一种车厢装载状态检测系统和方法与流程

本发明涉及货运车辆安全检测领域，特别涉及一种车厢装载状态检测系统和方法。

背景技术：

货运车辆出现超载、偏载问题可能严重影响行车安全。为实现货车装载状态的自动化检测一些可实现自动化装货的场合均配车厢装载状态检测系统。

以货运列车装载检测为例，目前已经广泛采用的检测技术有轨道衡测量技术。轨道衡测量技术利用杠杆原理称量装载货物的列车车厢，判断车厢载重是否在标准范围内。但时，由于测量原理限制，轨道衡测量技术在使用中仍然出现很多缺点：首先是轨道衡测量技术不能检测列车车厢的偏载状态，其次是轨道衡称重过程中需要承载货车车厢重量，使用一段时间后测量结果就不准确，需要重新校正；再次，轨道衡的安装校正十分复杂，单次安装校正时间较长，严重影响了货运列车装载检测。

技术实现要素：

本发明提供一种车厢装载状态检测系统和一种车厢装载状态检测方法，利用脉冲雷达实现车厢装载状态的自动化检测。

本发明提供一种车厢装载状态检测系统，包括第一脉冲雷达、第二脉冲雷达和控制器；所述第一脉冲雷达和所述第二脉冲雷达均与所述控制器连接；所述第二脉冲雷达的扫描频率是所述第一脉冲雷达扫描频率的整数倍；

所述第一脉冲雷达的扫描平面与车厢的行进方向不平行；所述第一脉冲雷达在车厢顶部的投射点横跨车厢顶部；所述第二脉冲雷达的扫描平面平行于车厢的行进方向；控制器包括：

高度计算单元，用于根据所述第一脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点相对于所述车厢底板的高度；

位置计算单元，用于根据所述第一脉冲雷达的扫描信号和所述第二脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点在车厢底板的竖直投影位置；

体积计算单元，用于根据所述投射点的高度和竖直投影位置计算所述投射点对应的子空间体积；

装载状态判断单元，用于根据所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态，和/或，根据所述子空间体积计算车厢的载重。

可选的，所述控制器还包括：

反向移动计算单元，用于根据所述第二脉冲雷达的扫描信号判断车厢是否反向行驶，和，在车厢反向行驶时计算车厢的反向移动距离；

删除单元，用于删除所述反向移动距离内投射点到车厢底板的高度和在车厢底板的竖直投影位置。

可选的，所述控制器还包括：

第一存储单元，用于存储车厢长度、车厢宽度、车厢高度、车厢底板位置和车轴位置分别与车厢型号的对应关系；

第一车厢尺寸计算单元，用于根据所述第一脉冲雷达的扫描信号计算车厢宽度和车厢高度，和，根据所述第二脉冲雷达的扫描信号计算车厢长度；

车厢型号确定单元，用于根据所述车厢长度、所述车厢宽度、所述车厢高度和所述对应关系确定车厢型号，并根据所述车厢型号确定所述车厢底板位置和所述车轴位置；

所述高度计算单元根据所述车厢型号计算所述投射点相对于车厢底板的高度；

所述装载状态判断单元根据所车轴位置、所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

可选的，还包括摄像部件；所述摄像部件与所述控制器连接；所述控制器还包括，

第二存储单元，用于车厢底板位置、车轴位置和车厢型号的对应关系；

第二车厢型号确定单元，用于根据所述拍摄部件拍摄的图像信息确定车厢型号，以及根据所述车厢型号和所述对应关系确定所述车厢底板位置和所述车轴位置；

所述高度计算单元根据所述车厢底板位置和所述第一脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点相对于车厢底板的高度；

所述装载状态判断单元根据所述车轴位置、所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

可选的，所述第一脉冲雷达的扫描平面垂直于车厢的行进方向。

本发明提供一种车厢装载状态检测方法，应用于车厢装载状态检测系统；所述系统包括第一脉冲雷达、第二脉冲雷达和控制器；所述第一脉冲雷达和所述第二脉冲雷达均与所述控制器连接；第二脉冲雷达的扫描频率是第一脉冲雷达扫描频率的整数倍；

所述第一脉冲雷达的扫描平面与车厢的行进方向不平行；所述第一脉冲雷达在车厢顶部的投射点横跨车厢顶部；所述第二脉冲雷达的扫描平面平行于车厢的行进方向；所述控制器配置有以下方法：

根据所述第一脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点相对于车厢底板的高度；

根据所述第一脉冲雷达的扫描信号和所述第二脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点在车厢底板的竖直投影位置；

