鐵路建筑限界測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法研究

何 杰

(中國(guó)鐵路總公司 貨運(yùn)部，北京 100844)

1 概述

鐵路超限貨物是指貨物裝車后，車輛停留在水平直線上，貨物的任何部位超出機(jī)車車輛限界基本輪廓者或車輛行經(jīng)半徑為300 m的曲線時(shí)，貨物的計(jì)算寬度超出機(jī)車車輛限界基本輪廓者[1]。鐵路超限貨物運(yùn)輸本質(zhì)上是利用機(jī)車車輛限界與實(shí)際建筑限界之間的有限空間，在確保安全的前提下盡可能提高大型貨物的鐵路運(yùn)輸能力。

建筑限界數(shù)據(jù)是超限貨物運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)和依據(jù)[2]，直接關(guān)系到超限貨物運(yùn)輸安全和通行能力。限界管理涉及面廣、專業(yè)多、設(shè)備多，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理必須依靠技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用?；仡櫹藿绻芾?0多年的發(fā)展歷程，已經(jīng)發(fā)生了很大的變化：在管理模式方面，從一年更新一次限界資料，到初步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，數(shù)據(jù)得到及時(shí)更新；在管理制度方面，制定了全路統(tǒng)一的制度辦法；在數(shù)據(jù)載體方面，從紙質(zhì)資料到信息系統(tǒng)電子化管理；在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，出臺(tái)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，限界管理也存在一些有待進(jìn)一步完善的地方，特別是大部分設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量和錄入還采用人工方式，工作量大、環(huán)節(jié)多、易發(fā)生錯(cuò)誤。

正確的建筑限界測(cè)量和數(shù)據(jù)處理是確保限界數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確的關(guān)鍵。測(cè)量的建筑限界數(shù)據(jù)小于實(shí)際數(shù)據(jù)，就會(huì)造成原本可以正常通行的超限貨物無法通行或需要限速通行，人為降低鐵路超限貨物運(yùn)輸?shù)耐ㄐ心芰?；測(cè)量的建筑限界數(shù)據(jù)大于實(shí)際數(shù)據(jù)，就會(huì)造成超限貨物剮蹭設(shè)施設(shè)備，甚至發(fā)生貨物墜落、車輛脫軌等鐵路交通事故，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全和秩序造成嚴(yán)重危害。為此，考慮基層作業(yè)人員學(xué)習(xí)掌握和操作的便利性，研究建筑限界測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法，以確保限界測(cè)量嚴(yán)謹(jǐn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2 鐵路建筑限界測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法研究

結(jié)合近年的建筑限界測(cè)量和數(shù)據(jù)處理實(shí)踐分析，對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)選擇和轉(zhuǎn)換、曲線數(shù)據(jù)處理與匯總進(jìn)一步明確和規(guī)范。同時(shí)，基于建筑物和超限貨物之間的限界距離測(cè)算沒有形成成熟可靠的計(jì)算機(jī)算法，一直采用人工方式進(jìn)行計(jì)算，工作量大、計(jì)算復(fù)雜、容易產(chǎn)生差錯(cuò)的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)限界距離測(cè)算算法。

2.1 測(cè)量基準(zhǔn)選擇和轉(zhuǎn)換

鐵路建筑限界是一個(gè)和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓[3]。從理論上講，建筑限界是基于軌面坐標(biāo)系的，而不是基于大地坐標(biāo)系的。在直線地段，不存在外軌超高的情況下，兩者是基本一致的；在曲線地段，由于外軌超高的存在，2個(gè)坐標(biāo)系是完全不同的。由于目前大部分設(shè)備都采用人工測(cè)量的方法，在實(shí)際操作中，曲線地段基于軌面坐標(biāo)系測(cè)量存在一定困難。相比而言，基于大地坐標(biāo)系測(cè)量比較容易實(shí)現(xiàn)，但測(cè)量后需要換算成基于軌面坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)[4]。因此，應(yīng)給現(xiàn)場(chǎng)提供一種方便靈活的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法和公式。

以O(shè)' X' Y'為基于大地的坐標(biāo)系，OXY為基于軌面的坐標(biāo)系，構(gòu)建測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示。

圖1?測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Map of measurement coordinate transformation

當(dāng)P點(diǎn)位于曲線內(nèi)側(cè)時(shí)，基于軌面坐標(biāo)系，P點(diǎn)距軌面的高度PJ可以表示為

式中：θ為2個(gè)坐標(biāo)系的傾斜角，θ= arctan (h/1500)，其中h為外軌超高；H0為P點(diǎn)距離大地的高度，H0=PK；L為P點(diǎn)距離線路中心的距離，L=PN。

按《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定，基于軌面坐標(biāo)系，P點(diǎn)距線路中心的距離PQ可以表示為

