一种路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统

申请号 CN201710300788.1 申请日 2017-04-30 公开(公告)号 CN107097810A 公开(公告)日 2017-08-29
申请人 中南大学; 发明人 刘辉; 李燕飞; 熊若鑫;
摘要 本 发明 公开了一种 铁 路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统,该方法通过引入无人机异物侵限检测装置对受控列车局部移动环境实现异物侵限检测,利用无人机异物侵限装置携带Kinect 传感器 、 超 声波 驱 鸟 器、GPS装置、探鸟雷达,实时对线路 图像处理 和检测,及时发现异物侵限事件,提前采取应对措施,且不再需要在铁路沿线安装大量高成本的异物侵限监测站,也从技术方案上直接避免出现对铁路沿线异物侵限监测的盲区问题;根据探鸟雷达对鸟类的探测信息,利用无人机装置的机动性,采用 超声波 驱鸟装置实时处于危险区域内鸟类实现定向驱赶,提高列车的运营安全性。
权利要求

1.一种路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:对铁路轨道进行等间距划分,每个轨道区间设置有监控单元,每个监控单元配置有1组无人机异物侵限检测装置;
所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器声波器、探鸟雷达、无线通信模和GPS模块;
步骤2:当某监控单元所辖的线路区间内通过轨道电路检测到有列车通行时,监控中心向无人机异物侵限检测装置下达起飞指令,并把列车实时位置、实时速度发送给无人机异物侵限检测装置;
步骤3:无人机异物侵限检测装置根据监控单元发送的列车实时位置和实时速度飞行到列车前方,并实时保持在距离列车S处;
步骤4:当无人机异物侵限检测装置到达距离列车前方S处时,与列车保持同步跟踪状态后,无人机异物侵限检测装置开始检测工作,同步进行如下操作:
(1)利用Kinect传感器采集阵列开始采集所在位置的图像信息,并通过无线传输发送给Kinect图像处理大数据中心;
(2)利用探鸟雷达采集所在位置的雷达反射信息,并通过无线传输发送给雷达处理大数据中心
(3)根据监控中心发送的列车时速信息,调整自身飞行速度,与列车实时速度保持同步;
步骤5:Kinect图像处理大数据中心和雷达处理大数据中心分别对各自接收的数据进行分析处理;
Kinect图像处理大数据中心对采集的图像信息提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,若发现可疑物,进入步骤6,否则重复步骤4;
雷达处理大数据中心对采集的雷达反射信息提取雷达反射波特征,并与数据库中鸟类反射波特征进行匹配,若发现鸟类雷达反射波特征,进入步骤7,否则重复步骤4;
步骤6:Kinect图像处理大数据中心对可疑物进行分类,并将异物GPS信息发送给监控中心,监控中心发出相应级别预警信息;
步骤7:雷达处理大数据对雷达反射信息进行定位跟踪,计算鸟类所在空间位置,判断鸟类是否处于危险区域,危险区域是指与铁路轨道相隔距离为L所在的区间;
若鸟类处于危险区域内,无人机异物侵限检测装置启动驱鸟模块,超声波驱鸟器开始持续工作,否则重复步骤4。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤3中无人机异物侵限检测装置实时保持在距离列车S处:S=Sk+Se;
式中:Sk为紧急制动后列车空走距离;Se为紧急制动后列车有效制动距离
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述危险区域是指与铁路轨道相隔距离为L所在的区间,其中, vb为鸟类平均飞行速度,v为列车的速度。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,当无人机异物侵限检测装置与待测量列车同步前行后,在待测量列车行驶至下个轨道区间时,无人机异物侵限检测装置进行任务交接,监控中心向待测量列车进入的最新轨道区间发出指令,使得该轨道区间的无人机异物侵限检测装置起飞同步跟踪待测量列车,原先飞行的无人机异物侵限检测装置进入该轨道区间,进行充电,并将待测量列车的实时车速和位置发送至地面列车控制中心。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,监控中心依据预警信息,读取轨道区间的列车信息,对轨道区间内列车发出报警,并根据列车运行管制规则提供限速停运信息,并通知相关部进行紧急处理,待处理完毕,解除预警。
