鐵路超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（北京鐵路局 貨運(yùn)處，北京 100860）

1 概述

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵路運(yùn)輸安全不僅影響鐵路本身的效率和效益，而且對(duì)整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)生活和穩(wěn)定和諧產(chǎn)生一定影響。近年來(lái)，隨著鐵路的大規(guī)模提速和物流需求的不斷擴(kuò)大，鐵路的運(yùn)能壓力持續(xù)增長(zhǎng)，安全要求不斷提高[1-2]。在鐵路貨運(yùn)檢測(cè)系統(tǒng)中[3]，準(zhǔn)確測(cè)量貨物裝載后鐵路貨車(chē)的外形尺寸，判斷其是否超出鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛限界，并且確定其超限級(jí)別，對(duì)于鐵路運(yùn)輸安全至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用非接觸式測(cè)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)、激光對(duì)管光幕技術(shù)等。

目前，國(guó)內(nèi)鐵路已經(jīng)部分建成基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的貨車(chē)貨物裝載狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)[4]和裝載超限自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)[5]，但在使用過(guò)程中都不同程度地存在技術(shù)局限性，如準(zhǔn)確性差、分析運(yùn)算效率低、漏檢誤檢率高等，難以滿(mǎn)足鐵路大提速的要求。為此，提出一套鐵路超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)及其技術(shù)方案，利用雙激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)掃描、測(cè)量、判定貨物超限級(jí)別，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該系統(tǒng)能夠較好地解決現(xiàn)有超限檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。同時(shí)，如果將該系統(tǒng)與三維技術(shù)、圖像分析處理技術(shù)相結(jié)合，可以擁有更加直觀的應(yīng)用效果。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題

根據(jù)目前鐵路貨物列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中貨物裝載狀態(tài)主要存在的問(wèn)題和《鐵路超限超重貨物運(yùn)輸作業(yè)管理規(guī)定》，該系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題如下。

（1）貨物在運(yùn)輸過(guò)程中受天氣變化的影響，如雨水的淋侵、冰雪冰凍等，導(dǎo)致貨物質(zhì)量壓力改變，最終導(dǎo)致裝載狀態(tài)異常。

（2）由于列車(chē)制動(dòng)、起動(dòng)、顛簸、曲線行駛中的慣性、上下坡、捆扎不緊等原因，造成裝載貨物在不同方位上的串移位，導(dǎo)致破壞車(chē)輛受力均衡，造成車(chē)輛偏載、貨物脫落等，輕則撞擊損壞軌道兩旁的行車(chē)設(shè)備，重則造成車(chē)輛切軸、脫軌甚至顛覆等重大行車(chē)或貨運(yùn)事故。

（3）受貨物品類(lèi)、裝載加固方案、線路和車(chē)輛狀況、牽引速度等多種因素影響，貨物或加固材料可能會(huì)發(fā)生位移或傾斜，從而造成貨物偏載或動(dòng)態(tài)超限，給行車(chē)安全帶來(lái)諸多隱患。

（4）由于裝載原木貨車(chē)頂部加固的鉛絲末稍超高，與接觸網(wǎng)的高壓電線摩擦起火，造成火災(zāi)。

2.2 系統(tǒng)主要功能

實(shí)現(xiàn)貨物列車(chē)裝載超限的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，輔助貨檢作業(yè)中的預(yù)檢，提高復(fù)檢的針對(duì)性，為異常情況的事后查詢(xún)、分析提供依據(jù)。

（1）自動(dòng)檢測(cè)、判別貨車(chē)裝載的高度和寬度的超限情況，包括：檢測(cè)到超限情況后自動(dòng)報(bào)警；判定超限部位，存儲(chǔ)超限部位的相應(yīng)圖片；自動(dòng)測(cè)算超限級(jí)別、超限數(shù)值。

