基于工控機的鐵路貨車超限測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

杜津玲 ， 勾長虹

（蚌埠汽車管理學院 基礎(chǔ)部， 蚌埠 233011）

隨著鐵路運輸業(yè)的快速發(fā)展，鐵路的運輸密度、運行速度均有大幅度提高，超限貨物運輸數(shù)量亦明顯增多。根據(jù)我國鐵道部頒布的《鐵路貨物超限超重運輸規(guī)則》[1]，車站受理運輸貨物，必須經(jīng)過嚴格的測量、計算，然后才能報批、承運。準確測量鐵路貨車裝載后的外形尺寸，判斷其是否超出鐵路機車車輛限界，確定超限等級，對于鐵路運輸安全至關(guān)重要[2]。

目前，鐵路運輸貨物超限測量普遍采用非接觸式測量方法，應(yīng)用的技術(shù)主要有：紅外線技術(shù)、CCD圖像分析處理技術(shù)、激光雷達技術(shù)等。采用的各種檢測系統(tǒng)具有以下特點：均采用固定門架式結(jié)構(gòu)，須在列車行駛通過時才能測量；建造、調(diào)試難度大，專業(yè)性強；造價及維護成本高。對裝載尺寸超限的靜態(tài)檢查沒有現(xiàn)場實用的超限檢測設(shè)備，基本上由人工完成。貨檢人員只能用標桿和皮尺來測量貨車裝載的寬度和高度，靠以往的經(jīng)驗作大致判斷。由于缺乏可依賴的工具，尺寸超限檢查工作的準確性、可靠性都很差，而且效率低，勞動強度高，漏檢率大，人身安全難有保障，由于貨物裝載超限而引發(fā)的行車事故時有發(fā)生[3]。因此，現(xiàn)場迫切需要具有高精度、高可靠性的自動化裝置來輔助人工完成貨車的裝載狀態(tài)檢查工作。

本文介紹一種便攜式鐵路運輸超限測量儀，它以鐵路超限貨物管理規(guī)程為依據(jù)，利用工控機和激光雷達測量技術(shù)，實現(xiàn)對鐵路貨車裝載尺寸及超限等級的靜態(tài)測量。鐵路運輸超限測量儀的核心部分為測量系統(tǒng)。

1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，負責測量貨車的橫斷面輪廓，根據(jù)測得的車輛尺寸與建筑限界、車輛限界等貨車裝載限界進行比較，以判斷車輛裝載尺寸是否超限，如果超限存在，則進行聲光報警。同時確定超限部位、超限等級等信息，并采集車輛實景圖像，工作人員可以根據(jù)超限物體的圖像對該超限物體做出恰當?shù)奶幚怼?/p>

1.1 硬件系統(tǒng)

測量系統(tǒng)硬件由便攜式工控機、激光雷達、傾角傳感器、伺服電機、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼相機等組成，用于對被測物體進行測量、監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集處理。

為了適應(yīng)野外作業(yè)環(huán)境，便攜式工控機采用TCY-1型，其體積小、重量輕、適應(yīng)溫度范圍寬，用于測量數(shù)據(jù)的采集、運算、分析、存儲、顯示、傳輸，并進行圖像和報表生成。激光雷達在傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機配合下，可對裝載貨物靜止狀態(tài)的外形尺寸進行掃描測量。傾角傳感器用于修正系統(tǒng)工作時的水平度誤差、提高測量精度。伺服電機用于實現(xiàn)激光雷達水平方向的分度掃描。數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的采集。數(shù)碼相機用于對被測物體進行輔助監(jiān)視和圖像記錄。測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件以面向?qū)ο缶幊虨榛A(chǔ)，采用C++與MATLAB混合編程方法，主要包括參數(shù)標定算法軟件、檢測處理軟件、控制軟件、超限數(shù)據(jù)分析軟件和系統(tǒng)狀態(tài)檢測維護軟件等。

