鐵路超限貨物運輸安全檢測監控技術及應用研究

郭建華

（蘭州鐵路局 貨運處，甘肅 蘭州 730000）

為了確保行車安全，鐵路沿線的建筑物和設備必須與線路保持一定的距離，以防止機車車輛與建筑物或其他設備撞擊而發生事故。因此，對建筑物和設備必須規定一個不得侵入的輪廓尺寸線，稱為鐵路建筑限界；同時對機車車輛也必須規定一個不得超出的輪廓尺寸線，稱為機車車輛限界。列車裝載貨物后，整體尺寸輪廓介于機車車輛限界與鐵路建筑限界之間的車輛稱之為超限車輛，根據超限尺寸可以將超限車輛分為 3 個等級：一級超限、二級超限和超級超限。鐵路超限貨物經常涉及國家重點工程的關鍵設備和軍工產品，是鐵路運輸安全的控制重點，其安全包括限界管理、狀態監控等方面。

1 限界檢測技術

對應于鐵路建筑限界和機車車輛限界，限界檢測可分為對鐵路線路周邊建筑物和設備的檢測，以及對機車車輛輪廓尺寸的檢測。以下主要針對鐵路建筑限界檢測技術進行探討。

1.1 既有限界檢測技術

目前鐵路建筑限界的檢測方式可分為接觸式測量和非接觸式測量。

（1）接觸式測量。接觸式測量是較早期的手段，常規是采用限界檢測車測量和人工定點測量相結合的方式進行檢測[1]。限界檢測車的主體為固定安裝在平板車上可伸縮的限界框架，由內燃機車牽引，對全線逐段進行檢測[2]，檢測過程中根據線路限界標準的變化實時調整限界框架的大小。人工定點測量主要在限界檢測車不能檢測時采用，一般使用水平尺、卷尺、吊錘、經緯儀、全站儀等工具，對建筑物的一些控制點進行單點測量。接觸式測量的優點是費用低、操作簡單，靜態測量時精度高；不足在于測量速度慢，工作量大，需要較多的人工干預。

（2）非接觸式測量。非接觸式測量有多種方式，如紅外測量、攝像測量、激光掃描測量等。攝像測量技術曾用于隧道限界檢測，在檢測車上安裝面陣CCD 攝像機陣列、線狀激光光源、視頻采集卡及里程定位系統，利用 CCD 攝像機攝錄激光器照射在隧道壁上產生的光帶，通過視頻數據采集系統處理，計算隧道徑向斷面輪廓尺寸，同時定位系統記錄被測量斷面的相應位置，從而測量隧道的限界尺寸，并標明超限處所。隧道限界檢測車采用 11 臺攝像機，每臺攝像機攝取隧道斷面的一部分，然后再拼接成整體。CCD 攝像機以每秒 25 幅圖像的速度進行拍攝，獲取的隧道斷面間隔與檢測車行駛速度成正比關系，檢測車行駛速度越慢，測量效果越精確。檢測車運行速度 80 km / h 時，掃描斷面間隔為 888 mm。該檢測車的靜態標定誤差為 20 mm，局部 ( 如隧道洞口 ) 檢測誤差較大。由于攝像檢測原理的局限性，無法進行橋梁、線路建筑限界檢測。

1.2 激光掃描檢測技術及設備

目前，國內外都研制出基于激光掃描技術的鐵路建筑限界檢測系統，我國的相關設備已成功運用于沙特麥加輕軌鐵路和京滬高速鐵路限界檢測。激光掃描檢測系統利用 2D 激光掃描傳感器實時獲取線路橫斷面的輪廓，利用速度傳感器獲取車輛在前進方向移動的距離，從而實現對鐵路建筑限界的高速檢測。

該檢測系統由 2D 激光掃描傳感器、速度傳感器、里程模塊、處理主機、供電模塊等組成，系統結構如圖 1 所示。

圖1 限界檢查測試系統結構圖

該檢測系統工作流程如下：2D 激光掃描傳感器將掃描的斷面數據實時傳輸至計算機，檢測軟件對接收到的斷面數據進行分析處理，將斷面數據與限界標準進行對比，用以判斷是否存在侵限，同時里程模塊實時記錄每個掃描斷面的里程位置。

作為檢測系統的核心設備，2D 激光掃描傳感器內置的激光發射鏡頭可高速旋轉，每秒最高可檢測100 個斷面，檢測車運行速度 80 km / h 時，掃描斷面間隔為 222 mm。檢測系統的靜態測試精度為 2 mm，動態測試誤差可控制在 10 mm 以內。激光掃面檢測工作示意圖如圖 2 所示。

圖2 激光掃描檢測工作示意圖

由于激光掃描技術具有良好的穩定性和抗干擾性，該檢測系統可以實現對線路的連續檢測，從而獲得整條線路的凈空狀態。借助激光掃描技術，對貨物運輸徑路上的線路、橋梁、隧道等建筑物進行限界復核，相關業務部門可以動態掌握貨物運輸徑路的限界變化情況，為確定超限貨物安全運輸條件提供了可靠的數據依據。

