孫魁元，趙 亮，崔 波，尉 龍

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025；2.中科航宇（北京）自動化工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

神華寶日希勒能源有限公司有2 套火車快速定量裝車站，在2 套裝車站煤炭裝車完成至與海拉爾鐵路交接站之間的鐵道環(huán)線沒有安裝運(yùn)煤貨車超偏載檢測系統(tǒng)，只能通過視頻監(jiān)控、人眼識別的方式對運(yùn)煤貨車的裝載情況進(jìn)行監(jiān)管，達(dá)不到科學(xué)、全面、有效地對每列運(yùn)煤貨車超偏載情況的動態(tài)、超前檢測，給貨車行車安全帶來了隱患，給鐵路運(yùn)輸部門的帶來了諸多麻煩，同時也影響了公司的對外形象。

為了堵塞運(yùn)煤貨車超偏載問題時有發(fā)生的漏洞，積極響應(yīng)鐵路部門提出的消滅散堆裝貨物嚴(yán)重超偏問題的攻關(guān)目標(biāo)，科學(xué)評估煤炭裝載效果，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)煤貨車超載、偏載、裝載不足等問題出現(xiàn)并采取措施對問題進(jìn)行及時處理，杜絕運(yùn)煤貨車超偏載問題造成的事故發(fā)生，提高裝車作業(yè)安全水平，保證外運(yùn)運(yùn)煤貨車的行車安全。研究設(shè)計利用激光掃描、視頻分析、車號識別相融合的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)煤貨車超偏載情況的自動監(jiān)測[1-3]。當(dāng)運(yùn)煤在裝車站裝載完成后，通過車輛超偏載測量系統(tǒng)的測量后，將存在問題的車廂及問題原因及時發(fā)送到鐵路運(yùn)輸公司龍門吊進(jìn)行處理，保證從鐵路運(yùn)輸公司發(fā)出的所有車廂裝載情況均滿足鐵路運(yùn)行安全要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

車皮超偏載自動監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過在鐵路裝車站列車出口處上方安裝激光掃描儀及視頻攝像裝置，掃描裝載完成的車廂內(nèi)外表面輪廓，掃描結(jié)果通過就地供電通信系統(tǒng)實(shí)時發(fā)送到遠(yuǎn)程處理終端，同時，就地車號識別系統(tǒng)識別被掃描車廂車號，遠(yuǎn)程處理終端中的三維輪廓處理軟件通過三維重構(gòu)的方式結(jié)合列車本體尺寸，計算出列車車廂整體及各部分裝載情況，檢測結(jié)果與鐵路運(yùn)輸公司龍門吊聯(lián)動，存在問題的車廂在通過鐵輪龍門吊處時，根據(jù)問題情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。

系統(tǒng)主要由3D 激光掃描裝置、視頻分析裝置、車號識別裝置、供電通信裝置及后臺數(shù)據(jù)處理終端組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖

在裝車站火車入口軌道下方安裝車號識別裝置，在裝車站外側(cè)火車出口的裝車站外側(cè)平臺上方合理位置懸掛安裝特定的3D 激光掃描儀、視頻監(jiān)控裝置，并由固定的鋼結(jié)構(gòu)支架及防護(hù)罩等輔助設(shè)施進(jìn)行固定，保證下方鐵路載煤貨車通過時，貨車整體在激光掃描儀檢測的距離范圍內(nèi)。車號識別裝置、3D 激光掃描儀、視頻監(jiān)控裝置通過供電通信裝置連接，將實(shí)時檢測數(shù)據(jù)通過信號傳輸裝置傳送到遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)中，并借助遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)后臺運(yùn)行的三維輪廓測量軟件、視頻分析軟件直觀的呈現(xiàn)貨車裝載情況的三維模型和視頻分析畫面，從而計算出貨車車廂各部裝載煤炭量，并通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)分析功能，判斷載煤貨車是否有超偏情況的發(fā)生。當(dāng)貨車出現(xiàn)超偏載問題時，系統(tǒng)在裝車站操作室的聯(lián)動語音報警裝置會及時發(fā)出報警，同時將分析結(jié)果及三維圖像、視頻等信息進(jìn)行保存記錄，方便裝車操作員及時掌握載煤貨車的裝載情況，并及時通知鐵路運(yùn)輸公司對問題載煤貨車進(jìn)行處理，杜絕存在問題的載煤貨車駛?cè)雵F道線。

