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摘 要：车辆限界是车辆安全运行的重要保证，铁路货运车辆装车出站以及城轨车辆检修完毕后都需要进行限界测量以确保车辆不超限，目前的非接触式测量方法主要基于超声波、图像识别、激光传感器等技术，有一定的局限性，本论文提出了一种基于激光雷达扫描技术的非接触式车辆限界测量系统，能显著提高车辆限界测量效率，对轨道交通车辆限界测量和铁路运输安全具有重要的实用意义。
关键词：超限;非接触;激光雷达;车辆
中图分类号：TP274.4 文献标识码：A
1 绪论
轨道交通是国民运输的重要方式之一，轨道交通运输安全不仅影响其本身的效率和效益，而且对整个社会的生产生活和稳定和谐产生一定影响。近年来，随着全社会运输结构的逐步调整与既有线能力的逐步释放，铁路运输整体需求得以增长，全路运量有所回升，安全要求不断提高。在轨道交通检测系统中，准确测量车辆的外形尺寸，判断其是否超出机车车辆限界，并且确定其超限级别，对于轨道交通运输安全至关重要。
轨道交通车辆限界即车辆横断面最外轮廓线的限制尺寸，是车辆在设计、改造时都必须严格遵循的基本轮廓尺寸，也是车辆安全运行的重要保证。铁路货运车辆装车出站以及城轨车辆检修完畢后都需要进行限界测量，以保证车辆不超限。目前，现场常采用接触式铁路机车车辆限界规对铁路机车车辆外形轮廓进行测量，存在测量环节多、累积误差大、效率低、易造成车身划伤、无法适应不同限界等缺点，并且不能定量测量误差。目前的非接触式测量方法主要基于超声波、图像识别、激光传感器等技术，但超声波技术测量精度不高，图像识别易受环境干扰，可靠性低，激光传感器布设方案复杂，成本高，因此非接触式测量方法未得到广泛使用。
本论文提出了一种基于激光雷达扫描技术的非接触式车辆限界测量系统，采用多个激光雷达对车辆断面进行扫描和图像拟合，计算车辆超限信息，获取完整的轨道车辆三维图形。本方案安装简便、测量精度高，可实现全流程动态定量检测，且不受雨雪、大风等、暴晒等恶劣天气干扰，夜间也可正常工作，能够大幅提高车辆限界检测的效率、降低车辆损坏风险，对轨道交通车辆限界测量和铁路运输安全具有重要的实用意义。
2 激光雷达技术原理
激光雷达是激光、大气光学、雷达、光机电一体化和电算等技术相结合的产物，以激光为光源，通过探测激光与被探测物相互作用的光波信号来遥感测量。激光雷达技术源于军用，95年开始面向商用，近几年，自动驾驶、机器人的兴起进一步推动了激光雷达在民用领域中的应用，激光雷达技术朝着低成本、高性能方向更新发展。
激光雷达的本质是高速旋转的激光测距仪，通过电机带动激光测距仪以一定频率旋转，使得激光雷达获取其旋转平面内多个离散点的距离数据，从而获取自身位置与周围物体的相对位置信息。测量距离实际是激光雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。
3 限界测量系统构成
非接触式轨道交通车辆限界测量系统创新性地将光电测量技术应用于铁路运输中来，可实现整车轮廓自动测量。车辆需要通过龙门式框架结构，分布在框架上的两个激光雷达实时测量车辆外形尺寸，并在同一坐标系下完成图像拟合，生成车辆轮廓信息，如图1所示。软件端结合车速生成车辆三维轮廓并与标准限界进行对比，标出超限信息。
3.1 系统组成
系统主要由计算机、两个激光雷达、线缆、支撑框架及软件系统组成，支撑框架将全部系统硬件固定在地面上，线缆用于激光雷达的供电及数据传输，计算机承担所有的数据处理工作并将结果显示在软件中。
3.2 系统工作流程
