孙魁元，赵 亮，崔 波，尉 龙

（1.神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021025；2.中科航宇（北京）自动化工程技术有限公司，北京 100081）

神华宝日希勒能源有限公司有2 套火车快速定量装车站，在2 套装车站煤炭装车完成至与海拉尔铁路交接站之间的铁道环线没有安装运煤货车超偏载检测系统，只能通过视频监控、人眼识别的方式对运煤货车的装载情况进行监管，达不到科学、全面、有效地对每列运煤货车超偏载情况的动态、超前检测，给货车行车安全带来了隐患，给铁路运输部门的带来了诸多麻烦，同时也影响了公司的对外形象。

为了堵塞运煤货车超偏载问题时有发生的漏洞，积极响应铁路部门提出的消灭散堆装货物严重超偏问题的攻关目标，科学评估煤炭装载效果，及时发现运煤货车超载、偏载、装载不足等问题出现并采取措施对问题进行及时处理，杜绝运煤货车超偏载问题造成的事故发生，提高装车作业安全水平，保证外运运煤货车的行车安全。研究设计利用激光扫描、视频分析、车号识别相融合的信息技术实现对运煤货车超偏载情况的自动监测[1-3]。当运煤在装车站装载完成后，通过车辆超偏载测量系统的测量后，将存在问题的车厢及问题原因及时发送到铁路运输公司龙门吊进行处理，保证从铁路运输公司发出的所有车厢装载情况均满足铁路运行安全要求。

1 系统构架

车皮超偏载自动监测系统主要是通过在铁路装车站列车出口处上方安装激光扫描仪及视频摄像装置，扫描装载完成的车厢内外表面轮廓，扫描结果通过就地供电通信系统实时发送到远程处理终端，同时，就地车号识别系统识别被扫描车厢车号，远程处理终端中的三维轮廓处理软件通过三维重构的方式结合列车本体尺寸，计算出列车车厢整体及各部分装载情况，检测结果与铁路运输公司龙门吊联动，存在问题的车厢在通过铁轮龙门吊处时，根据问题情况进行相应的处理。

系统主要由3D 激光扫描装置、视频分析装置、车号识别装置、供电通信装置及后台数据处理终端组成。系统网络构架示意图如图1。

图1 系统网络构架示意图

在装车站火车入口轨道下方安装车号识别装置，在装车站外侧火车出口的装车站外侧平台上方合理位置悬挂安装特定的3D 激光扫描仪、视频监控装置，并由固定的钢结构支架及防护罩等辅助设施进行固定，保证下方铁路载煤货车通过时，货车整体在激光扫描仪检测的距离范围内。车号识别装置、3D 激光扫描仪、视频监控装置通过供电通信装置连接，将实时检测数据通过信号传输装置传送到远程处理系统中，并借助远程处理系统后台运行的三维轮廓测量软件、视频分析软件直观的呈现货车装载情况的三维模型和视频分析画面，从而计算出货车车厢各部装载煤炭量，并通过系统后台数据分析功能，判断载煤货车是否有超偏情况的发生。当货车出现超偏载问题时，系统在装车站操作室的联动语音报警装置会及时发出报警，同时将分析结果及三维图像、视频等信息进行保存记录，方便装车操作员及时掌握载煤货车的装载情况，并及时通知铁路运输公司对问题载煤货车进行处理，杜绝存在问题的载煤货车驶入国铁道线。

