鐵路超限貨物檢測系統的設計與實現

（北京鐵路局 貨運處，北京 100860）

1 概述

鐵路是國民經濟的大動脈，鐵路運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生活和穩定和諧產生一定影響。近年來，隨著鐵路的大規模提速和物流需求的不斷擴大，鐵路的運能壓力持續增長，安全要求不斷提高[1-2]。在鐵路貨運檢測系統中[3]，準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車車輛限界，并且確定其超限級別，對于鐵路運輸安全至關重要。目前，國內外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、激光對管光幕技術等。

目前，國內鐵路已經部分建成基于計算機技術的貨車貨物裝載狀態識別系統[4]和裝載超限自動化檢測系統[5]，但在使用過程中都不同程度地存在技術局限性，如準確性差、分析運算效率低、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及其技術方案，利用雙激光雷達動態掃描、測量、判定貨物超限級別，經過實際應用測試，該系統能夠較好地解決現有超限檢測系統存在的問題。同時，如果將該系統與三維技術、圖像分析處理技術相結合，可以擁有更加直觀的應用效果。

2 系統主要功能

2.1 系統主要解決的問題

根據目前鐵路貨物列車運行過程中貨物裝載狀態主要存在的問題和《鐵路超限超重貨物運輸作業管理規定》，該系統主要解決的問題如下。

（1）貨物在運輸過程中受天氣變化的影響，如雨水的淋侵、冰雪冰凍等，導致貨物質量壓力改變，最終導致裝載狀態異常。

（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備，重則造成車輛切軸、脫軌甚至顛覆等重大行車或貨運事故。

（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生位移或傾斜，從而造成貨物偏載或動態超限，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，與接觸網的高壓電線摩擦起火，造成火災。

2.2 系統主要功能

實現貨物列車裝載超限的動態檢測，輔助貨檢作業中的預檢，提高復檢的針對性，為異常情況的事后查詢、分析提供依據。

（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圖片；自動測算超限級別、超限數值。

（2）自動記錄車軸數量并且計算車位，檢測貨車車號、車速、順位。

（3）實現現場設備供電遠程控制。

（4）自動顯示、打印檢測記錄和超限圖片。

（5）具備查詢、統計檢測記錄和作業記錄的功能。

（6）具備與鐵路運輸管理信息系統 (TMIS) 聯網功能，以及信息遠程傳輸功能。

3 技術方案

鐵路貨車的貨物裝載情況直接關系到行車安全，必須在其途經的貨檢點對每輛貨車的裝載狀況進行全天實時的監測，發現問題及時處理，防止安全事故的發生。根據鐵路技術要求和設計標準，結合貨檢作業的模式和實際需求，采用2只高速掃描雷達、高性能工業計算機等設備，利用空間掃描等技術，確定實際三維空間與圖像二維空間之間的相位關系，由計算機對采集到的貨車輪廓數據自動進行檢算、修正，得到貨車裝載貨物的實際高度和寬度。對超過預設定值的高度或寬度分不同級別報警、存儲，并且提供檢測結果作為復查的依據。

3.1 系統總體結構

系統設備組成從安裝位置上分為2個部分，龍門架設備和控制室設備，系統總體結構如圖1所示。龍門架設備包括2只激光雷達、3個磁鋼傳感器、磁鋼信號放大器、車位/車號檢測設備、電源控制器、桁架等設備及光纖鏈路；控制室設備包括測量計算機、數據終端、超限服務器、數據服務器、交換機等設備。

