铁路建筑限界测量和数据处理方法研究

何 杰

(中国铁路总公司 货运部，北京 100844)

1 概述

铁路超限货物是指货物装车后，车辆停留在水平直线上，货物的任何部位超出机车车辆限界基本轮廓者或车辆行经半径为300 m的曲线时，货物的计算宽度超出机车车辆限界基本轮廓者[1]。铁路超限货物运输本质上是利用机车车辆限界与实际建筑限界之间的有限空间，在确保安全的前提下尽可能提高大型货物的铁路运输能力。

建筑限界数据是超限货物运输的基础和依据[2]，直接关系到超限货物运输安全和通行能力。限界管理涉及面广、专业多、设备多，实现数据动态管理必须依靠技术创新和应用。回顾限界管理10多年的发展历程，已经发生了很大的变化：在管理模式方面，从一年更新一次限界资料，到初步实现动态管理，数据得到及时更新；在管理制度方面，制定了全路统一的制度办法；在数据载体方面，从纸质资料到信息系统电子化管理；在数据标准方面，出台了行业标准和企业标准，统一了数据格式。同时，限界管理也存在一些有待进一步完善的地方，特别是大部分设备的数据测量和录入还采用人工方式，工作量大、环节多、易发生错误。

正确的建筑限界测量和数据处理是确保限界数据完整、准确的关键。测量的建筑限界数据小于实际数据，就会造成原本可以正常通行的超限货物无法通行或需要限速通行，人为降低铁路超限货物运输的通行能力；测量的建筑限界数据大于实际数据，就会造成超限货物剐蹭设施设备，甚至发生货物坠落、车辆脱轨等铁路交通事故，对铁路运输安全和秩序造成严重危害。为此，考虑基层作业人员学习掌握和操作的便利性，研究建筑限界测量和数据处理方法，以确保限界测量严谨、数据准确。

2 铁路建筑限界测量和数据处理方法研究

结合近年的建筑限界测量和数据处理实践分析，对测量基准选择和转换、曲线数据处理与汇总进一步明确和规范。同时，基于建筑物和超限货物之间的限界距离测算没有形成成熟可靠的计算机算法，一直采用人工方式进行计算，工作量大、计算复杂、容易产生差错的现状，研究设计限界距离测算算法。

2.1 测量基准选择和转换

铁路建筑限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓[3]。从理论上讲，建筑限界是基于轨面坐标系的，而不是基于大地坐标系的。在直线地段，不存在外轨超高的情况下，两者是基本一致的；在曲线地段，由于外轨超高的存在，2个坐标系是完全不同的。由于目前大部分设备都采用人工测量的方法，在实际操作中，曲线地段基于轨面坐标系测量存在一定困难。相比而言，基于大地坐标系测量比较容易实现，但测量后需要换算成基于轨面坐标系的数据[4]。因此，应给现场提供一种方便灵活的数据转换计算方法和公式。

以O' X' Y'为基于大地的坐标系，OXY为基于轨面的坐标系，构建测量坐标转换示意图如图1所示。

图1 测量坐标转换示意图Fig.1 Map of measurement coordinate transformation

当P点位于曲线内侧时，基于轨面坐标系，P点距轨面的高度PJ可以表示为

式中：θ为2个坐标系的倾斜角，θ= arctan (h/1500)，其中h为外轨超高；H0为P点距离大地的高度，H0=PK；L为P点距离线路中心的距离，L=PN。

按《铁路技术管理规程》中有关规定，基于轨面坐标系，P点距线路中心的距离PQ可以表示为

式中：R为对应的曲线半径；H为P点距离轨面的高度，H=PJ。

当P点位于曲线外侧时，同理，可以推导P点距轨面的高度H为

依据公式 ⑴、公式 ⑵、公式 ⑶，在中国铁路总公司组织开发的“铁路限界管理及超限超重货物运输辅助决策系统”中，设置了数据坐标系转换功能，用户可以选择大地坐标系，录入该坐标系下的高度和宽度数据，系统自动转换为轨面坐标系，减少了基层测量人员的换算工作量，提高了测量效率和数据准确性。

2.2 曲线数据处理与汇总

2.2.1 左右曲线汇总

直线部分的建筑限界数据汇总比较简单，直接取同一高程的最小数值合集即可。曲线部分相对复杂，主要原因在于超限车辆通过曲线时，由于车辆销距、货物突出车端长度等数据不同，可能产生不同的内偏差量和外偏差量，影响和限制超限货物通过的控制设备也可能不同。如果曲线部分数据不区分左曲线、右曲线，则不能完全反映制约超限货物通过的控制点，甚至关键控制设备数据被过滤掉，无法体现在汇总后的综合最小限界数据中，产生超限货物剐蹭设备的安全隐患。曲线内外侧限界对比示意图如图2所示。

由图2可知，A，B，C为一条S型曲线上的3个点，记X1，X2，X3，X4为曲线线路两侧设备，X1，X2，X3，X4在距轨面3 000 mm高处距线路中心的距离分别为2 100 mm，2 200 mm，2 200 mm，2 100 mm。

