（北京铁路局 货运处，北京 100860）

1 概述

铁路是国民经济的大动脉，铁路运输安全不仅影响铁路本身的效率和效益，而且对整个社会的生产生活和稳定和谐产生一定影响。近年来，随着铁路的大规模提速和物流需求的不断扩大，铁路的运能压力持续增长，安全要求不断提高[1-2]。在铁路货运检测系统中[3]，准确测量货物装载后铁路货车的外形尺寸，判断其是否超出铁路机车车辆限界，并且确定其超限级别，对于铁路运输安全至关重要。目前，国内外普遍采用非接触式测量方法，应用的技术主要有红外线技术、CCD 图像分析处理技术、激光对管光幕技术等。

目前，国内铁路已经部分建成基于计算机技术的货车货物装载状态识别系统[4]和装载超限自动化检测系统[5]，但在使用过程中都不同程度地存在技术局限性，如准确性差、分析运算效率低、漏检误检率高等，难以满足铁路大提速的要求。为此，提出一套铁路超限货物检测系统及其技术方案，利用双激光雷达动态扫描、测量、判定货物超限级别，经过实际应用测试，该系统能够较好地解决现有超限检测系统存在的问题。同时，如果将该系统与三维技术、图像分析处理技术相结合，可以拥有更加直观的应用效果。

2 系统主要功能

2.1 系统主要解决的问题

根据目前铁路货物列车运行过程中货物装载状态主要存在的问题和《铁路超限超重货物运输作业管理规定》，该系统主要解决的问题如下。

（1）货物在运输过程中受天气变化的影响，如雨水的淋侵、冰雪冰冻等，导致货物质量压力改变，最终导致装载状态异常。

（2）由于列车制动、起动、颠簸、曲线行驶中的惯性、上下坡、捆扎不紧等原因，造成装载货物在不同方位上的串移位，导致破坏车辆受力均衡，造成车辆偏载、货物脱落等，轻则撞击损坏轨道两旁的行车设备，重则造成车辆切轴、脱轨甚至颠覆等重大行车或货运事故。

（3）受货物品类、装载加固方案、线路和车辆状况、牵引速度等多种因素影响，货物或加固材料可能会发生位移或倾斜，从而造成货物偏载或动态超限，给行车安全带来诸多隐患。

（4）由于装载原木货车顶部加固的铅丝末稍超高，与接触网的高压电线摩擦起火，造成火灾。

2.2 系统主要功能

实现货物列车装载超限的动态检测，辅助货检作业中的预检，提高复检的针对性，为异常情况的事后查询、分析提供依据。

（1）自动检测、判别货车装载的高度和宽度的超限情况，包括：检测到超限情况后自动报警；判定超限部位，存储超限部位的相应图片；自动测算超限级别、超限数值。

（2）自动记录车轴数量并且计算车位，检测货车车号、车速、顺位。

（3）实现现场设备供电远程控制。

（4）自动显示、打印检测记录和超限图片。

（5）具备查询、统计检测记录和作业记录的功能。

（6）具备与铁路运输管理信息系统 (TMIS) 联网功能，以及信息远程传输功能。

3 技术方案

铁路货车的货物装载情况直接关系到行车安全，必须在其途经的货检点对每辆货车的装载状况进行全天实时的监测，发现问题及时处理，防止安全事故的发生。根据铁路技术要求和设计标准，结合货检作业的模式和实际需求，采用2只高速扫描雷达、高性能工业计算机等设备，利用空间扫描等技术，确定实际三维空间与图像二维空间之间的相位关系，由计算机对采集到的货车轮廓数据自动进行检算、修正，得到货车装载货物的实际高度和宽度。对超过预设定值的高度或宽度分不同级别报警、存储，并且提供检测结果作为复查的依据。

3.1 系统总体结构

系统设备组成从安装位置上分为2个部分，龙门架设备和控制室设备，系统总体结构如图1所示。龙门架设备包括2只激光雷达、3个磁钢传感器、磁钢信号放大器、车位/车号检测设备、电源控制器、桁架等设备及光纤链路；控制室设备包括测量计算机、数据终端、超限服务器、数据服务器、交换机等设备。

