Jste zde

3D detekce překážek na vlakových přejezdech

Antonín Vojáček, 6. Říjen 2020 - 19:22

Mezi zajímavé aplikace strojového vidění v podobě laserového radaru patří snímání objektů na vlakových přejezdech. Pomocí jednoho snímače lze detekovat přítomnost vozidel, osob i libovolných předmětů a tak zabránit jejich srážce s vlakem.

Problematika zabezpečení železničních přejezdů

Zvláště v posledních letech se zvýšeným počtem vážných nehod na vlakových přejezdech začala s větším důrazem řešit problematika právě zabezpečení přejezdu. Tuto problematiku lze v zásadě řešit dvěma způsoby: maximalizací zabránění vjezdu řidiči, cyklistů či chodců na trať v době blížícího se vlaku a zavedením detekce objektů a jejich včasné signalizace pro vlaky, aby byly schopny ještě včas zastavit.

Problém zajištění přejezdu proti vstupu či vjezdu před přijíždějícím vlakem lze provést jednak pasivním dopravním značením a školením lidí, aktivním dopravním značením (signalizací) nebo aktivními zábranami (závorami), které v určité míře přejezd před příjezdem vlaku "zaterasí". Nicméně, aby bylo možné zcela vyloučit vjezd či vstup na přejezd, musely by být závory v podobě velkých a vysokých mechanických zábran, což se ale zase neslučuje s požadavky na jejich rychlé časté ovládání. Ve výsledku tak prostě nikdy nelze 100% zajistit, aby nikdo na přejezd před vlak nevstoupil, což je z množství takových přestupků dost patrné.

Situaci by tak mohla vylepšit automatická detekce přítomnosti překážek na přejezdech, ať tou překážkou je cokoliv, a jejich signalizaci do přijíždějícího vlaku. Jde o to, že signalizace musí být schopna "vidět" překážku ještě dříve, než se vlak přiblíží k přejezdu na opticky viditelnou vzdálenost. Problém je v obrovské brzdné vzdálenosti většiny vlaků, díky jejich vysoké hmotnosti a omezené adheze mezi jeho kovovými koly a kolejnicemi. Z toho je patrné, že nelze zabránit střetu, pokud se překážka na koleje dostane těsně před vlakem. Nicméně je možné alespoň detekovat předměty, které se na přejezdu z nějakého důvodu "zasekly na přejezdu" v době, kdy vlak je ještě dostatečně daleko, aby mohlo zastavit. Ideálním stavem je automatické zastavení vlaku po příjmu alarmového hlášení bez nutnosti zásahu strojvůdce.

3D laserový detekční radar

3D laserový detekční radar je založen na okamžité zachycení profilu, polohy a jakékoli přítomnosti pohybu objektu za účelem zvýšení bezpečnosti. Proti ostatním technologiím tzv. strojového vidění (např. optických kamer) 3D laserový radar je schopen poskytovat konzistentní, spolehlivé výsledky detekce v reálném čase bez ohledu na podmínky prostředí, jako je špatné osvětlení a hustá železnice nebo sněžení.

Princip funkce 3D laserového skeneru je založen na principu tzv. TOF (Time-of-Flight), kde se měří čas potřebný k návratu emitovaného laserového světla odraženého od cílového předmětu zpět do radaru (do jeho přijímače). Změřený čas pak určuje vzdálenost mezi překážkou a hlavou / přijímače 3D laserového radaru. Pomocí tzv. rozmítání pulzního laserového paprsku dvou směrech, kdy se postupně laserový paprsek vysílán na různá místa, je schopen skenovat celou detekční oblast z jednoho stacionárního místa. Rozmítání se provádí postupným nastavováním úhlů vyzařování pulsu laserového paprsku ve dvou osách.

Ukázka principu rozmítaní pulzního laserového paprsku pro skenování prostoru přejezdu.

Poté se v elektronice radaru provede přepočet vyzařovaných úhlů a zjištěných TOF časů paprsků na klasické 3D souřadnice (X, Y, Z) každého jednotlivého naskenovaného bodu. Tak vznikne základní 3D obraz skenovaného prostoru s jemností odpovídající kroku rozmítání laserového paprsku.

Následným postupným porovnáváním jednotlivých 3D obrazů v jednotlivých časových momentech s 3D "referenčními" obrazy bez detekovaných předmětů lze vyhodnocovat probíhající změny v hlídaném prostoru. Někdy se využívá také informace o intenzitě přijatého každého odraženého paprsku, která je úměrná odrazivosti daného místa kam paprsek dopadl, což může významně vylepšit detekci díky využitím jasu a kontrastu ve vzniklém obrazu.

