基于物联网技术的铁跨公立交桥涵限高防护架报警系统

戴传洋， 刘子畅， 王军锋， 吕大勇

（1. 中国铁路济南局集团有限公司济南工务段，山东济南 250031；2. 中科蓝卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399）

近年来，我国铁路事业迅速发展，截至2018年底全路有82000 余处铁路桥涵，其中梁式构造桥梁52000余处。在国务院下发的《铁路安全管理条例》中规定：下穿铁路桥涵、涵洞的道路应当按照国家标准设置车辆通过限高、限宽标志和限高防护架［1]。限高防护架一定程度上保护了桥梁安全，但其被撞失效进而冲撞桥涵的情况时有发生，容易引发线路基础形变，成为铁路行车安全隐患。为此，铁路部门亟须加强铁路桥涵安全防护研究，及时有效监控预警与事故报警，确保铁路运输安全。

1 研发背景及现状需求

1.1 研发背景

在防护架碰撞报警研究方面，在碰撞动力反应过程研究基础上，学者们对超高车辆的预警与报警技术进行攻关和系统研制。邓中洋［2]提出采用红外线传感原理进行预警的装置，红外线传感器设置在限高拦截板的下端，当红外光线被遮挡时即认为是超高车辆遮挡，进而生成电控信号产生报警信息。朱金荣［3]提出利用位移传感器实现对超高车辆警示的预警装置，位移传感器安装于桥梁限高拦截杆上，当位移量达到最大阈值则生成报警信号。由于上述研究受到电力负荷、安装施工、缺少可视化复核手段、维护成本高等条件限制，目前仍局限于技术研究和测试阶段。为能够切实满足防护架管理人员的业务需求，系统的研制需要以业务需求为导向，结合物联网技术手段，详细分析业务需求与系统功能的映射。

1.2 现状需求

近年来，铁路安全管理部门逐渐认识到下穿铁路立交桥安全的重要性，通过《铁路上跨道路立交桥涵限高防护架管理办法》（铁总工电〔2017〕261 号）［4]等管理办法，实现对防护架设置及维护管理。随着管理办法的建立，防护架对铁路安全运行起到较好的防护作用，但限高防护架被撞产生大量维护费用，并由此造成的二次灾害呈快速上升势头［5]。导致防护架被撞事件的主要原因是道路交通压力、道路设计、超限司机安全意识淡薄、限高防护架设计与实际施工的差距等因素［6]。而目前对于损坏信息大多通过工作人员巡查、群众举报等途径获取，事故信息严重缺失和滞后，且缺少有效的视频系统作为辅助核查依据；同时较多限高防护架处于偏远地区，损坏后很难及时发现，因此失去对铁路或立交道路的保护，从而增加铁路行车的安全隐患［6-11]。

铁路限高防护架对于报警监控系统（简称系统）需求较为迫切，面临以下挑战及需求：（1）现场取电不便利。由于受到管辖范围和管理职责限制，现场不具备供应系统用电条件，若从铁路基站取电，施工成本较高，报警系统需具备自取电能力。（2）现场取网不便利。受限于施工、偏远地区等限制条件，不具备铁路通信网络提供条件，需要系统自行解决信号传输、数据传输等网络需求问题。（3）现场查看不迅速。业务相关人员需实时查看现场情况，快速评估事故处理工作，降低因防护架损坏而造成的二次伤害。需提升信息化管理手段，降低管理难度，提高工作效率。（4）在接收到报警信息后，系统需提供视频记录，对肇事车辆进行追踪与调查取证。

2 设计方案

2.1 设计思路

系统设计是在物联网大背景下，以防护架碰撞管理需求为牵引，实现集探测传感、视频核查、供电单元、信息传输装置、软件平台、移动端软件于一体的综合探测报警系统，系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构

2.2 系统组成

2.2.1 碰撞探测装置

针对掉杆、撞损2种不同报警需求，通过对各类场景模拟，并结合人工智能分析技术，分别提供基于压力原理和振动原理的传感装置。压力传感是针对掉杆事件研制，在防护架正常状态下压力最大，当压力瞬时变小并超过50%时产生报警信号；振动传感是针对撞损报警需求研制，在车辆正常行驶条件下，装置振幅不超过5%，当防护架受到严重撞击时，振幅超过38%以上时产生报警信息。为保证系统对探测装置状态的定期检测，2套装置利用太阳能进行自供电，满足检测和报警功耗（见图2）。

图2 碰撞探测装置

2.2.2 报警信息传输装置

报警信息传输装置接收来自碰撞探测装置的模拟信号，信号处理部分接收到传感器输出的模拟信号，对其进行AD 转换，将模拟信号转换为数字信号，通过无线网络传送至软件平台进行综合分析判断。报警信息传输装置结构示意见图3。

2.2.3 视频核查系统

视频核查系统实时记录并存储于本地，当接收到来自软件平台的报警命令后，从本地对事故前后视频进行截取与记录，形成有效视频记录，再将有效视频记录通过网络传输至管理平台。使用者可通过管理平台对现场实时视频进行调取查看。视频核查系统装置结构示意见图4。

图3 报警信息传输装置结构示意图

图4 视频核查系统装置结构示意图

2.2.4 事件管理平台

事件管理平台充分基于业务需求采用B/S 架构搭建，可满足对系统设备、相关人员、现场、事件等多维信息的综合管理。考虑到管理部门的区域化特点，提供平台任务处置、移动端联动事件处置2 个版本（见图5）。

