基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵跨公立交橋涵限高防護(hù)架報(bào)警系統(tǒng)

戴傳洋， 劉子暢， 王軍鋒， 呂大勇

（1. 中國(guó)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(lái)，我國(guó)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(guó)務(wù)院下發(fā)的《鐵路安全管理?xiàng)l例》中規(guī)定：下穿鐵路橋涵、涵洞的道路應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置車輛通過(guò)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(shí)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(mén)亟須加強(qiáng)鐵路橋涵安全防護(hù)研究，及時(shí)有效監(jiān)控預(yù)警與事故報(bào)警，確保鐵路運(yùn)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(bào)警研究方面，在碰撞動(dòng)力反應(yīng)過(guò)程研究基礎(chǔ)上，學(xué)者們對(duì)超高車輛的預(yù)警與報(bào)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(shí)即認(rèn)為是超高車輛遮擋，進(jìn)而生成電控信號(hào)產(chǎn)生報(bào)警信息。朱金榮［3]提出利用位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警信號(hào)。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(cè)試階段。為能夠切實(shí)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(lái)，鐵路安全管理部門(mén)逐漸認(rèn)識(shí)到下穿鐵路立交橋安全的重要性，通過(guò)《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(hào)）［4]等管理辦法，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)鐵路安全運(yùn)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(fèi)用，并由此造成的二次災(zāi)害呈快速上升勢(shì)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(jì)、超限司機(jī)安全意識(shí)淡薄、限高防護(hù)架設(shè)計(jì)與實(shí)際施工的差距等因素［6]。而目前對(duì)于損壞信息大多通過(guò)工作人員巡查、群眾舉報(bào)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(shí)較多限高防護(hù)架處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，損壞后很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此失去對(duì)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(duì)于報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）需求較為迫切，面臨以下挑戰(zhàn)及需求：（1）現(xiàn)場(chǎng)取電不便利。由于受到管轄范圍和管理職責(zé)限制，現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警系統(tǒng)需具備自取電能力。（2）現(xiàn)場(chǎng)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(hào)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)需求問(wèn)題。（3）現(xiàn)場(chǎng)查看不迅速。業(yè)務(wù)相關(guān)人員需實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，快速評(píng)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(bào)警信息后，系統(tǒng)需提供視頻記錄，對(duì)肇事車輛進(jìn)行追蹤與調(diào)查取證。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)集探測(cè)傳感、視頻核查、供電單元、信息傳輸裝置、軟件平臺(tái)、移動(dòng)端軟件于一體的綜合探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)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(cè)裝置

針對(duì)掉桿、撞損2種不同報(bào)警需求，通過(guò)對(duì)各類場(chǎng)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(dòng)原理的傳感裝置。壓力傳感是針對(duì)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(shí)變小并超過(guò)50%時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；振動(dòng)傳感是針對(duì)撞損報(bào)警需求研制，在車輛正常行駛條件下，裝置振幅不超過(guò)5%，當(dāng)防護(hù)架受到嚴(yán)重撞擊時(shí)，振幅超過(guò)38%以上時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息。為保證系統(tǒng)對(duì)探測(cè)裝置狀態(tài)的定期檢測(cè)，2套裝置利用太陽(yáng)能進(jìn)行自供電，滿足檢測(cè)和報(bào)警功耗（見(jiàn)圖2）。

圖2 碰撞探測(cè)裝置

2.2.2 報(bào)警信息傳輸裝置

報(bào)警信息傳輸裝置接收來(lái)自碰撞探測(cè)裝置的模擬信號(hào)，信號(hào)處理部分接收到傳感器輸出的模擬信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至軟件平臺(tái)進(jìn)行綜合分析判斷。報(bào)警信息傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

2.2.3 視頻核查系統(tǒng)

視頻核查系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)于本地，當(dāng)接收到來(lái)自軟件平臺(tái)的報(bào)警命令后，從本地對(duì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺(tái)。使用者可通過(guò)管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(jiàn)圖4。

圖3 報(bào)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(tái)

事件管理平臺(tái)充分基于業(yè)務(wù)需求采用B/S 架構(gòu)搭建，可滿足對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、相關(guān)人員、現(xiàn)場(chǎng)、事件等多維信息的綜合管理?？紤]到管理部門(mén)的區(qū)域化特點(diǎn)，提供平臺(tái)任務(wù)處置、移動(dòng)端聯(lián)動(dòng)事件處置2 個(gè)版本（見(jiàn)圖5）。

圖5 事件管理平臺(tái)工作界面

2.2.5 移動(dòng)端事件處置模塊

移動(dòng)端事件處置模塊不需要安裝即可遠(yuǎn)程查看報(bào)警事件的詳細(xì)信息及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻，完成現(xiàn)場(chǎng)基本信息的填寫(xiě)與上報(bào)。該模塊支持多終端同時(shí)訪問(wèn)，可多人同時(shí)對(duì)事件聯(lián)動(dòng)管理，提升事件的管理效率和信息化管理手段（見(jiàn)圖6）。