2 技術(shù)原理

2.1 3D 激光掃描測量技術(shù)

考慮到現(xiàn)場測量的介質(zhì)、工況、氣候條件以及測量的精確度等因素，經(jīng)過分析論證選用GL-1160 型帶有加熱功能和防護(hù)罩的3D 高精度激光掃描儀，并采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。3D 激光掃描儀的主要參數(shù)要求：IP67 的防護(hù)等級；霧氣校正功能及內(nèi)部集成加熱器，保證其能用于戶外；大監(jiān)控范圍（360°的掃描角度）；靈活的區(qū)域配置（可以根據(jù)現(xiàn)場需要，設(shè)置各種圖形的保護(hù)區(qū)域，且可以根據(jù)現(xiàn)場的需求，隨時簡單的修改圖形）；具有自檢功能，檢測穩(wěn)定，對低反射率物體不敏感；檢測范圍（最大值/10%反射率）為20 m/18 m；掃描角度最大應(yīng)為270°，且可在設(shè)置參數(shù)中調(diào)整；角度分辨率為0.25/0.5°，且可調(diào)；掃描頻率為25/50 Hz；響應(yīng)時間為40 ms/20 ms；分辨率／系統(tǒng)誤差在10 mm/typ、±30 mm；激光二極管波長為紅外光905 nm；數(shù)據(jù)接頭為RS232/Ethernent/CAN；通訊速率為57 600/115 200 波特率；開關(guān)量輸出為2＊Relay，1＊PNP；激光防護(hù)登記為1 級（人眼安全）；工作電壓為10.8～30 VDC；適用工作溫度/儲存溫度為-30～50 ℃/-30～70 ℃；防護(hù)等級為IP67。

掃描傳感器通過高頻率發(fā)射激光脈沖掃描下方通過的在煤貨車，通過貨車運(yùn)行系統(tǒng)獲取貨車的運(yùn)行速度、編號，實(shí)時計算出下方通過貨車單位時間內(nèi)的車廂輪廓數(shù)據(jù)，并在后臺系統(tǒng)實(shí)時建模繪制出所掃描的貨車三維輪廓數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)貨車載煤情況三維圖像。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)論證，3D 激光掃描儀安裝在載煤貨車車幫的正上方2 m 位置處效果最佳，并設(shè)定掃描頻率為每秒75 次，掃描角度間隔為0.25°。3D 激光掃描貨車輪廓方式示意圖如圖2。

圖2 3D 激光掃描貨車輪廓方式示意圖

2.2 視頻分析技術(shù)

視頻分析技術(shù)利用高清視頻成像原理，通過高清紅外視頻監(jiān)控攝像機(jī)對車廂整體輪廓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并利用視頻處理功能，完成整個車廂外輪廓的定位，為三維輪廓處理軟件提供外輪廓數(shù)據(jù)。攝像機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)視頻信號傳輸信號線將視頻圖像傳輸?shù)戒浵駲C(jī)進(jìn)行編碼，圖像數(shù)據(jù)碼流發(fā)送給遠(yuǎn)程處理終端，同時錄像機(jī)對圖像數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行記錄保存，并可以實(shí)時顯示圖像以及進(jìn)行錄像回放處理。

