車輛超限檢測系統(tǒng)設(shè)計研究

胡淦 李可佳 孫勝楠 史村

摘 要：車輛限界是車輛安全運行的重要保證，鐵路貨運車輛裝車出站以及城軌車輛檢修完畢后都需要進行限界測量以確保車輛不超限，目前的非接觸式測量方法主要基于超聲波、圖像識別、激光傳感器等技術(shù)，有一定的局限性，本論文提出了一種基于激光雷達掃描技術(shù)的非接觸式車輛限界測量系統(tǒng)，能顯著提高車輛限界測量效率，對軌道交通車輛限界測量和鐵路運輸安全具有重要的實用意義。

關(guān)鍵詞：超限;非接觸;激光雷達;車輛

中圖分類號：TP274.4 文獻標識碼：A

1 緒論

軌道交通是國民運輸?shù)闹匾绞街?，軌道交通運輸安全不僅影響其本身的效率和效益，而且對整個社會的生產(chǎn)生活和穩(wěn)定和諧產(chǎn)生一定影響。近年來，隨著全社會運輸結(jié)構(gòu)的逐步調(diào)整與既有線能力的逐步釋放，鐵路運輸整體需求得以增長，全路運量有所回升，安全要求不斷提高。在軌道交通檢測系統(tǒng)中，準確測量車輛的外形尺寸，判斷其是否超出機車車輛限界，并且確定其超限級別，對于軌道交通運輸安全至關(guān)重要。

軌道交通車輛限界即車輛橫斷面最外輪廓線的限制尺寸，是車輛在設(shè)計、改造時都必須嚴格遵循的基本輪廓尺寸，也是車輛安全運行的重要保證。鐵路貨運車輛裝車出站以及城軌車輛檢修完畢后都需要進行限界測量，以保證車輛不超限。目前，現(xiàn)場常采用接觸式鐵路機車車輛限界規(guī)對鐵路機車車輛外形輪廓進行測量，存在測量環(huán)節(jié)多、累積誤差大、效率低、易造成車身劃傷、無法適應(yīng)不同限界等缺點，并且不能定量測量誤差。目前的非接觸式測量方法主要基于超聲波、圖像識別、激光傳感器等技術(shù)，但超聲波技術(shù)測量精度不高，圖像識別易受環(huán)境干擾，可靠性低，激光傳感器布設(shè)方案復(fù)雜，成本高，因此非接觸式測量方法未得到廣泛使用。

本論文提出了一種基于激光雷達掃描技術(shù)的非接觸式車輛限界測量系統(tǒng)，采用多個激光雷達對車輛斷面進行掃描和圖像擬合，計算車輛超限信息，獲取完整的軌道車輛三維圖形。本方案安裝簡便、測量精度高，可實現(xiàn)全流程動態(tài)定量檢測，且不受雨雪、大風等、暴曬等惡劣天氣干擾，夜間也可正常工作，能夠大幅提高車輛限界檢測的效率、降低車輛損壞風險，對軌道交通車輛限界測量和鐵路運輸安全具有重要的實用意義。

2 激光雷達技術(shù)原理

激光雷達是激光、大氣光學、雷達、光機電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以激光為光源，通過探測激光與被探測物相互作用的光波信號來遙感測量。激光雷達技術(shù)源于軍用，95年開始面向商用，近幾年，自動駕駛、機器人的興起進一步推動了激光雷達在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用，激光雷達技術(shù)朝著低成本、高性能方向更新發(fā)展。

激光雷達的本質(zhì)是高速旋轉(zhuǎn)的激光測距儀，通過電機帶動激光測距儀以一定頻率旋轉(zhuǎn)，使得激光雷達獲取其旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)多個離散點的距離數(shù)據(jù)，從而獲取自身位置與周圍物體的相對位置信息。測量距離實際是激光雷達的優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。

3 限界測量系統(tǒng)構(gòu)成

非接觸式軌道交通車輛限界測量系統(tǒng)創(chuàng)新性地將光電測量技術(shù)應(yīng)用于鐵路運輸中來，可實現(xiàn)整車輪廓自動測量。車輛需要通過龍門式框架結(jié)構(gòu)，分布在框架上的兩個激光雷達實時測量車輛外形尺寸，并在同一坐標系下完成圖像擬合，生成車輛輪廓信息，如圖1所示。軟件端結(jié)合車速生成車輛三維輪廓并與標準限界進行對比，標出超限信息。

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由計算機、兩個激光雷達、線纜、支撐框架及軟件系統(tǒng)組成，支撐框架將全部系統(tǒng)硬件固定在地面上，線纜用于激光雷達的供電及數(shù)據(jù)傳輸，計算機承擔所有的數(shù)據(jù)處理工作并將結(jié)果顯示在軟件中。

3.2 系統(tǒng)工作流程

如圖2所示，在測量前先在軟件中選定待測車輛標準限界以用于車輛通過后與測量結(jié)果的對比得出超限信息。激光雷達主要完成了車輛斷面的掃描以及車輛速度測量，軟件系統(tǒng)基于雷達數(shù)據(jù)完成斷面擬合和三維圖生成。

3.2.1 車輛速度測量

測量系統(tǒng)固定放置，車輛長度未知，因此需要測量車速以獲取車長。激光雷達具有一定的垂直角度，可以檢測到車輛進入或離開狀態(tài)，并測得車輛進入和離開時刻的速度v1、v2，取車輛進出時刻的平均速度作為測量全程平均速度可求得車輛長度L。

3.2.2 斷面擬合

兩個激光雷達分別測得了車輛斷面的部分數(shù)據(jù)，因此需要對兩個雷達的數(shù)據(jù)進行擬合以得到完整的斷面信息。完成圖像擬合需要建立平面坐標系，并將兩個雷達置于同一坐標系下，依據(jù)雷達的測量信息，實時獲取坐標系下的車輛斷面信息。

3.2.3 三維圖生成

根據(jù)車輛長度以及擬合得到的斷面圖像即可生成車輛三維圖形，并最終將超限信息顯示在三維圖中。

4 結(jié)束語

本論文對限界測量提供了一種新的技術(shù)思路和解決辦法，可以較好地解決現(xiàn)有的限界測量問題，顯著提高車輛限界測量效率。非接觸式測量方式能夠適用于所有限界，實現(xiàn)動態(tài)測量，生成車輛三維圖，并在圖中標示出限界情況，實時可視化顯示測量結(jié)果，作為軌道交通信息化系統(tǒng)的一部分，對軌道交通車輛限界測量和鐵路運輸安全具有重要的實用意義。

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