根据所述高度和所述竖直投影位置计算所述投射点对应的子空间体积；

根据所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态，和/或，根据所述子空间体积计算车厢的载重。

可选的，所述方法中：根据所述高度和所述竖直投影位置计算所述投射点对应的子空间体积前还包括，

根据所述第二脉冲雷达的扫描信号判断车厢是否反向行驶；

在车厢反向行驶时，计算车厢的反向移动距离，删除所述反向移动距离内投射点相对于车厢底板的高度和竖直投影位置。

可选的，所述方法还包括：

根据所述第一脉冲雷达的扫描信号计算车厢宽度和车厢高度，根据所述第二脉冲雷达的扫描信号计算车厢长度；

根据所述车厢长度、所述车厢宽度和所述车厢高度确定车厢型号，根据车厢型号确定车厢底板位置和车轴位置；

根据所述第一脉冲雷达的扫描信号和所述第二脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点的竖直投影位置具体为：根据所述车厢底板位置和所述第一脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点相对于车厢底板的高度；

根据所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态具体为；根据所述车轴位置、所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

可选的，所述车厢装载状态检测系统还包括摄像部件；所述方法还包括，

根据所述拍摄部件拍摄的图像信息确定车厢型号，根据所述车型型号确定车厢底板位置和车轴位置；

根据所述第一脉冲雷达的扫描信号和所述第二脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点的竖直投影位置具体为：根据所述车厢底板位置和所述第一脉冲雷达的扫描信号计算所述投射点相对于车厢底板的高度；

根据所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态具体为；根据所述车轴位置、所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

本发明提供的车厢装载状态检测系统和检测方法，根据第一脉冲雷达在车厢顶部形成的投射点位置将车厢分成各个子空间，并根据各个子空间体积和形成各个子空间的投射点在车厢底板上的竖直投影位置计算车厢的偏载状态、根据各个子空间体积计算车厢的载重，实现车厢装载状态的自动化检测。

附图说明

为更清楚地说明背景技术或本发明的技术方案，下面对现有技术或具体实施方式中结合使用的附图作简单地介绍；显而易见地，以下结合具体实施方式的附图仅是用于方便理解本发明实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是一实施例车厢装载状态检测系统应用场景示意图；

图2是一实施例车厢装载状态检测方法流程图；

图3是车厢子空间装载煤炭后受力示意图；

图4是一实施例车厢装载状态检测系统示意图；

图5是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图；

图6是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图；

图7是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图；

图8是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图；

图9是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图；

图10是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图；

图11是另一实施例车厢装载状态检测系统应用场景示意图；

其中：1-第一脉冲雷达、2-第二脉冲雷达、3-控制器、31-高度计算单元、32-位置计算单元、33-体积计算单元、34-装载状态判断单元、35-反向移动计算单元、36-删除单元、37-第一存储单元、38-第一车厢尺寸计算单元、39-第一车厢型号确定单元、310-第二存储单元、311-第二车厢型号确定单元、312-显示单元、4-摄像部件、5-装车设备、6-龙门架。

具体实施方式

本发明提供一种检测车厢偏载状态的系统和方法，采用脉冲雷达扫描车厢得到的扫描信号确定车厢的装载状态。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细说明。

图1是一实施例车厢装载状态检测系统应用场景示意图。如图1,本实施例提供的货运列车装载状态检测系统应用于货运列车车厢的装载检测。填装完煤炭的车厢行驶至车厢装载检测系统下时，装载检测系统中的脉冲雷达扫描车厢，获取车厢各个区域的煤层高度数据，利用煤层高度数据测算车厢的货物分布状态，继而根据货物分布状态确定车厢装载状态。

车厢装载状态检测系统包括第一脉冲雷达1和第二脉冲雷达2；第一脉冲雷达1和第二脉冲雷达2均周期性地扫描车厢，并得到扫描信号。第一脉冲雷达1的扫描平面和车厢的行进方向不同，并且第一脉冲雷达1的扫描平面横跨车厢顶部；车厢经过第一脉冲雷达1的扫描平面后，第一脉冲雷达1沿扫描方向在车厢顶部各个区域形成投射点。第二脉冲雷达2的扫描平面平行于车厢的运行方向，并且第二脉冲雷达2相邻扫描周期之间具有重合区域。此外，第二脉冲雷达2的扫描频率是第一脉冲雷达1扫描频率的整数倍

