铁路是我国基础交通设施的重要组成部分，对经济发展起着举足轻重的作用。但我国国土广阔、地形复杂多样，致使铁路运营存在较多的安全隐患。尤其在西南山区，铁路极易受泥石流、危岩崩塌等地质灾害诱发引起的异物侵限影响，如2020年3月30日，从济南开往广州的T179次客运列车行经京广线湖南省郴州市永兴县路段时，因突发山体滑坡，导致列车撞上塌方体脱轨，造成多名人员受伤。

图1 3月30日拍摄的火车脱轨现场（无人机照片）新华社记者 李尕 摄

除上述地质灾害外，闯入限界的行人或动物也被视为异物。频发的铁路异物侵限事件严重影响着铁路运营安全。及时、准确地检测出入侵异物并发出报警信息对铁路运营安全至关重要。

传统铁路异物入侵监测系统主要以双电网、光纤振动、视频监控等手段为主，当前受制于系统硬件能力的不足，在实际使用中存在探测效率低、无法定位异物、误报率和漏报率偏高等问题。而激光雷达凭借其优异的探测能力和环境适应性，在异物探测领域崭露头角。下面通过某客户的「轨道异物入侵探测方案」, 详细介绍激光雷达在其中扮演的角色。该方案已经在某个危岩整治自动化监测项目中实际落地。

图2 轨道旁异物入侵探测方案现场图：融合了激光雷达、摄像头、处理单元

轨道异物入侵检测方案介绍

方案通过融合激光雷达、球机摄像头、处理单元、照明灯等硬件设备，不仅能充分获取异物的三维信息，弥补传统方案缺失的异物尺寸、深度、位置等信息的采集能力；而且不依赖环境光，一劳永逸解决传统照明设备吸引飞蛾等异物影响监测效果、纯视觉方案误报率高等常见问题。

在实际操作中，系统先通过激光雷达对有效监控区间内的扫描点云进行轨面提取，对轨面上尺寸大于20cm 的物体进行每一帧的帧间匹配，分析每一帧的差异定位到障碍物及障碍物相对激光雷达的距离。然后激光雷达将障碍物信息反馈给球机，指导球机转动并对焦到异物的位置进行闪光拍照。通过图像进行目标识别后反馈给监控中心，由监控中心工作人员判断是否属于异物。且雷达可以通过目标距离判断出障碍物是否是静态，理论上只有连续15s以上的静态目标才被识别为异物。

系统工作原理示意图

系统现场调试

泰览 Tele-15 作为主激光雷达，负责超远距离的探测；根据不同场景，也可辅助使用 Avia 或 HAP 激光雷达进行水平方向覆盖。Tele-15 具有量程超远、点云密度超高的特性，10%反射率即可测距320m，最远可探测500m外物体；超高点云密度对于小物体探测具有天然的优势，行人在300m处依旧可以探测到12个点（100ms时间内）；

左：300米处行人点云（100ms） 中：300米处行人（1s） 右：100米处行人（1s）

下面是单个Tele-15 激光雷达对铁轨旁路段进行安全监控的点云视频，实测200米开外仍可稳定探测到尺寸仅为 20cm*20cm 的小物体。

准确预警是关键

在异物入侵预警这类路侧静态场景，对响应时间要求其实不高，关键是要准确预警。系统充分发挥了 Livox 雷达独有的非重复扫描方式，随着扫描时间增加，点云数量也会增加，例如行人在相同距离300m处可以探测107个点（1秒扫描时间）。更高的点云密度意味着客户能更好地探测识别到异常物体。

同时，该方案执行过程中数据传输量小，有效降低了数据传输及分析的难度；而 Livox Tele-15 和 Avia、HAP 的非重复扫描也能极大拓展铁轨应用场景下的监测效率，降低系统的误报率和漏报率。方案可清晰区分出铁路上的正常物体与闯入的异物；正常行驶通过的列车不报警，而在铁路上的工作人员则会触发异物入侵探测系统，将最准确真实的信息传递给后台工作人员。