Устройство считывания сигнала светофора
TRAFFIC LIGHT READER

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики, и может быть использовано в системах безопасности движения для предотвращения проезда локомотива на запрещающий сигнал железнодорожного светофора.
Известно устройство распознавания светофора, содержащее модуль формирования изображения, установленный в транспортном средстве и выполненный с возможностью получать изображение посредством формирования изображения окружения транспортного средства, модуль обнаружения собственной позиции, выполненный с возможностью обнаруживать (определять) собственную позицию транспортного средства, модуль обнаружения светофора, выполненный с возможностью обнаруживать (распознавать, захватывать) в изображении светофор около транспортного средства, модуль идентификации светофора, выполненный с возможностью идентифицировать два или более светофоров около транспортного средства и которые, как прогнозируется, должны быть захвачены в изображении, на основе собственной позиции и картографической информации, содержащей позиционную информацию по светофорам, и модуль назначения уровня приоритета, выполненный с возможностью назначать уровень приоритета каждому из двух или более светофоров, идентифицированных посредством модуля идентификации светофора, на основе вероятности загораживания светофора в зоне видимости, при этом, когда модуль идентификации светофора идентифицирует два или более светофоров, модуль обнаружения светофора обнаруживает, в изображении, светофор с наивысшим уровнем приоритета среди двух или более светофоров (RU2639851С1, G08G 1/09, 22.12.2017).
Известное устройство распознает светофоры по изображениям, полученным с видеокамер, устанавливаемых в автомобилях.
Недостатком системы является то, что для распознавания очертаний светофора требуется большая вычислительная мощность и необходима заранее подготовленная база образов распознавания.
Кроме того, система не дает гарантированного распознавания светофоров при неблагоприятных погодных условиях и в условиях ночного времени суток.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является программно-аппаратный комплекс детекции и идентификации световой сигнализации (ПАК ДИСС), включающий видеомодуль с использованием технологии компьютерного зрения (Ю.А. Иванов, Технологии компьютерного зрения для детекции световой сигнализации, Железнодорожный транспорт.- 2012. -№12). ПАК ДИСС позволяет снизить влияние «человеческого фактора» в процессе ведения локомотива, что в комплексе с АЛС увеличивает безопасность передвижения на железных дорогах. Использование технологий компьютерного зрения в видео модуле ПАК ДИСС дает возможность во время регистрации видео последовательности автоматически проводить анализ изображения на наличие светофора, одновременно определяя его показания.
Однако, алгоритм распознавания световой сигнализации представляет собой процесс совместной работы нескольких алгоритмов, работающих на мощном вычислительном устройстве. Выделение световых характеристик (СХ) образа светофора является основным алгоритмом в распознавании сигнала светофора. В свою очередь, СХ определяют с помощью колориметрических методов для получения объективных количественных оценок характеристик цвета и цветовых различий. При нормировке области СХ светофоров необходимо принять область СХ световой сигнализации, применяемых на Российских железных дорогах. Это позволит проводить стандартизованную цветовую классификацию световой сигнализации с помощью технологий компьютерного зрения. Координаты угловых точек допустимых областей цветности по каждому цвету должны соответствовать указанным значениям в таблице 1.
Таблица 1. Координаты угловых точек допустимых областей цветности.
Цвет светофильтра
Координаты угловых точек допустимых областей цветности
X<sub>1</sub>
Y<sub>1</sub>
X<sub>2</sub>
Y<sub>2</sub>
X<sub>3</sub>
Y<sub>3</sub>
X<sub>4</sub>
Y<sub>4</sub>
Красный
0,735
0,265
0,710
0,290
0,704
0,290
0,725
0,267
Желтый
0,6170,610<sup>*</sup>
0,3830,390<sup>*</sup>
0,5610,561
0,4390,439
0,5450,545
0,4270,427
0,6040,600<sup>*</sup>
0,3830,390<sup>*</sup>
Зеленый
0,241
0,756
0,022
0,420
0,206
0,376
0,300
0,490
Синий
0,108
0,090
0,144
0,030
0,175
0,081
0,175
0,152
Лунно-бел.
0,310
0,335
0,310
0,306
0,450
0,390
0,450
0,420
Для оценки красного цвета используют при анализе координат цветности расширенно допустимую область цветности с длиной волны от 625 до 630 нм, применяемую для светодиодных светофоров. Для проведения адаптивного распознавания сигнала выполняют определение области интереса. Для этого в обучающем режиме выполняется выделение цвета интересуемой области и цвета фона.
Анализ величины сигнал/шум значений интенсивности на гистограммах цветовых компонент дает возможность, с определенной долей вероятности, рассчитать критерий выбора цветовой составляющей выделенной области интереса. Для удовлетворительного выполнения определения цветности области интереса на изображении в цветовом пространстве RGB переводят его в цветовое пространство CIELab и оценивают яркостные характеристики с помощью величин:
- средняя яркость;
- среднеквадратическое отклонение σ;
- медиана Md.