高清紅外視頻攝像儀與激光掃描儀安裝在統(tǒng)一位置，在進(jìn)行激光掃描的同時，對下方被測載煤貨車進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控，保證同測量數(shù)據(jù)和視頻圖像的一致性。高清紅視頻攝像儀應(yīng)適用于現(xiàn)場工況環(huán)境，防塵、防鹽霧、全天候；配置全天候防護(hù)罩，防護(hù)罩應(yīng)防塵、防鹽霧并適用于各種氣候條件，并設(shè)有雨刷、自動風(fēng)冷、遙控除霜、加熱器等裝置，防護(hù)等級IP66。主要參數(shù)應(yīng)滿足如下要求：1/1.8”逐行掃描CMOS，捕捉運(yùn)動圖像無鋸齒；最低照度：彩色：0.002 Lx ＠（F1.2，AGC ON）；黑白：0.000 2 Lx ＠（F1.2，AGC ON）；最高分辨率可達(dá)200 萬像素（1 920×1 080）；支持寬動態(tài)范圍達(dá)120 dB，，適合逆光環(huán)境監(jiān)控；ICR 紅外濾片式自動切換，實(shí)現(xiàn)真正的日夜監(jiān)控；支持透霧、電子防抖、強(qiáng)光抑制并具有多種白平衡模式，適合各種場景需求。視頻分析影像與三維輪廓顯示圖如圖3。

圖3 視頻分析影像與三維輪廓顯示圖

視頻監(jiān)控攝像機(jī)具有實(shí)時圖像顯示、不間斷存儲實(shí)時圖像、圖片抓拍、開關(guān)量輸入檢測、燈控控制、DVR 不間斷存儲實(shí)時圖像、JPEG 圖片抓拍開關(guān)量輸入檢測等功能。三維圖形和視頻圖像同步輸出，激光雷達(dá)和攝像機(jī)圖像，通過計算機(jī)軟件系統(tǒng)處理后，將以圖像、圖形的方式展現(xiàn)在計算機(jī)屏幕上，計算機(jī)屏幕上同時將每節(jié)車廂裝載的視頻監(jiān)控畫面和激光雷達(dá)掃描的三維圖形一一呈現(xiàn)在用裝車員面前，便于裝車員進(jìn)行最直觀的對比觀察。同時系統(tǒng)對每節(jié)車廂都進(jìn)行拍照存檔，方便事后查詢[4-6]。

2.3 車號識別技術(shù)

車號識別技術(shù)通過車號掃描識別裝置來實(shí)現(xiàn)對車號信息的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)掃描結(jié)果與車號的實(shí)時匹配。車號識別裝置安裝在裝車站空載貨車入口處軌道下方，當(dāng)空載貨車通過車號識別系統(tǒng)后，車號識別系統(tǒng)識別對應(yīng)車輛車廂號以及車輛信息，這些信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，用于對3D 激光掃描設(shè)備的信息匹配[7]。

2.4 供電通信裝置

供電通信裝置包括供電箱、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及相關(guān)連接件等。3D 激光掃描裝置采用DC24 V 供電，視頻分析裝置采用POE 供電方式。這2 個裝置均通過以太網(wǎng)方式連接到數(shù)據(jù)采集箱中，并通過光纖方式連接到后臺處理終端中。

2.5 后臺處理技術(shù)

后臺處理終端安裝布置于裝車站操作室內(nèi)，配置有三維輪廓處理軟件、視頻圖形處理軟件。后臺處理系統(tǒng)采用高性能數(shù)據(jù)及圖像處理計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時的現(xiàn)場激光采集、三維模型建立、貨車裝載體積計算、視頻畫面分析、聯(lián)動語音報警，并提供報警信息檢索和打印、自動識別車廂序號等功能[8]。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果及效益預(yù)測

3.1 應(yīng)用效果

1）目前系統(tǒng)適用的運(yùn)煤貨車的車型包括C80、C80B、C80C、C63、C60、C62、C64、C70、C76，同時系統(tǒng)還可在后臺數(shù)據(jù)庫中隨時增加新車型，滿足未來對不同車型運(yùn)煤貨車的監(jiān)測。

2）通過采用激光掃描裝置，有效地堵塞了列車超偏載問題時有發(fā)生的漏洞，積極響應(yīng)了鐵路部門提出的消滅散堆裝貨物嚴(yán)重超偏問題的攻關(guān)目標(biāo)。