圖1 系統總體結構

3.2 系統檢測過程

超限貨物檢測系統的檢測過程如下：由安裝在軌道上的磁鋼傳感器獲取過車信號，經磁鋼信號放大器增強后，由車位/車號檢測設備識別，向測量計算機發送1個過車開始消息，測量計算機確定是過車命令后，以TCP 傳輸協議形式向左、右2只激光雷達設備同步發送1個模式更改命令，將激光雷達的掃描模式更改為連續掃描模式。激光雷達在接到命令后，以指定方式進行掃描、獲取數據，完成以上操作后，2 只激光雷達會將激光掃描數據打包，通過網絡以 TCP 傳輸協議形式，連續向測量計算機發送掃描數據，以供超限服務器進行檢測處理。當過車結束時，車位/車號檢測設備會向測量計算機發送1個過車結束消息，超限服務器接收到該消息后，通過測量計算機將2只激光雷達的狀態進行復原操作。

3.3 雙激光雷達安裝

為實現超限貨物動態檢測，應在貨車途經的進、出站口安裝龍門架設備，建立相應的測量區域，將2只激光雷達分別安放在桁架立柱的兩側，通過2只雷達掃描的區域交集形成一個完整、封閉的測量區域，如圖2所示。圖中1、2 分別為左、右激光雷達，它們對貨車的中心高度、左右寬度及斜高進行實時掃描，并且由測量計算機根據預設的算法實時計算處理，在貨車通過測量區域后將檢測結果傳送到超限服務器中，以供貨檢人員進行超限數據的分析，并且生成超限貨物圖像。

圖2 雙激光雷達安裝示意圖

3.4 系統數據流程設計

超限貨物檢測系統的軟件核心部分部署在測量計算機上，負責接收車位/車號檢測設備和2只激光雷達掃描得到的數據，對數據進行加工、處理和計算，形成每輛車超寬、超高、超斜高的檢測數據，并且將計算結果和相應的車位、車號等數據共同傳輸到超限服務器。系統數據流程如圖3所示。

4 系統特點

系統實現了從超限貨物數據采集、運算到識別的一系列功能。采集方面，測量計算機負責接收雙激光雷達掃描得到的數據包，解析雷達通信協議，提取雷達檢測坐標信息，組成一個雙激光雷達測量包。車號/車位檢測設備負責接收磁鋼信號，實時解析并采用通信協議封裝，生成貨車數據。通過現場實驗，證明該系統的動態檢測精度可以達到 ±10 mm，適用于－40℃～50℃ 的工作溫度范圍，在可靠性方面能夠適應震動大、粉塵多、有電磁干擾、溫度變化大等惡劣環境，可以全天24h 連續工作。

系統具有以下特點。

（1）掃描頻率高，適合高車速。該系統采用 LMS511激光雷達，掃描頻率達到100Hz，能夠對以60km/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。由于激光雷達具有極其精確的測量精度，對超限部位的三維坐標定位可以精確到毫米級。

圖3 系統數據流程圖

（3）配有線陣高清圖像。系統配有數據和應用接口，可以配合線陣高清圖像共同進行業務處理工作，能夠將鐵路超限貨物檢測系統得出的精確數據在線陣高清圖像上準確標注，使用戶操作更直觀、方便。

（4）能夠利用圖像識別技術進行超限識別。在擁有雷達測量數據和線陣高清圖像的基礎上，還可以進一步利用圖像識別技術，采用先進的算法對超限情況進行更為深入的圖像分析，以便更準確地修正超限數據。

5 結束語

在列車運行過程中，因裝載加固不牢等原因導致貨物裝載狀態改變，造成安全事故時有發生。隨著鐵路運輸的發展，為了保障提速后的鐵路貨物運輸安全，鐵路各部門一方面制定和完善各種規章制度，另一方面采用先進的技術裝備。鐵路超限貨物檢測系統通過利用先進的激光雷達掃描技術，不僅實現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檢測問題，能夠有效輔助貨檢作業中預檢環節的操作，為鐵路貨運安全檢測提供了技術保障。

[1] 郭玉華.高速鐵路發展與中國鐵路貨運[J].鐵道經濟研究，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控系統綜合升級研究[J].鐵道貨運，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].鐵道學報，2013，35(9)：59-64.

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