的基本安全高度及為安全行車的列車的底盤高度。當預定路段行駛其他類型的各種機動車輛時，基本安全高度為所行駛車 輛的底盤高度。
本發明採用的紅外面雷射器以扇面方式發射一個很薄的雷射束面。當有 物體進入這個很薄的雷射束平面時，雷射會在監測照射區內構成反射，反射 的雷射可以被圖像釆集設備所採集。
由於上述鋼軌上方的基本安全高度即為安全行車的列車的底盤高度，因
照射來獲知障礙物的高度是否大於列車的底盤高度，當有物體高於該基本安 全高度時，則該物體很可能影響到列車在該鋼軌平面上的行車安全。用戶可 以將紅外雷射設備在基本安全高度進行安裝，然後進行水平照射，實現對鐵 路平面上物體高度的測量。
鑑於在夜間同樣需要對鐵路路線進行監測，而通常是用可見光對預定行 車路段進行照明，然後用攝像機採集預定行車路段的圖像，那麼在降雨、降 雪、起霧等惡劣天氣情況或者在鐵路路線周圍存在幹擾光源情況下，將嚴重 影響到預定行車區域(路段)圖像信息的採集質量。
鑑於雷射在空氣介質傳播中不易發散，在空間內能量高度集中，不但具 有很強的穿透能力，而且在夜晚與其他人造光源(車燈、手電筒)相遇，不 會被湮沒，因此可以不受周圍環境光的影響而能使攝像機獲取清晰的圖像。 為此，本發明運用雷射技術可以很好地解決這個問題。
當然，在該步驟中，通過圖像釆集設備(如模擬攝像機)可以實時釆集 到預定行車路段的圖像。
步驟S102:對採集的預定路段圖像進行雷射反射特徵識別，判斷是否存 在可疑障礙物。如果存在可疑障礙物，執行步驟S103,否則，轉入步驟SIOI。 上述可疑障礙物為具有雷射反射特徵的物體。
需要說明的是，當所採集的預定路段圖像存在雷射反射特徵時，那麼說 明該預定路段存在高於基本安全高度的障礙物，即預定路段存在可疑障礙物， 所採集的預定路段圖像上存在著可疑障礙物反射的圖像信息。
在預定路段採用紅外雷射對鋼軌平面上方的基本安全高度進行水平照 射，通過攝像機對照射區域的圖像進行採集，如果待監測的預定行車路段內存在高於基本安全高度的可疑物體時，攝像機採集到的圖像中的相應位置上 將會出現明顯的雷射反射特徵，該特徵與周圍的各種環境幹擾光存在明顯差 異。
在該步驟中，可以採用基於自適應閥值的單幅圖像分割算法對可疑目標 (即可疑障礙物)在圖像採集設備採集的圖像中呈現的明顯雷射反射特徵圖 像部分區域(以下筒稱為雷射反射圖像)進行圖像分割。自適應閥值的單幅 圖像分割算法主要運用了統計學的原理，根據圖像的直方圖特性對圖像進行 了自適應閥值分割。
為了去除雷射反射圖像中的噪聲影響以及使該圖像中雷射反射特徵的圖 像部分區域更加明顯，本發明還對分割後的圖像做形態學處理。
形態學處理就是將數學形態學作為工具從圖像中提取對於表達和描述區 域特性有用的圖像分量。通過對分割後的圖像進行開、閉及腐蝕、膨脹等一 系列形態學處理，得到可以進行特性分析的圖像。
本發明進而對經過形態學處理的圖像進行連通域分析，以產生可疑目標 塊並進一步去除噪聲影響。連通域算法是指從二值圖像中標記出所有像素連
通的區域。本發明的連通域分析指的是8連通。
在進行連通域分析後，本發明對產生的可疑目標區域進行目標結果特性 分析，即判定其是否為反射雷射產生的可疑障礙物。具體的目標結果特性分
距理論的形狀分析、基於模式分類理論的灰度分析及紋理分析，從而獲得條 狀穩定高亮的因雷射照射產生的圖像區域(即可疑障礙物的雷射反射圖像部 分區域)。基於條狀穩定高亮的圖像區域，便於本發明在後續步驟中對該區域 進行跟蹤操作。
步驟S103:判斷可疑障礙物的雷射反射特徵是否在連續採集的預定數目 圖像上出現，並且所述雷射反射特徵是否符合危險障礙物的運動特徵。如果 是，進入步驟S104，否則，轉入步驟101。
具體實現上，可以對可疑障礙物進行時域跟蹤、分類、判決，從而判斷 得出該可疑障礙物是否為真實的危險障礙物。當連續採集到的多幀圖像中每幀圖像上雷射反射特徵的目標特性(包括 形狀特性、灰度特性、紋理特性、位置特性)的相似度大於靜止目標判定閾
該可疑障礙物即為真實的危險障礙物。需要說明的是，在本發明中，目標特
性可以為形狀特性、灰度特性、紋理特性和位置特性的組合。
所謂目標特性相似度，是一個取值範圍在0到1之間的一個函數，其參 數為前一幅圖像中和當前圖像中目標的特性，用以衡量這兩個目標相似的程 度。如果這兩個目標的圖像特徵很相似，並且位置差異4艮小，則他們的相似 度就很高(接近l),否則就很小(接近0)。根據目標相似度函數的特性，對 於本發明，這個靜止目標判定閾值可以取0到1之間任意一個數值，例如可 以取0.8、 0.9等數值。
