基于激光雷达三维成像技术的运煤列车车辆超偏载检测系统的设计与实现

摘 要 本系统通过激光雷达三维成像技术实现动态测定所通过车辆的重量，判别车辆是否存在超过额定载重以及装载不平衡现象。系统可以方便、准确、有效、及时地检测列车超偏载问题，极大限度地预防此类事故的发生，对铁路煤炭运输有着较大的意义

关键词 列车；超偏载；系统；设计

中图分类号U27 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0214-02

1绪论

1.1 运煤列车车辆超偏载检测的目的及意义

铁路行车安全是铁路运输工作的重中之重，铁路部门将防止货物“三重一超两脱一开”（超重、偏重、集重；超限；货物脱落、蓬布脱落；车门开放）作为确保行车安全的重要工作常抓不懈。多年来，煤炭生产和运输部门在提高煤炭质量、解决运输亏吨方面做了不少工作，取得了一定成绩，但问题仍未得到根本解决，主要是：

1）煤炭中杂质较多、使港口接卸时常发生损机停产事故，影响到港煤炭及时中转外运；出口煤炭杂质多，还影响了国际声誉；

2）煤炭计量手段落后，执行又不够认真，经常出现装载亏吨，造成运力的浪费和用户的经济损失；

3）煤炭装载偏载问题。包括左右偏载、前后偏载；而由于货运列车因为超、偏载而引起断轴、切轴、爬轨和列车颠覆事故时有发生，引起的事故骇人听闻，极大地影响着铁路运输的安全和铁路的整体形象。超偏载近年来成为影响铁路行车安全的重要因素。如果能方便、准确、有效、及时地检测列车超偏载问题，便可极大限度地预防此类事故的发生，因此铁路车辆超、偏载检测对铁路运输有着极其重大的意义。

在煤炭装卸过程中存在以下问题：

（1）卸载不完全；车厢内影响容积的其它异物；

（2）煤炭装载偏载问题。包括左右偏载、前后偏载；

（3）超载和欠载问题。

因此急需一套展示装载效果的监测系统。

1.2 超偏载检测技术的研究现状与发展趋势

目前，对于卸载不完全、装载偏载问题，常用的的方法就是在装车过程中，派专职人员目测检查，既费工又费时。

而对于超载和欠载问题，常用的方法就是称重。

称重分为静态称重和动态称重，其中动态称重是在车辆行驶中检测总量的一种方法，它可以缩短作业时间、改善操作条件、提高生产效率和加强企业管理，从而推进了工业生产的自动化和管理的现代化。动态称重系统是一组安装的传感器和含有软件的电子仪器，用以测量动态车辆通过时间并提供计算轮重、轴重、总重（如车速、轴距等）的数据。由于动态称重控制系统是具有测量行驶车辆重量的特点，决定了它在铁路运输称重中的重要位置。

根据调研，目前国内有以下几种方法实现动态称重的方案：

1）采用转向架载荷传递及其力学模型计算的方法，研究一种在途重载铁路车辆超载、偏载状态实时检测的系统。目前这种方案仅仅限于学术论文上的探讨，尚未见付诸实施的设备；

2）在图像处理与控制理论研究的基础上，开发铁路货车装载状态监视及超载、偏载检测系统，系统由状态监视、高度监测、宽度监测及斜高监测四部份组成。该方案技术核心在于图像信息采集和识别计算。实践证明，此方案不可取。

3）采用激光扫描仪对货车装载外形进行扫描，判断装载物是否存在超高、超宽的物体。 该技术采用4个位移传感器，分别安装在铁路货车的车体前后转向架的摇枕与2系弹簧托梁之间，通过对位移传感器的数据采集，计算铁路货车超载、欠载、偏载情况，隶属车载式超偏载智能监测系统。

根据我国国情，对现有的车辆进行大规模的加装超载、偏载传感器，无论是

经济成本，还是可操作性，几乎不可能。

本方案抛开上述思路，采用激光雷达三维成像技术，通过空/满车几何图像体积、表面及形状的计算和分析，一次性数据采集解决“卸载不完全、装载偏载、超载和欠载”的问题。

1.3 激光雷达三维成像智能化自动识别技术发展概况

激光雷达是一项正在迅速发展的光机电一体化高新技术产品，在军事、工业、农业、交通等部门具有广泛的用途，受到了各国的极大关注。

2 雷达扫描数据采集与数据分析

2.1 数据采集结构简介

本系统针对目前机械化装载的工作流程，结合国内各种先进的监测技术，提出了一套通过非接触式的三维立体成像技术结合实时视频图像监控技术，对运煤列车装载效果进行实时监测的解决方案。

系统安装激光雷达和固定摄像机，分别装于车辆装煤前的空车和装煤后的满载车厢两端。

空车检测雷达和空车测速雷达用于检测空车情况。当空车经过时对空车进行实时监测，当检测到某节车厢内有冰、冻煤以及其它等杂物时，通过智能分析系统发出告警，同时联动室外固定摄像机对此节车厢抓拍图片，系统对图片进行整理保存，以便以后查询。