6.一种铁路沿线异物侵限无人机实时智能辨识和预警系统,其特征在于,包括:
监控中心,根据所辖区间内列车车型、线路坡度和实时速度实时计算无人机异物侵限检测装置与列车之间的距离,并发送给无人机异侵限监测装置;同时依据来自Kinect图像处理大数据中心发出的异物信息,对区间内运行列车发出相应级别预警信息;
所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器、超声波驱鸟器、探鸟雷达、无线通信模块和GPS模块;
Kinect图像处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集的图像信息进行处理,提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,包括图像采集模块、图像处理模块和无线通讯模块;
雷达处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集线路雷达反射波信息处理,提取雷达反射波特征,与数据库中鸟类反射波特征进行匹配,并对鸟类位置进行定位跟踪;
监控中心、Kinect图像处理大数据中心和雷达处理大数据中心按照权利要求1-5任一项所述的方法对无人机异物侵限检测装置进行控制,并对无人机异物侵限检测装置采集的信息进行处理。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述无人机异物侵限检测装置还设有LED补光灯。

说明书全文

一种路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于铁路轨道检测领域,特别涉及一种铁路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统。

背景技术

[0002] 铁路异物侵限对铁路行车安全的危害极其重大,轻者造成列车晚点,重者会给国家和人民带来严重的经济损失。近年,铁路沿线环境安全隐患日益突出,给人民生命和财产带来极大的安全险。据统计,铁路系统的故障属于设备本身故障的占20%,而外部环境带来的故障却占到了80%,导致火车晚点的原因大部分为“异物侵限”。随着铁路建设的快速发展,列车运行速度不断提高,对列车运行安全的要求也不断提高。
[0003] 异物侵限事件中侵限的异物主要分为两类:一类是受外或自然因素影响侵入铁路建筑限界的障碍物,此类侵限异物在侵入限界内后相对静止,如山体滑坡、泥石流塌方等造成的道上沙石,另一类是误入铁路建筑限界的生物类障碍物,此类侵限异物主要指类。现有的异物侵限监测方式有双电缆传感器监测方式、微波监测方式、红外线监测方式和视频监测方式。这些异物侵限方式的监测点一般设置在易发生落物的铁路地段,如跨铁路公路桥、隧道口、高速公路与铁路并行处、铁路正线等处所,在列车到达侵限地点前发出报警,控制列车限速停车,保证列车运行安全。但随着高铁路网规模的增大,近年来时有鸟类侵入铁路建筑限界,撞击运行中的高速列车,由于高铁沿线缺乏有效的驱鸟方法,鸟类撞击对高铁运行的影响日益受到重视。资料显示,2011年3月8日,G1024次高铁列车由广州南开往武汉,列车行驶到岳阳至武汉区间时,遭遇撞鸟事件,导致列车停运20多分钟;2012年7月29日,上海虹桥开往金华的D5663次列车在义乌境内发生过一次撞鸟事件,并导致列车停运10多分钟。鸟撞防治是世界性难题,国际航空联合会将鸟撞定为“A”类安全事故。撞击事件一般发生在鸟类起飞阶段,因此高铁受到鸟类撞击的概率比飞机受到撞击的概率更大,虽然驱鸟车等设备能尽量减少飞鸟撞击飞机的概率,但这个经验用在日渐拓展的高铁网络上,无疑显得捉襟见肘。目前的异物侵限监测方式主要针对上述的第一类侵限异物,而且只能检测到某一区段内异物侵限事件,有“监控盲区”。对于第二类异物侵限事件目前铁路并无有效监测手段。发明专利《铁路驱鸟系统》(申请号为201110155588.4,公开号为CNl02301991A),由安装在铁路上的驱鸟器和安装在高速列车上的控制台组成。当高速列车超过一定速度时,控制器启动数字信号发射器,反复向这些驱鸟器发射对应数字信号,启动这些驱鸟器驱赶鸟类。但由于需要在整条铁路沿线设置驱鸟装置,施工量大,且无法实现对鸟类的定向驱赶,并没有较大的实用性。
