铁路超限货物运输安全检测监控技术及应用研究

郭建华

（兰州铁路局 货运处，甘肃 兰州 730000）

为了确保行车安全，铁路沿线的建筑物和设备必须与线路保持一定的距离，以防止机车车辆与建筑物或其他设备撞击而发生事故。因此，对建筑物和设备必须规定一个不得侵入的轮廓尺寸线，称为铁路建筑限界；同时对机车车辆也必须规定一个不得超出的轮廓尺寸线，称为机车车辆限界。列车装载货物后，整体尺寸轮廓介于机车车辆限界与铁路建筑限界之间的车辆称之为超限车辆，根据超限尺寸可以将超限车辆分为 3 个等级：一级超限、二级超限和超级超限。铁路超限货物经常涉及国家重点工程的关键设备和军工产品，是铁路运输安全的控制重点，其安全包括限界管理、状态监控等方面。

1 限界检测技术

对应于铁路建筑限界和机车车辆限界，限界检测可分为对铁路线路周边建筑物和设备的检测，以及对机车车辆轮廓尺寸的检测。以下主要针对铁路建筑限界检测技术进行探讨。

1.1 既有限界检测技术

目前铁路建筑限界的检测方式可分为接触式测量和非接触式测量。

（1）接触式测量。接触式测量是较早期的手段，常规是采用限界检测车测量和人工定点测量相结合的方式进行检测[1]。限界检测车的主体为固定安装在平板车上可伸缩的限界框架，由内燃机车牵引，对全线逐段进行检测[2]，检测过程中根据线路限界标准的变化实时调整限界框架的大小。人工定点测量主要在限界检测车不能检测时采用，一般使用水平尺、卷尺、吊锤、经纬仪、全站仪等工具，对建筑物的一些控制点进行单点测量。接触式测量的优点是费用低、操作简单，静态测量时精度高；不足在于测量速度慢，工作量大，需要较多的人工干预。

（2）非接触式测量。非接触式测量有多种方式，如红外测量、摄像测量、激光扫描测量等。摄像测量技术曾用于隧道限界检测，在检测车上安装面阵CCD 摄像机阵列、线状激光光源、视频采集卡及里程定位系统，利用 CCD 摄像机摄录激光器照射在隧道壁上产生的光带，通过视频数据采集系统处理，计算隧道径向断面轮廓尺寸，同时定位系统记录被测量断面的相应位置，从而测量隧道的限界尺寸，并标明超限处所。隧道限界检测车采用 11 台摄像机，每台摄像机摄取隧道断面的一部分，然后再拼接成整体。CCD 摄像机以每秒 25 幅图像的速度进行拍摄，获取的隧道断面间隔与检测车行驶速度成正比关系，检测车行驶速度越慢，测量效果越精确。检测车运行速度 80 km / h 时，扫描断面间隔为 888 mm。该检测车的静态标定误差为 20 mm，局部 ( 如隧道洞口 ) 检测误差较大。由于摄像检测原理的局限性，无法进行桥梁、线路建筑限界检测。

1.2 激光扫描检测技术及设备

目前，国内外都研制出基于激光扫描技术的铁路建筑限界检测系统，我国的相关设备已成功运用于沙特麦加轻轨铁路和京沪高速铁路限界检测。激光扫描检测系统利用 2D 激光扫描传感器实时获取线路横断面的轮廓，利用速度传感器获取车辆在前进方向移动的距离，从而实现对铁路建筑限界的高速检测。

该检测系统由 2D 激光扫描传感器、速度传感器、里程模块、处理主机、供电模块等组成，系统结构如图 1 所示。

图1 限界检查测试系统结构图

该检测系统工作流程如下：2D 激光扫描传感器将扫描的断面数据实时传输至计算机，检测软件对接收到的断面数据进行分析处理，将断面数据与限界标准进行对比，用以判断是否存在侵限，同时里程模块实时记录每个扫描断面的里程位置。

作为检测系统的核心设备，2D 激光扫描传感器内置的激光发射镜头可高速旋转，每秒最高可检测100 个断面，检测车运行速度 80 km / h 时，扫描断面间隔为 222 mm。检测系统的静态测试精度为 2 mm，动态测试误差可控制在 10 mm 以内。激光扫面检测工作示意图如图 2 所示。

图2 激光扫描检测工作示意图

由于激光扫描技术具有良好的稳定性和抗干扰性，该检测系统可以实现对线路的连续检测，从而获得整条线路的净空状态。借助激光扫描技术，对货物运输径路上的线路、桥梁、隧道等建筑物进行限界复核，相关业务部门可以动态掌握货物运输径路的限界变化情况，为确定超限货物安全运输条件提供了可靠的数据依据。

