郭建華

（蘭州鐵路局 貨運(yùn)處，甘肅 蘭州 730000）

為了確保行車安全，鐵路沿線的建筑物和設(shè)備必須與線路保持一定的距離，以防止機(jī)車車輛與建筑物或其他設(shè)備撞擊而發(fā)生事故。因此，對(duì)建筑物和設(shè)備必須規(guī)定一個(gè)不得侵入的輪廓尺寸線，稱為鐵路建筑限界；同時(shí)對(duì)機(jī)車車輛也必須規(guī)定一個(gè)不得超出的輪廓尺寸線，稱為機(jī)車車輛限界。列車裝載貨物后，整體尺寸輪廓介于機(jī)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(jù)超限尺寸可以將超限車輛分為 3 個(gè)等級(jí)：一級(jí)超限、二級(jí)超限和超級(jí)超限。鐵路超限貨物經(jīng)常涉及國家重點(diǎn)工程的關(guān)鍵設(shè)備和軍工產(chǎn)品，是鐵路運(yùn)輸安全的控制重點(diǎn)，其安全包括限界管理、狀態(tài)監(jiān)控等方面。

1 限界檢測(cè)技術(shù)

對(duì)應(yīng)于鐵路建筑限界和機(jī)車車輛限界，限界檢測(cè)可分為對(duì)鐵路線路周邊建筑物和設(shè)備的檢測(cè)，以及對(duì)機(jī)車車輛輪廓尺寸的檢測(cè)。以下主要針對(duì)鐵路建筑限界檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探討。

1.1 既有限界檢測(cè)技術(shù)

目前鐵路建筑限界的檢測(cè)方式可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。

（1）接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量是較早期的手段，常規(guī)是采用限界檢測(cè)車測(cè)量和人工定點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合的方式進(jìn)行檢測(cè)[1]。限界檢測(cè)車的主體為固定安裝在平板車上可伸縮的限界框架，由內(nèi)燃機(jī)車牽引，對(duì)全線逐段進(jìn)行檢測(cè)[2]，檢測(cè)過程中根據(jù)線路限界標(biāo)準(zhǔn)的變化實(shí)時(shí)調(diào)整限界框架的大小。人工定點(diǎn)測(cè)量主要在限界檢測(cè)車不能檢測(cè)時(shí)采用，一般使用水平尺、卷尺、吊錘、經(jīng)緯儀、全站儀等工具，對(duì)建筑物的一些控制點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單，靜態(tài)測(cè)量時(shí)精度高；不足在于測(cè)量速度慢，工作量大，需要較多的人工干預(yù)。

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

1.2 激光掃描檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備

目前，國內(nèi)外都研制出基于激光掃描技術(shù)的鐵路建筑限界檢測(cè)系統(tǒng)，我國的相關(guān)設(shè)備已成功運(yùn)用于沙特麥加輕軌鐵路和京滬高速鐵路限界檢測(cè)。激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)利用 2D 激光掃描傳感器實(shí)時(shí)獲取線路橫斷面的輪廓，利用速度傳感器獲取車輛在前進(jìn)方向移動(dòng)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路建筑限界的高速檢測(cè)。

該檢測(cè)系統(tǒng)由 2D 激光掃描傳感器、速度傳感器、里程模塊、處理主機(jī)、供電模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 限界檢查測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如下：2D 激光掃描傳感器將掃描的斷面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)，檢測(cè)軟件對(duì)接收到的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將斷面數(shù)據(jù)與限界標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，用以判斷是否存在侵限，同時(shí)里程模塊實(shí)時(shí)記錄每個(gè)掃描斷面的里程位置。

作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，2D 激光掃描傳感器內(nèi)置的激光發(fā)射鏡頭可高速旋轉(zhuǎn)，每秒最高可檢測(cè)100 個(gè)斷面，檢測(cè)車運(yùn)行速度 80 km / h 時(shí)，掃描斷面間隔為 222 mm。檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試精度為 2 mm，動(dòng)態(tài)測(cè)試誤差可控制在 10 mm 以內(nèi)。激光掃面檢測(cè)工作示意圖如圖 2 所示。

