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

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鐵跨公立交橋涵

限高防護架報警系統(tǒng)

戴傳洋，劉子暢，王軍鋒，呂大勇

1222

（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）

摘要：對鐵跨公立交橋涵限高防護架管理要求及業(yè)務需求進行分析，基于物聯(lián)網(wǎng)技術提出限

高防護架報警系統(tǒng)的設計思路與系統(tǒng)組成。通過內(nèi)部模擬試驗、現(xiàn)場驗證試驗，確定系統(tǒng)的可

靠性、環(huán)境適應性和實用性。試驗表明：該系統(tǒng)在報警準確率和響應效率方面表現(xiàn)良好，為相

關管理人員提供了便捷式辦公軟件及移動端系統(tǒng)。

關鍵詞：鐵跨公；立交橋涵；限高防護架；碰撞探測；自供電；視頻系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP2；U284.7文獻標識碼：A文章編號：1001-683X（2019）12-0108-05

DOI：

10.19549/.1001-683x.2019.12.108

近

年來，我國鐵路事業(yè)迅速發(fā)展，截至2018年底全程研究基礎上，學者們對超高車輛的預警與報警技術

路有82000余處鐵路橋涵，其中梁式構造橋梁

進行攻關和系統(tǒng)研制。鄧中洋提出采用紅外線傳感

［2］

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(chǎn)生報警信息。朱金榮提出

［3］

利用位移傳感器實現(xiàn)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(yè)務需求，系統(tǒng)的研制需要

以業(yè)務需求為導向，結合物聯(lián)網(wǎng)技術手段，詳細分析

業(yè)務需求與系統(tǒng)功能的映射。

52000余處。在國務院下發(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。限高防護架一

［1］

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(fā)生，容易引發(fā)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(jiān)控預警與事故報警，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

在防護架碰撞報警研究方面，在碰撞動力反應過

1.2現(xiàn)狀需求

近年來，鐵路安全管理部門逐漸認識到下穿鐵路

基金項目：

中國鐵路濟南局集團有限公司科技研究開發(fā)計劃項目

立交橋安全的重要性，通過《鐵路上跨道路立交橋涵

［4］

限高防護架管理辦法》（鐵總工電〔2017〕261號）

（2019G03）

第一作者：

戴傳洋（1978—），男，工程師。

等管理辦法，實現(xiàn)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

E-mail：

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鐵跨公立交橋涵限高防護架報警系統(tǒng)戴傳洋等

護作用，但限高防護架被撞產(chǎn)生大量維護費用，并由

此造成的二次災害呈快速上升勢頭。導致防護架被

［5］

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。而目前對于損壞信息大多通過工作人員

［6］

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(tǒng)作為輔助核查依據(jù)；同時

較多限高防護架處于偏遠地區(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，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(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限制，現(xiàn)場不

具備供應系統(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、偏遠地區(qū)等限制條件，不具備

鐵路通信網(wǎng)絡提供條件，需要系統(tǒng)自行解決信號傳輸、

數(shù)據(jù)傳輸?shù)染W(wǎng)絡需求問題。（3）現(xiàn)場查看不迅速。業(yè)

務相關人員需實時查看現(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

肇事車輛進行追蹤與調(diào)查取證。

報警信號處理單元

（信號接收/轉(zhuǎn)換/傳輸）

信號探測單元

（掉桿信號、碰撞信號、撞損信號）

太

陽

能

供

電

視頻流

視頻流處理單元

（實時視頻調(diào)取、歷史視頻本地存

儲、事故有效視頻截取與傳輸）

系統(tǒng)軟件后臺單元

（報警信號接收、視頻接收、

信息管理、事件管理）

指令

數(shù)據(jù)

事故處報警信息/

置信息視頻

數(shù)據(jù)

移動端處置單元

（視頻實時查看、報警信息

接收、任務處置）

圖1系統(tǒng)總體架構

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(chǎn)生報警信息。為保證系統(tǒng)對探測裝置狀

檢測和報警功耗（見圖2）。

態(tài)的定期檢測，2套裝置利用太陽能進行自供電，滿足

2設計方案

2.1設計思路

系統(tǒng)設計是在物聯(lián)網(wǎng)大背景下，以防護架碰撞管

圖2碰撞探測裝置

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)總體架構見圖1。

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(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過

無線網(wǎng)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(tài)下壓力最大，當壓力瞬

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，裝置振進行截取與記錄，形成有效視頻記錄，再將有效視頻

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

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息的填寫與上報。該模塊支持多終端同時訪問，可多

報警信息傳輸裝置

人同時對事件聯(lián)動管理，提升事件的管理效率和信息

模/數(shù)轉(zhuǎn)換電信號接收

報警信號

輸出

電壓變動

信號

化管理手段（見圖6）。

軟件平臺

優(yōu)質(zhì)電源供電無線傳輸模塊

圖3報警信息傳輸裝置結構示意圖

記錄通過網(wǎng)絡傳輸至管理平臺。使用者可通過管理平

臺對現(xiàn)場實時視頻進行調(diào)取查看。視頻核查系統(tǒng)裝置

結構示意見圖4。

視頻核查系統(tǒng)

實時攝錄

有效數(shù)據(jù)

