鐵路建筑限界測量和數據處理方法研究

何 杰

(中國鐵路總公司 貨運部，北京 100844)

1 概述

鐵路超限貨物是指貨物裝車后，車輛停留在水平直線上，貨物的任何部位超出機車車輛限界基本輪廓者或車輛行經半徑為300 m的曲線時，貨物的計算寬度超出機車車輛限界基本輪廓者[1]。鐵路超限貨物運輸本質上是利用機車車輛限界與實際建筑限界之間的有限空間，在確保安全的前提下盡可能提高大型貨物的鐵路運輸能力。

建筑限界數據是超限貨物運輸的基礎和依據[2]，直接關系到超限貨物運輸安全和通行能力。限界管理涉及面廣、專業多、設備多，實現數據動態管理必須依靠技術創新和應用。回顧限界管理10多年的發展歷程，已經發生了很大的變化：在管理模式方面，從一年更新一次限界資料，到初步實現動態管理，數據得到及時更新；在管理制度方面，制定了全路統一的制度辦法；在數據載體方面，從紙質資料到信息系統電子化管理；在數據標準方面，出臺了行業標準和企業標準，統一了數據格式。同時，限界管理也存在一些有待進一步完善的地方，特別是大部分設備的數據測量和錄入還采用人工方式，工作量大、環節多、易發生錯誤。

正確的建筑限界測量和數據處理是確保限界數據完整、準確的關鍵。測量的建筑限界數據小于實際數據，就會造成原本可以正常通行的超限貨物無法通行或需要限速通行，人為降低鐵路超限貨物運輸的通行能力；測量的建筑限界數據大于實際數據，就會造成超限貨物剮蹭設施設備，甚至發生貨物墜落、車輛脫軌等鐵路交通事故，對鐵路運輸安全和秩序造成嚴重危害。為此，考慮基層作業人員學習掌握和操作的便利性，研究建筑限界測量和數據處理方法，以確保限界測量嚴謹、數據準確。

2 鐵路建筑限界測量和數據處理方法研究

結合近年的建筑限界測量和數據處理實踐分析，對測量基準選擇和轉換、曲線數據處理與匯總進一步明確和規范。同時，基于建筑物和超限貨物之間的限界距離測算沒有形成成熟可靠的計算機算法，一直采用人工方式進行計算，工作量大、計算復雜、容易產生差錯的現狀，研究設計限界距離測算算法。

2.1 測量基準選擇和轉換

鐵路建筑限界是一個和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓[3]。從理論上講，建筑限界是基于軌面坐標系的，而不是基于大地坐標系的。在直線地段，不存在外軌超高的情況下，兩者是基本一致的；在曲線地段，由于外軌超高的存在，2個坐標系是完全不同的。由于目前大部分設備都采用人工測量的方法，在實際操作中，曲線地段基于軌面坐標系測量存在一定困難。相比而言，基于大地坐標系測量比較容易實現，但測量后需要換算成基于軌面坐標系的數據[4]。因此，應給現場提供一種方便靈活的數據轉換計算方法和公式。

以O' X' Y'為基于大地的坐標系，OXY為基于軌面的坐標系，構建測量坐標轉換示意圖如圖1所示。

圖1?測量坐標轉換示意圖Fig.1 Map of measurement coordinate transformation

當P點位于曲線內側時，基于軌面坐標系，P點距軌面的高度PJ可以表示為

式中：θ為2個坐標系的傾斜角，θ= arctan (h/1500)，其中h為外軌超高；H0為P點距離大地的高度，H0=PK；L為P點距離線路中心的距離，L=PN。

按《鐵路技術管理規程》中有關規定，基于軌面坐標系，P點距線路中心的距離PQ可以表示為

式中：R為對應的曲線半徑；H為P點距離軌面的高度，H=PJ。

當P點位于曲線外側時，同理，可以推導P點距軌面的高度H為

依據公式 ⑴、公式 ⑵、公式 ⑶，在中國鐵路總公司組織開發的“鐵路限界管理及超限超重貨物運輸輔助決策系統”中，設置了數據坐標系轉換功能，用戶可以選擇大地坐標系，錄入該坐標系下的高度和寬度數據，系統自動轉換為軌面坐標系，減少了基層測量人員的換算工作量，提高了測量效率和數據準確性。

2.2 曲線數據處理與匯總

2.2.1 左右曲線匯總

直線部分的建筑限界數據匯總比較簡單，直接取同一高程的最小數值合集即可。曲線部分相對復雜，主要原因在于超限車輛通過曲線時，由于車輛銷距、貨物突出車端長度等數據不同，可能產生不同的內偏差量和外偏差量，影響和限制超限貨物通過的控制設備也可能不同。如果曲線部分數據不區分左曲線、右曲線，則不能完全反映制約超限貨物通過的控制點，甚至關鍵控制設備數據被過濾掉，無法體現在匯總后的綜合最小限界數據中，產生超限貨物剮蹭設備的安全隱患。曲線內外側限界對比示意圖如圖2所示。

由圖2可知，A，B，C為一條S型曲線上的3個點，記X1，X2，X3，X4為曲線線路兩側設備，X1，X2，X3，X4在距軌面3 000 mm高處距線路中心的距離分別為2 100 mm，2 200 mm，2 200 mm，2 100 mm。