圖2 激光掃描檢測(cè)工作示意圖

由于激光掃描技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，該檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的連續(xù)檢測(cè)，從而獲得整條線路的凈空狀態(tài)。借助激光掃描技術(shù)，對(duì)貨物運(yùn)輸徑路上的線路、橋梁、隧道等建筑物進(jìn)行限界復(fù)核，相關(guān)業(yè)務(wù)部門可以動(dòng)態(tài)掌握貨物運(yùn)輸徑路的限界變化情況，為確定超限貨物安全運(yùn)輸條件提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 綜合限界管理

2.1 線路限界復(fù)核

鐵路建筑限界的基本作用是保證所有機(jī)車車輛包括超限車輛在線路上安全行駛。建筑限界標(biāo)準(zhǔn)是鐵路各業(yè)務(wù)部門必須共同遵守的基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直接關(guān)系到機(jī)車車輛、牽引供電、線路旁建筑物和設(shè)備的建設(shè)和發(fā)展，行車速度和列車質(zhì)量的提高及鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效果[3]。因此，應(yīng)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(yùn)營過程中，對(duì)線路及建筑物、安裝設(shè)備等改擴(kuò)建工程，列車對(duì)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(huì)造成建筑限界的變化。這就要求鐵路部門應(yīng)按照《 中華人民共和國鐵路技術(shù)管理規(guī)程 》中規(guī)定，隧道限界檢查應(yīng)不少于 5 年一次；同時(shí)應(yīng)及時(shí)獲取最新的線路限界狀態(tài)，保證超限貨物的運(yùn)輸安全。

針對(duì)不同的鐵路線路狀態(tài)，鐵路相關(guān)業(yè)務(wù)部門應(yīng)采用合適的限界檢測(cè)技術(shù)，定期對(duì)線路進(jìn)行限界復(fù)核?；诩す鈷呙杓夹g(shù)的限界檢測(cè)系統(tǒng)做出的線路限界復(fù)核示意圖如圖 3 所示。

圖3 線路限界復(fù)核示意圖

2.2 綜合限界計(jì)算及管理

2.2.1 綜合限界的計(jì)算

通過對(duì)線路進(jìn)行限界復(fù)核，可以分析得出線路某區(qū)段的綜合限界，進(jìn)而判斷超限車輛能否安全通過此區(qū)段。綜合限界是指將某區(qū)段內(nèi)各隧道、橋梁、其他設(shè)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(qū)段綜合限界是確定該區(qū)段允許通過的超限貨物最大規(guī)格及運(yùn)行條件的重要依據(jù)，是日常運(yùn)輸管理工作中必不可缺的基本數(shù)據(jù)。目前確定區(qū)段綜合限界的基本數(shù)據(jù)主要來自于鐵路工務(wù)、房建等部門提供的具體隧道、橋梁等建筑物不同檢測(cè)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(qū)段內(nèi)，根據(jù)檢測(cè)高度將斷面數(shù)據(jù)分為若干個(gè)區(qū)間，比較各個(gè)檢測(cè)高度區(qū)間的直線段與縱軸之間距離的遠(yuǎn)近，找出距縱軸最近的連線，最后將各個(gè)檢測(cè)高度區(qū)間內(nèi)距縱軸最近的連線拼接起來，便可得出此區(qū)段的綜合限界，如圖 4 所示，黑色加粗線條即為 ( y1，y2) 檢測(cè)高度區(qū)間內(nèi)的綜合限界。

圖4 綜合限界計(jì)算方法示意圖

2.2.2 綜合限界的管理

對(duì)線路的綜合限界進(jìn)行信息化管理并有效地應(yīng)用到超限貨物運(yùn)輸工作中，有助于提高鐵路運(yùn)輸部門的工作效率。建立鐵路限界管理及超限超重貨物運(yùn)輸輔助決策系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合限界管理的電子化、數(shù)字化，提高綜合限界使用的便捷性、準(zhǔn)確性和安全性。考慮鐵路路網(wǎng)和貨物特點(diǎn)及單復(fù)線、電氣化、橋隧限界、線路繁忙程度等控制情況，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型與算法，為確定超限貨物運(yùn)輸徑路提供決策依據(jù)，提高決策的質(zhì)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(yùn)輸安全。

