鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)研究

文｜白亮

本文分析了神朔鐵路煤炭重載運(yùn)輸貨運(yùn)安全檢測(cè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，根據(jù)貨運(yùn)全安檢測(cè)內(nèi)容與要求從車(chē)體、貨物、輪對(duì)三方面入手進(jìn)行了需求分析，提出了重載鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、總體架構(gòu)、工作原理與流程，研發(fā)了一套智能預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)貨運(yùn)安全進(jìn)行檢測(cè)與預(yù)警，創(chuàng)新了站場(chǎng)接發(fā)車(chē)安檢作業(yè)模式，對(duì)提升貨運(yùn)安全檢測(cè)主動(dòng)化、智能化水平，保障神朔重載鐵路貨運(yùn)安全具有重要意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

一、 引言

（一）神朔鐵路概況

神朔鐵路是我國(guó)繼大秦鐵路之后第二條西煤東運(yùn)大通道，為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線(xiàn)雙線(xiàn)電氣化重載鐵路，線(xiàn)路全長(zhǎng)270公里，主要擔(dān)負(fù)神府東勝礦區(qū)的煤炭外運(yùn)任務(wù)，是國(guó)家能源集團(tuán)礦、路、電、港、航系統(tǒng)工程的重要組成部分。近年來(lái)，隨著神朔鐵路運(yùn)輸軸重不斷加大、牽引質(zhì)量逐步提高、行車(chē)密度日益增加，年運(yùn)量接近3億噸，已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力，逼近現(xiàn)狀線(xiàn)路與站場(chǎng)條件下的運(yùn)能極限。

（二）貨運(yùn)安全檢測(cè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，神朔鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)主要是通過(guò)助理值班員現(xiàn)場(chǎng)接發(fā)列車(chē)作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其目的主要對(duì)上下行列車(chē)貨物狀態(tài)、車(chē)體狀態(tài)、車(chē)輪狀態(tài)進(jìn)行檢查，并對(duì)貨物高溫著火、車(chē)體外脹、車(chē)門(mén)加固不良貨物泄露、車(chē)輛抱閘運(yùn)行等異常情況進(jìn)行處置，以保證列車(chē)正常運(yùn)行。神朔鐵路車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)接發(fā)列車(chē)作業(yè)及貨物裝載狀態(tài)檢查主要依靠助理值班員及貨運(yùn)員現(xiàn)場(chǎng)觀察方式，該方式對(duì)作業(yè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)及態(tài)度要求較高。通過(guò)人工觀察方式存在以下問(wèn)題。

作業(yè)繁忙無(wú)法顧及出場(chǎng)接發(fā)列車(chē)。神朔鐵路車(chē)站助理值班員除接發(fā)列車(chē)作業(yè)外，還需兼顧做/撤防溜、摘/掛列尾裝置、交付行車(chē)憑證及其他票據(jù)、檢查關(guān)門(mén)車(chē)等作業(yè)。當(dāng)有其他作業(yè)時(shí)，助理值班員難以顧及出場(chǎng)接發(fā)列車(chē)作業(yè)。

現(xiàn)場(chǎng)觀察不夠全面。車(chē)站助理值班員現(xiàn)場(chǎng)接發(fā)列車(chē)作業(yè)時(shí)往往在規(guī)定地點(diǎn)，受列車(chē)阻擋及觀察角度限制影響，只能觀察到列車(chē)一側(cè)運(yùn)行狀態(tài)，另一側(cè)往往難以兼顧。

人身安全受到威脅。目前神朔鐵路列車(chē)運(yùn)行密度大，列車(chē)交會(huì)頻繁，作業(yè)人員接發(fā)列車(chē)需經(jīng)常橫越線(xiàn)路甚至翻車(chē)，這對(duì)作業(yè)人員的人身安全構(gòu)成威脅。

作業(yè)人員故意不出勤。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，部分作業(yè)人員抱著僥幸心理故意不出勤，通過(guò)列車(chē)潛在問(wèn)題難以被發(fā)現(xiàn)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法追溯查詢(xún)。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)如果作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不豐富或者精神狀態(tài)不佳，極易造成事故隱患的漏檢，發(fā)生事故時(shí)又難以查清事故發(fā)生的具體位置和時(shí)間，人工觀察數(shù)據(jù)無(wú)法保存且難以追溯查詢(xún)。