（2）自動(dòng)記錄車(chē)軸數(shù)量并且計(jì)算車(chē)位，檢測(cè)貨車(chē)車(chē)號(hào)、車(chē)速、順位。

（3）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電遠(yuǎn)程控制。

（4）自動(dòng)顯示、打印檢測(cè)記錄和超限圖片。

（5）具備查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)檢測(cè)記錄和作業(yè)記錄的功能。

（6）具備與鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng) (TMIS) 聯(lián)網(wǎng)功能，以及信息遠(yuǎn)程傳輸功能。

3 技術(shù)方案

鐵路貨車(chē)的貨物裝載情況直接關(guān)系到行車(chē)安全，必須在其途經(jīng)的貨檢點(diǎn)對(duì)每輛貨車(chē)的裝載狀況進(jìn)行全天實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防止安全事故的發(fā)生。根據(jù)鐵路技術(shù)要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合貨檢作業(yè)的模式和實(shí)際需求，采用2只高速掃描雷達(dá)、高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備，利用空間掃描等技術(shù)，確定實(shí)際三維空間與圖像二維空間之間的相位關(guān)系，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的貨車(chē)輪廓數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行檢算、修正，得到貨車(chē)裝載貨物的實(shí)際高度和寬度。對(duì)超過(guò)預(yù)設(shè)定值的高度或?qū)挾确植煌?jí)別報(bào)警、存儲(chǔ)，并且提供檢測(cè)結(jié)果作為復(fù)查的依據(jù)。

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)備組成從安裝位置上分為2個(gè)部分，龍門(mén)架設(shè)備和控制室設(shè)備，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。龍門(mén)架設(shè)備包括2只激光雷達(dá)、3個(gè)磁鋼傳感器、磁鋼信號(hào)放大器、車(chē)位/車(chē)號(hào)檢測(cè)設(shè)備、電源控制器、桁架等設(shè)備及光纖鏈路；控制室設(shè)備包括測(cè)量計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)終端、超限服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程

超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程如下：由安裝在軌道上的磁鋼傳感器獲取過(guò)車(chē)信號(hào)，經(jīng)磁鋼信號(hào)放大器增強(qiáng)后，由車(chē)位/車(chē)號(hào)檢測(cè)設(shè)備識(shí)別，向測(cè)量計(jì)算機(jī)發(fā)送1個(gè)過(guò)車(chē)開(kāi)始消息，測(cè)量計(jì)算機(jī)確定是過(guò)車(chē)命令后，以TCP 傳輸協(xié)議形式向左、右2只激光雷達(dá)設(shè)備同步發(fā)送1個(gè)模式更改命令，將激光雷達(dá)的掃描模式更改為連續(xù)掃描模式。激光雷達(dá)在接到命令后，以指定方式進(jìn)行掃描、獲取數(shù)據(jù)，完成以上操作后，2 只激光雷達(dá)會(huì)將激光掃描數(shù)據(jù)打包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以 TCP 傳輸協(xié)議形式，連續(xù)向測(cè)量計(jì)算機(jī)發(fā)送掃描數(shù)據(jù)，以供超限服務(wù)器進(jìn)行檢測(cè)處理。當(dāng)過(guò)車(chē)結(jié)束時(shí)，車(chē)位/車(chē)號(hào)檢測(cè)設(shè)備會(huì)向測(cè)量計(jì)算機(jī)發(fā)送1個(gè)過(guò)車(chē)結(jié)束消息，超限服務(wù)器接收到該消息后，通過(guò)測(cè)量計(jì)算機(jī)將2只激光雷達(dá)的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)原操作。