[0004] 这类异物侵限事件的发生具有突发性、无规律可循和不可预测等特点,这给异物侵限监测工作带来巨大的挑战,因此急需一种新型的铁路沿线异物侵限识别和预警方法及系统。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种铁路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统,其目的在于,实现对铁路沿线异物侵限的无盲区检测、降低铁路部安装沿线异物侵限检测系统的成本以及防止鸟类对运行的高速列车的威胁。
[0006] 一种铁路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法,包括以下步骤:
[0007] 步骤1:对铁路轨道进行等间距划分,每个轨道区间设置有监控单元,每个监控单元配置有1组无人机异物侵限检测装置;
[0008] 所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器阵列、声波驱鸟器、探鸟雷达、无线通信模和GPS模块;
[0009] 步骤2:当某监控单元所辖的线路区间内通过轨道电路检测到有列车通行时,监控中心向无人机异物侵限检测装置下达起飞指令,并把列车实时位置、实时速度发送给无人机异物侵限检测装置;
[0010] 步骤3:无人机异物侵限检测装置根据监控单元发送的列车实时位置和实时速度飞行到列车前方,并实时保持在距离列车S处;
[0011] 步骤4:当无人机异物侵限检测装置到达距离列车前方S处时,与列车保持同步跟踪状态后,无人机异物侵限检测装置开始检测工作,同步进行如下操作:
[0012] (1)利用Kinect传感器采集阵列开始采集所在位置的图像信息,并通过无线传输发送给Kinect图像处理大数据中心;
[0013] (2)利用探鸟雷达采集所在位置的雷达反射信息,并通过无线传输发送给雷达处理大数据中心
[0014] (3)根据监控中心发送的列车时速信息,调整自身飞行速度,与列车实时速度保持同步;
[0015] 步骤5:Kinect图像处理大数据中心和雷达处理大数据中心分别对各自接收的数据进行分析处理;
[0016] Kinect图像处理大数据中心对采集的图像信息提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,若发现可疑物,进入步骤6,否则重复步骤4;
[0017] 雷达处理大数据中心对采集的雷达反射信息提取雷达反射波特征,并与数据库中鸟类反射波特征进行匹配,若发现鸟类雷达反射波特征,进入步骤7,否则重复步骤4;
[0018] 步骤6:Kinect图像处理大数据中心对可疑物进行分类,并将异物GPS信息发送给监控中心,监控中心发出相应级别预警信息;
[0019] 步骤7:雷达处理大数据对雷达反射信息进行定位跟踪,计算鸟类所在空间位置,判断鸟类是否处于危险区域,危险区域是指与铁路轨道相隔距离为L所在的区间;
[0020] 若鸟类处于危险区域内,无人机异物侵限检测装置启动驱鸟模块,超声波驱鸟器开始持续工作,否则重复步骤4。
[0021] 进一步地,所述步骤3中无人机异物侵限检测装置实时保持在距离列车S处:S=Sk+Se;
[0022] 式中:Sk为紧急制动后列车空走距离;Se为紧急制动后列车有效制动距离
[0023] 监控中心基于轨道区段中列车的车型、速度及线路坡度信息,动态计算当前无人机异物侵限检测装置与列车的距离;
[0024] 列车与无人机异物侵限检测装置距离S即列车在紧急制动下的制动距离,在无人机异物侵限检测装置检测到轨道异物时发出预警,列车可以及时紧急停车,保证列车行车安全;
[0025] 进一步地,所述危险区域是指与铁路轨道相隔距离为L所在的区间,其中,vb为鸟类平均飞行速度,v为列车的速度。
[0026] 处于危险区域外的鸟类对列车正常运行没有影响,处于危险区域内的鸟类对列车的通行有威胁,无人机异物侵限检测装置使用超声波驱鸟器对处于危险区域内的鸟类进行定向驱赶。