基于上述情況，應(yīng)用高清線(xiàn)陣掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識(shí)別技術(shù)研發(fā)一套重載鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)重載鐵路貨運(yùn)安全動(dòng)態(tài)智能檢測(cè)與分析預(yù)警，對(duì)保障神朔重載鐵路貨運(yùn)安全，提高貨運(yùn)安全檢測(cè)效率，提升貨運(yùn)安全檢測(cè)主動(dòng)化、智能化水平具有重要意義。

二、貨運(yùn)安全智能檢測(cè)需求分析

重載鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)安全檢測(cè)主要是對(duì)進(jìn)出站重載列車(chē)的車(chē)廂狀態(tài)、貨物裝載狀態(tài)、車(chē)輪行駛狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，具體檢測(cè)內(nèi)容如下。

車(chē)廂狀態(tài)檢測(cè)內(nèi)容主要有：車(chē)廂外觀污穢檢測(cè)、車(chē)門(mén)關(guān)閉狀態(tài)檢測(cè)、車(chē)門(mén)加固狀態(tài)檢測(cè)、車(chē)廂超偏載狀態(tài)。

貨物裝載狀態(tài)檢測(cè)內(nèi)容主要有：貨物（主要是煤炭）漏泄檢測(cè)、煤炭高溫檢測(cè)、煤炭自燃檢測(cè)、車(chē)廂內(nèi)煤炭結(jié)塊留底檢測(cè)、行車(chē)揚(yáng)塵檢測(cè)。

車(chē)輪行駛狀態(tài)檢測(cè)內(nèi)容主要有：車(chē)軸高溫檢測(cè)以及車(chē)輪抱抱閘運(yùn)行檢測(cè)。

三、貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下基本原則。

技術(shù)先進(jìn)性原則。系統(tǒng)集線(xiàn)陣高清掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)于一體，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性和前瞻性。

實(shí)用性原則。在兼顧技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)，把系統(tǒng)的實(shí)用性放在核心位置，在功能上按需求分析的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大限度地滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作。

安全性原則。重載鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全第一，要求所研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須滿(mǎn)足鐵路安全行車(chē)及限界規(guī)范要求，且應(yīng)用軟件必須具備較高的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全性。

可擴(kuò)展性原則。鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)內(nèi)容較多，管理層級(jí)多，系統(tǒng)功能可能會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況有所新增，要求系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留接口，便于日后進(jìn)行功能擴(kuò)展。

（二）系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成

重載鐵路貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集感知層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)分析預(yù)警應(yīng)用層組成。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集感知層由線(xiàn)陣相機(jī)、紅外成像儀、激光三維成像儀、車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別儀、激光對(duì)射裝置、磁鋼、LED補(bǔ)光燈組成。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層由工控主機(jī)、輸入輸出控制器、UPS電源管理系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡(luò)傳輸層由交換機(jī)、路由器、防火墻、光纖網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)分析預(yù)警層由圖像智能分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)展示與預(yù)警平臺(tái)客戶(hù)端組成。整個(gè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2。

圖1 重載鐵路貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 重載鐵路貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意

（三）系統(tǒng)工作原理及流程

本系統(tǒng)工作原理及流程如下。

當(dāng)雷達(dá)感知列車(chē)接近，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集感知設(shè)備，使線(xiàn)陣相機(jī)、紅外成像儀、車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別儀、激光對(duì)射裝置、補(bǔ)光燈等設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)。

當(dāng)激光對(duì)射裝置發(fā)現(xiàn)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，同步由車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別儀讀取當(dāng)前經(jīng)過(guò)車(chē)廂的車(chē)號(hào)，由線(xiàn)陣相機(jī)對(duì)車(chē)廂進(jìn)行左右兩側(cè)及頂部進(jìn)行掃描，由紅外成像儀對(duì)車(chē)廂和車(chē)輪進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，由三維激光成像設(shè)備對(duì)車(chē)廂進(jìn)行三維成像和幾何尺寸標(biāo)定。

現(xiàn)場(chǎng)工控設(shè)備將前端采集的車(chē)廂車(chē)號(hào)、過(guò)車(chē)時(shí)刻、車(chē)廂線(xiàn)陣掃描數(shù)據(jù)、車(chē)廂溫度及三維信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、圖像切割與合成、多維信息疊加，并由光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至存儲(chǔ)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

數(shù)據(jù)展示與預(yù)警平臺(tái)軟件應(yīng)用人工智能算法對(duì)線(xiàn)陣掃描圖像、溫度數(shù)據(jù)及三維成像數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，對(duì)車(chē)廂、貨物、車(chē)輪狀態(tài)進(jìn)行展示，并對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)報(bào)警。

（四）系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與算法

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與算法主要涉及以下兩個(gè)方面：

1.