圖6 移動(dòng)端事件處置模塊界面

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)的開(kāi)展主要測(cè)試系統(tǒng)對(duì)超高車輛報(bào)警響應(yīng)能力及漏報(bào)警情況、利用多種干擾物的誤報(bào)警情況、雨淋模擬條件下的系統(tǒng)運(yùn)行情況等。

3.1.1 超高車輛報(bào)警模擬

利用模擬試驗(yàn)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(kāi)展25 次測(cè)試，其中模擬防護(hù)架橫梁撞損15次、橫梁掉桿10次。

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

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

3.1.2 干擾物模擬試驗(yàn)

在模擬試驗(yàn)區(qū)開(kāi)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

（1）植被干擾模擬：利用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)限高架立柱旁現(xiàn)有植被，模擬晃動(dòng)及植被生長(zhǎng)，查看系統(tǒng)針對(duì)2類探測(cè)裝置的報(bào)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(jiàn)圖7）、沙土經(jīng)過(guò)限高防護(hù)架，查看系統(tǒng)報(bào)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(guò)限高防護(hù)架，造成不同撞損和掉桿事件，查看系統(tǒng)報(bào)警情況。

圖7 模擬超高紙箱

3.1.3 雨淋模擬

在模擬試驗(yàn)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(bào)警情況。模擬共計(jì)10 次，其中模擬小雨5 次，每次5 min，期間分別開(kāi)展橫梁撞損模擬測(cè)試3 次和橫梁掉桿模擬測(cè)試5 次；模擬大雨5次，每次10 min，期間分別開(kāi)展橫梁撞損模擬測(cè)試3次和橫梁掉桿模擬測(cè)試5次。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）模擬試驗(yàn)中，共計(jì)模擬報(bào)警事件51 次，預(yù)計(jì)產(chǎn)生報(bào)警信息51次，實(shí)際產(chǎn)生報(bào)警信息51次。

（2）在51 條報(bào)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(yàn)測(cè)試中，系統(tǒng)無(wú)漏報(bào)警情況，平均響應(yīng)時(shí)間為1.1 s。

（4）超高軟貨物通過(guò)模擬試驗(yàn)時(shí)，不會(huì)對(duì)橫梁造成損壞，若造成橫梁掉桿事件時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息。

（5）植被生長(zhǎng)、晃動(dòng)干擾不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，無(wú)誤報(bào)情況發(fā)生。

（6）雨淋模擬試驗(yàn)中，雨水不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，系統(tǒng)運(yùn)行正常，無(wú)誤報(bào)情況發(fā)生。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

選取2處事故頻發(fā)、具有典型代表的工點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)。其中，豐臺(tái)工務(wù)段現(xiàn)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱豐臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)）為城鄉(xiāng)結(jié)合處，常年有大車經(jīng)過(guò)，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(chǎng)（簡(jiǎn)稱濟(jì)南現(xiàn)場(chǎng)）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(fèi)用。

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)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(bào)警情況，全面了解系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的使用情況。在豐臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證中系統(tǒng)整體安裝于防護(hù)架立柱上；在濟(jì)南現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證中，探測(cè)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(chǎng)運(yùn)行的11個(gè)月中，共計(jì)產(chǎn)生3條報(bào)警信息（豐臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)2 次，濟(jì)南現(xiàn)場(chǎng)1 次）。豐臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)為水泥罐車經(jīng)過(guò)造成橫梁脫落產(chǎn)生報(bào)警，試驗(yàn)驗(yàn)證期間接收到2次群眾報(bào)警信息，系統(tǒng)均詳細(xì)記錄了事故發(fā)生的整個(gè)過(guò)程及清晰的車輛信息（見(jiàn)圖8），為事故追責(zé)提供了有力證據(jù)。濟(jì)南現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)視頻核實(shí)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(bào)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(bào)警信息詳細(xì)記錄了事件經(jīng)過(guò)及肇事車輛基本信息。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)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(mén)對(duì)于碰撞探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)需求各不相同，為碰撞探測(cè)報(bào)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(bào)警系統(tǒng)，能夠利用傳感網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)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(duì)系統(tǒng)開(kāi)展模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠及時(shí)快速產(chǎn)生準(zhǔn)確的報(bào)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(yùn)行，不受上述因素影響，在模擬測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證期間無(wú)漏報(bào)警和誤報(bào)警事件。2處試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(duì)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(mén)提供有力的管理證據(jù)，可進(jìn)一步保障鐵路行車安全。