式中：R為對(duì)應(yīng)的曲線半徑；H為P點(diǎn)距離軌面的高度，H=PJ。

當(dāng)P點(diǎn)位于曲線外側(cè)時(shí)，同理，可以推導(dǎo)P點(diǎn)距軌面的高度H為

依據(jù)公式 ⑴、公式 ⑵、公式 ⑶，在中國(guó)鐵路總公司組織開發(fā)的“鐵路限界管理及超限超重貨物運(yùn)輸輔助決策系統(tǒng)”中，設(shè)置了數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能，用戶可以選擇大地坐標(biāo)系，錄入該坐標(biāo)系下的高度和寬度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為軌面坐標(biāo)系，減少了基層測(cè)量人員的換算工作量，提高了測(cè)量效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.2 曲線數(shù)據(jù)處理與匯總

2.2.1 左右曲線匯總

直線部分的建筑限界數(shù)據(jù)匯總比較簡(jiǎn)單，直接取同一高程的最小數(shù)值合集即可。曲線部分相對(duì)復(fù)雜，主要原因在于超限車輛通過曲線時(shí)，由于車輛銷距、貨物突出車端長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)不同，可能產(chǎn)生不同的內(nèi)偏差量和外偏差量，影響和限制超限貨物通過的控制設(shè)備也可能不同。如果曲線部分?jǐn)?shù)據(jù)不區(qū)分左曲線、右曲線，則不能完全反映制約超限貨物通過的控制點(diǎn)，甚至關(guān)鍵控制設(shè)備數(shù)據(jù)被過濾掉，無法體現(xiàn)在匯總后的綜合最小限界數(shù)據(jù)中，產(chǎn)生超限貨物剮蹭設(shè)備的安全隱患。曲線內(nèi)外側(cè)限界對(duì)比示意圖如圖2所示。

由圖2可知，A，B，C為一條S型曲線上的3個(gè)點(diǎn)，記X1，X2，X3，X4為曲線線路兩側(cè)設(shè)備，X1，X2，X3，X4在距軌面3 000 mm高處距線路中心的距離分別為2 100 mm，2 200 mm，2 200 mm，2 100 mm。

圖2?A曲線內(nèi)外側(cè)限界對(duì)比示意圖Fig.2 Map of boundary contrast between inside and outside curves

若不對(duì)左、右側(cè)曲線進(jìn)行劃分，綜合最小限界中對(duì)應(yīng)的控制設(shè)備X1，X4，都位于曲線外側(cè)，其距線路中心的距離為2 100 mm。假設(shè)有一件貨物由A點(diǎn)經(jīng)由B點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)，貨物裝車后在距軌面3 000 mm處的寬度為1 900 mm，最大內(nèi)偏差量為300 mm，外偏差量為50 mm。此時(shí)，貨物寬度和外偏差量之和為1 950 mm，距離控制設(shè)備X1和X4的限界距離還有150 mm，判定可以通過。但是，貨物寬度和內(nèi)偏差量之和為2 200 mm，距離控制設(shè)備X3和X4的限界距離為0 mm，不能滿足安全通行要求。由于曲線內(nèi)側(cè)的數(shù)據(jù)在匯總時(shí)被外側(cè)數(shù)據(jù)掩蓋了，在綜合最小限界中無法體現(xiàn)，造成判斷錯(cuò)誤。因此，曲線部分的建筑限界數(shù)據(jù)，應(yīng)按曲線內(nèi)側(cè)、外側(cè)或左曲線、右曲線分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，才能保證控制設(shè)備不遺漏，確保超限貨物通行安全。

2.2.2 按不同的車輛銷距匯總

采用人工方式判斷曲線限界距離時(shí)，由于無法將折減后的綜合最小限界一一進(jìn)行還原，通常采用將“貨物實(shí)際尺寸+偏差量”與“折減后建筑限界數(shù)據(jù)”進(jìn)行比較的方式，這其中包括了部分重復(fù)計(jì)算的數(shù)據(jù)，雖然能夠保證安全，但不利于提高超限貨物通行能力。采用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，有2種處理辦法：一是不對(duì)建筑限界數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，直接將貨物尺寸與每個(gè)設(shè)備的建筑限界一一進(jìn)行比較，這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，但計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求很高；二是事先對(duì)建筑限界數(shù)據(jù)按不同折減標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分別匯總，形成對(duì)應(yīng)不同車輛銷距的多套建筑限界數(shù)據(jù)，判斷限界距離時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的裝載車輛，調(diào)用對(duì)應(yīng)的建筑限界數(shù)據(jù)。