图1 系统总体结构

3.2 系统检测过程

超限货物检测系统的检测过程如下：由安装在轨道上的磁钢传感器获取过车信号，经磁钢信号放大器增强后，由车位/车号检测设备识别，向测量计算机发送1个过车开始消息，测量计算机确定是过车命令后，以TCP 传输协议形式向左、右2只激光雷达设备同步发送1个模式更改命令，将激光雷达的扫描模式更改为连续扫描模式。激光雷达在接到命令后，以指定方式进行扫描、获取数据，完成以上操作后，2 只激光雷达会将激光扫描数据打包，通过网络以 TCP 传输协议形式，连续向测量计算机发送扫描数据，以供超限服务器进行检测处理。当过车结束时，车位/车号检测设备会向测量计算机发送1个过车结束消息，超限服务器接收到该消息后，通过测量计算机将2只激光雷达的状态进行复原操作。

3.3 双激光雷达安装

为实现超限货物动态检测，应在货车途经的进、出站口安装龙门架设备，建立相应的测量区域，将2只激光雷达分别安放在桁架立柱的两侧，通过2只雷达扫描的区域交集形成一个完整、封闭的测量区域，如图2所示。图中1、2 分别为左、右激光雷达，它们对货车的中心高度、左右宽度及斜高进行实时扫描，并且由测量计算机根据预设的算法实时计算处理，在货车通过测量区域后将检测结果传送到超限服务器中，以供货检人员进行超限数据的分析，并且生成超限货物图像。

图2 双激光雷达安装示意图

3.4 系统数据流程设计

超限货物检测系统的软件核心部分部署在测量计算机上，负责接收车位/车号检测设备和2只激光雷达扫描得到的数据，对数据进行加工、处理和计算，形成每辆车超宽、超高、超斜高的检测数据，并且将计算结果和相应的车位、车号等数据共同传输到超限服务器。系统数据流程如图3所示。

4 系统特点

系统实现了从超限货物数据采集、运算到识别的一系列功能。采集方面，测量计算机负责接收双激光雷达扫描得到的数据包，解析雷达通信协议，提取雷达检测坐标信息，组成一个双激光雷达测量包。车号/车位检测设备负责接收磁钢信号，实时解析并采用通信协议封装，生成货车数据。通过现场实验，证明该系统的动态检测精度可以达到 ±10 mm，适用于－40℃～50℃ 的工作温度范围，在可靠性方面能够适应震动大、粉尘多、有电磁干扰、温度变化大等恶劣环境，可以全天24h 连续工作。

系统具有以下特点。

（1）扫描频率高，适合高车速。该系统采用 LMS511激光雷达，扫描频率达到100Hz，能够对以60km/h速度通过的货车车体形成检测切面78个/s，分辨出最小直径为9 mm 的超限货物。

（2）扫描精度高，能够精确定位超限部位。由于激光雷达具有极其精确的测量精度，对超限部位的三维坐标定位可以精确到毫米级。

图3 系统数据流程图

（3）配有线阵高清图像。系统配有数据和应用接口，可以配合线阵高清图像共同进行业务处理工作，能够将铁路超限货物检测系统得出的精确数据在线阵高清图像上准确标注，使用户操作更直观、方便。

（4）能够利用图像识别技术进行超限识别。在拥有雷达测量数据和线阵高清图像的基础上，还可以进一步利用图像识别技术，采用先进的算法对超限情况进行更为深入的图像分析，以便更准确地修正超限数据。

5 结束语

在列车运行过程中，因装载加固不牢等原因导致货物装载状态改变，造成安全事故时有发生。随着铁路运输的发展，为了保障提速后的铁路货物运输安全，铁路各部门一方面制定和完善各种规章制度，另一方面采用先进的技术装备。铁路超限货物检测系统通过利用先进的激光雷达扫描技术，不仅实现了铁路货车装载状况和超限级别的快速量化测量，而且解决了铁路货物超限状况的动态检测问题，能够有效辅助货检作业中预检环节的操作，为铁路货运安全检测提供了技术保障。

[1] 郭玉华.高速铁路发展与中国铁路货运[J].铁道经济研究，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] 罗 毅，蔡 庆，白 云，等.武汉北货检站安全集中监控系统综合升级研究[J].铁道货运，2013，31(2)：4-7.

[4] 俞大海，韩建枫，韩军伟.基于线阵CCD图像纹理特征的铁路货车货物分割算法研究[J].铁道学报，2013，35(9)：59-64.

[5] 郭建华.铁路超限货物运输安全检测监控技术及应用研究[J].铁道货运，2013，31(4)：1-7.