文｜白亮

本文分析了神朔鐵路煤炭重載運輸貨運安全檢測現(xiàn)狀及存在的問題，根據(jù)貨運全安檢測內(nèi)容與要求從車體、貨物、輪對三方面入手進行了需求分析，提出了重載鐵路運輸貨運安全智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計原則、總體架構(gòu)、工作原理與流程，研發(fā)了一套智能預(yù)警系統(tǒng)實時對貨運安全進行檢測與預(yù)警，創(chuàng)新了站場接發(fā)車安檢作業(yè)模式，對提升貨運安全檢測主動化、智能化水平，保障神朔重載鐵路貨運安全具有重要意義和應(yīng)用推廣價值。

一、 引言

（一）神朔鐵路概況

神朔鐵路是我國繼大秦鐵路之后第二條西煤東運大通道，為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，線路全長270公里，主要擔(dān)負神府東勝礦區(qū)的煤炭外運任務(wù)，是國家能源集團礦、路、電、港、航系統(tǒng)工程的重要組成部分。近年來，隨著神朔鐵路運輸軸重不斷加大、牽引質(zhì)量逐步提高、行車密度日益增加，年運量接近3億噸，已遠超設(shè)計運輸能力，逼近現(xiàn)狀線路與站場條件下的運能極限。

（二）貨運安全檢測現(xiàn)狀及存在的問題

目前，神朔鐵路貨運安全檢測主要是通過助理值班員現(xiàn)場接發(fā)列車作業(yè)來實現(xiàn)，其目的主要對上下行列車貨物狀態(tài)、車體狀態(tài)、車輪狀態(tài)進行檢查，并對貨物高溫著火、車體外脹、車門加固不良貨物泄露、車輛抱閘運行等異常情況進行處置，以保證列車正常運行。神朔鐵路車站現(xiàn)場接發(fā)列車作業(yè)及貨物裝載狀態(tài)檢查主要依靠助理值班員及貨運員現(xiàn)場觀察方式，該方式對作業(yè)人員的工作經(jīng)驗及態(tài)度要求較高。通過人工觀察方式存在以下問題。

作業(yè)繁忙無法顧及出場接發(fā)列車。神朔鐵路車站助理值班員除接發(fā)列車作業(yè)外，還需兼顧做/撤防溜、摘/掛列尾裝置、交付行車憑證及其他票據(jù)、檢查關(guān)門車等作業(yè)。當(dāng)有其他作業(yè)時，助理值班員難以顧及出場接發(fā)列車作業(yè)。

現(xiàn)場觀察不夠全面。車站助理值班員現(xiàn)場接發(fā)列車作業(yè)時往往在規(guī)定地點，受列車阻擋及觀察角度限制影響，只能觀察到列車一側(cè)運行狀態(tài)，另一側(cè)往往難以兼顧。

人身安全受到威脅。目前神朔鐵路列車運行密度大，列車交會頻繁，作業(yè)人員接發(fā)列車需經(jīng)常橫越線路甚至翻車，這對作業(yè)人員的人身安全構(gòu)成威脅。

作業(yè)人員故意不出勤。由于現(xiàn)場作業(yè)無法實時監(jiān)控，部分作業(yè)人員抱著僥幸心理故意不出勤，通過列車潛在問題難以被發(fā)現(xiàn)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)無法追溯查詢?，F(xiàn)場作業(yè)時如果作業(yè)人員經(jīng)驗不豐富或者精神狀態(tài)不佳，極易造成事故隱患的漏檢，發(fā)生事故時又難以查清事故發(fā)生的具體位置和時間，人工觀察數(shù)據(jù)無法保存且難以追溯查詢。

基于上述情況，應(yīng)用高清線陣掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識別技術(shù)研發(fā)一套重載鐵路運輸貨運安全智能檢測系統(tǒng)，以實現(xiàn)重載鐵路貨運安全動態(tài)智能檢測與分析預(yù)警，對保障神朔重載鐵路貨運安全，提高貨運安全檢測效率，提升貨運安全檢測主動化、智能化水平具有重要意義。

二、貨運安全智能檢測需求分析

重載鐵路運輸貨運安全檢測主要是對進出站重載列車的車廂狀態(tài)、貨物裝載狀態(tài)、車輪行駛狀態(tài)進行動態(tài)檢查，具體檢測內(nèi)容如下。

車廂狀態(tài)檢測內(nèi)容主要有：車廂外觀污穢檢測、車門關(guān)閉狀態(tài)檢測、車門加固狀態(tài)檢測、車廂超偏載狀態(tài)。

貨物裝載狀態(tài)檢測內(nèi)容主要有：貨物（主要是煤炭）漏泄檢測、煤炭高溫檢測、煤炭自燃檢測、車廂內(nèi)煤炭結(jié)塊留底檢測、行車揚塵檢測。

車輪行駛狀態(tài)檢測內(nèi)容主要有：車軸高溫檢測以及車輪抱抱閘運行檢測。

三、貨運安全智能檢測系統(tǒng)技術(shù)方案

（一）系統(tǒng)設(shè)計原則

本預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下基本原則。

技術(shù)先進性原則。系統(tǒng)集線陣高清掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識別等先進技術(shù)于一體，使系統(tǒng)具有較強的技術(shù)先進性和前瞻性。

實用性原則。在兼顧技術(shù)先進性的同時，把系統(tǒng)的實用性放在核心位置，在功能上按需求分析的要求進行設(shè)計，最大限度地滿足生產(chǎn)實際和現(xiàn)場作業(yè)特點，便于現(xiàn)場人員操作。