如图1，本实施例中，铁轨上侧设置龙门架，第一脉冲雷达1安装在龙门架6上，以使扫描平面横跨车厢顶部；为便于扫描，第二脉冲雷达2也安装在前述龙门架上。此外，本实施例中，第一脉冲雷达1的扫描平面垂直于车厢的行进方向。

图2是一实施例车厢装载状态检测方法流程图，图4是一实施例车厢装载状态检测系统示意图。如图4，车厢装载状态检测系统还包括控制；控制器3与第一脉冲雷达1和第二脉冲雷达2均连接，可接收第一脉冲雷达1的扫描信号和第二脉冲雷达2的扫描信号，并依据扫描信号计算车厢的装载状态。本发明实施例中，控制器3按照以下方法实现车厢装载状态的检测。

s101：根据第一脉冲雷达的扫描信号计算投射点相对于车厢底板的高度。

步骤s101中所说的投射点特指第一脉冲雷达1的雷达波照射车厢顶部形成的投射点。在接收到第一脉冲雷达1的扫描信号后，控制器3计算各个扫描信号对应的扫描点在第一脉冲雷达1扫描平面的位置坐标(x,y)，其中y代表扫描点的离地高度。随后控制器3根据相邻扫描点的位置坐标(x,y)计算相邻扫描点之间的距离d1，并比较d1和第一距离阈值d的大小：如相邻两个扫描点的距离d1大于d，并且扫描点的离地高度y等于第一脉冲雷达1的离地高度，则判定两个扫描点均不是投射点；如相邻两个扫描点距离d1小于或等于d，并且扫描点的离地高度y远小于第一脉冲雷达1的离地高度，则判定两个扫描点均是投射点。

因为第一脉冲雷达1的扫描频率很高，并且车厢顶部煤炭表面相对平缓的过渡，所以第一脉冲雷达1顺次在车厢顶部形成的投射点间的距离均小于d。而在车厢边缘位置处，脉冲雷达的两个扫描点分别投射在地面上和车厢上，所以两个扫描点的距离d1远大于d；而脉冲雷达照射在地面上的扫描点的离地高度y大体等于脉冲雷达的离地高度，所以通过离地高度y就可排除位于第一脉冲雷达1在地面上的扫描点。

确定第一脉冲雷达1在车厢顶部的投射点后，就可根据各个投射点在第一脉冲雷达1扫描平面的高度y和车厢底板的高度确定各个投射点相对于车厢底板的高度h。

s102：根据第一脉冲雷达的扫描信号和第二脉冲雷达2的扫描信号计算所述投射点在车厢底板的竖直投影位置。

因为第一脉冲雷达1的扫描方向垂直于车厢的行进方向，所以根据投射点相对于第一脉冲雷达1的位置的坐标(x,y)以及第一脉冲雷达1在车厢底板平面的竖直投影位置就可确定各个投射点相对于在车厢横向方向的位置。

如前所述，第二脉冲雷达2相连两个扫描周期具有扫描重合区域。因为车厢顶部形成煤炭表层分布各点高度的是随机的，所以扫描重合区域内各个扫描点相连形成特征点。根据特征点在第二脉冲雷达2相邻两个扫描周期的位置坐标(z1,w1)和(z2,w2)就可确定在车厢在第二脉冲雷达2一个扫描周期中的移动距离。此外，控制器3根据第二脉冲雷达2的扫描信号还可确定车厢前挡板或后挡板经过第一脉冲雷达1的下侧，所以根据第二脉冲雷达2的扫描信号可确定各个投射点在车厢行进方向的位置。

在确定各个投射点到车厢横向方向的位置和行进方向的位置后，就可确定各个投射点在车厢底板的竖直投影位置。

s103：根据投射点的高度和竖直投影位置计算投射点对应的子空间体积。

根据视觉想象可知，第一脉冲雷达1在车厢顶部的投射点相连可将车厢顶面分成一个个的子顶面；沿竖直方向将各个子顶面投影在车厢底板上，可将车厢分成一个个子空间。因为子空间中各个投射点的位置已知，所以根据各个投射点的位置就可确定对应的子空间体积。

s104：根据子空间体积和投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态，根据子空间体积计算车厢的载重。

在本实施例中，已知煤炭的密度，所以在已知各个子空间体积的前提下，就可计算得到各个子空间内煤炭的重量，将各个子空间中煤炭重量相加就可求得车厢载重。同时，在已知车厢的车轴位置的基础上，就可根据各个子空间的重量和各个子空间在车厢的位置求算车厢的偏载状态。