2 技术原理

2.1 3D 激光扫描测量技术

考虑到现场测量的介质、工况、气候条件以及测量的精确度等因素，经过分析论证选用GL-1160 型带有加热功能和防护罩的3D 高精度激光扫描仪，并采用以太网方式进行通信。3D 激光扫描仪的主要参数要求：IP67 的防护等级；雾气校正功能及内部集成加热器，保证其能用于户外；大监控范围（360°的扫描角度）；灵活的区域配置（可以根据现场需要，设置各种图形的保护区域，且可以根据现场的需求，随时简单的修改图形）；具有自检功能，检测稳定，对低反射率物体不敏感；检测范围（最大值/10%反射率）为20 m/18 m；扫描角度最大应为270°，且可在设置参数中调整；角度分辨率为0.25/0.5°，且可调；扫描频率为25/50 Hz；响应时间为40 ms/20 ms；分辨率／系统误差在10 mm/typ、±30 mm；激光二极管波长为红外光905 nm；数据接头为RS232/Ethernent/CAN；通讯速率为57 600/115 200 波特率；开关量输出为2＊Relay，1＊PNP；激光防护登记为1 级（人眼安全）；工作电压为10.8～30 VDC；适用工作温度/储存温度为-30～50 ℃/-30～70 ℃；防护等级为IP67。

扫描传感器通过高频率发射激光脉冲扫描下方通过的在煤货车，通过货车运行系统获取货车的运行速度、编号，实时计算出下方通过货车单位时间内的车厢轮廓数据，并在后台系统实时建模绘制出所扫描的货车三维轮廓数据，分析生产货车载煤情况三维图像。经过现场反复试验论证，3D 激光扫描仪安装在载煤货车车帮的正上方2 m 位置处效果最佳，并设定扫描频率为每秒75 次，扫描角度间隔为0.25°。3D 激光扫描货车轮廓方式示意图如图2。

图2 3D 激光扫描货车轮廓方式示意图

2.2 视频分析技术

视频分析技术利用高清视频成像原理，通过高清红外视频监控摄像机对车厢整体轮廓进行实时监控，并利用视频处理功能，完成整个车厢外轮廓的定位，为三维轮廓处理软件提供外轮廓数据。摄像机通过网络视频信号传输信号线将视频图像传输到录像机进行编码，图像数据码流发送给远程处理终端，同时录像机对图像数据码流进行记录保存，并可以实时显示图像以及进行录像回放处理。

高清红外视频摄像仪与激光扫描仪安装在统一位置，在进行激光扫描的同时，对下方被测载煤货车进行实时视频监控，保证同测量数据和视频图像的一致性。高清红视频摄像仪应适用于现场工况环境，防尘、防盐雾、全天候；配置全天候防护罩，防护罩应防尘、防盐雾并适用于各种气候条件，并设有雨刷、自动风冷、遥控除霜、加热器等装置，防护等级IP66。主要参数应满足如下要求：1/1.8”逐行扫描CMOS，捕捉运动图像无锯齿；最低照度：彩色：0.002 Lx ＠（F1.2，AGC ON）；黑白：0.000 2 Lx ＠（F1.2，AGC ON）；最高分辨率可达200 万像素（1 920×1 080）；支持宽动态范围达120 dB，，适合逆光环境监控；ICR 红外滤片式自动切换，实现真正的日夜监控；支持透雾、电子防抖、强光抑制并具有多种白平衡模式，适合各种场景需求。视频分析影像与三维轮廓显示图如图3。

图3 视频分析影像与三维轮廓显示图

视频监控摄像机具有实时图像显示、不间断存储实时图像、图片抓拍、开关量输入检测、灯控控制、DVR 不间断存储实时图像、JPEG 图片抓拍开关量输入检测等功能。三维图形和视频图像同步输出，激光雷达和摄像机图像，通过计算机软件系统处理后，将以图像、图形的方式展现在计算机屏幕上，计算机屏幕上同时将每节车厢装载的视频监控画面和激光雷达扫描的三维图形一一呈现在用装车员面前，便于装车员进行最直观的对比观察。同时系统对每节车厢都进行拍照存档，方便事后查询[4-6]。

2.3 车号识别技术

车号识别技术通过车号扫描识别装置来实现对车号信息的监测，实现扫描结果与车号的实时匹配。车号识别装置安装在装车站空载货车入口处轨道下方，当空载货车通过车号识别系统后，车号识别系统识别对应车辆车厢号以及车辆信息，这些信息发送给后台监控系统，用于对3D 激光扫描设备的信息匹配[7]。

