（北京鐵路局 貨運(yùn)處，北京 100860）

1 概述

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，鐵路運(yùn)輸安全不僅影響鐵路本身的效率和效益，而且對整個社會的生產(chǎn)生活和穩(wěn)定和諧產(chǎn)生一定影響。近年來，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，安全要求不斷提高[1-2]。在鐵路貨運(yùn)檢測系統(tǒng)中[3]，準(zhǔn)確測量貨物裝載后鐵路貨車的外形尺寸，判斷其是否超出鐵路機(jī)車車輛限界，并且確定其超限級別，對于鐵路運(yùn)輸安全至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外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)、激光對管光幕技術(shù)等。

目前，國內(nèi)鐵路已經(jīng)部分建成基于計算機(jī)技術(shù)的貨車貨物裝載狀態(tài)識別系統(tǒng)[4]和裝載超限自動化檢測系統(tǒng)[5]，但在使用過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，難以滿足鐵路大提速的要求。為此，提出一套鐵路超限貨物檢測系統(tǒng)及其技術(shù)方案，利用雙激光雷達(dá)動態(tài)掃描、測量、判定貨物超限級別，經(jīng)過實際應(yīng)用測試，該系統(tǒng)能夠較好地解決現(xiàn)有超限檢測系統(tǒng)存在的問題。同時，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)主要解決的問題

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

（1）貨物在運(yùn)輸過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）由于列車制動、起動、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)致破壞車輛受力均衡，造成車輛偏載、貨物脫落等，輕則撞擊損壞軌道兩旁的行車設(shè)備，重則造成車輛切軸、脫軌甚至顛覆等重大行車或貨運(yùn)事故。

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

（4）由于裝載原木貨車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

實現(xiàn)貨物列車裝載超限的動態(tài)檢測，輔助貨檢作業(yè)中的預(yù)檢，提高復(fù)檢的針對性，為異常情況的事后查詢、分析提供依據(jù)。

（1）自動檢測、判別貨車裝載的高度和寬度的超限情況，包括：檢測到超限情況后自動報警；判定超限部位，存儲超限部位的相應(yīng)圖片；自動測算超限級別、超限數(shù)值。

（2）自動記錄車軸數(shù)量并且計算車位，檢測貨車車號、車速、順位。

（3）實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備供電遠(yuǎn)程控制。

（4）自動顯示、打印檢測記錄和超限圖片。

（5）具備查詢、統(tǒng)計檢測記錄和作業(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

鐵路貨車的貨物裝載情況直接關(guān)系到行車安全，必須在其途經(jīng)的貨檢點(diǎn)對每輛貨車的裝載狀況進(jìn)行全天實時的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，防止安全事故的發(fā)生。根據(jù)鐵路技術(shù)要求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合貨檢作業(yè)的模式和實際需求，采用2只高速掃描雷達(dá)、高性能工業(yè)計算機(jī)等設(shè)備，利用空間掃描等技術(shù)，確定實際三維空間與圖像二維空間之間的相位關(guān)系，由計算機(jī)對采集到的貨車輪廓數(shù)據(jù)自動進(jìn)行檢算、修正，得到貨車裝載貨物的實際高度和寬度。對超過預(yù)設(shè)定值的高度或?qū)挾确植煌墑e報警、存儲，并且提供檢測結(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個部分，龍門架設(shè)備和控制室設(shè)備，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。龍門架設(shè)備包括2只激光雷達(dá)、3個磁鋼傳感器、磁鋼信號放大器、車位/車號檢測設(shè)備、電源控制器、桁架等設(shè)備及光纖鏈路；控制室設(shè)備包括測量計算機(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)檢測過程

超限貨物檢測系統(tǒng)的檢測過程如下：由安裝在軌道上的磁鋼傳感器獲取過車信號，經(jīng)磁鋼信號放大器增強(qiáng)后，由車位/車號檢測設(shè)備識別，向測量計算機(jī)發(fā)送1個過車開始消息，測量計算機(jī)確定是過車命令后，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)會將激光掃描數(shù)據(jù)打包，通過網(wǎng)絡(luò)以 TCP 傳輸協(xié)議形式，連續(xù)向測量計算機(jī)發(fā)送掃描數(shù)據(jù)，以供超限服務(wù)器進(jìn)行檢測處理。當(dāng)過車結(jié)束時，車位/車號檢測設(shè)備會向測量計算機(jī)發(fā)送1個過車結(jié)束消息，超限服務(wù)器接收到該消息后，通過測量計算機(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

為實現(xiàn)超限貨物動態(tài)檢測，應(yīng)在貨車途經(jīng)的進(jìn)、出站口安裝龍門架設(shè)備，建立相應(yīng)的測量區(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2只雷達(dá)掃描的區(qū)域交集形成一個完整、封閉的測量區(qū)域，如圖2所示。圖中1、2 分別為左、右激光雷達(dá)，它們對貨車的中心高度、左右寬度及斜高進(jìn)行實時掃描，并且由測量計算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的算法實時計算處理，在貨車通過測量區(qū)域后將檢測結(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

超限貨物檢測系統(tǒng)的軟件核心部分部署在測量計算機(jī)上，負(fù)責(zé)接收車位/車號檢測設(shè)備和2只激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理和計算，形成每輛車超寬、超高、超斜高的檢測數(shù)據(jù)，并且將計算結(jié)果和相應(yīng)的車位、車號等數(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)實現(xiàn)了從超限貨物數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算到識別的一系列功能。采集方面，測量計算機(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)檢測坐標(biāo)信息，組成一個雙激光雷達(dá)測量包。車號/車位檢測設(shè)備負(fù)責(zé)接收磁鋼信號，實時解析并采用通信協(xié)議封裝，生成貨車數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場實驗，證明該系統(tǒng)的動態(tài)檢測精度可以達(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速度通過的貨車車體形成檢測切面78個/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)具有極其精確的測量精度，對超限部位的三維坐標(biāo)定位可以精確到毫米級。

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，使用戶操作更直觀、方便。

（4）能夠利用圖像識別技術(shù)進(jìn)行超限識別。在擁有雷達(dá)測量數(shù)據(jù)和線陣高清圖像的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步利用圖像識別技術(shù)，采用先進(jìn)的算法對超限情況進(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

在列車運(yùn)行過程中，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。鐵路超限貨物檢測系統(tǒng)通過利用先進(jìn)的激光雷達(dá)掃描技術(shù)，不僅實現(xiàn)了鐵路貨車裝載狀況和超限級別的快速量化測量，而且解決了鐵路貨物超限狀況的動態(tài)檢測問題，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)安全檢測提供了技術(shù)保障。

[1] 郭玉華.高速鐵路發(fā)展與中國鐵路貨運(yùn)[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2010(6)：27-31.

[2] Dahai Yu，Jianfeng Han.The Application of Digital Image Processing in Freight Wagon Inspection System[C]//Jianhong Zhou.Proceedings of the 2011 3rd International Conference on Computer Technology and Development.Chengdu：ASME Press，2011：319-327.

[3] 羅 毅，蔡 慶，白 云，等.武漢北貨檢站安全集中監(jiān)控系統(tǒng)綜合升級研究[J].鐵道貨運(yùn)，2013，31(2)：4-7.

[4] 俞大海，韓建楓，韓軍偉.基于線陣CCD圖像紋理特征的鐵路貨車貨物分割算法研究[J].鐵道學(xué)報，2013，35(9)：59-64.

[5] 郭建華.鐵路超限貨物運(yùn)輸安全檢測監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用研究[J].鐵道貨運(yùn)，2013，31(4)：1-7.