3 超限貨物裝載及在途監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 貨車限界檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備

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

CCD 圖像超限監(jiān)測(cè)技術(shù)利用安裝在龍門架上的CCD 攝像機(jī)陣列對(duì)貨車進(jìn)行攝影，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集的貨車圖像進(jìn)行解算、修正，計(jì)算出貨車裝載的實(shí)際高度和寬度，對(duì)超出機(jī)車車輛限界的寬度或高度報(bào)警[4]。

基于激光掃描技術(shù)的超限檢測(cè)系統(tǒng)采用二維激光掃描測(cè)量技術(shù)，獲得車輛的全斷面輪廓尺寸來檢測(cè)裝載貨物的超限狀態(tài)；采用計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)場(chǎng)景監(jiān)視技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車到達(dá)時(shí)的自動(dòng)硬盤錄像。該檢測(cè)系統(tǒng)可以聯(lián)入超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，與車號(hào)信息和“運(yùn)統(tǒng)一”信息進(jìn)行匹配，從而可以提供完整的貨車裝載狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。

超限檢測(cè)系統(tǒng)通過安裝在龍門架上的 2 個(gè)二維激光掃描傳感器組成掃描斷面，實(shí)時(shí)對(duì)通過列車的縱斷面輪廓進(jìn)行測(cè)量，可以檢測(cè)得到通過車輛及貨物的斷面輪廓尺寸，進(jìn)而判斷貨物超限與否，以及超限的尺寸、部位、等級(jí)等，超限檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖 5 所示。該系統(tǒng)可以運(yùn)用于正線、長(zhǎng)大隧道、特大框架橋入口前、到達(dá)場(chǎng)或出發(fā)場(chǎng)，以避免由于超限引起的安全事故的發(fā)生。

圖5 超限檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

3.2 超限貨物在途狀態(tài)復(fù)核及管理

利用鐵路貨車限界檢測(cè)技術(shù)，鐵路業(yè)務(wù)部門可以獲得超限貨物運(yùn)輸過程中的超限狀態(tài)，據(jù)此對(duì)超限車輛進(jìn)行相應(yīng)的組織管理，以保證超限貨物的運(yùn)輸安全。超限貨物運(yùn)輸實(shí)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(jī)車車輛限界而未超出一級(jí)超限限界，為一級(jí)超限車輛。

根據(jù)綜合限界管理信息系統(tǒng)提供的超限貨物數(shù)據(jù)接口，將超限檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超限貨物在途狀態(tài)的管理。超限貨物在途管理信息系統(tǒng)的界面如圖 7 所示。

圖6 超限貨物運(yùn)輸實(shí)例圖

圖7 超限貨物在途管理信息系統(tǒng)界面

4 鐵路限界管理及超限超重貨物運(yùn)輸輔助決策系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路限界管理及超限超重貨物運(yùn)輸輔助決策系統(tǒng)在中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 )、車站進(jìn)行部署，系統(tǒng)接入三級(jí)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 ) 三級(jí)管理，中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 ( 段 )、車站四級(jí)應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 8 所示。

4.2 系統(tǒng)功能

（1）建立全路限界資料數(shù)據(jù)庫。在鐵路局級(jí)采集、中國鐵路總公司級(jí)匯總限界數(shù)據(jù)，當(dāng)限界變化時(shí)，兩級(jí)數(shù)據(jù)庫自動(dòng)更新。提供全路限界數(shù)據(jù)查詢共享服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超限貨物運(yùn)輸?shù)妮o助決策。