軟件功能主要包括檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制。軟件系統(tǒng)將測量出的數(shù)據(jù)進行處理、分析、計算后轉(zhuǎn)換成寬度、高度及斜高等尺寸參數(shù)。為保障與鐵道部運輸調(diào)度中心進行聯(lián)網(wǎng)管理，在操作界面及報表形式上統(tǒng)一采用《超限貨物運輸規(guī)則》中要求的超限貨物運輸記錄表格，并將各測量數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)及超限圖像顯示、存儲、輸出。

為提高檢測程序的可靠性，以C++與MATLAB混合編程為基礎(chǔ)，建立基本鐵路限界三維圖形和數(shù)學方程式。在此基礎(chǔ)上分別建立一級超限方程及圖形、二級超限方程及圖形、超級超限方程及圖形，測量結(jié)果分別經(jīng)過風載荷方程修正、傾角補償修正、伺服電機擺動修正等一系列運算后得到檢測標準圖形，通過與標準圖形對比從而確定超限位置坐標及超限等級。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

激光雷達掃描被測物，得到被掃描斷面輪廓各點的距離值。計算機根據(jù)采集到的距離值以及傾角值、角度編碼器的絕對角度值進行判斷、記錄。數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 測量精度分析及結(jié)果

由于系統(tǒng)中的各傳感器采集、傳輸速率差異，會造成數(shù)據(jù)運算分析的誤差。測試條件和測量裝置也會產(chǎn)生一定的隨機誤差。為消除誤差，建立了合理科學的數(shù)學模型，構(gòu)建支撐點與激光雷達、傾角傳感器、伺服電機、旋轉(zhuǎn)編碼器之間的關(guān)系，并進行修正分析。在軟件編制上以此為基礎(chǔ)，編制出與硬件系統(tǒng)匹配良好的測量軟件，最大限度地消除了隨機誤差，提高了測量精度。

測量系統(tǒng)在國家軌道衡計量站標準軌道衡臺面上進行了測量精度測試，測試結(jié)果如表1和表2。

表1 右端（順光）測量數(shù)據(jù)及統(tǒng)計

表2 左端（逆光）測量數(shù)據(jù)及統(tǒng)計

測試結(jié)果表明，測量系統(tǒng)能夠達到1‰的測量精度，在測量距離為15 m時（被測貨車最遠端），測量誤差≤±15 mm。

4 技術(shù)創(chuàng)新

（1）便攜式鐵路運輸超限靜態(tài)檢測設(shè)備獲得國家實用新型專利。

（2）運用單臺二維激光雷達輔以傾角傳感器、伺服電機，通過建立多因素誤差仿真修正模型，實現(xiàn)了三維物體精確測量。

（3）將數(shù)碼照相機成功應(yīng)用于超限物狀的監(jiān)視，對糾正裝載偏差具有良好的輔助作用。

（4）鐵路運輸超限測量坐標基準標定的新方法，解決了現(xiàn)場測量無空間坐標參照物的難題，在不增加其他設(shè)備的前提下，使測量基準的標定簡便、快捷。

5 結(jié)束語

超限測量儀具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，測量方法先進實用，測量精度高，測量速度快，單車一側(cè)掃描時間僅為3 min，數(shù)據(jù)分析結(jié)果準確可信。能夠測量出超限運輸貨物的超限等級、類型（即超高、超斜高、超寬、端部超限）及超限物體的確切位置，檢測人員能快速、準確地獲取超限信息，迅速查找超限原因，及時進行處理，縮短了裝載停留時間，提高了鐵路運輸貨物超限狀況檢測的準確性和工作運輸效率。

[1]中華人民共和國鐵道部. 鐵路超限超重貨物運輸規(guī)則[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]毛慶洲，李清泉，陳長軍，劉 勇.鐵路貨車裝載尺寸超限自動測量技術(shù)研究 [J]. 光學儀器，2007，29（5）：8-12.

[3]柴雪松，楊鳳春，邊久松，羅林.貨車裝載安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2002，11（4）：7-9.