FWCM激光雷达在轨道交通中列车自主感知的应用

根据统计，列车故障主要包括：信号故障、线路故障、车辆故障以及供电故障。而在线路故障中，轨道上的障碍物对行车安全有着重大影响。为保障人们的出行安全，应用激光雷达为列车增加一双眼睛，主动对列车行驶环境的安全隐患进行识别，从而使列车能及时采取措施，可极大程度上降低轨道交通运行的安全风险，全面提升运营效率。

1、激光雷达有什么技术优势？

激光雷达利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特性，进行障碍物与激光发射器之间传播距离的测定（如图1所示），通过分析障碍物自身的反射信息，获得障碍物精确的三维结构信息，从而实现对障碍物的无接触测量。

图1 激光雷达工作原理

利用激光雷达识别列车运行轨道上的障碍物，有如下优势：

（一）高精度、更丰富的障碍物信息

激光雷达因激光自身的波谱特性，探测精度最高可达毫米级，短时间内高频率的回波探测能够得到量级更大的点云数据。并且在每秒数以万计的返回数据里，包含了丰富的障碍物信息，如位置、速度信息、类别等。弥补了视觉和毫米波雷达检测技术的短板。

视觉和毫米波雷达等检测技术也常用于对障碍物的检测，其中视觉检测成本低，所需算法相对成熟，主要应用于汽车的自动驾驶领域。但是所获取到的图像不含深度信息，进而无法得到障碍物的位置信息。毫米波雷达能获得精度准确的障碍物速度，以及列车运行速度，却无法对障碍物进行类别的划分，容易误报、漏报。同时轨道侵限障碍物多为静态，障碍物的速度信息不是必需的，而列车的速度可由信号系统其他模块获取，所以毫米波雷达检测技术可作为选配项。由此可见，激光雷达在检测障碍物时技术优势突出。

（二）不依赖光照，抗干扰能力强

激光雷达由于主动式测量的工作方式，不受光照条件的影响，并且只定向接收指定区域的回波数据，对于其他干扰信号几乎不接收，有极强的抗干扰能力。

相对于汽车行驶的道路光照条件，轨道交通的列车在一些场景下较差。尤其在列车进出隧道时，会存在光照条件由明变暗到由暗变明的突然变化，此场景下视觉检测容易受到光照条件的影响，采集的图像无法使用。而激光雷达不依赖光照条件，能二十四小时正常工作。

（三）更能满足高性能检测需求

城市轨道交通运行的环境有其特殊性，例如：隧道光照不足，列车运行时速快等，进而对主动感知安全隐患有一些强制需求，即：最小探测距离、快速反应以及高精度（如下表所示）。

基于表一性能指标，视觉检测由于要结合算法处理大量的图像，降低了整个检测系统的实时性，最快响应时间超出了限制，而毫米波雷达对于障碍物的分辨率又极低。

激光雷达在高速率扫描列车运行前方环境时，实时更新障碍物相关信息，及时告知列车缩短了响应时间！同时，以探测到的大量点云数据做支撑，能够识别不同的障碍物，探测距离远，测距精确，可作为独立的检测手段，更能够满足轨道交通行业对主动式障碍物检测性能的需求！

2、轨道交通上用在何处？

激光雷达作为列车主动式障碍物检测系统（active obstacle detection）的重要一员，其保证了数据的丰富性和准确性，在轨道交通应用场景非常多，主要包括：轨道内入侵障碍物检测、屏蔽门非安全物检测、站台与列车间的安全防护、检测隧道变形等等。

在轨道内入侵障碍物检测中，传统的方式是通过人工巡检，发现障碍物进行上报。此外利用视觉检测结合人工分析视频，对入侵物进行辨别。这两种方式由于人工参与的因素，存在着实时性差，准确率无法保证等问题。

激光雷达则弥补了这些劣势，它实时性强、准确率高，可以检测到轨道内的坠落物、检修人员、隧道起火等异常，并通过列车主动式障碍物检测系统进行处理识别，将处理结果以报警形式发送给列车，使其采取相应措施进行避险。列车主动式障碍物检测系统示意图如图2所示。

图2 列车主动式障碍物检测系统

激光雷达在轨道交通的具体场景应用，以全自动无人驾驶系统中列车在雨雪模式和轧道车运行场景为例。

（1）雨雪模式下运营

由于雨雪等天气条件会对障碍物检测系统造成干扰，此时必须选择抗环境干扰能力强的激光雷达对障碍物进行检测。

（2）轧道车运行

列车在正线运行一圈完成轧道时，障碍物检测系统应识别到障碍物，对列车进行报警。但因正线区间存在较大的坡道、弯道和隧道入口等情况，将影响系统的检测距离和精度，选择激光雷达进行障碍物检测更能满足此场景需求。

3、镭智的部分产品指标。

FWCM激光雷达Insight系列：近距离，高精度。

FWCM激光雷达Vast系列：远距。

FWCM激光雷达Scenery系列：中距高速。

关键性能参数

3、总结

激光雷达抗环境干扰能力强、探测精度高以及探测距离远，应用于轨道车辆形成一套主动感知系统，让运行列车多了一双眼睛，可保障列车行驶安全！但是，当前激光雷达波长的应用多为中短距离，探测距离和精度存在局限性。而未来城轨交通将朝着更加智能化的方向发展，列车全自动无人自动驾驶系统会逐渐成为市场应用的主流。障碍物检测作为保证该系统安全的必要且有效手段，提出了检测距离更远、精度更高的性能需求。因而长距离波长的激光雷达会随着技术不断的成熟，将更好的服务于障碍物检测系统！