2 综合限界管理

2.1 线路限界复核

铁路建筑限界的基本作用是保证所有机车车辆包括超限车辆在线路上安全行驶。建筑限界标准是铁路各业务部门必须共同遵守的基础技术标准，直接关系到机车车辆、牵引供电、线路旁建筑物和设备的建设和发展，行车速度和列车质量的提高及铁路运输的经济效果[3]。因此，应全面掌握铁路建筑限界资料十分重要。然而，铁路建筑限界并不是固定不变的。在日常运营过程中，对线路及建筑物、安装设备等改扩建工程，列车对线路的冲击等，线路大中修引起的线路位置改变，山体变形造成的隧道限界尺寸变化等因素，都会造成建筑限界的变化。这就要求铁路部门应按照《 中华人民共和国铁路技术管理规程 》中规定，隧道限界检查应不少于 5 年一次；同时应及时获取最新的线路限界状态，保证超限货物的运输安全。

针对不同的铁路线路状态，铁路相关业务部门应采用合适的限界检测技术，定期对线路进行限界复核。基于激光扫描技术的限界检测系统做出的线路限界复核示意图如图 3 所示。

图3 线路限界复核示意图

2.2 综合限界计算及管理

2.2.1 综合限界的计算

通过对线路进行限界复核，可以分析得出线路某区段的综合限界，进而判断超限车辆能否安全通过此区段。综合限界是指将某区段内各隧道、桥梁、其他设备及建筑物的综合最小建筑接近限界再次综合，形成的最小建筑限界。区段综合限界是确定该区段允许通过的超限货物最大规格及运行条件的重要依据，是日常运输管理工作中必不可缺的基本数据。目前确定区段综合限界的基本数据主要来自于铁路工务、房建等部门提供的具体隧道、桥梁等建筑物不同检测高度的限界值[3]。

确定综合限界可以采取以下方法：在同一区段内，根据检测高度将断面数据分为若干个区间，比较各个检测高度区间的直线段与纵轴之间距离的远近，找出距纵轴最近的连线，最后将各个检测高度区间内距纵轴最近的连线拼接起来，便可得出此区段的综合限界，如图 4 所示，黑色加粗线条即为 ( y1，y2) 检测高度区间内的综合限界。

图4 综合限界计算方法示意图

2.2.2 综合限界的管理

对线路的综合限界进行信息化管理并有效地应用到超限货物运输工作中，有助于提高铁路运输部门的工作效率。建立铁路限界管理及超限超重货物运输辅助决策系统，能够实现综合限界管理的电子化、数字化，提高综合限界使用的便捷性、准确性和安全性。考虑铁路路网和货物特点及单复线、电气化、桥隧限界、线路繁忙程度等控制情况，构建相应的数学模型与算法，为确定超限货物运输径路提供决策依据，提高决策的质量和效率，可以避免人工管理中的漏洞，消除安全隐患，保证行车安全及货物运输安全。

3 超限货物装载及在途监测技术

3.1 货车限界检测技术及设备

在确保铁路线路周边建筑物及设备不侵入建筑限界的情况下，同时需要对机车车辆及其装载的货物进行轮廓尺寸检测，判断其是否超出机车车辆限界，确定超限等级。类似于铁路建筑限界检测技术，货车限界检测可采用 CCD 图像处理、激光扫描等非接触式测量技术。

CCD 图像超限监测技术利用安装在龙门架上的CCD 摄像机阵列对货车进行摄影，由计算机对采集的货车图像进行解算、修正，计算出货车装载的实际高度和宽度，对超出机车车辆限界的宽度或高度报警[4]。

基于激光扫描技术的超限检测系统采用二维激光扫描测量技术，获得车辆的全断面轮廓尺寸来检测装载货物的超限状态；采用计算机控制实时场景监视技术，实现列车到达时的自动硬盘录像。该检测系统可以联入超偏载检测系统，与车号信息和“运统一”信息进行匹配，从而可以提供完整的货车装载状态监测信息。

超限检测系统通过安装在龙门架上的 2 个二维激光扫描传感器组成扫描断面，实时对通过列车的纵断面轮廓进行测量，可以检测得到通过车辆及货物的断面轮廓尺寸，进而判断货物超限与否，以及超限的尺寸、部位、等级等，超限检测系统检测原理如图 5 所示。该系统可以运用于正线、长大隧道、特大框架桥入口前、到达场或出发场，以避免由于超限引起的安全事故的发生。