安全性原則。重載鐵路運輸生產(chǎn)安全第一，要求所研發(fā)的現(xiàn)場設(shè)備必須滿足鐵路安全行車及限界規(guī)范要求，且應(yīng)用軟件必須具備較高的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全性。

可擴展性原則。鐵路貨運安全檢測內(nèi)容較多，管理層級多，系統(tǒng)功能可能會根據(jù)現(xiàn)場情況有所新增，要求系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留接口，便于日后進行功能擴展。

（二）系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成

重載鐵路貨運安全智能檢測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集感知層、現(xiàn)場設(shè)備控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)分析預(yù)警應(yīng)用層組成。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集感知層由線陣相機、紅外成像儀、激光三維成像儀、車號自動識別儀、激光對射裝置、磁鋼、LED補光燈組成。現(xiàn)場設(shè)備控制層由工控主機、輸入輸出控制器、UPS電源管理系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡(luò)傳輸層由交換機、路由器、防火墻、光纖網(wǎng)絡(luò)、存儲服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)分析預(yù)警層由圖像智能分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)展示與預(yù)警平臺客戶端組成。整個系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1，現(xiàn)場安裝如圖2。

圖1 重載鐵路貨運安全智能檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 重載鐵路貨運安全智能檢測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝示意

（三）系統(tǒng)工作原理及流程

本系統(tǒng)工作原理及流程如下。

當(dāng)雷達感知列車接近，由現(xiàn)場設(shè)備控制器啟動數(shù)據(jù)采集感知設(shè)備，使線陣相機、紅外成像儀、車號自動識別儀、激光對射裝置、補光燈等設(shè)備進入工作狀態(tài)。

當(dāng)激光對射裝置發(fā)現(xiàn)列車經(jīng)過時，同步由車號自動識別儀讀取當(dāng)前經(jīng)過車廂的車號，由線陣相機對車廂進行左右兩側(cè)及頂部進行掃描，由紅外成像儀對車廂和車輪進行實時測溫，由三維激光成像設(shè)備對車廂進行三維成像和幾何尺寸標(biāo)定。

現(xiàn)場工控設(shè)備將前端采集的車廂車號、過車時刻、車廂線陣掃描數(shù)據(jù)、車廂溫度及三維信息進行實時處理、圖像切割與合成、多維信息疊加，并由光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至存儲服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

數(shù)據(jù)展示與預(yù)警平臺軟件應(yīng)用人工智能算法對線陣掃描圖像、溫度數(shù)據(jù)及三維成像數(shù)據(jù)進行智能分析，對車廂、貨物、車輪狀態(tài)進行展示，并對異常情況進行預(yù)報警。

（四）系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與算法

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與算法主要涉及以下兩個方面：

1.

本系統(tǒng)采用雙激光對射一體化裝置實現(xiàn)列車行車判向、測速、圖像切割起始點定位，基本原理如圖3示。

圖3 單車廂線陣高清掃描成像實現(xiàn)原理示意

雙激光發(fā)射器和接收器分別安裝在軌道的兩側(cè)，當(dāng)列車車廂C點在t1時刻遮擋A激光束，在t2時刻遮擋B激光束，完成列車行駛方向和速度的測算。當(dāng)車廂先遮擋A激光束再遮擋B激光束，可判斷列車為上行，反之則為下行。列車行駛速度V=S/（t2-t1）。當(dāng)列車車廂D點在t3時刻B激光束無遮擋時，完成車廂CD的線陣掃描，通過提取t3-t2時間段內(nèi)線陣相機的掃描數(shù)據(jù)并進行組合與偏移計算，即可以得到車廂CD左右兩側(cè)及頂部完整的掃描圖像。

2.

本系統(tǒng)中對車廂與貨物異常情況，如車廂外觀污穢檢測、車門關(guān)閉狀態(tài)檢測、車門加固狀態(tài)檢測、貨物（主要是煤炭）漏泄檢測、車廂內(nèi)煤炭結(jié)塊留底檢測是通過圖像智能識別來實現(xiàn)。圖像識別技術(shù)的過程分以下幾步：信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類器設(shè)計和分類決策。預(yù)處理主要是指圖像處理中的去噪、平滑、變換等的操作，從而加強圖像的重要特征。本系統(tǒng)中對異常狀態(tài)的智能分析主要是通過機器自主學(xué)習(xí)、圖像模式識別及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別算法來實現(xiàn)。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)經(jīng)神朔鐵路分公司神木北站區(qū)和三岔站區(qū)現(xiàn)場安裝、調(diào)試運行和改進優(yōu)化，系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性日趨成熟，實現(xiàn)了對車廂、貨物、車輪異常等主要風(fēng)險點自動識別并分類分級報警，實時將報警信息推送至現(xiàn)場值班員、負責(zé)人、相鄰站場與相關(guān)處理部門。把助理值班員從繁雜而枯燥的現(xiàn)場肉眼觀察原始作業(yè)方式中解脫出來，轉(zhuǎn)變成由設(shè)備智能分析、自動預(yù)警、輔以人工復(fù)核的作業(yè)模式，有效解決“看不全”“看不清”“拿不準(zhǔn)”“缺崗”等問題，大大提升重載鐵路貨運安全檢測效率，大幅降低鐵路行車安全隱患。

五、結(jié)論

本文綜合應(yīng)用高清線陣掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識別等技術(shù)，研究集成了一套重載鐵路運輸貨運安全智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了重載鐵路貨運安全動態(tài)智能檢測與分析預(yù)警，創(chuàng)新了站場接發(fā)車安檢作業(yè)模式，大幅降低貨運助理員勞動強度，對提升貨運安全檢測主動化、智能化水平，保障神朔重載鐵路貨運安全具有重要意義和應(yīng)用推廣價值。