2.4 供电通信装置

供电通信装置包括供电箱、网络通信设备及相关连接件等。3D 激光扫描装置采用DC24 V 供电，视频分析装置采用POE 供电方式。这2 个装置均通过以太网方式连接到数据采集箱中，并通过光纤方式连接到后台处理终端中。

2.5 后台处理技术

后台处理终端安装布置于装车站操作室内，配置有三维轮廓处理软件、视频图形处理软件。后台处理系统采用高性能数据及图像处理计算机进行实时的现场激光采集、三维模型建立、货车装载体积计算、视频画面分析、联动语音报警，并提供报警信息检索和打印、自动识别车厢序号等功能[8]。

3 系统应用效果及效益预测

3.1 应用效果

1）目前系统适用的运煤货车的车型包括C80、C80B、C80C、C63、C60、C62、C64、C70、C76，同时系统还可在后台数据库中随时增加新车型，满足未来对不同车型运煤货车的监测。

2）通过采用激光扫描装置，有效地堵塞了列车超偏载问题时有发生的漏洞，积极响应了铁路部门提出的消灭散堆装货物严重超偏问题的攻关目标。

3）系统投入使用后，有效地堵塞了运煤货车超偏载问题时有发生的漏洞，通过超偏载系统对运煤货车装载情况的科学分析与评估，有效避免了存在超偏载问题的运煤货车驶入国铁道线，同时提高了装车作业安全水平，保证外运煤炭货车的安全。

4）系统监测准确率超过99.95%，杜绝了人工目测过程中存在的识别误差，提高了系统的安全运行系数，为安全生产工作起到了技术保障的作用。同时完成了货车装载情况统计，实现对整个装载系统的历史数据的记录，弥补了以往装载情况不清的问题，提高了系统数据的准确性。

5）通过装车站车皮超偏载自动监测系统获取的问题车辆车号快速传递到铁路龙门吊端，龙门吊可以按照获取的问题车号有针对性的处理超载、偏载车辆，减少了以前铁路龙门吊端需要对所有车辆全部处理的过程，提高了铁路龙门吊端工作效率50%以上，同时减少了运煤车辆在铁路龙门吊端积压时间，提高了铁路通信效率，减轻了职工作业劳动强度，提高了设备的安全运行周期，降低了设备的故障频次，减少了设备维修维护的时间和维修费用的投入，提高了管理效益。

3.2 效益预测

1）项目的研究、实施过程累计投入资金81 万元。目前该系统已经成功应用于神宝能源储装中心的1#、2#装车站和铁路运输公司的龙门吊区域。系统投入运行后，显著提高了装车的效率和铁路货车周转效率，增加了外运载煤火车的销售量。以月度同期统计数据计算，2 套装车站每月增加外运车皮至少20列，每月增加铁路外运煤炭销售量至少84 000 t，吨煤利润按100 元计算，每月创效至少840 万元，年累计创效至少1 亿元。

2）由于系统对载煤货车装载情况的准确监测，避免了以往铁路运输公司龙门吊对装载的每列货车的平整、碾压，减少了平车碾压设备的使用频次，减低了设备的故障率和维修维护成本，经估算，间接减少维修维护成本支出每年在15～20 万元之间。

3）如果没有该系统，倘若存在问题的载煤货车进入国铁道线，被国铁监管部门发现，会给予公司几万至十几万元的处罚，而且如果问题货车发生超偏载事故，则给铁路部门、销售用户和公司本身造成的经济损失至少千万元。通过该系统的保驾护航，避免了以上问题出现的处罚和经济损失的浪费。

4 结语

随着现代科技的不断发展，铁路系统的煤炭运输已基本实现了机械化操作，不仅极大地提高了作业效率，而且有效提升了作业安全水平。伴随着机械化的普及，利用更为先进、成熟的激光扫描、视频分析处理等技术，评估煤炭装载效果，及时发现诸如车底异物、超载、装载不足等问题，并进行相应处理，形成一套高效、直观的监测手段，不仅能够避免因超载引起的运输安全问题，而且可以有效解决因装载不足而造成的运力浪费问题，对目前的煤炭运输有着重要的意义。