其中，车厢的偏载状态可分为前后偏载状态和左右偏载状态。图3是车厢子空间装载煤炭后受力示意图，下面对如何计算车厢的前后偏载状态做简单介绍，车厢左右偏载状态计算方法和参照车厢前后偏载状态计算方法。

假设前车轴到车厢前挡板的距离为la、后车轴到车厢后挡板的距离为lb、车厢的长度为l、前车轴和后车轴的距离为lh、车厢前挡板的位置坐标为zs、后挡板的位置坐标为ze、车厢中心位置坐标为(zs+ze)/2。

在车厢zp处设有具有一体积为v的煤炭，则两个车轴的支撑力f1+f2＝ρvg，同时体积为v的煤炭作用在车厢上的力矩为(f1-f2)*lh/2＝ρvg*[(zs+ze)/2-zp]，经过简化后f1-f2＝ρvg*[zs+ze-2zp]/(l-2lb)。经过积分计算，车厢内所有区域煤炭造成的车厢偏载量m＝∑ρvg*[zs+ze-2zp]/(l-2lb)。

通过以上方法可想到，本发明提供的检测车厢装载状态的方法直接通过测量车厢各个子空间的煤炭层高度，根据各个子空间的煤炭层高度确定各个子空间的体积，再根据煤层的子空间体积和各个子体积相对车轴的位置计算车厢的偏载状态。相比于现有采用轨道衡测量方法，本方法实现了车厢偏载状态的测量；同时，这一测试方法可实现无接触式测量，大大提高测试方便性。

本实施例中，为数据处理、提高测试的方便性，第一脉冲雷达1的扫描方向垂直于车厢行进方向；可想到，只要第一脉冲雷达1的扫描方向不平行于车厢的运行方向，第一脉冲雷达1就可以在车厢各个位置均形成投射点，所以在其他实施例中第一脉冲雷达1的扫描方向也可为不平行于车厢运行方向的其他方向。本实施例中，为便于第二脉冲雷达2扫描车厢行进状态，第二脉冲雷达2也安装在车厢顶部；在其他实施例中，第二脉冲雷达2也可安装可照射车厢的其他位置。

如前述车厢装载状态检测方法对应的，本发明实施例提供的车厢装载状态检测系统中的控制器3配置有高度计算单元31、位置计算单元32、体积计算单元33和装载状态判断单元34；其中：高度计算单元31用于根据所述第一脉冲雷达1的扫描信号计算所述投射点相对于所述车厢底板的高度；位置计算单元32用于根据所述第一脉冲雷达1的扫描信号和所述第二脉冲雷达2的扫描信号计算所述投射点在车厢底板的竖直投影位置；体积计算单元33用于根据所述投射点的高度和竖直投影位置计算所述投射点对应的子空间体积；装载状态判断单元34用于根据所述子空间体积和所述投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态，和根据所述子空间体积计算车厢的载重。

另外，车厢装载状态监测系统还包括显示单元312，显示单元312根据高度计算单元31确定投射点高度和位置计算单元32计算的竖直投影位置显示各个投射点的位置

在一些具体应用场合中，如检测到的车厢载重或车厢偏载超出规定要求时，需要倒车并将车厢移动至装车设备5下，由装车设备5重新整理车厢货物、调整车厢的装载状态。

图5是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图，图6是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图，为避免倒车使车厢上某一子空间处的的煤炭重复计重，本发明一优选实施例提供的车厢装载检状态检测方法在根据投射点的高度和竖直投影位置计算投射点对应的子空间体积前还包括以下步骤：

s105：根据第二脉冲雷达的扫描信号判断车厢是否反向行驶；

s106：若车厢反向行驶，计算车厢的反向移动距离，删除反向移动距离内投射点相对于车厢底板的高度和竖直投影位置。

具体的，车厢反向行驶的判断也是根据第二脉冲雷达2不同扫描周期扫描的特征点位置确定，具体可参照前文，在此不再复述。应当注意是，删除反向移动距离对应的投射点不仅包括删除车厢在反向移动时形成的投射点相对于车厢底板的高度和竖直投影位置，还包括删除第一脉冲雷达1在以前扫描周期中形成的投射点相对于车厢底板的高度和竖直投影位置。

如图6，参照前述优选方法，在本发明一优选实施例提供的车厢装载状态检测系统中，控制器3还包括反向移动计算单元35和删除单元36；反向移动计算单元35用于根据第二脉冲雷达2的扫描信号判断车厢是否反向行驶，和，在车厢反向行驶时计算车厢的反向移动距离；删除单元36用于删除所述反向移动距离内投射点到车厢底板的高度和在车厢底板的竖直投影位置。