满载检测雷达和满载测速雷达互相配合，对满载车厢进行监测，检测煤是否偏载，同时测出煤的体积，通过给出的煤的密度，计算出车厢煤的重量。当发现某节车厢偏载时联动室外固定摄像机对此车厢抓拍图片，系统对图片进行保存，方便以后查询。

2.2 雷达扫描数据分析

激光雷达扫描形成的图形是一个极坐标描述下的函数，通过计算即可得：

1） 装载量是否超载、欠载的基础数据；

2） 装载货物三维图像；

3） 分析车体前后、左右是否偏载的基础数据；

4） 空车车底是否存在异物。

3系统总体方案

系统设备：系统由四个激光雷达，空车检测两个激光雷达，满载监测两个激光雷达；空车检测的两个雷达一个用来扫车厢的横截面，一个用来测列车的速度；满载监测的两个雷达一个用来扫满车的横截面，一个用来测列车的速度。

系统安装：激光雷达必须安装在列车的上方，能看全车厢底部，不能被车帮遮挡。空车检测的两个雷达必须安装在一起，满车监测的两个雷达也必须安装在一起。

适用车型：系统适用于运煤车的敞车车型，例如C80、C80B、C80C、C63、C60、C62、C64、C70、C76等车型。

从技术层面上，系统分三个子系统：激光雷达检测系统、视频监控系统、图片抓拍系统。三个子系统融合成一套完整的运煤列车车辆装载检测系统。此系统采用非接触式安装方式，是与监测对象有一定距离的安装方式，不改变或者破坏监测对象的构造，当监测对象发生问题时，也不会影响到监测设备，从而保证了系统的可靠性。

系统功能：

1） 空车检测

空车检测雷达和空车测速雷达用于检测空车情况。当列车经过时对空车进行实时监测，根据雷达处理器的程序算法计算结果对车厢进行判断。当空车检测雷达检测到某节车厢内有超过20cm×20cm×20cm的物体时，通过系统发出告警。如果经过的是已经装好煤的列车，系统发出告警。

2） 满载检测

满载检测雷达和满载测速雷达互相配合，对满载车厢进行监测。系统通过激光雷达测得的三维数据，计算出装载煤炭的体积数据，从而为装车操作员提供参考，辅助判断是否有超载、欠载现象，以便及时处理。

3） 偏载检测

满载检测雷达和满载测速雷达互相配合，对满载车厢进行监测，同时检测车厢装载的煤炭是否偏载。

4） 车厢序号识别

系统根据激光雷达对车列的轮廓的不断扫描，精确的对列车各节车厢进行智能分析，可准确的判断出各节车厢长度，并可通过轮廓特征对牵引机车进行筛选，同时按各节车厢顺序生成车辆序号，以便于系统及值班人员记录、查询。

5） 三维图形展示

系统采用激光雷达对每节车厢内部表面进行扫描后，在计算机屏幕上生成可视的三维矢量图形，使用户可以从感观上直接了解每节车厢的装载情况；同时，用户可以单独选取某节车厢的三维矢量图形进行观察，通过数字键和方向键控制三维矢量图形，对图形进行放大、缩小、三维旋转，可从不同角度观测车厢的装载情况。

6） 视频监控功能

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。

7） 数据存储功能

系统数据存储由激光雷达数据存储、视频存储、图片存储组成，存储容量都为一个月。

8） 检索功能

系统检索分检索和报警检索，同时检索和报警检索又分激光雷达三维数据检索、图片检索、视频检索。

9） 雷达自检功能

系统对激光雷达的一些重要信息（比如雷达脏污、雷达故障信号等）进行自检，把重要信息通过系统的客户端提示给值班人员。

10） 雨刷控制

系统提供手动雨刷控制和定时雨刷控制功能，对镜头进行清洁。

11） 开关灯控制

视频监控功能和图片抓拍功能中的摄像机不带红外灯，因此晚上需要增加补光灯光，开关灯支持手动开关灯和自动开关灯。

13） 语音告警提示

系统有告警时，通过客户端连接的音箱发出声音提示，提醒值班员进行处理。

4 结论

本系统实施后可严格按照货车标记载重量或允许装载量检测，早期发现“偏载”问题，可以减少煤炭中杂质从而降低港口接卸时常发生损机停产事故的概率，过程记录对于事故追溯提供了科学依据，是一种用科技手段降低运输亏吨，为企业增效保安的科技成果。

参考文献

[1]重载铁路车辆超偏载状态监测系统研究[J].微计算机信息，2011（12）：50-52.

[2]铁路货车装载状态监视和超限检测系统的研究[J].中国铁道科学，2004（5）：143-146.

[3]成都成运科技有限责任公司.一种货物列车装载状态安全监测系统：中国，CN201585079U[P]，2010-09-15.