Hlavní výhodou TOF technologie 3D laserového snímání proti vyhodnocení 2D kamerového obrazu / videa je fakt, že lze spolehlivě detekovat i předměty, které vykazují stejnou barvu i odrazivost jako jeho okolí a tedy ani dokonalé barevné mimikry 3D laser skener nemate a objekt bude spolehlivě detekován na základě jeho prostorového tvaru / objemu.

SelectraVision LXS 3D

Mezi jednoho z výrobců 3D laserového detekčních systémů pro vlakové přejezdy je společnost Selvistec Srl. Ta nabízí svůj systém označený jako SelectraVision LXS 3D a popisuje jako "3D dozorový systém pro detekci překážek na přejezdu".

Snímací radarová jednotka je určena pro instalaci stožár u přejezdu tak, aby měla na oblast kolejiště přejezdu ideálně neomezený výhled. V době instalace detekčního systému se naskenuje oblast přejezdu, když je prázdná, a skeny uloží jako referenční snímky prázdné oblasti přejezdu bez překážek. Následně systém během provozu detekuje všechny objekty stojící nebo se pohybující kontrolované oblasti, jako jsou např. vozidla nebo lidé. Systém skenuje celou oblast přejezdu a posuzuje objekty podle jejich objemu. Pokud je uvnitř oblasti detekován nějaký objekt jehož objem je značný, systém odešle alarmová hlášení. Například může upozornit strojvůdce vlaku, když se blíží k danému přejezdu.

Ukázka detekce vozidla a člověka v kolejišti přejezdu z různých míst pomocí kombinace kamerového a 3D laserového systému SelectraVision.

Systém lze navíc kombinovat i s "klasickým" kamerovým záznamem a tedy například 3D radarem detekovat objekt a současně s alarmovým hlášením i vyslat klasický reálný kamerový obraz dané situace.

Příklad použití kombinované 3D detekce s kamerovým záznamem s přenosem alarmu do vlaku.

IHI 3D Laser Radar (3DLR)

Mezi další výrobce 3D laserového radarového systému je i společnost IHI. Hlavní aplikací jejich 3D Laser Radaru (3DLR) je právě systém detekce překážek na vlakových přejezdech. K dnešnímu dni bylo dle údajů výrobce po celém světě dodáno více než 2 000 jednotek.

Dle informací výrobce je systémová architektura radaru 3DLR skládá z hlavní snímací jednotky a řídicí jednotky. Hlavní jednotka je schopna pokrýt monitorovací oblast mezi 5 až 30 metry od své instalační polohy mimo oblast kolejiště. Ve většině případů tato schopnost umožňuje pokrytí celé požadované oblasti detekce pouze jednou hlavní jednotkou 3DLR, což snižuje celkové náklady obvykle zvýšené instalací více senzorů. Nasazení IHI algoritmu detekce pohybujících se objektů umožňuje nepřetržitou přesnou detekci objektů, dokonce i těch, které zůstaly po dlouhou dobu nehybné. Navíc díky své jedinečné metodě eliminace šumu nejsou schopnosti detekce překážek 3DLR ovlivněny světelnými a povětrnostními podmínkami jeho prostředí. To a i díky své přesné schopnosti detekce v reálném čase je 3DLR obdařena nejvyšší úrovní certifikace SIL 4 dle definovaných mezinárodního standardu IEC 61508 pro realizaci vysoce spolehlivým bezpečnostním řešením pro trh železničních přejezdů.

Detekční 3D laserový systém IHI 3DLR.

Závěr

Systém založení na instalování 3D laserového skeneru na nějaké vyvýšením místě / sloupu nad přejezdem umožňuje detailní kontrolu celé oblasti přejezdu, ať již se případná překážka (objekt, člověk či zvíře) dostane na přejezd z libovolného směru. Je to tedy výrazně spolehlivější systém detekce, než jen například instalace elektronických optických závor, které jsou schopné jen detekovat, že někdo či něco prošlo prostorem do kolejiště ve směru křižující silnice. Klasické kamerové systémy monitorující přejezd jsou sice dobré pro případné vyšetřování nehody, ale zejména v noci a za špatného počasí jsou pro přímou automatickou detekci objektů na přejezdech méně spolehlivé.

Postupně by se na všech železničních přejezdech, zejména těch s vysokorychlostní přepravou, měl být tento 3D systém instalován a bezdrátovým přenosem napojen na řídící jednotku vlaků pro zajištění automatického brždění vlaku. Tím by se maximálně eliminovala chyba člověka na jakéhokoliv straně systému. Takové zabezpečení sice není zcela schopno eliminovat nehody, pokud někdo vstoupí nebo v jeden před vlak ve vzdálenosti, kdy již vlak není schopen zastavit. Nicméně každý prostředek, který může nehodě zabránit a nebo alespoň snížit její následky, aby měl být na železničních přejezdech implementován. V těchto nehodách obvykle jde o velké množství životů a obrovské finanční náklady, takže se náklady s tím spojené měly vyplatit...