应当注意，以上实施例实现车厢偏载状态检测均是以已知车厢型号为前提，即以已知车厢的车轴位置和车厢底板高度为前提。而铁路货运中具有多种不同型号的车厢，各种型号车厢的车厢底板高度和车轴位置并不同，因此在实际应用中还需确定实际检测车厢的型号，才能计算车厢的偏载状态。而不同车厢的长度和宽度并不相同，所以可以根据车厢的长度和宽度确定车厢型号，再通过车厢型号确定车轴位置和车厢底板高度。

图7是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图，图8是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图。如图7和图8，根据不同型号车厢的长度和宽度不同的特点，本发明另一优选实施例提供的车厢装载状态检测方法还可实现车厢型号的自动确定。具体的，另一优选实施例中，在根据第一脉冲雷达1的扫描信号计算投射点相对于车厢底板的高度前还包括以下步骤：

s107：根据第一脉冲雷达的扫描信号计算车厢宽度和车厢高度，根据第二脉冲雷达的扫描信号计算车厢长度；

s108：根据车厢长度车厢宽度和车厢高度确定车厢型号，根据车厢型号确定车厢底板位置和车轴位置；

相应的：步骤s101具体为s1011：根据车厢底板位置和第一脉冲雷达的扫描信号计算投射点相对于车厢底板的高度；步骤s104具体为s1041：根据车轴位置、子空间体积和投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

在步骤s107中，车厢宽度和车厢长度的测量方法与确定各个投射点在车厢底板上的竖直投射位置方法基本相同，具体可参照前文表述。

与前述优选方法对应，本发明一优选实施例提供的车厢装载状态检测系统中的控制器3还包括第一存储单元37、第一车厢尺寸计算单元38和第一车厢型号确定单元39。其中：第一存储单元37用于存储车厢长度、车厢宽度、车厢高度、车厢底板位置和车轴位置分别于车厢型号的对应关系；第一车厢尺寸计算单元39用于根据第一脉冲雷达1的扫描信号计算车厢宽度和车厢高度，和，根据第二脉冲雷达2的扫描信号计算车厢长度；第一车厢型号确定单元39用于根据车厢长度、车厢宽度和对应关系确定车厢型号，并根据车厢型号确定车厢底板位置和车轴位置。

为便于铁路货车运输管理，铁路运输使用的车厢均在左侧围板和右侧围板上设有车厢编号和车厢型号的标识信息。图10是一优选实施例车厢装载状态检测系统示意图，图11是一优选实施例车厢装载状态检测方法流程图。为利用标识信息确定车厢型号，继而确定车轴位置和车厢底板高度，本另一优选实施例提供的车厢装载状态检测系统还包括拍摄车厢围板图像信息的摄像部件4，摄像部件4与所述控制器3连接；此外控制器3中还包括第二存储单元310和第二车厢型号确定单元311；其中第二存储单元310用于存储车厢底板位置、车轴位置和车厢型号的对应关系；第二车厢型号确定单元311用于根据拍摄部件拍摄的图像信息确定车厢型号，以及根据车厢型号和对应关系确定车厢底板位置和所述车轴位置。

对应的，高度计算单元31根据车厢底板位置和第一脉冲雷达1的扫描信号计算投射点相对于车厢底板的高度，装载状态判断单元34根据车轴位置、子空间体积和投射点的竖直投影位置车厢的偏载状态。

与前述优选实施例提供的车厢装载状态检测系统对应，本发明一优选实施例提供的车厢装载状态检测方法还包括以下步骤：

s109：根据拍摄部件拍摄的图像信息确定车厢型号；

s110：根据车厢型号确定车厢底板位置和车轴位置；

对应的，步骤s101具体为s1012根据车厢底板位置和第一脉冲雷达的扫描信号计算投射点相对于车厢底板的高度；步骤s104具体为s1042：根据车轴位置、子空间体积和投射点的竖直投影位置计算车厢的偏载状态。

图11是另一实施例车厢装载状态检测系统应用场景示意图。如图11，本实施例包括两套车厢装载状态检测系统，其中第一套检测系统用于检测空载车厢的装载状态，以检测空载车厢各个位置的底板高度，继而确定车厢内是否有冰层等异物、提示操作人员清理相应的车厢；第二套检测系统用于检测装载煤炭后车厢的装载状态。两套车厢装载状态检测系统配合，避免车厢内异物占据车厢空间、影响测试的准确性。

以上对本发明实施例中的车厢装载状态检测系统和方法行了详细介绍。本部分采用具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。