如果分割結果(即雷射反射圖像)中未出現可疑障礙物，或者可疑障礙 物未連續出現，或者連續出現但處於明顯的運動中，則認為此時為其他幹擾 影響，比如，監測區域中的一個運動中的物體，雖然在連續圖像幀中的每一 幀中都會出現其雷射反射特徵，這些雷射反射特徵具有較高的相似性，但在 各圖像幀中不是靜止的，而是形成了一條運動軌跡，每幀圖像上雷射反射特 徵的目標特性(包括形狀特性、灰度特性、紋理特性、位置特性)的相似度
不是一個危險障礙物。
該連續採集的多幀圖像當然為預定路段的圖像。 所述連續採集的圖像數目可以根據用戶的需要進行調整。 步驟S104:獲知預定路^:存在危險障礙物並通知用戶。 所述障礙物即為影響列車行車安全的危險障礙物。
鑑於當預定行車路段存在障礙物時，如果該障礙物低於列車的底盤高度 時，將不會對列車的安全行車造成影響。因此，當障礙物的高度大於列車的 底盤高度時，圖像採集設備所採集的預定路段圖像中存在明顯的雷射反射特 徵，通過對連續採集的雷射反射圖像進行特徵識別，獲知預定路段是否存在 危險障礙物，從而通知用戶該預定路段危險，避免事故的發生。需要說明的是，基於上述本發明提供的技術方案，本發明不限於對鐵路 行車路段是否存在危險障礙物進行監測，同樣適用於公路等其他交通路經上 危險障礙物的監測。
參見圖2，基於上述本發明提供的障礙物的監測方法，本發明提供了一種
障礙物的監測系統，該系統包括雷射照射採集裝置201、判斷裝置202、危險 分析告知裝置203，其中，
所述雷射照射採集裝置201,用於在基於基本安全高度上，對預定路段進 行水平雷射照射，同時採集預定路段的圖像；
判斷裝置202，用於判斷所採集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特
徵；
危險分析告知裝置203，用於當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射 特徵滿足特定條件時，通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。
上述雷射照射釆集裝置201、判斷裝置202、危險分析告知裝置203可以 是分立的器件；或者至少兩個裝置集成在一起。
其中，所述基本安全高度為車輛的底盤高度。
所述雷射照射釆集裝置201包括雷射單元2011,用於基於基本安全高 度，對預定路段進行水平雷射照射；圖像釆集單元2012，用於採集預定路段 的圖像。
所述危險分析告知裝置203包括判斷結果獲取單元2031,用於獲取所 述判斷裝置的判斷結果；確定單元2032,用於確定所述雷射反射特徵是否滿 足特定條件；通知單元2033，用於通知用戶所述預定^各段存在危險障礙物。 在本發明中，所述特定條件是所述雷射反射特徵在連續採集的預定數目圖 像上穩定出現，並且所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。
在本發明提供的上述系統中，所述預定數目的值可以根據用戶的需要進 行預設。
需要說明的是，當連續採集的每幀圖像上雷射反射特徵的目標特性相似 度大於靜止目標判定閾值時，所述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。 在這裡，所述目標特性為形狀特性、灰度特性、紋理特性和位置特性的組合。
所謂目標特性相似度，是一個取值範圍在0到l之間的一個函數，其參
數為前一幅圖像中和當前圖像中目標的特性，用以衡量這兩個目標相似的程 度。如果這兩個目標的圖像特徵很相似，並且位置差異很小，則他們的相似
度就很高(接近l),否則就很小(接近o)。根據目標相似度函數的特性，對 於本發明，這個靜止目標判定閾值可以取0到1之間任意一個數值，例如可 以取0.8、 0.9等數值。
在本發明提供的上述系統中，所述預定路段為根據用戶的需要預先設定 的路段。
在本發明提供的上述系統中，所述雷射單元2011優選為紅外面雷射器， 當然，也可以使用類似近紅外區域的雷射器或可見光雷射器。本發明的系統 所採用的圖像釆集單元2012可以為模擬黑白攝像機、彩色攝像機、紅外攝像 機等多種類型的圖像採集設備。
雖然通過實施例描繪了本發明，本領域技術人員知道，本發明有許多變 形和變化而不脫離本發明的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化 而不脫離本發明的精神，任何本領域的技術人員能思之的變化，都應落在本 發明的保護範圍內。
權利要求