拼接

軟件平臺

（a）處置主界面

圖6移動端事件處置模塊界面

（b）現(xiàn)場信息采集

（c）事件詳情查看

軟件平臺

指令

本地存儲

模塊

轉(zhuǎn)碼

移動端

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

太陽能供電無線傳輸模塊

圖4視頻核查系統(tǒng)裝置結構示意圖

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(tǒng)運行情況等。

2.2.4事件管理平臺

事件管理平臺充分基于業(yè)務需求采用B/S架構搭

建，可滿足對系統(tǒng)設備、相關人員、現(xiàn)場、事件等多

維信息的綜合管理。考慮到管理部門的區(qū)域化特點，

提供平臺任務處置、移動端聯(lián)動事件處置2個版本

（見圖5）。

3.1.1超高車輛報警模擬

利用模擬試驗區(qū)已有限高3.4m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3.4m的貨車行駛經(jīng)過，撞擊經(jīng)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3.4m的貨車行駛經(jīng)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(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)進行測試。

圖5事件管理平臺工作界面

（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)過限高防護架，警事件的詳細信息及現(xiàn)場實時視頻，完成現(xiàn)場基本信

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

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鐵跨公立交橋涵限高防護架報警系統(tǒng)戴傳洋等

查看系統(tǒng)報警情況。為城鄉(xiāng)結合處，常年有大車經(jīng)過，限高3.4m。系統(tǒng)未

（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)過限高防護架，造成不

同撞損和掉桿事件，查看系統(tǒng)報警情況。

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(xiàn)場（簡稱濟南

現(xiàn)場）為城市路段，限高防護架限高3.7m，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(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)整體安裝于防護架立柱上；

在濟南現(xiàn)場試驗驗證中，探測和數(shù)據(jù)傳輸裝置安裝于

防護架橫梁和立柱處，視頻系統(tǒng)安裝于橋梁處。

圖7模擬超高紙箱

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），為事故追責提供了有力證

據(jù)。濟南現(xiàn)場經(jīng)過視頻核實后發(fā)現(xiàn)超載貨車高速行駛碰

撞限高防護架產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)生的報警信

息詳細記錄了事件經(jīng)過及肇事車輛基本信息。

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5min，期間分別開展

大雨5次，每次10min，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。

橫梁撞損模擬測試3次和橫梁掉桿模擬測試5次；模擬

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(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

均響應時間為1.1s。

（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。

（a）日間

3.2現(xiàn)場驗證試驗

3.2.1試驗地點

（b）夜間

圖8現(xiàn)場抓取事故車輛信息視頻截圖

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，豐臺工務段現(xiàn)場（簡稱豐臺現(xiàn)場）

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鐵跨公立交橋涵限高防護架報警系統(tǒng)戴傳洋等

4結論

鐵路跨公路限高防護架架設位置包括市區(qū)、城鄉(xiāng)結

［2］鄧中洋.一種道路用限高報警及攔截裝置：

［3］朱金榮.一種道路橋梁用限高裝置：CN204589854U［P］.

［4］中國鐵路總公司.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［S］.北京：

中國鐵路總公司，2017.

［5］龐祖康.公鐵立交橋防撞系統(tǒng)技術設計探討［J］.

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［7］仝剛，許明財，仝強.限高架被撞自動預警裝置：

［8］楊連軍，劉芳.鐵跨公立交橋涵限高防撞方式探

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2015-08-26.

CN106801393A［P］.2017-06-06.

合處、郊區(qū)等各種環(huán)境復雜位置，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)務功能設置增加了難度。基于物聯(lián)網(wǎng)技術

的限高防護架報警系統(tǒng)，能夠利用傳感網(wǎng)絡、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，試驗結果表

明，該系統(tǒng)能夠及時快速產(chǎn)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(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，對大車司機起到警示和威

懾作用。該系統(tǒng)的安裝部署為相關安全管理部門提供有

力的管理證據(jù)，可進一步保障鐵路行車安全。

［1］中華人民共和國國務院.鐵路安全管理條例：國務院

令第639號［S］.北京：中華人民共和國國務院，2013.

責任編輯李葳

收稿日期2019-08-12

DAIChuanyang,LIUZichang,WANGJunfeng,LVDayong

1222

(1.JinanTrackMaintenanceDivision,ChinaRailwayJinanGroupCoLtd,JinanShandong250031,China;

2.CASLanzhuo(Beijing)ITCoLtd,Beijing101399,China)

Abstract:Thepaperanalyzesthemanagementrequirementsandbusinessrequirementsforheight-limit

protectionrackofrailway-roadspanoverpassbridgeculvert,andputsforwardthedesignthoughtandsystem

compositionofthealarmsystemfortheprotectionrackbadonInternetofThings.Thepaperidentifies

reliability,environmentalsuitabilityandpracticabilityofthesystemthroughinternalsimulationtestandfield

verificationtest.Theresultsshowthatthesystemhasagoodperformanceinalarmaccuracyrateandrespon

efficiencyandprovidesrelatedadministrativestaffwithconvenientofficesoftwareandmobilesystem,

obtainingagoodtestresult.

Keywords:railway-roadspan;overpassbridgeculvert;height-limitprotectionrack;lf-

crashdetection;

powered;videosystem;InternetofThings

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