本系統(tǒng)采用雙激光對(duì)射一體化裝置實(shí)現(xiàn)列車(chē)行車(chē)判向、測(cè)速、圖像切割起始點(diǎn)定位，基本原理如圖3示。

圖3 單車(chē)廂線(xiàn)陣高清掃描成像實(shí)現(xiàn)原理示意

雙激光發(fā)射器和接收器分別安裝在軌道的兩側(cè)，當(dāng)列車(chē)車(chē)廂C點(diǎn)在t1時(shí)刻遮擋A激光束，在t2時(shí)刻遮擋B激光束，完成列車(chē)行駛方向和速度的測(cè)算。當(dāng)車(chē)廂先遮擋A激光束再遮擋B激光束，可判斷列車(chē)為上行，反之則為下行。列車(chē)行駛速度V=S/（t2-t1）。當(dāng)列車(chē)車(chē)廂D點(diǎn)在t3時(shí)刻B激光束無(wú)遮擋時(shí)，完成車(chē)廂CD的線(xiàn)陣掃描，通過(guò)提取t3-t2時(shí)間段內(nèi)線(xiàn)陣相機(jī)的掃描數(shù)據(jù)并進(jìn)行組合與偏移計(jì)算，即可以得到車(chē)廂CD左右兩側(cè)及頂部完整的掃描圖像。

2.

本系統(tǒng)中對(duì)車(chē)廂與貨物異常情況，如車(chē)廂外觀污穢檢測(cè)、車(chē)門(mén)關(guān)閉狀態(tài)檢測(cè)、車(chē)門(mén)加固狀態(tài)檢測(cè)、貨物（主要是煤炭）漏泄檢測(cè)、車(chē)廂內(nèi)煤炭結(jié)塊留底檢測(cè)是通過(guò)圖像智能識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖像識(shí)別技術(shù)的過(guò)程分以下幾步：信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類(lèi)器設(shè)計(jì)和分類(lèi)決策。預(yù)處理主要是指圖像處理中的去噪、平滑、變換等的操作，從而加強(qiáng)圖像的重要特征。本系統(tǒng)中對(duì)異常狀態(tài)的智能分析主要是通過(guò)機(jī)器自主學(xué)習(xí)、圖像模式識(shí)別及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)經(jīng)神朔鐵路分公司神木北站區(qū)和三岔站區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試運(yùn)行和改進(jìn)優(yōu)化，系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)廂、貨物、車(chē)輪異常等主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別并分類(lèi)分級(jí)報(bào)警，實(shí)時(shí)將報(bào)警信息推送至現(xiàn)場(chǎng)值班員、負(fù)責(zé)人、相鄰站場(chǎng)與相關(guān)處理部門(mén)。把助理值班員從繁雜而枯燥的現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察原始作業(yè)方式中解脫出來(lái)，轉(zhuǎn)變成由設(shè)備智能分析、自動(dòng)預(yù)警、輔以人工復(fù)核的作業(yè)模式，有效解決“看不全”“看不清”“拿不準(zhǔn)”“缺崗”等問(wèn)題，大大提升重載鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)效率，大幅降低鐵路行車(chē)安全隱患。

五、結(jié)論

本文綜合應(yīng)用高清線(xiàn)陣掃描、紅外熱成像、激光三維成像、圖像智能識(shí)別等技術(shù)，研究集成了一套重載鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)安全智能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重載鐵路貨運(yùn)安全動(dòng)態(tài)智能檢測(cè)與分析預(yù)警，創(chuàng)新了站場(chǎng)接發(fā)車(chē)安檢作業(yè)模式，大幅降低貨運(yùn)助理員勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)提升貨運(yùn)安全檢測(cè)主動(dòng)化、智能化水平，保障神朔重載鐵路貨運(yùn)安全具有重要意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。