戴傳洋， 劉子暢， 王軍鋒， 呂大勇

（1. 中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司濟(jì)南工務(wù)段，山東濟(jì)南 250031；2. 中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399）

近年來，我國鐵路事業(yè)迅速發(fā)展，截至2018年底全路有82000 余處鐵路橋涵，其中梁式構(gòu)造橋梁52000余處。在國務(wù)院下發(fā)的《鐵路安全管理條例》中規(guī)定：下穿鐵路橋涵、涵洞的道路應(yīng)當(dāng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置車輛通過限高、限寬標(biāo)志和限高防護(hù)架［1]。限高防護(hù)架一定程度上保護(hù)了橋梁安全，但其被撞失效進(jìn)而沖撞橋涵的情況時有發(fā)生，容易引發(fā)線路基礎(chǔ)形變，成為鐵路行車安全隱患。為此，鐵路部門亟須加強(qiáng)鐵路橋涵安全防護(hù)研究，及時有效監(jiān)控預(yù)警與事故報警，確保鐵路運輸安全。

1 研發(fā)背景及現(xiàn)狀需求

1.1 研發(fā)背景

在防護(hù)架碰撞報警研究方面，在碰撞動力反應(yīng)過程研究基礎(chǔ)上，學(xué)者們對超高車輛的預(yù)警與報警技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和系統(tǒng)研制。鄧中洋［2]提出采用紅外線傳感原理進(jìn)行預(yù)警的裝置，紅外線傳感器設(shè)置在限高攔截板的下端，當(dāng)紅外光線被遮擋時即認(rèn)為是超高車輛遮擋，進(jìn)而生成電控信號產(chǎn)生報警信息。朱金榮［3]提出利用位移傳感器實現(xiàn)對超高車輛警示的預(yù)警裝置，位移傳感器安裝于橋梁限高攔截桿上，當(dāng)位移量達(dá)到最大閾值則生成報警信號。由于上述研究受到電力負(fù)荷、安裝施工、缺少可視化復(fù)核手段、維護(hù)成本高等條件限制，目前仍局限于技術(shù)研究和測試階段。為能夠切實滿足防護(hù)架管理人員的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)的研制需要以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，詳細(xì)分析業(yè)務(wù)需求與系統(tǒng)功能的映射。

1.2 現(xiàn)狀需求

近年來，鐵路安全管理部門逐漸認(rèn)識到下穿鐵路立交橋安全的重要性，通過《鐵路上跨道路立交橋涵限高防護(hù)架管理辦法》（鐵總工電〔2017〕261 號）［4]等管理辦法，實現(xiàn)對防護(hù)架設(shè)置及維護(hù)管理。隨著管理辦法的建立，防護(hù)架對鐵路安全運行起到較好的防護(hù)作用，但限高防護(hù)架被撞產(chǎn)生大量維護(hù)費用，并由此造成的二次災(zāi)害呈快速上升勢頭［5]。導(dǎo)致防護(hù)架被撞事件的主要原因是道路交通壓力、道路設(shè)計、超限司機(jī)安全意識淡薄、限高防護(hù)架設(shè)計與實際施工的差距等因素［6]。而目前對于損壞信息大多通過工作人員巡查、群眾舉報等途徑獲取，事故信息嚴(yán)重缺失和滯后，且缺少有效的視頻系統(tǒng)作為輔助核查依據(jù)；同時較多限高防護(hù)架處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，損壞后很難及時發(fā)現(xiàn)，因此失去對鐵路或立交道路的保護(hù)，從而增加鐵路行車的安全隱患［6-11]。

鐵路限高防護(hù)架對于報警監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）需求較為迫切，面臨以下挑戰(zhàn)及需求：（1）現(xiàn)場取電不便利。由于受到管轄范圍和管理職責(zé)限制，現(xiàn)場不具備供應(yīng)系統(tǒng)用電條件，若從鐵路基站取電，施工成本較高，報警系統(tǒng)需具備自取電能力。（2）現(xiàn)場取網(wǎng)不便利。受限于施工、偏遠(yuǎn)地區(qū)等限制條件，不具備鐵路通信網(wǎng)絡(luò)提供條件，需要系統(tǒng)自行解決信號傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)需求問題。（3）現(xiàn)場查看不迅速。業(yè)務(wù)相關(guān)人員需實時查看現(xiàn)場情況，快速評估事故處理工作，降低因防護(hù)架損壞而造成的二次傷害。需提升信息化管理手段，降低管理難度，提高工作效率。（4）在接收到報警信息后，系統(tǒng)需提供視頻記錄，對肇事車輛進(jìn)行追蹤與調(diào)查取證。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)設(shè)計是在物聯(lián)網(wǎng)大背景下，以防護(hù)架碰撞管理需求為牽引，實現(xiàn)集探測傳感、視頻核查、供電單元、信息傳輸裝置、軟件平臺、移動端軟件于一體的綜合探測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 碰撞探測裝置