Недостатком технического решения является низкая точность определения цвета показаний светофора из-за ограничения характеристик цвета заданными характеристикам цветового профиля используемого в видеомодуле. Кроме того, известный комплекс достаточно сложен в реализации.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении устройства считывания светофора и в повышении точности определения запрещающего сигнала светофора на железнодорожном транспорте за счет анализа спектра цвета светового потока с использованием математических способов обработки, что позволит предотвратить проезд локомотивом запрещающий сигнал светофора путем дополнительного оповещения машиниста, что увеличивает безопасность передвижения на железных дорогах.
Технический результат достигается тем, что устройство считывания сигнала светофора содержит по меньшей мере один оптический блок, включающий оптическую систему и комплексный датчик цвета для распознавания спектра цвета светового потока и установленный в кабине машиниста или на внешней поверхности кузова локомотива поезда в защищенном от внешних климатических факторов боксе, и блок обработки, при этом оптическая система включает бленду, щелевой оптический приемник, выполненный с возможностью формирования пучка световых волн, коллиматорную линзу и спектральную призму или дифракционную решетку, комплексный датчик цвета состоит из линейки фоточувствительных датчиков и расположен таким образом, чтобы световая полоса от спектральной призмы или дифракционной решетки освещала линейку фоточувствительных датчиков, блок обработки выполнен с возможностью анализа спектра цвета светового потока, выделенного фоточувствительными датчиками, с применением оценочной дельта-видной функции для выделения преимущественного цвета светового потока и определения области координат цветового локуса, характерной для соответствующего цвета сигнала светофора, путем наложения цветовых координат выделенного цвета на цветовой локус, формирования и передачи информационного сообщения для оповещения машиниста при соответствии координат области цветового локуса области координат цвета запрещающего сигнала светофора.
Одна из реализаций устройства с целью повышения точности определения сигнала светофора дополнительно содержит блок измерения уровня фоновой освещенности, установленный в боксе, выходом подключенный к соответствующему входу блока обработки, выполненного с возможностью коррекции спектра цвета светового потока с учетом фоновой освещенности.
Для определения сигнала светофора на маршруте следования устройство дополнительно содержит установленный в боксе блок выделения идентификационных характеристик светофоров на маршруте следования локомотива, подключенный к соответствующему входу блока обработки, и блок памяти, включающий идентификационные признаки светофоров на маршруте следование локомотива, подключенный входом/выходом к входу/выходу блока обработки.
Для регистрации показаний светофоров на маршруте следования в одной реализаций устройства выход блока обработки связан с соответствующим входом бортового компьютера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 отображена структурная схема варианта реализации устройства считывания сигнала светофора, на фиг.2 структурная схема варианта реализации оптического блока устройства считывания сигнала, на фиг.3 - структурная схема другого варианта реализации оптического блока.
Устройство считывания сигнала светофора содержит по меньшей мере один оптический блок 1, включающий оптическую систему 2 и комплексный датчик 3 цвета для распознавания спектра цвета светового потока и установленный в кабине машиниста или на внешней поверхности кузова локомотива поезда в защищенном от внешних климатических факторов боксе (на чертеже не показан) и блок 4 обработки, соответствующие входы которого подключены к выходам блока 5 измерения фоновой освещенности и блока 6 определения идентификационных характеристик светофоров, выход/вход - к входу/выходу блока 7 памяти.
Блок 4 обработки связан с бортовой цифровой вычислительной машиной.
При этом оптическая система 2 включает бленду 8, щелевой оптический приемник 9, выполненный с возможностью формирования пучка световых волн, коллиматорную линзу 10 и спектральную призму 11 (фиг.2) или дифракционную решетку 13 (фиг.3).
Щелевой оптический приемник 9 выполнен с возможностью формирования пучка световых волн цилиндрической формы.
Комплексный датчик 3 цвета состоит из линейки фоточувствительных датчиков и расположен таким образом, чтобы световая полоса от спектральной призмы 11 или дифракционной решетки 13 освещала линейку фоточувствительных датчиков.
Блок 4 обработки выполнен с возможностью анализа спектра цвета светового потока, выделенного фоточувствительными датчиками, с применением оценочной дельта-видной функции для выделения преимущественного цвета светового потока и определения области координат цветового локуса, характерной для соответствующего цвета сигнала светофора, путем наложения цветовых координат выделенного цвета на цветовой локус, формирования и передачи информационного сообщения для оповещения машиниста при соответствии координат области цветового локуса области координат цвета запрещающего сигнала светофора.
