异物侵入检测装置和异物侵入检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路运营安全检测技术领域，特别是异物侵入检测装置和异物侵入检 测方法，具体地涉及一种基于单目相机组与单点激光测距的铁路异物侵入检测装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 随着我国高速铁路建设力度的日益加大，在新建铁路跨越或邻近既有线施工过程 中，经常发生机械、机具、人员及施工材料侵入既有线限界的情况，对既有线的安全运行造 成极大的安全隐患。同时，在山区和隧道出入口，经常存在落石等突发危害，严重危及铁路 运输安全。因此，准确及时地检测侵入轨道限界的异物是保证轨道交通安全运营的关键，按 检测原理可以分为接触式和非接触式两种。
[0003] 应用较成熟的是接触式的防护网技术，根据检测防护网类型可分为电网检测（如 申请号 201210172059. X，200910242554. 1，201210282394. 5)和光纤检测（如【申请号】 201110406903. 6, 200910272765. X)等方式。接触式的防护网在铁路建设期大范围安装较 为困难，同时由于建设期施工情况较为复杂，例如在工作天窗可能存在侵限作业，防护网使 用不便，而且一旦破损及时修复较为困难。该技术只能检测掉落在防护网上的较大物体，对 于纤细的钢筋和越过防护网掉落到轨道平面的物体无法检测，也无法判断物体的大小与位 置。
[0004] 非接触式检测方法包括基于红外、激光、微波和视频的方法，红外和激光多采用幕 墙方案。例如，西班牙的高速铁路在隧道口等容易发生异物侵限（如落石）的路段，安装了 基于红外线光幕的落物监测系统，专利号为201010230606.6的发明专利公开了利用二维 激光传感器构建激光幕墙的非接触式铁路异物侵入检测系统，这两种方法可以准确检测穿 过检测幕墙的物体，但对空间物体无能为力。专利号为201010504665. 8的发明专利公开了 一种利用雷达进行铁路异物侵限检测的装置。上述这些专利公开的异物检测方法检测范围 都比较小，多用于重点地段的检测，无法实现大范围内全线覆盖的异物侵入检测。
[0005] 基于视频的入侵检测广泛应用于安防领域，这些设备大多采用单一摄像机进行监 测，事先划定区域并利用图像处理方法区分物体处于区域内还是区域外，还可实现侵入物 体的跟踪。在轨道交通领域，基于视频图像的应用与研究主要集中在道口、站台等轨道交 通线路关键地段的障碍物检测，各国都针对这些关键地段的线路状态监控开展了广泛的研 究，并提出了一些方案和应用。西南交通大学的兰培强等人提出通过架设在铁路道口的摄 像机与DSP处理系统，运用现代智能监控的方法，对穿越铁路道口的行人进行检测，向远方 一定距离内的机车发出无线报警信号，使机车可以提前获得道口情况而及时采取动作。系 统主要的功能包括：运动目标检测和运动目标的运动趋势判定，若目标走向铁轨，则报警； 若目标离开铁轨，则不报警。实验结果显示，在准确检测出铁轨中心线的前提下，该系统软 件能很好地检测有无运动目标出现，并且能够智能地判定其是走向铁轨还是离开铁轨，进 而综合这些情况，有效地进行报警。但是该系统对于道口铁轨区域静止障碍物、弯道区域动 目标和静目标，还无法有效的检测。东日本铁路公司还为道口和车站开发测试了一套障碍 物监控设备。这套设备可以最大限度的减小阴影和列车灯光对系统工作的影响。
[0006] 在上述国内外的研究和应用中，均采用单目相机实现图像获取，为了达到一定的 位置及大小分辨率，单个相机监测范围非常有限，采用多个相机进行铁路监测存在布线复 杂的问题，同时，应用单个相机进行物体位置判断时无法确定物体的三维位置及大小，容易 产生误报警。
[0007] 因此，现有技术中存在着对于线限界内可能出现的异物无法进行实时且精确监测 的问题。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术中存在的问题中的至少部分或全部，实现优于现有技术的有益 技术效果，实现了本发明。
[0009] 根据本发明的一个方面，一种异物侵入检测装置，包括至少一个单目相机、单点激 光测距仪、激光追踪控制系统、图像采集处理系统，其中：所述至少一个单目相机配置成，将 各自监测范围内的图像传输至所述图像采集处理系统；所述激光追踪控制系统配置成，控 制所述单点激光测距仪按照一旋转角度和一俯仰角度进行相应的旋转和俯仰动作，以使得 所述单点激光测距仪测量异物到达所述单点激光测距仪的直线距离，并且将测得的所述直 线距离传输至所述图像采集处理系统；所述图像采集处理系统配置成，根据从所述至少一 个单目相机接收的图像判断各个单目相机的监测范围内是否出现疑似异物并且在出现疑 似异物的情况下进行如下操作：a)获取疑似异物图像和疑似异物像点；b)计算所述疑似异 物在相应单目相机的相机坐标中的位置及方位角；c)利用计算出的所述位置和方位角，计 算用于所述单点激光测距仪的所述旋转角度和所述俯仰角度；d)所述图像采集处理系统 从所述激光追踪控制系统接收所述疑似异物像点到达所述单点激光测距仪的所述直线距 离，并且利用其所接收的所述直线距离和所述疑似异物图像，复原所述疑似异物的实际位 置和实际尺寸，从而判断所述疑似异物是否为侵入异物。
[0010] 进一步地，所述至少一个单目相机是多个单目相机并构成单目相机组，所述单目 相机组中的各个单目相机设置成使相邻单目相机的图像覆盖范围部分地重合，从而相比于 单一单目相机，所述单目相机组无缝地覆盖更大的图像范围。
[0011] 进一步地，所述多个单目相机安装在同一机箱内且它们之间的位置关系是固定 的，各个单目相机的俯仰角度和焦距能够各不相同。
[0012] 进一步地，所述至少一个单目相机容纳在机箱内，所述激光测距仪安装在所述机 箱的顶部或侧面，通过标定获取所述激光测距仪相对于所述机箱的初始位置。
[0013] 进一步地，所述激光追踪控制系统包括具有俯仰机构、旋转机构和致动机构的云 台，所述云台载有所述单点激光测距仪并且配置成根据所接收的旋转角度和俯仰角度使所 述单点激光测距仪进行旋转和俯仰动作。
[0014] 进一步地，判断各个单目相机的监测范围内是否出现疑似异物的操作包括：基于 各相机图像序列的背景更新和基于背景差分的异物检测，如果两帧图像之差大于预定阈 值，则确定所述监测范围内出现疑似异物。
[0015] 进一步地，所述疑似异物像点为所述疑似异物图像的质心。
[0016] 进一步地，所述图像采集处理系统在计算所述疑似异物在相应单目相机的相机坐 标中的位置及方位角时，假设所述疑似异物位于地面上而计算所述位置及所述方位角。
[0017] 进一步地，所述激光测距仪的测距范围能够覆盖位于所述至少一个单目相机所覆 盖的图像监测范围内的任何位置。
[0018] 根据本发明的另一方面，提供一种异物侵入检测方法，包括如下步骤：设置至少