基于物聯網技術的鐵跨公立交橋涵限高防護架報警系統

戴傳洋， 劉子暢， 王軍鋒， 呂大勇

（1. 中國鐵路濟南局集團有限公司濟南工務段，山東濟南 250031；2. 中科藍卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399）

近年來，我國鐵路事業迅速發展，截至2018年底全路有82000 余處鐵路橋涵，其中梁式構造橋梁52000余處。在國務院下發的《鐵路安全管理條例》中規定：下穿鐵路橋涵、涵洞的道路應當按照國家標準設置車輛通過限高、限寬標志和限高防護架［1]。限高防護架一定程度上保護了橋梁安全，但其被撞失效進而沖撞橋涵的情況時有發生，容易引發線路基礎形變，成為鐵路行車安全隱患。為此，鐵路部門亟須加強鐵路橋涵安全防護研究，及時有效監控預警與事故報警，確保鐵路運輸安全。

1 研發背景及現狀需求

1.1 研發背景

在防護架碰撞報警研究方面，在碰撞動力反應過程研究基礎上，學者們對超高車輛的預警與報警技術進行攻關和系統研制。鄧中洋［2]提出采用紅外線傳感原理進行預警的裝置，紅外線傳感器設置在限高攔截板的下端，當紅外光線被遮擋時即認為是超高車輛遮擋，進而生成電控信號產生報警信息。朱金榮［3]提出利用位移傳感器實現對超高車輛警示的預警裝置，位移傳感器安裝于橋梁限高攔截桿上，當位移量達到最大閾值則生成報警信號。由于上述研究受到電力負荷、安裝施工、缺少可視化復核手段、維護成本高等條件限制，目前仍局限于技術研究和測試階段。為能夠切實滿足防護架管理人員的業務需求，系統的研制需要以業務需求為導向，結合物聯網技術手段，詳細分析業務需求與系統功能的映射。

1.2 現狀需求

近年來，鐵路安全管理部門逐漸認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架管理辦法》（鐵總工電〔2017〕261 號）［4]等管理辦法，實現對防護架設置及維護管理。隨著管理辦法的建立，防護架對鐵路安全運行起到較好的防護作用，但限高防護架被撞產生大量維護費用，并由此造成的二次災害呈快速上升勢頭［5]。導致防護架被撞事件的主要原因是道路交通壓力、道路設計、超限司機安全意識淡薄、限高防護架設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，事故信息嚴重缺失和滯后，且缺少有效的視頻系統作為輔助核查依據；同時較多限高防護架處于偏遠地區，損壞后很難及時發現，因此失去對鐵路或立交道路的保護，從而增加鐵路行車的安全隱患［6-11]。

鐵路限高防護架對于報警監控系統（簡稱系統）需求較為迫切，面臨以下挑戰及需求：（1）現場取電不便利。由于受到管轄范圍和管理職責限制，現場不具備供應系統用電條件，若從鐵路基站取電，施工成本較高，報警系統需具備自取電能力。（2）現場取網不便利。受限于施工、偏遠地區等限制條件，不具備鐵路通信網絡提供條件，需要系統自行解決信號傳輸、數據傳輸等網絡需求問題。（3）現場查看不迅速。業務相關人員需實時查看現場情況，快速評估事故處理工作，降低因防護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，系統需提供視頻記錄，對肇事車輛進行追蹤與調查取證。

2 設計方案

2.1 設計思路

系統設計是在物聯網大背景下，以防護架碰撞管理需求為牽引，實現集探測傳感、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，系統總體架構見圖1。

圖1 系統總體架構

2.2 系統組成

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，并結合人工智能分析技術，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，在防護架正常狀態下壓力最大，當壓力瞬時變小并超過50%時產生報警信號；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%，當防護架受到嚴重撞擊時，振幅超過38%以上時產生報警信息。為保證系統對探測裝置狀態的定期檢測，2套裝置利用太陽能進行自供電，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，對其進行AD 轉換，將模擬信號轉換為數字信號，通過無線網絡傳送至軟件平臺進行綜合分析判斷。報警信息傳輸裝置結構示意見圖3。