（2）限界數(shù)據(jù)采集。該功能支持通過丈量、角架、攝影、攝像、自動(dòng)限界檢測(cè)車等方法采集的數(shù)據(jù)錄入。

（3）綜合最小限界自動(dòng)生成。該功能可以生成任意區(qū)間、區(qū)段、隧道、橋梁、線路、車站股道、單個(gè)設(shè)備等的最小建筑限界。

（4）限界數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理。該功能可以實(shí)現(xiàn)限界數(shù)據(jù)的發(fā)布、查詢、變更申請(qǐng)、變更審批的管理。

圖8 系統(tǒng)架構(gòu)

（5）限界數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用。該功能輸入超限貨物斷面數(shù)據(jù)，對(duì)比區(qū)間綜合最小限界，自動(dòng)判別超限與否及其超限等級(jí)，并計(jì)算出影響運(yùn)輸安全的超限位置。主要包括歷史數(shù)據(jù)對(duì)比、侵限數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、更新及打印功能等。

（6）超限超重貨物運(yùn)輸決策。該功能具備貨物數(shù)據(jù)填報(bào)、裝載布局決策、運(yùn)輸徑路決策、偏差量計(jì)算、重車中心高計(jì)算、限界安全檢算及裝運(yùn)辦法決策等，輔助中國鐵路總公司、鐵路局、站段三級(jí)管理人員完成請(qǐng)示電報(bào)、批復(fù)電報(bào)、轉(zhuǎn)發(fā)電報(bào)和掛運(yùn)電報(bào)決策、生成、流轉(zhuǎn)等工作，并且支持超限超重貨物運(yùn)輸信息綜合應(yīng)用。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用建議

系統(tǒng)建設(shè)和部署方面，在中國鐵路總公司、鐵路局分別部署實(shí)施總公司級(jí)、鐵路局級(jí)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及管理應(yīng)用功能，站段部署實(shí)施聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)維護(hù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)三級(jí)數(shù)據(jù)共享。應(yīng)用對(duì)象主要是：站段受理承運(yùn)部門，鐵路局總工室、運(yùn)輸、貨運(yùn)、工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等限界管理部門和中國鐵路總公司業(yè)務(wù)主管部門。為充分發(fā)揮系統(tǒng)對(duì)限界管理和超限超重或?yàn)檫\(yùn)輸決策支持的促進(jìn)作用，提出以下建議。

（1）運(yùn)用車載式建筑限界檢測(cè)設(shè)備，加速超限徑路的建筑限界復(fù)核，強(qiáng)化限界檢測(cè)設(shè)備的定期計(jì)量或校準(zhǔn)工作，并加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)，以保證限界數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

（2）明確系統(tǒng)應(yīng)用管理職責(zé)，進(jìn)一步發(fā)揮鐵路局超限超重貨物運(yùn)輸及限界管理委員會(huì)的作用，統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決管理工作中的重大問題。鐵路局工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等業(yè)務(wù)部門動(dòng)態(tài)掌握各自管理的設(shè)備設(shè)施限界的變化情況，并由鐵路局總工室負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)終端及時(shí)更新限界資料，以保證限界數(shù)據(jù)變更確認(rèn)的及時(shí)性，同時(shí)全路限界數(shù)據(jù)同步更新。

（3）加強(qiáng)限界檢測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)與日常人工抽檢測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)，以驗(yàn)證限界檢測(cè)設(shè)備的可靠性。

5 結(jié)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(chǔ)，采用多種檢測(cè)技術(shù)和方法，對(duì)建筑限界收集，通過鐵路相關(guān)部門復(fù)核確認(rèn)，運(yùn)用鐵路限界管理及超限超重貨物運(yùn)輸輔助決策系統(tǒng)中的模型與算法，綜合考慮鐵路路網(wǎng)和貨物特點(diǎn)及單復(fù)線、電氣化、橋隧限界、線路繁忙程度等控制情況和因素，科學(xué)決策出適合路徑并制訂運(yùn)輸方案，為超限超重貨物運(yùn)輸提供決策支持，確保超重超限貨物運(yùn)輸安全。

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