1方案背景

中国已经成为世界上规模最大、运营速度最高的高速铁路国家。截止2021年底，我国铁路运营总里程突破15万公里，其中高铁运营里程突破4万公里，路网规模大、覆盖不同气候和环境条件、运营场景复杂是我国铁路主要特点。近年来，我国已发生多起因高铁运行环境异常导致的行车安全事故，造成人民生命和财产重大损失，因此高铁运行安全防控极为重要。通对高铁事故分析归纳，典型危情场景包括周界入侵、落石侵限与自然灾害。

针对高速铁路运行环境安全保障，高铁实际运营中部署了多种监测系统。其中，自然灾害的监测系统应用广泛，效果显著，但是针对周界入侵与落石侵限两种典型场景的侵限监测却仍有不足。铁路异物入侵形式严峻，危害巨大，常见的入侵形式包括山体滑坡、动物入侵、异物飘落、行人穿行和人为破坏（包括切割铁轨、放置磁铁等）。

异物入侵的形式具有突发性、无规律性和难以预测性，一旦发生，危害巨大，继续一种可靠的监测手段，降低事故发生的概率。

2当前监测手段对比

目前针对铁路异物入侵的主要监测手段包括接触式光纤光栅传感器监测和非接触式成像监测。这两种手段各有优缺点，其中接触式光纤光栅传感器监测成本低、安装简单，能够灵活监测震动，但是安装需要翻动枕木\铁轨，并且仅能获取入侵时的震动，不能获得入侵障碍物的图像；而非接触式成像监测，目前主要以可见光为主，辅以红外热成像，其中红外热成像图像直观，但是无法分辨细节；而可见光摄像头虽然图像细节直观，但是需要外接自然光或LED补光辅助，夜晚无法工作，并且逆光容易国过曝。

在铁路现有视频监测系统中，摄像头摄像头占99.77%；红外热成像摄像机、等约占0.23%。视频监控的优点：1）价格便宜；2）光线充足的情况下，对焦好时可以清晰的分析物体的细节；3）具有色彩，可以分辨颜色。

视频监控的技术手段除了具有以上优点外，也有一些至今没有办法解决的问题缺点，主要包括以下几点：

• 与钢轨颜色相近的物体不易分辨，易漏报；
• 不能给出尺寸大小，无法确定报警等级；
• 远近不同（如1m和50m处）的目标不能同时清晰成像；
• 夜间视物模糊，易漏报；
• 明暗交界处视物模糊，易漏报；
• 强光/逆光易过曝，易漏报；

 摄像头视频监控体系难以适应现代铁路需求，需要更可靠的新型监测手段，而根据以下各种成像探测技术手段的对比，激光雷达具有综合性能最优的优势。

注1：依据铁总科技（2015）184文件，目标尺寸为0.2m*0.2m*0.2m；

3激光雷达监测方案

3.1激光雷达成像原理

激光雷达是一种主动式成像探测方式，其向目标发射探测脉冲激光，通过测量反射激光脉冲的到达时间、指向和频率等参数来确定目标的距离、大小和速度。利用了激光的单色性、方向性、和亮度高等优点。

激光雷达铁路成像优势：

• 高分辨率：高分辨率的角度（0.167°）、距离分辨精度（0.05m）
• 快速全区域三维成像: 全区域图像刷新频率高达25Hz
• 高准确度：准确获取障碍物尺寸、位置、速度
• 远距离探测：可达200m
• 高抗干扰能力：无惧逆光过曝、颜色相近、阴影等，可全天时、全天候

3.2激光雷达监测方案

自主研发了针对铁路监测用的二维激光雷达，并经过两代产品的迭代，产品定型，性能参数稳定，产品如下图所示：

基于自研的二维激光雷达，集成开发了铁路现场三维激光雷达线路障碍自动监测报警系统，并获得国家铁路产品质量监督检验中心检测报告认证；

方案技术优势：

• 核心传感器激光雷达采用快、慢轴准直镜压缩激光发散角，通过微纳光子筛光阑获得边缘锐利的光斑，实现激光雷达长距离、高分辨率的功能；
•  系统自研抗雨雪干扰算法，雨雪环境下，排除雨雪的干扰信号，实现激光雷达的抗干扰性能，保证激光雷达在大雨或大雪的情况下正常工作。

激光雷达除了能够自主探测入侵目标外，还可以与摄像头进行集成标定，将激光雷达探测的入侵目标位置角度信息传递给摄像机，指引摄像头进行目标摄像取证。

4.应用案例

• 构建全自主知识产权的激光雷达监测体系；
• 推进铁路监测方式升级换代；
• 完善铁路安监网络；
• 同时提供温度和雨量监测，为铁路防洪减灾提供数据支撑。