基于工控机的铁路货车超限测量系统的设计与实现

杜津玲 ， 勾长虹

（蚌埠汽车管理学院 基础部， 蚌埠 233011）

随着铁路运输业的快速发展，铁路的运输密度、运行速度均有大幅度提高，超限货物运输数量亦明显增多。根据我国铁道部颁布的《铁路货物超限超重运输规则》[1]，车站受理运输货物，必须经过严格的测量、计算，然后才能报批、承运。准确测量铁路货车装载后的外形尺寸，判断其是否超出铁路机车车辆限界，确定超限等级，对于铁路运输安全至关重要[2]。

目前，铁路运输货物超限测量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、激光雷达技术等。采用的各种检测系统具有以下特点：均采用固定门架式结构，须在列车行驶通过时才能测量；建造、调试难度大，专业性强；造价及维护成本高。对装载尺寸超限的静态检查没有现场实用的超限检测设备，基本上由人工完成。货检人员只能用标杆和皮尺来测量货车装载的宽度和高度，靠以往的经验作大致判断。由于缺乏可依赖的工具，尺寸超限检查工作的准确性、可靠性都很差，而且效率低，劳动强度高，漏检率大，人身安全难有保障，由于货物装载超限而引发的行车事故时有发生[3]。因此，现场迫切需要具有高精度、高可靠性的自动化装置来辅助人工完成货车的装载状态检查工作。

本文介绍一种便携式铁路运输超限测量仪，它以铁路超限货物管理规程为依据，利用工控机和激光雷达测量技术，实现对铁路货车装载尺寸及超限等级的静态测量。铁路运输超限测量仪的核心部分为测量系统。

1 测量系统构成

测量系统由硬件系统和软件系统组成，负责测量货车的横断面轮廓，根据测得的车辆尺寸与建筑限界、车辆限界等货车装载限界进行比较，以判断车辆装载尺寸是否超限，如果超限存在，则进行声光报警。同时确定超限部位、超限等级等信息，并采集车辆实景图像，工作人员可以根据超限物体的图像对该超限物体做出恰当的处理。

1.1 硬件系统

测量系统硬件由便携式工控机、激光雷达、倾角传感器、伺服电机、数据采集卡、数码相机等组成，用于对被测物体进行测量、监视和数据采集处理。

为了适应野外作业环境，便携式工控机采用TCY-1型，其体积小、重量轻、适应温度范围宽，用于测量数据的采集、运算、分析、存储、显示、传输，并进行图像和报表生成。激光雷达在倾角传感器、旋转编码器、伺服电机配合下，可对装载货物静止状态的外形尺寸进行扫描测量。倾角传感器用于修正系统工作时的水平度误差、提高测量精度。伺服电机用于实现激光雷达水平方向的分度扫描。数据采集卡实现数据信号的采集。数码相机用于对被测物体进行辅助监视和图像记录。测量系统构成如图1。

图1 测量系统构成

1.2 软件系统

软件以面向对象编程为基础，采用C++与MATLAB混合编程方法，主要包括参数标定算法软件、检测处理软件、控制软件、超限数据分析软件和系统状态检测维护软件等。

软件功能主要包括检测、数据采集、数据处理和控制。软件系统将测量出的数据进行处理、分析、计算后转换成宽度、高度及斜高等尺寸参数。为保障与铁道部运输调度中心进行联网管理，在操作界面及报表形式上统一采用《超限货物运输规则》中要求的超限货物运输记录表格，并将各测量数据、超限数据及超限图像显示、存储、输出。

为提高检测程序的可靠性，以C++与MATLAB混合编程为基础，建立基本铁路限界三维图形和数学方程式。在此基础上分别建立一级超限方程及图形、二级超限方程及图形、超级超限方程及图形，测量结果分别经过风载荷方程修正、倾角补偿修正、伺服电机摆动修正等一系列运算后得到检测标准图形，通过与标准图形对比从而确定超限位置坐标及超限等级。

2 数据采集与处理

激光雷达扫描被测物，得到被扫描断面轮廓各点的距离值。计算机根据采集到的距离值以及倾角值、角度编码器的绝对角度值进行判断、记录。数据处理流程如图2。

图2 数据处理流程图

3 测量精度分析及结果

由于系统中的各传感器采集、传输速率差异，会造成数据运算分析的误差。测试条件和测量装置也会产生一定的随机误差。为消除误差，建立了合理科学的数学模型，构建支撑点与激光雷达、倾角传感器、伺服电机、旋转编码器之间的关系，并进行修正分析。在软件编制上以此为基础，编制出与硬件系统匹配良好的测量软件，最大限度地消除了随机误差，提高了测量精度。

测量系统在国家轨道衡计量站标准轨道衡台面上进行了测量精度测试，测试结果如表1和表2。

表1 右端（顺光）测量数据及统计

表2 左端（逆光）测量数据及统计

测试结果表明，测量系统能够达到1‰的测量精度，在测量距离为15 m时（被测货车最远端），测量误差≤±15 mm。

4 技术创新

（1）便携式铁路运输超限静态检测设备获得国家实用新型专利。

（2）运用单台二维激光雷达辅以倾角传感器、伺服电机，通过建立多因素误差仿真修正模型，实现了三维物体精确测量。

（3）将数码照相机成功应用于超限物状的监视，对纠正装载偏差具有良好的辅助作用。

（4）铁路运输超限测量坐标基准标定的新方法，解决了现场测量无空间坐标参照物的难题，在不增加其他设备的前提下，使测量基准的标定简便、快捷。

5 结束语

超限测量仪具有良好的环境适应性，测量方法先进实用，测量精度高，测量速度快，单车一侧扫描时间仅为3 min，数据分析结果准确可信。能够测量出超限运输货物的超限等级、类型（即超高、超斜高、超宽、端部超限）及超限物体的确切位置，检测人员能快速、准确地获取超限信息，迅速查找超限原因，及时进行处理，缩短了装载停留时间，提高了铁路运输货物超限状况检测的准确性和工作运输效率。

[1]中华人民共和国铁道部. 铁路超限超重货物运输规则[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[2]毛庆洲，李清泉，陈长军，刘 勇.铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究 [J]. 光学仪器，2007，29（5）：8-12.

[3]柴雪松，杨凤春，边久松，罗林.货车装载安全状态监测系统的研制[J]. 铁路计算机应用，2002，11（4）：7-9.