Оптический блок 1 установлен либо в кабине машиниста, либо на фронтальной плоскости локомотива (под окнами кабины машиниста) в защищенном от внешних климатических факторов боксе.
Устройство считывания сигнала светофора работает следующим образом.
Оптическая система 2 осуществляет формирование светового потока и передает его на комплексный датчик 3.
С помощью бленды 8 осуществляется ограничение фоновой засветки от посторонних источников света и ограничивается поле зрения для недопущения попадания на датчик 3 светового потока от светофоров соседних участков пути. С помощью щелевого приемника 9, устроенного по принципу работы «камеры-обскуры», формируется пучок световых волн цилиндрической формы. Пучок световых волн преобразуется в совокупность волн плоской формы с помощью коллиматорной линзы 10 и попадает на спектральную призму 11 или/дифракционную решетку 13, с помощью которых формируется спектр оптического сигнала. При этом световые волны с меньшей длины волны отклоняются больше, чем световые волны с меньшей длиной волны.
Сформированный спектр оптического сигнала видим человеческим глазом как световая полоса, состоящая из полос света с различными цветовыми составляющими и длинами волн, проецируется с помощью линзы 12 на комплексный датчик 3.
Комплексный датчик 3 цвета для распознавания цвета спектра светового потока состоит из линейки фоточувствительных датчиков, чувствительных к цветовым составляющим входного светового потока, и расположен так, чтобы световая полоса с цветовыми составляющими и длинами волн освещала чувствительную часть линейки фоточувствительных датчиков. Подобные датчики применяются в видеокамерах, но представляют собой матрицу светочувствительных датчиков, что для данного применения избыточно.
Порядковый номер фоточувствительного датчика в линейке соответствует определенной длине волны измеряемого сигнала. Конкретные значения длин волн определяются при калибровке комплексного датчика 3.
Блок 4 обработки представляет собой микро-ЭВМ.
При попадании цветовых составляющих светового пучка на поверхность фоточувствительных датчиков комплексный датчик 3 вырабатывает сигнал различной интенсивности, который оцифровывается и передается в блок 4 обработки. Световой спектр входного оптического сигнала будет неравномерным, с максимумом интенсивности излучения, соответствующим одному из цветов светового спектра с определенной длиной волны.
Блок 4 обработки анализирует интенсивности цветовых составляющих светового пучка с применением матричной оценочной функции, и его значение сопоставляет со значениями сигналов, соответствующих определенным показаниям железнодорожного светофора (Красный, Желтый, Зеленый, Белый, Синий). Оценочная функция является матричной дельта-видной функцией или цифровым фильтром, повышающим точность распознавания сигналов светофора.
При совпадении сигнала выделенные (зафиксированные) значения длин волн преобразуются в цветовые координаты на цветовом локусе, которые однозначно могут быть идентифицированы с координатами цвета сигнала светофора (см. ГОСТ Р 56057-2014, табл.11 и ГОСТ Р 53784-2010, табл.14), включая цветовые координаты запрещающего сигнала светофора.
Устройство считывания сигнала светофора работает непрерывно и осуществляет постоянный мониторинг светосигнальной обстановки с помощью, по меньшей мере, одного оптического блока 1, имеющей «поле зрения», ограниченное заданными углами.
Устройство считывания сигнала светофора содержит один оптический блок 1 или группу оптических блоков 1. Для определения сигнала светофора на прямолинейном участке железной дороги считывание сигнала светофора производится по продольной оси транспортного средства, без отклонения в горизонтальной плоскости. Для определения сигнала светофора при прохождении железнодорожным транспортным средством (локомотивом поезда) криволинейных участков блоки 1 выполнены с возможностью отклонения в горизонтальной плоскости влево или вправо (в зависимости от искривления пути влево или вправо). Угол отклонения оптических систем для формирования светового потока в группе оптических блоков 1 определяется максимальным углом кривизны пути, переключение производится с применением бортового вычислительного комплекса в зависимости от путевой карты маршрута следования транспортного средства.
Углы ограничения «поля зрения» зависят от длины тормозного пути, который в свою очередь зависит от скорости проезда на участке пути и массы транспортного средства (состава вагонов и локомотива). Расстояние до светофора и скорость транспортного средства определяется с помощью блока лазерной подсветки. При средней длине тормозного пути 800 метров минимальный угол ограничения поля зрения составляет порядка десятков угловых минут.При приближении к светофору угол ограничения поля зрения увеличивается, поле зрения расширяется.
Попадающий в поле зрения оптической системы 2 световой поток содержит световые волны с различной длиной цвета. В поле зрения оптической системы 2 попадают световые волны от естественных и искусственных источников света, а также отраженный свет от цветовых поверхностей строений, сооружений, различных подвижных объектов включая транспортные средства, людей и животных, объекты железнодорожной инфраструктуры.