图5 事件管理平台工作界面

2.2.5 移动端事件处置模块

移动端事件处置模块不需要安装即可远程查看报警事件的详细信息及现场实时视频，完成现场基本信息的填写与上报。该模块支持多终端同时访问，可多人同时对事件联动管理，提升事件的管理效率和信息化管理手段（见图6）。

图6 移动端事件处置模块界面

3 试验验证

3.1 模拟试验

模拟试验的开展主要测试系统对超高车辆报警响应能力及漏报警情况、利用多种干扰物的误报警情况、雨淋模拟条件下的系统运行情况等。

3.1.1 超高车辆报警模拟

利用模拟试验区已有限高3.4 m防护架，于2018年8月20、25日，9月15日开展25 次测试，其中模拟防护架横梁撞损15次、横梁掉杆10次。

（1）对横梁撞损事件模拟。测试人员驾驶高度超过3.4 m 的货车行驶经过，撞击经过处理的限高防护架，查看其报警情况。

（2）对横梁掉杆事件模拟。测试人员驾驶高度略高于3.4 m 的货车行驶经过，碰撞限高防护架，导致横梁脱落，查看报警情况。

3.1.2 干扰物模拟试验

在模拟试验区开展植被干扰模拟、车辆搭载超高软货物和硬货物3种干扰方式对系统进行测试。

（1）植被干扰模拟：利用试验现场限高架立柱旁现有植被，模拟晃动及植被生长，查看系统针对2类探测装置的报警情况。

（2）车辆搭载超高软货物模拟：利用大车分别搭载超高秸秆、纸箱（见图7）、沙土经过限高防护架，查看系统报警情况。

（3）车辆搭载超高硬货物模拟：利用大车分别搭载超高集装箱和满箱货物，经过限高防护架，造成不同撞损和掉杆事件，查看系统报警情况。

图7 模拟超高纸箱

3.1.3 雨淋模拟

在模拟试验地分别模拟雨淋环境下，车辆碰撞横梁造成损坏及掉杆，查看系统报警情况。模拟共计10 次，其中模拟小雨5 次，每次5 min，期间分别开展横梁撞损模拟测试3 次和横梁掉杆模拟测试5 次；模拟大雨5次，每次10 min，期间分别开展横梁撞损模拟测试3次和横梁掉杆模拟测试5次。

3.1.4 试验结果

（1）模拟试验中，共计模拟报警事件51 次，预计产生报警信息51次，实际产生报警信息51次。

（2）在51 条报警事件记录信息中均包含事件全程的视频记录数据。

（3）在模拟试验测试中，系统无漏报警情况，平均响应时间为1.1 s。

（4）超高软货物通过模拟试验时，不会对横梁造成损坏，若造成横梁掉杆事件时，系统产生报警信息。

（5）植被生长、晃动干扰不会对系统造成影响，无误报情况发生。

（6）雨淋模拟试验中，雨水不会对系统造成影响，系统运行正常，无误报情况发生。

3.2 现场验证试验

3.2.1 试验地点

选取2处事故频发、具有典型代表的工点作为现场试验地点。其中，丰台工务段现场（简称丰台现场）为城乡结合处，常年有大车经过，限高3.4 m。系统未安装之前，平均每月有1～2 起限高防护架被撞导致横梁脱落而造成交通事故。济南工务段现场（简称济南现场）为城市路段，限高防护架限高3.7 m，桥涵东侧建有混凝土厂，常有超高车辆碰撞、撞损限高防护架，进而造成严重的交通拥堵及超高维护费用。

3.2.2 试验过程及结果

现场试验验证时间为2019年1—11月，经历四季变化、主汛期、夏季暴晒等环境，全程记录系统报警情况，全面了解系统在实际应用场景中的使用情况。在丰台现场试验验证中系统整体安装于防护架立柱上；在济南现场试验验证中，探测和数据传输装置安装于防护架横梁和立柱处，视频系统安装于桥梁处。

系统现场运行的11个月中，共计产生3条报警信息（丰台现场2 次，济南现场1 次）。丰台现场为水泥罐车经过造成横梁脱落产生报警，试验验证期间接收到2次群众报警信息，系统均详细记录了事故发生的整个过程及清晰的车辆信息（见图8），为事故追责提供了有力证据。济南现场经过视频核实后发现超载货车高速行驶碰撞限高防护架产生报警，限高防护架有程度较轻的损伤，货车在撞击后未造成严重事故，系统产生的报警信息详细记录了事件经过及肇事车辆基本信息。

图8 现场抓取事故车辆信息视频截图

4 结论

铁路跨公路限高防护架架设位置包括市区、城乡结合处、郊区等各种环境复杂位置，各部门对于碰撞探测报警系统需求各不相同，为碰撞探测报警系统的统一化安装部署、业务功能设置增加了难度。基于物联网技术的限高防护架报警系统，能够利用传感网络、互联网实现对探测装置、传输装置、视频系统及软件系统的集成，并具有自供网、自供电能力，降低了系统的使用难度。对系统开展模拟试验和现场验证试验，试验结果表明，该系统能够及时快速产生准确的报警信息，提供事件全程视频记录信息；能够在特殊天气及植被干扰条件下正常运行，不受上述因素影响，在模拟测试和现场试验验证期间无漏报警和误报警事件。2处试验现场实际应用表明，在系统安装前每月产生1～2起事故，造成交通堵塞甚至给其他车辆和行人造成伤害。在系统安装后，事故发生频率明显降低，对大车司机起到警示和威慑作用。该系统的安装部署为相关安全管理部门提供有力的管理证据，可进一步保障铁路行车安全。