如图2所示，在测量前先在软件中选定待测车辆标准限界以用于车辆通过后与测量结果的对比得出超限信息。激光雷达主要完成了车辆断面的扫描以及车辆速度测量，软件系统基于雷达数据完成断面拟合和三维图生成。
3.2.1 车辆速度测量
测量系统固定放置，车辆长度未知，因此需要测量车速以获取车长。激光雷达具有一定的垂直角度，可以检测到车辆进入或离开状态，并测得车辆进入和离开时刻的速度v1、v2，取车辆进出时刻的平均速度作为测量全程平均速度可求得车辆长度L。
3.2.2 断面拟合
两个激光雷达分别测得了车辆断面的部分数据，因此需要对两个雷达的数据进行拟合以得到完整的断面信息。完成图像拟合需要建立平面坐标系，并将两个雷达置于同一坐标系下，依据雷达的测量信息，实时获取坐标系下的车辆断面信息。
3.2.3 三维图生成
根据车辆长度以及拟合得到的断面图像即可生成车辆三维图形，并最终将超限信息显示在三维图中。
4 结束语
本论文对限界测量提供了一种新的技术思路和解决办法，可以较好地解决现有的限界测量问题，显著提高车辆限界测量效率。非接触式测量方式能够适用于所有限界，实现动态测量，生成车辆三维图，并在图中标示出限界情况，实时可视化显示测量结果，作为轨道交通信息化系统的一部分，对轨道交通车辆限界测量和铁路运输安全具有重要的实用意义。
参考文献：
[1]赵梦，王健，李壮，等.铁路站台限界非接触测量中垂直断面的判定方法[J].中国设备工程，2020，36（20）：207-208.
[2]王凡平，匡志威，刘鹏程，等.三维激光扫描仪在地铁限界测量中的应用[J].城市勘测，2020，35（03）：117-121.
[3]王铁成，李玉龙，徐练，等.轨道车辆动态限界测试系统设计[J].中国测试，2020，46（03）：110-114.
[4]王苏林，吕燕梅.超限货物运输列车异物侵入数据智能检测仿真[J].计算机仿真，2020，37（02）：154-158.
[5]何越磊，余佳磊，陈猛，等.基于机器视觉测量技术的地铁站台限界检测仪设计[J].城市轨道交通研究，2019，22（08）：63-66.
关键词：超限;非接触;激光雷达;车辆
中图分类号：TP274.4 文献标识码：A
1 绪论
轨道交通是国民运输的重要方式之一，轨道交通运输安全不仅影响其本身的效率和效益，而且对整个社会的生产生活和稳定和谐产生一定影响。近年来，随着全社会运输结构的逐步调整与既有线能力的逐步释放，铁路运输整体需求得以增长，全路运量有所回升，安全要求不断提高。在轨道交通检测系统中，准确测量车辆的外形尺寸，判断其是否超出机车车辆限界，并且确定其超限级别，对于轨道交通运输安全至关重要。
轨道交通车辆限界即车辆横断面最外轮廓线的限制尺寸，是车辆在设计、改造时都必须严格遵循的基本轮廓尺寸，也是车辆安全运行的重要保证。铁路货运车辆装车出站以及城轨车辆检修完畢后都需要进行限界测量，以保证车辆不超限。目前，现场常采用接触式铁路机车车辆限界规对铁路机车车辆外形轮廓进行测量，存在测量环节多、累积误差大、效率低、易造成车身划伤、无法适应不同限界等缺点，并且不能定量测量误差。目前的非接触式测量方法主要基于超声波、图像识别、激光传感器等技术，但超声波技术测量精度不高，图像识别易受环境干扰，可靠性低，激光传感器布设方案复杂，成本高，因此非接触式测量方法未得到广泛使用。
本论文提出了一种基于激光雷达扫描技术的非接触式车辆限界测量系统，采用多个激光雷达对车辆断面进行扫描和图像拟合，计算车辆超限信息，获取完整的轨道车辆三维图形。本方案安装简便、测量精度高，可实现全流程动态定量检测，且不受雨雪、大风等、暴晒等恶劣天气干扰，夜间也可正常工作，能够大幅提高车辆限界检测的效率、降低车辆损坏风险，对轨道交通车辆限界测量和铁路运输安全具有重要的实用意义。