針對掉桿、撞損2種不同報警需求，通過對各類場景模擬，并結(jié)合人工智能分析技術(shù)，分別提供基于壓力原理和振動原理的傳感裝置。壓力傳感是針對掉桿事件研制，在防護(hù)架正常狀態(tài)下壓力最大，當(dāng)壓力瞬時變小并超過50%時產(chǎn)生報警信號；振動傳感是針對撞損報警需求研制，在車輛正常行駛條件下，裝置振幅不超過5%，當(dāng)防護(hù)架受到嚴(yán)重撞擊時，振幅超過38%以上時產(chǎn)生報警信息。為保證系統(tǒng)對探測裝置狀態(tài)的定期檢測，2套裝置利用太陽能進(jìn)行自供電，滿足檢測和報警功耗（見圖2）。

圖2 碰撞探測裝置

2.2.2 報警信息傳輸裝置

報警信息傳輸裝置接收來自碰撞探測裝置的模擬信號，信號處理部分接收到傳感器輸出的模擬信號，對其進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至軟件平臺進(jìn)行綜合分析判斷。報警信息傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意見圖3。

2.2.3 視頻核查系統(tǒng)

視頻核查系統(tǒng)實時記錄并存儲于本地，當(dāng)接收到來自軟件平臺的報警命令后，從本地對事故前后視頻進(jìn)行截取與記錄，形成有效視頻記錄，再將有效視頻記錄通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺。使用者可通過管理平臺對現(xiàn)場實時視頻進(jìn)行調(diào)取查看。視頻核查系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖3 報警信息傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 視頻核查系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 事件管理平臺

事件管理平臺充分基于業(yè)務(wù)需求采用B/S 架構(gòu)搭建，可滿足對系統(tǒng)設(shè)備、相關(guān)人員、現(xiàn)場、事件等多維信息的綜合管理?？紤]到管理部門的區(qū)域化特點，提供平臺任務(wù)處置、移動端聯(lián)動事件處置2 個版本（見圖5）。

圖5 事件管理平臺工作界面

2.2.5 移動端事件處置模塊

移動端事件處置模塊不需要安裝即可遠(yuǎn)程查看報警事件的詳細(xì)信息及現(xiàn)場實時視頻，完成現(xiàn)場基本信息的填寫與上報。該模塊支持多終端同時訪問，可多人同時對事件聯(lián)動管理，提升事件的管理效率和信息化管理手段（見圖6）。

圖6 移動端事件處置模塊界面

3 試驗驗證

3.1 模擬試驗

模擬試驗的開展主要測試系統(tǒng)對超高車輛報警響應(yīng)能力及漏報警情況、利用多種干擾物的誤報警情況、雨淋模擬條件下的系統(tǒng)運行情況等。

3.1.1 超高車輛報警模擬

利用模擬試驗區(qū)已有限高3.4 m防護(hù)架，于2018年8月20、25日，9月15日開展25 次測試，其中模擬防護(hù)架橫梁撞損15次、橫梁掉桿10次。

（1）對橫梁撞損事件模擬。測試人員駕駛高度超過3.4 m 的貨車行駛經(jīng)過，撞擊經(jīng)過處理的限高防護(hù)架，查看其報警情況。

（2）對橫梁掉桿事件模擬。測試人員駕駛高度略高于3.4 m 的貨車行駛經(jīng)過，碰撞限高防護(hù)架，導(dǎo)致橫梁脫落，查看報警情況。

3.1.2 干擾物模擬試驗

在模擬試驗區(qū)開展植被干擾模擬、車輛搭載超高軟貨物和硬貨物3種干擾方式對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

（1）植被干擾模擬：利用試驗現(xiàn)場限高架立柱旁現(xiàn)有植被，模擬晃動及植被生長，查看系統(tǒng)針對2類探測裝置的報警情況。

（2）車輛搭載超高軟貨物模擬：利用大車分別搭載超高秸稈、紙箱（見圖7）、沙土經(jīng)過限高防護(hù)架，查看系統(tǒng)報警情況。

（3）車輛搭載超高硬貨物模擬：利用大車分別搭載超高集裝箱和滿箱貨物，經(jīng)過限高防護(hù)架，造成不同撞損和掉桿事件，查看系統(tǒng)報警情況。

圖7 模擬超高紙箱

3.1.3 雨淋模擬

在模擬試驗地分別模擬雨淋環(huán)境下，車輛碰撞橫梁造成損壞及掉桿，查看系統(tǒng)報警情況。模擬共計10 次，其中模擬小雨5 次，每次5 min，期間分別開展橫梁撞損模擬測試3 次和橫梁掉桿模擬測試5 次；模擬大雨5次，每次10 min，期間分別開展橫梁撞損模擬測試3次和橫梁掉桿模擬測試5次。