[0027] 进一步地,当无人机异物侵限检测装置与待测量列车同步前行后,在待测量列车行驶至下个轨道区间时,无人机异物侵限检测装置进行任务交接,监控中心向待测量列车进入的最新轨道区间发出指令,使得该轨道区间的无人机异物侵限检测装置起飞同步跟踪待测量列车,原先飞行的无人机异物侵限检测装置进入该轨道区间,进行充电,并将待测量列车的实时车速和位置发送至地面列车控制中心。
[0028] 进一步地,监控中心依据预警信息,读取轨道区间的列车信息,对轨道区间内列车发出报警,并根据列车运行管制规则提供限速停运信息,并通知相关部门进行紧急处理,待处理完毕,解除预警。
[0029] 一种铁路沿线异物侵限无人机实时智能辨识和预警系统,包括:
[0030] 监控中心,根据所辖区间内列车车型、线路坡度和实时速度实时计算无人机异物侵限检测装置与列车之间的距离,并发送给无人机异侵限监测装置;同时依据来自Kinect图像处理大数据中心发出的异物信息,对区间内运行列车发出相应级别预警信息;
[0031] 所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器、超声波驱鸟器、探鸟雷达、无线通信模块和GPS模块;
[0032] Kinect图像处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集的图像信息进行处理,提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,包括图像采集模块、图像处理模块和无线通讯模块;
[0033] 雷达处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集线路雷达反射波信息处理,提取雷达反射波特征,与数据库中鸟类反射波特征进行匹配,并对鸟类位置进行定位跟踪;
[0034] 监控中心、Kinect图像处理大数据中心和雷达处理大数据中心按照上述的方法对无人机异物侵限检测装置进行控制,并对无人机异物侵限检测装置采集的信息进行处理。
[0035] 进一步地,所述无人机异物侵限检测装置还设有LED补光灯。
[0036] 有益效果
[0037] 本发明提供了一种铁路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法及系统,该方法通过引入无人机异物侵限检测装置对受控列车局部移动环境实现异物侵限检测,利用无人机异物侵限装置携带Kinect传感器、超声波驱鸟器、GPS装置、探鸟雷达,实时对线路图像处理和检测,及时发现异物侵限事件,提前采取应对措施,且不再需要在铁路沿线安装大量高成本的异物侵限监测站,也从技术方案上直接避免出现对铁路沿线异物侵限监测的盲区问题;根据探鸟雷达对鸟类的探测信息,利用无人机装置的机动性,采用超声波驱鸟装置实时处于危险区域内鸟类实现定向驱赶,提高列车的运营安全性。附图说明
[0038] 图1为本发明所述方法的流程图
[0039] 图2为本发明所述系统的结构示意图。

具体实施方式

[0040] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0041] 如图1所示,一种铁路沿线异物侵限无人机智能辨识和预警方法,包括以下步骤:
[0042] 步骤1:对铁路轨道进行等间距划分,每个轨道区间设置有监控单元,每个监控单元配置有1组无人机异物侵限检测装置;
[0043] 所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器、超声波驱鸟器、探鸟雷达、无线通信模块和GPS模块;
[0044] 步骤2:当某监控单元所辖的线路区间内通过轨道电路检测到有列车通行时,监控中心向无人机异物侵限检测装置下达起飞指令,并把列车实时位置、实时速度发送给无人机异物侵限检测装置;
[0045] 步骤3:无人机异物侵限检测装置根据监控单元发送的列车实时位置和实时速度飞行到列车前方,并实时保持在距离列车S处,S=Sk+Se;
[0046] 式中:Sk为紧急制动后列车空走距离;Se为紧急制动后列车有效制动距离;
[0047] 设动车组初速为160km/h,轨道无坡度,距离S计算如下:
[0048] 动车组的空走距离 动车组紧急制动空走时间tk取2.52s,根据动车组的初速度选取有效制动距离制动公式为 距
离S=Sk+Se=112+1018=1130m,无人机异物侵限检测装置位于当前列车前方1130m处;
[0049] 步骤4:当无人机异物侵限检测装置到达上述位置,并与列车保持同步跟踪状态后,无人机异物侵限检测装置开始检测工作,进行如下操作:
[0050] (1)无人机异物侵限检测装置携带的Kinect传感器采集阵列开始采集所在位置的图像信息,并通过无线传输发送给Kinect图像处理大数据中心;
[0051] (2)无人机异物侵限检测装置携带的探鸟雷达采集所在位置的雷达反射波信息,并通过无线传输发送给雷达处理大数据中心;
[0052] (3)无人机异物侵限检测装置根据监控中心发送的列车时速信息,调整自身飞行速度,与列车实时速度保持同步;
[0053] 步骤5:无人机异物侵限检测装置对采集的图像和音频信息传输后,各模块进行以下操作:
[0054] (1)Kinect图像处理大数据中心收到来自无人机异物侵限检测装置发送的图像信息,对采集的图像信息进行处理,提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,若发现可疑物,进入步骤6,否则重复步骤4;
[0055] (2)雷达处理大数据中心对采集的雷达反射信息进行处理,提取雷达反射波特征,并与数据库中鸟类反射波特征进行匹配,若发现鸟类雷达反射波特征,进入步骤7,否则重复步骤4;
[0056] 步骤6:Kinect图像处理大数据中心对可疑物进行分类,并将异物GPS信息发送给监控中心,监控中心发出相应级别预警信息,读取区间列车信息,对区间内列车提供报警,根据列车运行管制规则提供限速停运信息,并通知相关部门进行紧急处理,待处理完毕,解除预警;
[0057] 步骤7:雷达处理大数据对雷达反射信息进行定位跟踪,计算鸟类所在空间位置,判断鸟类是否处于危险区域,危险区域定义为与轨道距离为L所在的区间:
[0058] 式中,鸟类平均飞行速度为vb,列车速度为v,L为危险区域与铁路限界的距离;
[0059] 若探鸟雷达发现有鸟类距离铁路限界20m,当前列车速度为160km/h,鸟类飞行速度一般为30-70km/h,取最恶劣的情况vb=70km/h,危险区域距铁路限界距离鸟类处于危险区域,无人机异物侵限装置启动超声波驱鸟器对鸟类定向驱赶。
[0060] 步骤8:当无人机异物侵限检测装置与待测量列车同步前行后,在待测量列车行驶至下个轨道区间时,无人机异物侵限检测装置进行任务交接,监控中心向待测量列车进入的最新轨道区间发出指令,使得该轨道区间的无人机异物侵限检测装置起飞同步跟踪待测量列车,原先飞行的无人机异物侵限检测装置进入该轨道区间,进行充电,并将待测量列车的实时车速和位置发送至地面列车控制中心。
[0061] 如图2所示,监控中心,根据所辖区间内列车车型、线路坡度和实时速度实时计算无人机异物侵限检测装置与列车之间的距离,并发送给无人机异侵限监测装置;同时依据来自Kinect图像处理大数据中心发出的异物信息,对区间内运行列车发出相应级别预警信息;
[0062] 所述无人机异物侵限检测装置包括飞行装置及装载在飞行装置上的Kinect传感器、超声波驱鸟器、探鸟雷达、无线通信模块和GPS模块;
[0063] Kinect图像处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集的图像信息进行处理,提取图像背景信息,实时通过图像差分法判断当前图像中是否存在可疑物,包括图像采集模块、图像处理模块和无线通讯模块;
[0064] 雷达处理大数据中心用于对无人机异物侵限检测装置采集线路雷达反射波信息处理,提取雷达反射特征,与数据库中鸟类发射特征进行匹配,并对鸟类位置进行定位跟踪;
[0065] 监控中心、Kinect图像处理大数据中心和雷达处理大数据中心按照上述的方法对无人机异物侵限检测装置进行控制,并对无人机异物侵限检测装置采集的信息进行处理。
[0066] 所述无人机异物侵限检测装置还设有LED补光灯。
[0067] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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