2 激光雷达技术原理
激光雷达是激光、大气光学、雷达、光机电一体化和电算等技术相结合的产物，以激光为光源，通过探测激光与被探测物相互作用的光波信号来遥感测量。激光雷达技术源于军用，95年开始面向商用，近几年，自动驾驶、机器人的兴起进一步推动了激光雷达在民用领域中的应用，激光雷达技术朝着低成本、高性能方向更新发展。
激光雷达的本质是高速旋转的激光测距仪，通过电机带动激光测距仪以一定频率旋转，使得激光雷达获取其旋转平面内多个离散点的距离数据，从而获取自身位置与周围物体的相对位置信息。测量距离实际是激光雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。
3 限界测量系统构成
非接触式轨道交通车辆限界测量系统创新性地将光电测量技术应用于铁路运输中来，可实现整车轮廓自动测量。车辆需要通过龙门式框架结构，分布在框架上的两个激光雷达实时测量车辆外形尺寸，并在同一坐标系下完成图像拟合，生成车辆轮廓信息，如图1所示。软件端结合车速生成车辆三维轮廓并与标准限界进行对比，标出超限信息。
3.1 系统组成
系统主要由计算机、两个激光雷达、线缆、支撑框架及软件系统组成，支撑框架将全部系统硬件固定在地面上，线缆用于激光雷达的供电及数据传输，计算机承担所有的数据处理工作并将结果显示在软件中。
3.2 系统工作流程
如图2所示，在测量前先在软件中选定待测车辆标准限界以用于车辆通过后与测量结果的对比得出超限信息。激光雷达主要完成了车辆断面的扫描以及车辆速度测量，软件系统基于雷达数据完成断面拟合和三维图生成。
3.2.1 车辆速度测量
测量系统固定放置，车辆长度未知，因此需要测量车速以获取车长。激光雷达具有一定的垂直角度，可以检测到车辆进入或离开状态，并测得车辆进入和离开时刻的速度v1、v2，取车辆进出时刻的平均速度作为测量全程平均速度可求得车辆长度L。
3.2.2 断面拟合
两个激光雷达分别测得了车辆断面的部分数据，因此需要对两个雷达的数据进行拟合以得到完整的断面信息。完成图像拟合需要建立平面坐标系，并将两个雷达置于同一坐标系下，依据雷达的测量信息，实时获取坐标系下的车辆断面信息。
3.2.3 三维图生成
根据车辆长度以及拟合得到的断面图像即可生成车辆三维图形，并最终将超限信息显示在三维图中。
4 结束语
本论文对限界测量提供了一种新的技术思路和解决办法，可以较好地解决现有的限界测量问题，显著提高车辆限界测量效率。非接触式测量方式能够适用于所有限界，实现动态测量，生成车辆三维图，并在图中标示出限界情况，实时可视化显示测量结果，作为轨道交通信息化系统的一部分，对轨道交通车辆限界测量和铁路运输安全具有重要的实用意义。
参考文献：
[1]赵梦，王健，李壮，等.铁路站台限界非接触测量中垂直断面的判定方法[J].中国设备工程，2020，36（20）：207-208.
[2]王凡平，匡志威，刘鹏程，等.三维激光扫描仪在地铁限界测量中的应用[J].城市勘测，2020，35（03）：117-121.
[3]王铁成，李玉龙，徐练，等.轨道车辆动态限界测试系统设计[J].中国测试，2020，46（03）：110-114.
[4]王苏林，吕燕梅.超限货物运输列车异物侵入数据智能检测仿真[J].计算机仿真，2020，37（02）：154-158.
[5]何越磊，余佳磊，陈猛，等.基于机器视觉测量技术的地铁站台限界检测仪设计[J].城市轨道交通研究，2019，22（08）：63-66.