图2 A曲线内外侧限界对比示意图Fig.2 Map of boundary contrast between inside and outside curves

若不对左、右侧曲线进行划分，综合最小限界中对应的控制设备X1，X4，都位于曲线外侧，其距线路中心的距离为2 100 mm。假设有一件货物由A点经由B点到达C点，货物装车后在距轨面3 000 mm处的宽度为1 900 mm，最大内偏差量为300 mm，外偏差量为50 mm。此时，货物宽度和外偏差量之和为1 950 mm，距离控制设备X1和X4的限界距离还有150 mm，判定可以通过。但是，货物宽度和内偏差量之和为2 200 mm，距离控制设备X3和X4的限界距离为0 mm，不能满足安全通行要求。由于曲线内侧的数据在汇总时被外侧数据掩盖了，在综合最小限界中无法体现，造成判断错误。因此，曲线部分的建筑限界数据，应按曲线内侧、外侧或左曲线、右曲线分别进行统计汇总，才能保证控制设备不遗漏，确保超限货物通行安全。

2.2.2 按不同的车辆销距汇总

采用人工方式判断曲线限界距离时，由于无法将折减后的综合最小限界一一进行还原，通常采用将“货物实际尺寸+偏差量”与“折减后建筑限界数据”进行比较的方式，这其中包括了部分重复计算的数据，虽然能够保证安全，但不利于提高超限货物通行能力。采用计算机处理时，有2种处理办法：一是不对建筑限界数据进行汇总，直接将货物尺寸与每个设备的建筑限界一一进行比较，这种处理方式的优点是算法简单，但计算量大，对计算机性能要求很高；二是事先对建筑限界数据按不同折减标准进行分别汇总，形成对应不同车辆销距的多套建筑限界数据，判断限界距离时，根据相应的装载车辆，调用对应的建筑限界数据。

假设某区段包括S1和S22条曲线，其曲线半径分别为600 m和300 m，方向均为左曲线。距轨面高度2 000 mm处实测建筑限界数据：S1处为2 300 mm，S2处为2 350 mm。当采用标准车(销距18 000 mm)折减时，S1处的内偏差量可以表示为S1内=处折减计算后的建筑限界数据为2 300 - 67.5 = 2 232.5 mm；S2处的内偏差量处折减计算后的建筑限界数据为2 350 - 135 = 2 215 mm，此时综合最小限界的控制点应为S2，建筑限界数据为2 215 mm。当采用普通平车(销距9 350 mm）进行折减时，S1处的偏差量为处折减计算后的建筑限界数据为 2 300  - 18.2 = 2 281.8 mm，S2处的内偏差量为S2处折减计算后的建筑限界数据为2 350 - 36.4 =2 313.6 mm，此时综合最小限界的控制点应为S1，建筑限界数据为2 281.8 mm。

不同类型的车辆，销距不同，导致其在通过区段内的控制设备不同。因此，在进行建筑限界综合处理时，必须考虑销距的问题，考虑到目前车辆的最小销距不小于9 m，最大销距不超过50 m，可以从9 m到50 m的区间，每隔1 m分别对曲线部分的数据进行综合处理，形成多套综合最小限界数据。当进行建筑限界和货物轮廓比对时，根据货物的最大内外偏差量，换算出对应的计算销距，选择相应的综合最小限界数据进行检算。

2.3 限界距离检算

建筑物和货物之间的限界距离，是决定能否通行或满足运输条件的关键数据[5]。以直线段为例，以建筑限界半宽与货物半宽的差值作为距离[6]。在确定限界距离时，既要考虑建筑物和货物在同一高度处的数据对比，又要考虑邻近高度处的建筑限界情况，采用人工计算方式时，数据量大，计算繁杂，容易产生遗漏。采用计算机处理，关键在于设计出合理的算法。货物轮廓和建筑限界轮廓可以采用折线集合来描述，限界距离检算示意图如图3所示。

图3 限界距离检算示意图Fig.3 Map of boundary distance calculation

限界距离检算就是找出货物轮廓和建筑限界轮廓之间的最小距离，具体步骤如下。

（1）以货物上突变点 (a1，a2，a3，a4，a5，a6)为基点遍历限界上的线段，将货物轮廓上突变点与建筑限界轮廓上相应范围内线段逐一求距离r1，如果r1小于给定距离d，把r1和r1相关的数据存入M集合。

（2）以建筑限界上突变点 (A1，A2，A3，A4，A5，A6)为基点遍历货物上的线段，将限界轮廓上突变点与货物轮廓上相应范围内线段的距离逐一求距离r2，如果r2小于给定距离d，把r2和r2相关的数据存入N集合。

（3）令O=MUN，O为货物与建筑限界轮廓在给定距离d条件下的信息集合，即无法通过或需要限速通过的处所。

3 结束语

铁路建筑限界测量是一件技术性很强、精确性要求很高的工作，要确保其数据质量，在明确测量方法和标准的同时，还要尽可能简化基层作业人员的作业难度和换算工作。因此，应针对目前大件货物装载时一直依靠人工手段，装载难度高、安全性低[7]的问题，组织研发货物轮廓自动检测设备，在主要发站和路网性关键节点安装自动检测设备，识别超限货物尺寸，并实时将货物尺寸与批准的尺寸、沿线建筑限界数据进行核对，发现安全隐患及时报警，改变目前主要依靠人工测量的状况，避免铁路超限货物运输尺寸测量不够准确全面[8]，进一步提高科技保安全的能力。