基于工控機的鐵路貨車超限測量系統的設計與實現

杜津玲 ， 勾長虹

（蚌埠汽車管理學院 基礎部， 蚌埠 233011）

隨著鐵路運輸業的快速發展，鐵路的運輸密度、運行速度均有大幅度提高，超限貨物運輸數量亦明顯增多。根據我國鐵道部頒布的《鐵路貨物超限超重運輸規則》[1]，車站受理運輸貨物，必須經過嚴格的測量、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，應用的技術主要有：紅外線技術、CCD圖像分析處理技術、激光雷達技術等。采用的各種檢測系統具有以下特點：均采用固定門架式結構，須在列車行駛通過時才能測量；建造、調試難度大，專業性強；造價及維護成本高。對裝載尺寸超限的靜態檢查沒有現場實用的超限檢測設備，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的行車事故時有發生[3]。因此，現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程為依據，利用工控機和激光雷達測量技術，實現對鐵路貨車裝載尺寸及超限等級的靜態測量。鐵路運輸超限測量儀的核心部分為測量系統。

1 測量系統構成

測量系統由硬件系統和軟件系統組成，負責測量貨車的橫斷面輪廓，根據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，工作人員可以根據超限物體的圖像對該超限物體做出恰當的處理。

1.1 硬件系統

測量系統硬件由便攜式工控機、激光雷達、傾角傳感器、伺服電機、數據采集卡、數碼相機等組成，用于對被測物體進行測量、監視和數據采集處理。

為了適應野外作業環境，便攜式工控機采用TCY-1型，其體積小、重量輕、適應溫度范圍寬，用于測量數據的采集、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、旋轉編碼器、伺服電機配合下，可對裝載貨物靜止狀態的外形尺寸進行掃描測量。傾角傳感器用于修正系統工作時的水平度誤差、提高測量精度。伺服電機用于實現激光雷達水平方向的分度掃描。數據采集卡實現數據信號的采集。數碼相機用于對被測物體進行輔助監視和圖像記錄。測量系統構成如圖1。

圖1 測量系統構成

1.2 軟件系統

軟件以面向對象編程為基礎，采用C++與MATLAB混合編程方法，主要包括參數標定算法軟件、檢測處理軟件、控制軟件、超限數據分析軟件和系統狀態檢測維護軟件等。

軟件功能主要包括檢測、數據采集、數據處理和控制。軟件系統將測量出的數據進行處理、分析、計算后轉換成寬度、高度及斜高等尺寸參數。為保障與鐵道部運輸調度中心進行聯網管理，在操作界面及報表形式上統一采用《超限貨物運輸規則》中要求的超限貨物運輸記錄表格，并將各測量數據、超限數據及超限圖像顯示、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，建立基本鐵路限界三維圖形和數學方程式。在此基礎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，測量結果分別經過風載荷方程修正、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 數據采集與處理

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。數據處理流程如圖2。

圖2 數據處理流程圖

3 測量精度分析及結果

由于系統中的各傳感器采集、傳輸速率差異，會造成數據運算分析的誤差。測試條件和測量裝置也會產生一定的隨機誤差。為消除誤差，建立了合理科學的數學模型，構建支撐點與激光雷達、傾角傳感器、伺服電機、旋轉編碼器之間的關系，并進行修正分析。在軟件編制上以此為基礎，編制出與硬件系統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，測試結果如表1和表2。

表1 右端（順光）測量數據及統計

表2 左端（逆光）測量數據及統計

測試結果表明，測量系統能夠達到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 技術創新

（1）便攜式鐵路運輸超限靜態檢測設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，實現了三維物體精確測量。

（3）將數碼照相機成功應用于超限物狀的監視，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，解決了現場測量無空間坐標參照物的難題，在不增加其他設備的前提下，使測量基準的標定簡便、快捷。

5 結束語

超限測量儀具有良好的環境適應性，測量方法先進實用，測量精度高，測量速度快，單車一側掃描時間僅為3 min，數據分析結果準確可信。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.貨車裝載安全狀態監測系統的研制[J]. 鐵路計算機應用，2002，11（4）：7-9.