1、一種障礙物的監測方法，其特徵在於，包括步驟基於基本安全高度，對預定路段進行水平雷射照射，同時採集預定路段的圖像；判斷所採集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特徵；當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射特徵滿足特定條件時，通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基本安全高度為車輛的 底盤高度。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述特定條件是所述 雷射反射特徵在連續採集的預定數目圖像上穩定出現，並且所述雷射反射特 徵符合危險障礙物的運動特徵。
4、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述預定數目的值根據用戶 的需要進行預設。
5、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，當連續採集的每幀圖像上激 光反射特徵的目標特性相似度大於靜止目標判定閾值時，所述雷射反射特徵 符合危險障礙物的運動特徵。
6、 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述靜止目標判定閾值為0 到1之間任意一個數值。
7、 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述目標特性為形狀特性、 灰度特性、紋理特性和位置特性的組合。
8、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述雷射為面雷射。
9、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述預定路段為根據用戶的 需要預先設定的路段。
10、 一種障礙物的監測系統，其特徵在於，包括雷射照射採集裝置，用於在基於基本安全高度上，對預定路段進行水平 雷射照射，同時採集預定路段的圖像；判斷裝置，用於判斷所採集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特徵；危險分析告知裝置，用於當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射特 徵滿足特定條件時，通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。
11、 如權利要求IO所述的系統，其特徵在於，所述基本安全高度為車輛 的底盤高度。
12、 如權利要求IO所述的系統，其特徵在於，所述雷射照射採集裝置包 括雷射單元，用於基於基本安全高度，對預定路段進行水平雷射照射；圖 像採集單元，用於採集預定路段的圖像。
13、 如權利要求IO所述的系統，其特徵在於，所述危險分析告知裝置包 括判斷結果獲取單元，用於獲取所述判斷裝置的判斷結果；確定單元，用 於確定所述雷射反射特徵是否滿足特定條件；通知單元，用於通知用戶所述 預定路l爻存在危險障礙物。
14、 如權利要求10至13中任一項所述的系統，其特徵在於，所述特定 條件是所述雷射反射特徵在連續採集的預定數目圖像上穩定出現，並且所 述雷射反射特徵符合危險障礙物的運動特徵。
15、 如權利要求14所述的系統，其特徵在於，當連續採集的每幀圖像上 雷射反射特徵的目標特性相似度大於靜止目標判定閾值時，所述雷射反射特 徵符合危險障礙物的運動特徵。
16、 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述目標特性為形狀特 性、灰度特性、紋理特性和位置特性的組合。
17、 如權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述雷射單元為紅外面激 光器。
全文摘要
本發明公開了一種障礙物的監測方法，包括步驟基於基本安全高度，對預定路段進行水平雷射照射，同時採集預定路段的圖像；判斷所採集的預定路段圖像中是否存在雷射反射特徵；當存在雷射反射特徵，且確定所述雷射反射特徵滿足特定條件時，通知用戶所述預定路段存在危險障礙物。此外，本發明還公開了一種障礙物的監測系統。通過本發明可以準確地監測預定路段上是否存在可能影響火車或各種機動車輛安全通行的障礙物。本發明跟現有技術相比，具有識別率高、系統複雜程度低、造價低廉、易於施工和維護、能夠適應各種天氣條件的特點。
文檔編號G01S17/89GK101430383SQ20071016516
公開日2009年5月13日 申請日期2007年11月5日 優先權日2007年11月5日
發明者重 任, 毅 李, 陳彥普 申請人:保定市天河電子技術有限公司