圖2?A曲線內外側限界對比示意圖Fig.2 Map of boundary contrast between inside and outside curves

若不對左、右側曲線進行劃分，綜合最小限界中對應的控制設備X1，X4，都位于曲線外側，其距線路中心的距離為2 100 mm。假設有一件貨物由A點經由B點到達C點，貨物裝車后在距軌面3 000 mm處的寬度為1 900 mm，最大內偏差量為300 mm，外偏差量為50 mm。此時，貨物寬度和外偏差量之和為1 950 mm，距離控制設備X1和X4的限界距離還有150 mm，判定可以通過。但是，貨物寬度和內偏差量之和為2 200 mm，距離控制設備X3和X4的限界距離為0 mm，不能滿足安全通行要求。由于曲線內側的數據在匯總時被外側數據掩蓋了，在綜合最小限界中無法體現，造成判斷錯誤。因此，曲線部分的建筑限界數據，應按曲線內側、外側或左曲線、右曲線分別進行統計匯總，才能保證控制設備不遺漏，確保超限貨物通行安全。

2.2.2 按不同的車輛銷距匯總

采用人工方式判斷曲線限界距離時，由于無法將折減后的綜合最小限界一一進行還原，通常采用將“貨物實際尺寸+偏差量”與“折減后建筑限界數據”進行比較的方式，這其中包括了部分重復計算的數據，雖然能夠保證安全，但不利于提高超限貨物通行能力。采用計算機處理時，有2種處理辦法：一是不對建筑限界數據進行匯總，直接將貨物尺寸與每個設備的建筑限界一一進行比較，這種處理方式的優點是算法簡單，但計算量大，對計算機性能要求很高；二是事先對建筑限界數據按不同折減標準進行分別匯總，形成對應不同車輛銷距的多套建筑限界數據，判斷限界距離時，根據相應的裝載車輛，調用對應的建筑限界數據。

假設某區段包括S1和S22條曲線，其曲線半徑分別為600 m和300 m，方向均為左曲線。距軌面高度2 000 mm處實測建筑限界數據：S1處為2 300 mm，S2處為2 350 mm。當采用標準車(銷距18 000 mm)折減時，S1處的內偏差量可以表示為S1內=處折減計算后的建筑限界數據為2 300 -?67.5 = 2 232.5 mm；S2處的內偏差量處折減計算后的建筑限界數據為2 350 -?135 = 2 215 mm，此時綜合最小限界的控制點應為S2，建筑限界數據為2 215 mm。當采用普通平車(銷距9 350 mm）進行折減時，S1處的偏差量為處折減計算后的建筑限界數據為 2 300 ?-?18.2 = 2 281.8 mm，S2處的內偏差量為S2處折減計算后的建筑限界數據為2 350 -?36.4 =2 313.6 mm，此時綜合最小限界的控制點應為S1，建筑限界數據為2 281.8 mm。

不同類型的車輛，銷距不同，導致其在通過區段內的控制設備不同。因此，在進行建筑限界綜合處理時，必須考慮銷距的問題，考慮到目前車輛的最小銷距不小于9 m，最大銷距不超過50 m，可以從9 m到50 m的區間，每隔1 m分別對曲線部分的數據進行綜合處理，形成多套綜合最小限界數據。當進行建筑限界和貨物輪廓比對時，根據貨物的最大內外偏差量，換算出對應的計算銷距，選擇相應的綜合最小限界數據進行檢算。

2.3 限界距離檢算

建筑物和貨物之間的限界距離，是決定能否通行或滿足運輸條件的關鍵數據[5]。以直線段為例，以建筑限界半寬與貨物半寬的差值作為距離[6]。在確定限界距離時，既要考慮建筑物和貨物在同一高度處的數據對比，又要考慮鄰近高度處的建筑限界情況，采用人工計算方式時，數據量大，計算繁雜，容易產生遺漏。采用計算機處理，關鍵在于設計出合理的算法。貨物輪廓和建筑限界輪廓可以采用折線集合來描述，限界距離檢算示意圖如圖3所示。

圖3?限界距離檢算示意圖Fig.3 Map of boundary distance calculation

限界距離檢算就是找出貨物輪廓和建筑限界輪廓之間的最小距離，具體步驟如下。

（1）以貨物上突變點 (a1，a2，a3，a4，a5，a6)為基點遍歷限界上的線段，將貨物輪廓上突變點與建筑限界輪廓上相應范圍內線段逐一求距離r1，如果r1小于給定距離d，把r1和r1相關的數據存入M集合。

（2）以建筑限界上突變點 (A1，A2，A3，A4，A5，A6)為基點遍歷貨物上的線段，將限界輪廓上突變點與貨物輪廓上相應范圍內線段的距離逐一求距離r2，如果r2小于給定距離d，把r2和r2相關的數據存入N集合。

（3）令O=MUN，O為貨物與建筑限界輪廓在給定距離d條件下的信息集合，即無法通過或需要限速通過的處所。

3 結束語

鐵路建筑限界測量是一件技術性很強、精確性要求很高的工作，要確保其數據質量，在明確測量方法和標準的同時，還要盡可能簡化基層作業人員的作業難度和換算工作。因此，應針對目前大件貨物裝載時一直依靠人工手段，裝載難度高、安全性低[7]的問題，組織研發貨物輪廓自動檢測設備，在主要發站和路網性關鍵節點安裝自動檢測設備，識別超限貨物尺寸，并實時將貨物尺寸與批準的尺寸、沿線建筑限界數據進行核對，發現安全隱患及時報警，改變目前主要依靠人工測量的狀況，避免鐵路超限貨物運輸尺寸測量不夠準確全面[8]，進一步提高科技保安全的能力。