2 綜合限界管理

2.1 線路限界復核

鐵路建筑限界的基本作用是保證所有機車車輛包括超限車輛在線路上安全行駛。建筑限界標準是鐵路各業務部門必須共同遵守的基礎技術標準，直接關系到機車車輛、牽引供電、線路旁建筑物和設備的建設和發展，行車速度和列車質量的提高及鐵路運輸的經濟效果[3]。因此，應全面掌握鐵路建筑限界資料十分重要。然而，鐵路建筑限界并不是固定不變的。在日常運營過程中，對線路及建筑物、安裝設備等改擴建工程，列車對線路的沖擊等，線路大中修引起的線路位置改變，山體變形造成的隧道限界尺寸變化等因素，都會造成建筑限界的變化。這就要求鐵路部門應按照《 中華人民共和國鐵路技術管理規程 》中規定，隧道限界檢查應不少于 5 年一次；同時應及時獲取最新的線路限界狀態，保證超限貨物的運輸安全。

針對不同的鐵路線路狀態，鐵路相關業務部門應采用合適的限界檢測技術，定期對線路進行限界復核。基于激光掃描技術的限界檢測系統做出的線路限界復核示意圖如圖 3 所示。

圖3 線路限界復核示意圖

2.2 綜合限界計算及管理

2.2.1 綜合限界的計算

通過對線路進行限界復核，可以分析得出線路某區段的綜合限界，進而判斷超限車輛能否安全通過此區段。綜合限界是指將某區段內各隧道、橋梁、其他設備及建筑物的綜合最小建筑接近限界再次綜合，形成的最小建筑限界。區段綜合限界是確定該區段允許通過的超限貨物最大規格及運行條件的重要依據，是日常運輸管理工作中必不可缺的基本數據。目前確定區段綜合限界的基本數據主要來自于鐵路工務、房建等部門提供的具體隧道、橋梁等建筑物不同檢測高度的限界值[3]。

確定綜合限界可以采取以下方法：在同一區段內，根據檢測高度將斷面數據分為若干個區間，比較各個檢測高度區間的直線段與縱軸之間距離的遠近，找出距縱軸最近的連線，最后將各個檢測高度區間內距縱軸最近的連線拼接起來，便可得出此區段的綜合限界，如圖 4 所示，黑色加粗線條即為 ( y1，y2) 檢測高度區間內的綜合限界。

圖4 綜合限界計算方法示意圖

2.2.2 綜合限界的管理

對線路的綜合限界進行信息化管理并有效地應用到超限貨物運輸工作中，有助于提高鐵路運輸部門的工作效率。建立鐵路限界管理及超限超重貨物運輸輔助決策系統，能夠實現綜合限界管理的電子化、數字化，提高綜合限界使用的便捷性、準確性和安全性。考慮鐵路路網和貨物特點及單復線、電氣化、橋隧限界、線路繁忙程度等控制情況，構建相應的數學模型與算法，為確定超限貨物運輸徑路提供決策依據，提高決策的質量和效率，可以避免人工管理中的漏洞，消除安全隱患，保證行車安全及貨物運輸安全。

3 超限貨物裝載及在途監測技術

3.1 貨車限界檢測技術及設備

在確保鐵路線路周邊建筑物及設備不侵入建筑限界的情況下，同時需要對機車車輛及其裝載的貨物進行輪廓尺寸檢測，判斷其是否超出機車車輛限界，確定超限等級。類似于鐵路建筑限界檢測技術，貨車限界檢測可采用 CCD 圖像處理、激光掃描等非接觸式測量技術。

CCD 圖像超限監測技術利用安裝在龍門架上的CCD 攝像機陣列對貨車進行攝影，由計算機對采集的貨車圖像進行解算、修正，計算出貨車裝載的實際高度和寬度，對超出機車車輛限界的寬度或高度報警[4]。

基于激光掃描技術的超限檢測系統采用二維激光掃描測量技術，獲得車輛的全斷面輪廓尺寸來檢測裝載貨物的超限狀態；采用計算機控制實時場景監視技術，實現列車到達時的自動硬盤錄像。該檢測系統可以聯入超偏載檢測系統，與車號信息和“運統一”信息進行匹配，從而可以提供完整的貨車裝載狀態監測信息。

超限檢測系統通過安裝在龍門架上的 2 個二維激光掃描傳感器組成掃描斷面，實時對通過列車的縱斷面輪廓進行測量，可以檢測得到通過車輛及貨物的斷面輪廓尺寸，進而判斷貨物超限與否，以及超限的尺寸、部位、等級等，超限檢測系統檢測原理如圖 5 所示。該系統可以運用于正線、長大隧道、特大框架橋入口前、到達場或出發場，以避免由于超限引起的安全事故的發生。