3.1.4 試驗結(jié)果

（1）模擬試驗中，共計模擬報警事件51 次，預(yù)計產(chǎn)生報警信息51次，實際產(chǎn)生報警信息51次。

（2）在51 條報警事件記錄信息中均包含事件全程的視頻記錄數(shù)據(jù)。

（3）在模擬試驗測試中，系統(tǒng)無漏報警情況，平均響應(yīng)時間為1.1 s。

（4）超高軟貨物通過模擬試驗時，不會對橫梁造成損壞，若造成橫梁掉桿事件時，系統(tǒng)產(chǎn)生報警信息。

（5）植被生長、晃動干擾不會對系統(tǒng)造成影響，無誤報情況發(fā)生。

（6）雨淋模擬試驗中，雨水不會對系統(tǒng)造成影響，系統(tǒng)運行正常，無誤報情況發(fā)生。

3.2 現(xiàn)場驗證試驗

3.2.1 試驗地點

選取2處事故頻發(fā)、具有典型代表的工點作為現(xiàn)場試驗地點。其中，豐臺工務(wù)段現(xiàn)場（簡稱豐臺現(xiàn)場）為城鄉(xiāng)結(jié)合處，常年有大車經(jīng)過，限高3.4 m。系統(tǒng)未安裝之前，平均每月有1～2 起限高防護(hù)架被撞導(dǎo)致橫梁脫落而造成交通事故。濟(jì)南工務(wù)段現(xiàn)場（簡稱濟(jì)南現(xiàn)場）為城市路段，限高防護(hù)架限高3.7 m，橋涵東側(cè)建有混凝土廠，常有超高車輛碰撞、撞損限高防護(hù)架，進(jìn)而造成嚴(yán)重的交通擁堵及超高維護(hù)費用。

3.2.2 試驗過程及結(jié)果

現(xiàn)場試驗驗證時間為2019年1—11月，經(jīng)歷四季變化、主汛期、夏季暴曬等環(huán)境，全程記錄系統(tǒng)報警情況，全面了解系統(tǒng)在實際應(yīng)用場景中的使用情況。在豐臺現(xiàn)場試驗驗證中系統(tǒng)整體安裝于防護(hù)架立柱上；在濟(jì)南現(xiàn)場試驗驗證中，探測和數(shù)據(jù)傳輸裝置安裝于防護(hù)架橫梁和立柱處，視頻系統(tǒng)安裝于橋梁處。

系統(tǒng)現(xiàn)場運行的11個月中，共計產(chǎn)生3條報警信息（豐臺現(xiàn)場2 次，濟(jì)南現(xiàn)場1 次）。豐臺現(xiàn)場為水泥罐車經(jīng)過造成橫梁脫落產(chǎn)生報警，試驗驗證期間接收到2次群眾報警信息，系統(tǒng)均詳細(xì)記錄了事故發(fā)生的整個過程及清晰的車輛信息（見圖8），為事故追責(zé)提供了有力證據(jù)。濟(jì)南現(xiàn)場經(jīng)過視頻核實后發(fā)現(xiàn)超載貨車高速行駛碰撞限高防護(hù)架產(chǎn)生報警，限高防護(hù)架有程度較輕的損傷，貨車在撞擊后未造成嚴(yán)重事故，系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信息詳細(xì)記錄了事件經(jīng)過及肇事車輛基本信息。

圖8 現(xiàn)場抓取事故車輛信息視頻截圖

4 結(jié)論

鐵路跨公路限高防護(hù)架架設(shè)位置包括市區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合處、郊區(qū)等各種環(huán)境復(fù)雜位置，各部門對于碰撞探測報警系統(tǒng)需求各不相同，為碰撞探測報警系統(tǒng)的統(tǒng)一化安裝部署、業(yè)務(wù)功能設(shè)置增加了難度?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的限高防護(hù)架報警系統(tǒng)，能夠利用傳感網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對探測裝置、傳輸裝置、視頻系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的集成，并具有自供網(wǎng)、自供電能力，降低了系統(tǒng)的使用難度。對系統(tǒng)開展模擬試驗和現(xiàn)場驗證試驗，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠及時快速產(chǎn)生準(zhǔn)確的報警信息，提供事件全程視頻記錄信息；能夠在特殊天氣及植被干擾條件下正常運行，不受上述因素影響，在模擬測試和現(xiàn)場試驗驗證期間無漏報警和誤報警事件。2處試驗現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，在系統(tǒng)安裝前每月產(chǎn)生1～2起事故，造成交通堵塞甚至給其他車輛和行人造成傷害。在系統(tǒng)安裝后，事故發(fā)生頻率明顯降低，對大車司機(jī)起到警示和威懾作用。該系統(tǒng)的安裝部署為相關(guān)安全管理部門提供有力的管理證據(jù)，可進(jìn)一步保障鐵路行車安全。