3）系統(tǒng)投入使用后，有效地堵塞了運(yùn)煤貨車超偏載問題時有發(fā)生的漏洞，通過超偏載系統(tǒng)對運(yùn)煤貨車裝載情況的科學(xué)分析與評估，有效避免了存在超偏載問題的運(yùn)煤貨車駛?cè)雵F道線，同時提高了裝車作業(yè)安全水平，保證外運(yùn)煤炭貨車的安全。

4）系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率超過99.95%，杜絕了人工目測過程中存在的識別誤差，提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行系數(shù)，為安全生產(chǎn)工作起到了技術(shù)保障的作用。同時完成了貨車裝載情況統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)對整個裝載系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)的記錄，彌補(bǔ)了以往裝載情況不清的問題，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5）通過裝車站車皮超偏載自動監(jiān)測系統(tǒng)獲取的問題車輛車號快速傳遞到鐵路龍門吊端，龍門吊可以按照獲取的問題車號有針對性的處理超載、偏載車輛，減少了以前鐵路龍門吊端需要對所有車輛全部處理的過程，提高了鐵路龍門吊端工作效率50%以上，同時減少了運(yùn)煤車輛在鐵路龍門吊端積壓時間，提高了鐵路通信效率，減輕了職工作業(yè)勞動強(qiáng)度，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行周期，降低了設(shè)備的故障頻次，減少了設(shè)備維修維護(hù)的時間和維修費(fèi)用的投入，提高了管理效益。

3.2 效益預(yù)測

1）項(xiàng)目的研究、實(shí)施過程累計投入資金81 萬元。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于神寶能源儲裝中心的1#、2#裝車站和鐵路運(yùn)輸公司的龍門吊區(qū)域。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，顯著提高了裝車的效率和鐵路貨車周轉(zhuǎn)效率，增加了外運(yùn)載煤火車的銷售量。以月度同期統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算，2 套裝車站每月增加外運(yùn)車皮至少20列，每月增加鐵路外運(yùn)煤炭銷售量至少84 000 t，噸煤利潤按100 元計算，每月創(chuàng)效至少840 萬元，年累計創(chuàng)效至少1 億元。

2）由于系統(tǒng)對載煤貨車裝載情況的準(zhǔn)確監(jiān)測，避免了以往鐵路運(yùn)輸公司龍門吊對裝載的每列貨車的平整、碾壓，減少了平車碾壓設(shè)備的使用頻次，減低了設(shè)備的故障率和維修維護(hù)成本，經(jīng)估算，間接減少維修維護(hù)成本支出每年在15～20 萬元之間。

3）如果沒有該系統(tǒng)，倘若存在問題的載煤貨車進(jìn)入國鐵道線，被國鐵監(jiān)管部門發(fā)現(xiàn)，會給予公司幾萬至十幾萬元的處罰，而且如果問題貨車發(fā)生超偏載事故，則給鐵路部門、銷售用戶和公司本身造成的經(jīng)濟(jì)損失至少千萬元。通過該系統(tǒng)的保駕護(hù)航，避免了以上問題出現(xiàn)的處罰和經(jīng)濟(jì)損失的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，鐵路系統(tǒng)的煤炭運(yùn)輸已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，不僅極大地提高了作業(yè)效率，而且有效提升了作業(yè)安全水平。伴隨著機(jī)械化的普及，利用更為先進(jìn)、成熟的激光掃描、視頻分析處理等技術(shù)，評估煤炭裝載效果，及時發(fā)現(xiàn)諸如車底異物、超載、裝載不足等問題，并進(jìn)行相應(yīng)處理，形成一套高效、直觀的監(jiān)測手段，不僅能夠避免因超載引起的運(yùn)輸安全問題，而且可以有效解決因裝載不足而造成的運(yùn)力浪費(fèi)問題，對目前的煤炭運(yùn)輸有著重要的意義。