图5 超限检测系统检测原理图

3.2 超限货物在途状态复核及管理

利用铁路货车限界检测技术，铁路业务部门可以获得超限货物运输过程中的超限状态，据此对超限车辆进行相应的组织管理，以保证超限货物的运输安全。超限货物运输实例图如图 6 所示，从激光扫描断面可以看出，装载木材的车辆左上和右上部位超出了机车车辆限界而未超出一级超限限界，为一级超限车辆。

根据综合限界管理信息系统提供的超限货物数据接口，将超限检测系统的检测数据输入数据库中，以实现对超限货物在途状态的管理。超限货物在途管理信息系统的界面如图 7 所示。

图6 超限货物运输实例图

图7 超限货物在途管理信息系统界面

4 铁路限界管理及超限超重货物运输辅助决策系统

4.1 系统架构

铁路限界管理及超限超重货物运输辅助决策系统在中国铁路总公司、铁路局、直属站 ( 段 )、车站进行部署，系统接入三级管理平台，实现中国铁路总公司、铁路局、直属站 ( 段 ) 三级管理，中国铁路总公司、铁路局、直属站 ( 段 )、车站四级应用。系统架构如图 8 所示。

4.2 系统功能

（1）建立全路限界资料数据库。在铁路局级采集、中国铁路总公司级汇总限界数据，当限界变化时，两级数据库自动更新。提供全路限界数据查询共享服务，实现对超限货物运输的辅助决策。

（2）限界数据采集。该功能支持通过丈量、角架、摄影、摄像、自动限界检测车等方法采集的数据录入。

（3）综合最小限界自动生成。该功能可以生成任意区间、区段、隧道、桥梁、线路、车站股道、单个设备等的最小建筑限界。

（4）限界数据的动态管理。该功能可以实现限界数据的发布、查询、变更申请、变更审批的管理。

图8 系统架构

（5）限界数据的综合运用。该功能输入超限货物断面数据，对比区间综合最小限界，自动判别超限与否及其超限等级，并计算出影响运输安全的超限位置。主要包括历史数据对比、侵限数据查询、统计、更新及打印功能等。

（6）超限超重货物运输决策。该功能具备货物数据填报、装载布局决策、运输径路决策、偏差量计算、重车中心高计算、限界安全检算及装运办法决策等，辅助中国铁路总公司、铁路局、站段三级管理人员完成请示电报、批复电报、转发电报和挂运电报决策、生成、流转等工作，并且支持超限超重货物运输信息综合应用。

4.3 系统应用建议

系统建设和部署方面，在中国铁路总公司、铁路局分别部署实施总公司级、铁路局级联网应用系统，实现数据交换及管理应用功能，站段部署实施联网应用系统，实现信息采集、数据维护、业务应用功能，实现三级数据共享。应用对象主要是：站段受理承运部门，铁路局总工室、运输、货运、工务、电务、供电、房建等限界管理部门和中国铁路总公司业务主管部门。为充分发挥系统对限界管理和超限超重或为运输决策支持的促进作用，提出以下建议。

（1）运用车载式建筑限界检测设备，加速超限径路的建筑限界复核，强化限界检测设备的定期计量或校准工作，并加强日常维护保养，以保证限界数据采集的准确性。

（2）明确系统应用管理职责，进一步发挥铁路局超限超重货物运输及限界管理委员会的作用，统一协调解决管理工作中的重大问题。铁路局工务、电务、供电、房建等业务部门动态掌握各自管理的设备设施限界的变化情况，并由铁路局总工室负责应用系统终端及时更新限界资料，以保证限界数据变更确认的及时性，同时全路限界数据同步更新。

（3）加强限界检测设备测量数据与日常人工抽检测量数据的比对，以验证限界检测设备的可靠性。

5 结束语

铁路办理超限货物的径路是以铁路线路的建筑限界资料为基础，采用多种检测技术和方法，对建筑限界收集，通过铁路相关部门复核确认，运用铁路限界管理及超限超重货物运输辅助决策系统中的模型与算法，综合考虑铁路路网和货物特点及单复线、电气化、桥隧限界、线路繁忙程度等控制情况和因素，科学决策出适合路径并制订运输方案，为超限超重货物运输提供决策支持，确保超重超限货物运输安全。

[1] 田葆栓. 对铁路限界的分析与思考[J]. 铁道货运，2010(8)：13-18.

[2] 刘永中. 地铁设备限界的检测方法[J]. 隧道建设，2005(4)：70-71.

[3] 王久梗，顾守淮. 区段综合限界计算方法的研究[J].铁道学报，2000，22(4)：8-11.

[4] 王欣秋. 铁路货车超限及装载状态监测系统应用[J].铁道技术监督，2006，34(4)：24-25.