Цвет сигналов светофора распознается с применением комплексного датчика 3 цвета, на поверхность которого попадает свет из оптической системы 2 устройства, и обрабатывается с помощью блока 4 обработки. При выявлении запрещающего сигнала светофора блок 4 формирует и передает информационное сообщение для оповещения машиниста, которое отображается системой (звукового и светового) оповещения машиниста, а также передает по каналу передачи данных в бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) для регистрации данных о показаниях светофоров на маршруте следования поезда для сохранения в файле регистрации параметров движения.
Кроме того, показания запрещающего сигнала светофора блок 4 обработки передает на интерфейс системы диспетчеризации и централизации для дальнейшей обработки с целью принятия решения о принудительной остановке железнодорожного транспортного средства.
Блок измерения фоновой освещенности оборудован фоточувствительным датчиком, установлен в боксе и выходом подключен соответствующему входу блока 4 обработки. Фоточувствительный датчик (датчик фоновой засветки) преобразует уровень интенсивности фонового освещения в числовое значение, которое может быть учтено в формуле дельта-видной функции. Формула применяется при расчете в блоке 4 обработки с возможностью коррекции результатов обработки спектра цвета с учетом фоновой освещенности.
Блок 6 определения идентификационных характеристик светофоров включает фоточувствительный датчик для выделения идентификационных характеристик светофоров из передаваемого «пилот-тона» светофора и установлен в боксе.
«Пилот-тон» передается светофорным модулем светофора постоянно, модулируя основной оптический сигнал светофора. Сигнал принимается фоточувствительным датчиком блока 6. Выход блока 6 подключен к соответствующему входу блока 4 обработки. Фоточувствительный датчик блока 6 распознает пульсации светового потока светофора, а в блоке 4 обработки пульсации преобразуются в числовой код. Блок 4 обработки запрашивает из блока 7 памяти данные об идентификационных параметрах светофоров на маршруте следования транспортного средства (локомотива поезда) и при совпадении идентификационных характеристик светофора, считанного фоточувствительным датчиком блока 6, с данными идентификационных характеристик светофора, сохраненных в памяти блока 7, фиксирует факт приближения транспортного средства к железнодорожному светофору на маршруте следования.
Устройство может включать блок лазерной подсветки и чувствительный к лазерному излучению датчик (вместе - «лидар»), установленный в боксе и выходом подключенный к соответствующему входу блока 4 обработки (на чертеже не показан) и предназначен для определения расстояния и скорости приближения до возможного местоположения (железнодорожного) светофора по ходу движения транспортного средства (локомотива), то есть для сравнения с результатами расчета тормозного пути транспортного средства и уточнения времени предупреждения машиниста о запрещающем сигнале светофора. Направление лазерной подсветки сориентировано так, чтобы в область подсветки попал светофор с мачтой и фундаментом. При этом при подъезде транспортного средства к светофору часть лазерного излучения отразится от частей светофора (мачты, фундамента, щита или козырька светофора) и будет зарегистрировано датчиком лазерного излучения. Задержка сигнала будет зафиксирована блоком 4 обработки и по задержке будет установлено расстояние до светофора. По нескольким измерениям задержки блок 4 обработки рассчитывает скорость приближения. С учетом текущего расстояния до светофора и скорости приближения транспортного средства блок 4 обработки рассчитывает вероятностный проезд запрещающего сигнала светофора и подан предупреждающий сигнал.
В отличие от систем компьютерного зрения результат достигается за счет использования соответствующего математического аппарата и физических свойств света и не зависит от применяемых вероятностных алгоритмов и мощности блока обработки
Оценочная функция является математической моделью персептрона (нейронной сети), применяемого при распознавании номеров вагонов, номеров почтовых отправлений и обладает высокой вероятностью распознавания и малыми требованиями к техническому обеспечению.
Аргументом оценочной функцией является вектор значений интенсивностей различных цветов светового оптического сигнала, и результат которой стремится к нулю, при всех значений вектора, кроме определенного сочетания значений вектора, при котором значение функции будет стремиться к единице. Результат функции зависит от значений матрицы коэффициентов, определяемых при предварительной настройке математической модели.
При совпадении распознанного сигнала с запрещающим показанием светофора формируется информационная посылка об опасности проезда на запрещающий сигнал светофора, которая передается по каналу данных в блок (звукового и светового) оповещения машиниста и в бортовую цифровую вычислительную машину.
Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является то, что оно может быть применено на железных дорогах, как оборудованных, так и не оборудованных системами тонального кодирования рельсовых цепей числовыми кодами при кодовой автоблокировке и автоматической локомотивной сигнализацией. Кроме того, предлагаемое изобретение может быть адаптировано для светофоров, устанавливаемых на автомобильных дорогах.