شماره ركورد
34630
پديد آورنده
سيدمسعود طباطبائي لطفي
عنوان
تشخيص موانع ثابت بر روي ريل با تلفيق و آناليز داده سنسورهاي GNSS، LIDAR و تصوير
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كنترل و علائم
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/10/10
استاد راهنما
دكتر محمدعلي صنديدزاده
استاد مشاور
دكتر قرباني
دانشكده
مهندسي راه آهن
چكيده
با شتاب گرفتن حركت صنعت حملونقل به سوي اتوماسيون و توسعه قطارهاي خودران، تضمين ايمني عملياتي به يك چالش فناورانه محوري بدل شده است. در اين ميان، تشخيص بهنگام و قابل اعتماد موانع ثابت بر روي خطوط ريلي، به عنوان يكي از اصليترين عوامل پيشگيري از سوانح فاجعهبار، از اهميتي حياتي برخوردار است. اين پژوهش با هدف پاسخگويي به اين نياز استراتژيك و با درك محدوديتهاي ذاتي حسگرهاي منفرد—همچون وابستگي دوربينهاي بينايي به شرايط نوري و آسيبپذيري سنسورهاي ليدار (LiDAR) در شرايط نامساعد جوي—يك معماري نوين مبتني بر تلفيق دادههاي چندحسگره (Multi-Sensor Data Fusion) را ارائه مينمايد. هدف اصلي اين تحقيق، طراحي و پيادهسازي سامانهاي هوشمند براي تشخيص موانع است كه با همجوشي دادههاي حاصل از لايدار، دوربين بينايي ماشين و سامانه موقعيتياب جهاني (GNSS)، به دركي جامع و پايدار از محيط پيرامون قطار دست يابد. روششناسي پيشنهادي بر يك رويكرد تركيبي دادهمحور و قطعي استوار است كه به طور خاص براي شرايط داده محدود صنعت ريلي كشور بهينهسازي شده است. در اين چارچوب، ابتدا با تلفيق دادههاي ليدار و GNSS، يك ابرنقاط سهبعدي زمينمرجع (Geo-referenced 3D Point Cloud) از محيط ايجاد ميشود. سپس، با بهرهگيري از دانش پيشيني مسير (A Priori Path Knowledge) كه به صورت يك نقشه ديجيتال از حريم ريلي تعريف شده، پسزمينه و عوارض طبيعي ثابت از دادههاي لحظهاي حذف ميگردند. اين رويكرد نوآورانه، فضاي جستجو را به صورت هوشمند محدود كرده و ضمن كاهش چشمگير بار محاسباتي، نرخ هشدارهاي كاذب را به حداقل ميرساند. در مرحله بعد، با استفاده از الگوريتم خوشهبندي مبتني بر چگالي (DBSCAN)، تودههاي نقطهاي مشكوك به مانع، شناسايي و استخراج ميشوند. دادههاي تصويري حاصل از دوربين براي اعتبارسنجي معنايي و طبقهبندي اوليه مانع به كار گرفته ميشوند تا ميان تهديدات واقعي و اشياء بيخطر تمايز قائل شوند. نتايج حاصل از پيادهسازي و ارزيابيهاي كمي و كيفي نشاندهنده عملكرد برتر سامانه تلفيقي در مقايسه با روشهاي تكحسگري است. اين سامانه توانمندي خود را در شناسايي دقيق موانع در سناريوهاي عملياتي مختلف، از جمله شرايط نوري ضعيف (شب) و محيطهاي پيچيده، به اثبات رسانده است. دستاوردهاي اين پژوهش، ضمن ارائه يك راهكار عملي و بوميسازي شده براي ارتقاء ايمني ناوگان ريلي، با ايجاد زيرساخت اوليه براي اولين پايگاه داده موانع ريلي ايران، گامي بنيادين در جهت توسعه سامانههاي كمكراننده پيشرفته (ADAS) و قطارهاي تمام خودران در آينده برميدارد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/12/03
عنوان به انگليسي
Detection of stationary obstacles on railway tracks through fusion and analysis of GNSS, LiDAR, and image sensor data.
تاريخ بهره برداري
2/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيدمسعود طباطبائي لطفي
چكيده به لاتين
Fixed Obstacle Detection on Railway Tracks Using Fusion and Analysis of GNSS, LiDAR, and Vision Sensor Data
By
Seyed Masoud Tabatabaei Lotfi
With the rapid shift of the transportation industry toward automation and the development of autonomous trains, ensuring operational safety has become a critical technological challenge. In this context, timely and reliable detection of fixed obstacles on railway tracks plays a vital role in preventing catastrophic accidents. Addressing this strategic need and considering the inherent limitations of individual sensors—such as the dependence of vision-based cameras on lighting conditions and the vulnerability of LiDAR sensors under adverse weather conditions—this research proposes a novel multi-sensor data fusion architecture.
The primary objective of this study is the design and implementation of an intelligent obstacle detection system that achieves a robust and comprehensive understanding of the train’s surrounding environment by fusing data from LiDAR, machine vision cameras, and the Global Navigation Satellite System (GNSS). The proposed methodology adopts a hybrid data-driven and deterministic approach, specifically optimized for the limited-data conditions of the national railway industry.
Within this framework, a geo-referenced three-dimensional point cloud of the environment is first generated through the fusion of LiDAR and GNSS data. Subsequently, background elements and static natural structures are removed from the real-time data using a priori path knowledge, represented as a digital map of the railway right-of-way. This innovative strategy intelligently constrains the search space, significantly reduces computational load, and minimizes the rate of false alarms.
In the next stage, potential obstacle clusters are identified and extracted using a density-based clustering algorithm (DBSCAN). Image data acquired from the vision camera are then employed for semantic validation and preliminary classification of detected obstacles, enabling effective discrimination between actual threats and harmless objects. The results of the implementation and both quantitative and qualitative evaluations demonstrate the superior performance of the proposed fusion-based system compared to single-sensor approaches. The system consistently exhibits high accuracy in obstacle detection across diverse operational scenarios, including low-light (nighttime) conditions and complex environments.
The contributions of this research provide a practical and localized solution for enhancing railway safety and establish a foundational infrastructure for the first railway obstacle dataset in Iran, thereby paving the way for the development of advanced driver assistance systems (ADAS) and fully autonomous train operations in the future.
Keywords: Obstacle detection, sensor data fusion, railway safety, LiDAR, machine vision, Global Navigation Satellite System (GNSS), a priori path knowledge.
كليدواژه هاي فارسي
تشخيص مانع، تلفيق داده حسگر، ايمني ريلي، ليدار (LiDAR)، بينايي ماشين، سامانه موقعيتياب جهاني (GNSS)، دانش پيشيني مسير و پردازش تصوير
كليدواژه هاي لاتين
Obstacle Detection, Sensor Data Fusion, Railway Safety, LiDAR, Machine Vision, Global Navigation Satellite System (GNSS), Route Prior Knowledge, and Image Processing
Author
Masoud Tabatabaei
SuperVisor
Dr. Sandidzadeh