2.2.3 視頻核查系統

視頻核查系統實時記錄并存儲于本地，當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絡傳輸至管理平臺。使用者可通過管理平臺對現場實時視頻進行調取查看。視頻核查系統裝置結構示意見圖4。

圖3 報警信息傳輸裝置結構示意圖

圖4 視頻核查系統裝置結構示意圖

2.2.4 事件管理平臺

事件管理平臺充分基于業務需求采用B/S 架構搭建，可滿足對系統設備、相關人員、現場、事件等多維信息的綜合管理?？紤]到管理部門的區域化特點，提供平臺任務處置、移動端聯動事件處置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程查看報警事件的詳細信息及現場實時視頻，完成現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對超高車輛報警響應能力及漏報警情況、利用多種干擾物的誤報警情況、雨淋模擬條件下的系統運行情況等。

3.1.1 超高車輛報警模擬

利用模擬試驗區已有限高3.4 m防護架，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 的貨車行駛經過，撞擊經過處理的限高防護架，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 的貨車行駛經過，碰撞限高防護架，導致橫梁脫落，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種干擾方式對系統進行測試。

（1）植被干擾模擬：利用試驗現場限高架立柱旁現有植被，模擬晃動及植被生長，查看系統針對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）、沙土經過限高防護架，查看系統報警情況。

（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，經過限高防護架，造成不同撞損和掉桿事件，查看系統報警情況。

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境下，車輛碰撞橫梁造成損壞及掉桿，查看系統報警情況。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 試驗結果

（1）模擬試驗中，共計模擬報警事件51 次，預計產生報警信息51次，實際產生報警信息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據。

（3）在模擬試驗測試中，系統無漏報警情況，平均響應時間為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，系統產生報警信息。

（5）植被生長、晃動干擾不會對系統造成影響，無誤報情況發生。

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

3.2 現場驗證試驗

3.2.1 試驗地點

選取2處事故頻發、具有典型代表的工點作為現場試驗地點。其中，豐臺工務段現場（簡稱豐臺現場）為城鄉結合處，常年有大車經過，限高3.4 m。系統未安裝之前，平均每月有1～2 起限高防護架被撞導致橫梁脫落而造成交通事故。濟南工務段現場（簡稱濟南現場）為城市路段，限高防護架限高3.7 m，橋涵東側建有混凝土廠，常有超高車輛碰撞、撞損限高防護架，進而造成嚴重的交通擁堵及超高維護費用。

3.2.2 試驗過程及結果

現場試驗驗證時間為2019年1—11月，經歷四季變化、主汛期、夏季暴曬等環境，全程記錄系統報警情況，全面了解系統在實際應用場景中的使用情況。在豐臺現場試驗驗證中系統整體安裝于防護架立柱上；在濟南現場試驗驗證中，探測和數據傳輸裝置安裝于防護架橫梁和立柱處，視頻系統安裝于橋梁處。

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

圖8 現場抓取事故車輛信息視頻截圖

4 結論

鐵路跨公路限高防護架架設位置包括市區、城鄉結合處、郊區等各種環境復雜位置，各部門對于碰撞探測報警系統需求各不相同，為碰撞探測報警系統的統一化安裝部署、業務功能設置增加了難度。基于物聯網技術的限高防護架報警系統，能夠利用傳感網絡、互聯網實現對探測裝置、傳輸裝置、視頻系統及軟件系統的集成，并具有自供網、自供電能力，降低了系統的使用難度。對系統開展模擬試驗和現場驗證試驗，試驗結果表明，該系統能夠及時快速產生準確的報警信息，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，在模擬測試和現場試驗驗證期間無漏報警和誤報警事件。2處試驗現場實際應用表明，在系統安裝前每月產生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。在系統安裝后，事故發生頻率明顯降低，對大車司機起到警示和威懾作用。該系統的安裝部署為相關安全管理部門提供有力的管理證據，可進一步保障鐵路行車安全。