3.3 雙激光雷達(dá)安裝

為實(shí)現(xiàn)超限貨物動(dòng)態(tài)檢測(cè)，應(yīng)在貨車(chē)途經(jīng)的進(jìn)、出站口安裝龍門(mén)架設(shè)備，建立相應(yīng)的測(cè)量區(qū)域，將2只激光雷達(dá)分別安放在桁架立柱的兩側(cè)，通過(guò)2只雷達(dá)掃描的區(qū)域交集形成一個(gè)完整、封閉的測(cè)量區(qū)域，如圖2所示。圖中1、2 分別為左、右激光雷達(dá)，它們對(duì)貨車(chē)的中心高度、左右寬度及斜高進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，并且由測(cè)量計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的算法實(shí)時(shí)計(jì)算處理，在貨車(chē)通過(guò)測(cè)量區(qū)域后將檢測(cè)結(jié)果傳送到超限服務(wù)器中，以供貨檢人員進(jìn)行超限數(shù)據(jù)的分析，并且生成超限貨物圖像。

圖2 雙激光雷達(dá)安裝示意圖

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)的軟件核心部分部署在測(cè)量計(jì)算機(jī)上，負(fù)責(zé)接收車(chē)位/車(chē)號(hào)檢測(cè)設(shè)備和2只激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理和計(jì)算，形成每輛車(chē)超寬、超高、超斜高的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且將計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)的車(chē)位、車(chē)號(hào)等數(shù)據(jù)共同傳輸?shù)匠薹?wù)器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從超限貨物數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算到識(shí)別的一系列功能。采集方面，測(cè)量計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收雙激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)包，解析雷達(dá)通信協(xié)議，提取雷達(dá)檢測(cè)坐標(biāo)信息，組成一個(gè)雙激光雷達(dá)測(cè)量包。車(chē)號(hào)/車(chē)位檢測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)接收磁鋼信號(hào)，實(shí)時(shí)解析并采用通信協(xié)議封裝，生成貨車(chē)數(shù)據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度可以達(dá)到 ±10 mm，適用于－40℃～50℃ 的工作溫度范圍，在可靠性方面能夠適應(yīng)震動(dòng)大、粉塵多、有電磁干擾、溫度變化大等惡劣環(huán)境，可以全天24h 連續(xù)工作。

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）掃描頻率高，適合高車(chē)速。該系統(tǒng)采用 LMS511激光雷達(dá)，掃描頻率達(dá)到100Hz，能夠?qū)σ?0km/h速度通過(guò)的貨車(chē)車(chē)體形成檢測(cè)切面78個(gè)/s，分辨出最小直徑為9 mm 的超限貨物。

（2）掃描精度高，能夠精確定位超限部位。由于激光雷達(dá)具有極其精確的測(cè)量精度，對(duì)超限部位的三維坐標(biāo)定位可以精確到毫米級(jí)。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

（3）配有線陣高清圖像。系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)和應(yīng)用接口，可以配合線陣高清圖像共同進(jìn)行業(yè)務(wù)處理工作，能夠?qū)㈣F路超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)得出的精確數(shù)據(jù)在線陣高清圖像上準(zhǔn)確標(biāo)注，使用戶(hù)操作更直觀、方便。

（4）能夠利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行超限識(shí)別。在擁有雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)和線陣高清圖像的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步利用圖像識(shí)別技術(shù)，采用先進(jìn)的算法對(duì)超限情況進(jìn)行更為深入的圖像分析，以便更準(zhǔn)確地修正超限數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，因裝載加固不牢等原因?qū)е仑浳镅b載狀態(tài)改變，造成安全事故時(shí)有發(fā)生。隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，為了保障提速后的鐵路貨物運(yùn)輸安全，鐵路各部門(mén)一方面制定和完善各種規(guī)章制度，另一方面采用先進(jìn)的技術(shù)裝備。鐵路超限貨物檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)利用先進(jìn)的激光雷達(dá)掃描技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了鐵路貨車(chē)裝載狀況和超限級(jí)別的快速量化測(cè)量，而且解決了鐵路貨物超限狀況的動(dòng)態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，能夠有效輔助貨檢作業(yè)中預(yù)檢環(huán)節(jié)的操作，為鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)提供了技術(shù)保障。

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