假設(shè)某區(qū)段包括S1和S22條曲線，其曲線半徑分別為600 m和300 m，方向均為左曲線。距軌面高度2 000 mm處實(shí)測(cè)建筑限界數(shù)據(jù)：S1處為2 300 mm，S2處為2 350 mm。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)車(銷距18 000 mm)折減時(shí)，S1處的內(nèi)偏差量可以表示為S1內(nèi)=處折減計(jì)算后的建筑限界數(shù)據(jù)為2 300 -?67.5 = 2 232.5 mm；S2處的內(nèi)偏差量處折減計(jì)算后的建筑限界數(shù)據(jù)為2 350 -?135 = 2 215 mm，此時(shí)綜合最小限界的控制點(diǎn)應(yīng)為S2，建筑限界數(shù)據(jù)為2 215 mm。當(dāng)采用普通平車(銷距9 350 mm）進(jìn)行折減時(shí)，S1處的偏差量為處折減計(jì)算后的建筑限界數(shù)據(jù)為 2 300 ?-?18.2 = 2 281.8 mm，S2處的內(nèi)偏差量為S2處折減計(jì)算后的建筑限界數(shù)據(jù)為2 350 -?36.4 =2 313.6 mm，此時(shí)綜合最小限界的控制點(diǎn)應(yīng)為S1，建筑限界數(shù)據(jù)為2 281.8 mm。

不同類型的車輛，銷距不同，導(dǎo)致其在通過區(qū)段內(nèi)的控制設(shè)備不同。因此，在進(jìn)行建筑限界綜合處理時(shí)，必須考慮銷距的問題，考慮到目前車輛的最小銷距不小于9 m，最大銷距不超過50 m，可以從9 m到50 m的區(qū)間，每隔1 m分別對(duì)曲線部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，形成多套綜合最小限界數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行建筑限界和貨物輪廓比對(duì)時(shí)，根據(jù)貨物的最大內(nèi)外偏差量，換算出對(duì)應(yīng)的計(jì)算銷距，選擇相應(yīng)的綜合最小限界數(shù)據(jù)進(jìn)行檢算。

2.3 限界距離檢算

建筑物和貨物之間的限界距離，是決定能否通行或滿足運(yùn)輸條件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[5]。以直線段為例，以建筑限界半寬與貨物半寬的差值作為距離[6]。在確定限界距離時(shí)，既要考慮建筑物和貨物在同一高度處的數(shù)據(jù)對(duì)比，又要考慮鄰近高度處的建筑限界情況，采用人工計(jì)算方式時(shí)，數(shù)據(jù)量大，計(jì)算繁雜，容易產(chǎn)生遺漏。采用計(jì)算機(jī)處理，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出合理的算法。貨物輪廓和建筑限界輪廓可以采用折線集合來描述，限界距離檢算示意圖如圖3所示。

圖3?限界距離檢算示意圖Fig.3 Map of boundary distance calculation

限界距離檢算就是找出貨物輪廓和建筑限界輪廓之間的最小距離，具體步驟如下。

（1）以貨物上突變點(diǎn) (a1，a2，a3，a4，a5，a6)為基點(diǎn)遍歷限界上的線段，將貨物輪廓上突變點(diǎn)與建筑限界輪廓上相應(yīng)范圍內(nèi)線段逐一求距離r1，如果r1小于給定距離d，把r1和r1相關(guān)的數(shù)據(jù)存入M集合。

（2）以建筑限界上突變點(diǎn) (A1，A2，A3，A4，A5，A6)為基點(diǎn)遍歷貨物上的線段，將限界輪廓上突變點(diǎn)與貨物輪廓上相應(yīng)范圍內(nèi)線段的距離逐一求距離r2，如果r2小于給定距離d，把r2和r2相關(guān)的數(shù)據(jù)存入N集合。

（3）令O=MUN，O為貨物與建筑限界輪廓在給定距離d條件下的信息集合，即無法通過或需要限速通過的處所。

3 結(jié)束語

鐵路建筑限界測(cè)量是一件技術(shù)性很強(qiáng)、精確性要求很高的工作，要確保其數(shù)據(jù)質(zhì)量，在明確測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還要盡可能簡(jiǎn)化基層作業(yè)人員的作業(yè)難度和換算工作。因此，應(yīng)針對(duì)目前大件貨物裝載時(shí)一直依靠人工手段，裝載難度高、安全性低[7]的問題，組織研發(fā)貨物輪廓自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，在主要發(fā)站和路網(wǎng)性關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，識(shí)別超限貨物尺寸，并實(shí)時(shí)將貨物尺寸與批準(zhǔn)的尺寸、沿線建筑限界數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時(shí)報(bào)警，改變目前主要依靠人工測(cè)量的狀況，避免鐵路超限貨物運(yùn)輸尺寸測(cè)量不夠準(zhǔn)確全面[8]，進(jìn)一步提高科技保安全的能力。