圖5 超限檢測系統檢測原理圖

3.2 超限貨物在途狀態復核及管理

利用鐵路貨車限界檢測技術，鐵路業務部門可以獲得超限貨物運輸過程中的超限狀態，據此對超限車輛進行相應的組織管理，以保證超限貨物的運輸安全。超限貨物運輸實例圖如圖 6 所示，從激光掃描斷面可以看出，裝載木材的車輛左上和右上部位超出了機車車輛限界而未超出一級超限限界，為一級超限車輛。

根據綜合限界管理信息系統提供的超限貨物數據接口，將超限檢測系統的檢測數據輸入數據庫中，以實現對超限貨物在途狀態的管理。超限貨物在途管理信息系統的界面如圖 7 所示。

圖6 超限貨物運輸實例圖

圖7 超限貨物在途管理信息系統界面

4 鐵路限界管理及超限超重貨物運輸輔助決策系統

4.1 系統架構

鐵路限界管理及超限超重貨物運輸輔助決策系統在中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 )、車站進行部署，系統接入三級管理平臺，實現中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 ) 三級管理，中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 )、車站四級應用。系統架構如圖 8 所示。

4.2 系統功能

（1）建立全路限界資料數據庫。在鐵路局級采集、中國鐵路總公司級匯總限界數據，當限界變化時，兩級數據庫自動更新。提供全路限界數據查詢共享服務，實現對超限貨物運輸的輔助決策。

（2）限界數據采集。該功能支持通過丈量、角架、攝影、攝像、自動限界檢測車等方法采集的數據錄入。

（3）綜合最小限界自動生成。該功能可以生成任意區間、區段、隧道、橋梁、線路、車站股道、單個設備等的最小建筑限界。

（4）限界數據的動態管理。該功能可以實現限界數據的發布、查詢、變更申請、變更審批的管理。

圖8 系統架構

（5）限界數據的綜合運用。該功能輸入超限貨物斷面數據，對比區間綜合最小限界，自動判別超限與否及其超限等級，并計算出影響運輸安全的超限位置。主要包括歷史數據對比、侵限數據查詢、統計、更新及打印功能等。

（6）超限超重貨物運輸決策。該功能具備貨物數據填報、裝載布局決策、運輸徑路決策、偏差量計算、重車中心高計算、限界安全檢算及裝運辦法決策等，輔助中國鐵路總公司、鐵路局、站段三級管理人員完成請示電報、批復電報、轉發電報和掛運電報決策、生成、流轉等工作，并且支持超限超重貨物運輸信息綜合應用。

4.3 系統應用建議

系統建設和部署方面，在中國鐵路總公司、鐵路局分別部署實施總公司級、鐵路局級聯網應用系統，實現數據交換及管理應用功能，站段部署實施聯網應用系統，實現信息采集、數據維護、業務應用功能，實現三級數據共享。應用對象主要是：站段受理承運部門，鐵路局總工室、運輸、貨運、工務、電務、供電、房建等限界管理部門和中國鐵路總公司業務主管部門。為充分發揮系統對限界管理和超限超重或為運輸決策支持的促進作用，提出以下建議。

（1）運用車載式建筑限界檢測設備，加速超限徑路的建筑限界復核，強化限界檢測設備的定期計量或校準工作，并加強日常維護保養，以保證限界數據采集的準確性。

（2）明確系統應用管理職責，進一步發揮鐵路局超限超重貨物運輸及限界管理委員會的作用，統一協調解決管理工作中的重大問題。鐵路局工務、電務、供電、房建等業務部門動態掌握各自管理的設備設施限界的變化情況，并由鐵路局總工室負責應用系統終端及時更新限界資料，以保證限界數據變更確認的及時性，同時全路限界數據同步更新。

（3）加強限界檢測設備測量數據與日常人工抽檢測量數據的比對，以驗證限界檢測設備的可靠性。

5 結束語

鐵路辦理超限貨物的徑路是以鐵路線路的建筑限界資料為基礎，采用多種檢測技術和方法，對建筑限界收集，通過鐵路相關部門復核確認，運用鐵路限界管理及超限超重貨物運輸輔助決策系統中的模型與算法，綜合考慮鐵路路網和貨物特點及單復線、電氣化、橋隧限界、線路繁忙程度等控制情況和因素，科學決策出適合路徑并制訂運輸方案，為超限超重貨物運輸提供決策支持，確保超重超限貨物運輸安全。

[1] 田葆栓. 對鐵路限界的分析與思考[J]. 鐵道貨運，2010(8)：13-18.

[2] 劉永中. 地鐵設備限界的檢測方法[J]. 隧道建設，2005(4)：70-71.

[3] 王久梗，顧守淮. 區段綜合限界計算方法的研究[J].鐵道學報，2000，22(4)：8-11.

[4] 王欣秋. 鐵路貨車超限及裝載狀態監測系統應用[J].鐵道技術監督，2006，34(4)：24-25.