基于物联网技术的铁跨公立交桥涵限高防护架报警系统

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

1222

（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）

摘要：对铁跨公立交桥涵限高防护架管理要求及业务需求进行分析，基于物联网技术提出限

高防护架报警系统的设计思路与系统组成。通过内部模拟试验、现场验证试验，确定系统的可

靠性、环境适应性和实用性。试验表明：该系统在报警准确率和响应效率方面表现良好，为相

关管理人员提供了便捷式办公软件及移动端系统。

关键词：铁跨公；立交桥涵；限高防护架；碰撞探测；自供电；视频系统；物联网

中图分类号：TP2；U284.7文献标识码：A文章编号：1001-683X（2019）12-0108-05

DOI：

10.19549/.1001-683x.2019.12.108

近

年来，我国铁路事业迅速发展，截至2018年底全程研究基础上，学者们对超高车辆的预警与报警技术

路有82000余处铁路桥涵，其中梁式构造桥梁

进行攻关和系统研制。邓中洋提出采用红外线传感

［2］

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。朱金荣提出

［3］

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。

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。限高防护架一

［1］

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

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

基金项目：

中国铁路济南局集团有限公司科技研究开发计划项目

立交桥安全的重要性，通过《铁路上跨道路立交桥涵

［4］

限高防护架管理办法》（铁总工电〔2017〕261号）

（2019G03）

第一作者：

戴传洋（1978—），男，工程师。

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

E-mail：

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CHINARAILWAY2019/12

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等

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。导致防护架被

［5］

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。而目前对于损坏信息大多通过工作人员

［6］

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。

报警信号处理单元

（信号接收/转换/传输）

信号探测单元

（掉杆信号、碰撞信号、撞损信号）

太

阳

能

供

电

视频流

视频流处理单元

（实时视频调取、历史视频本地存

储、事故有效视频截取与传输）

系统软件后台单元

（报警信号接收、视频接收、

信息管理、事件管理）

指令

数据

事故处报警信息/

置信息视频

数据

移动端处置单元

（视频实时查看、报警信息

接收、任务处置）

图1系统总体架构

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

检测和报警功耗（见图2）。

态的定期检测，2套装置利用太阳能进行自供电，满足

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

图2碰撞探测装置

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。

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，装置振进行截取与记录，形成有效视频记录，再将有效视频

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

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息的填写与上报。该模块支持多终端同时访问，可多

报警信息传输装置

人同时对事件联动管理，提升事件的管理效率和信息

模/数转换电信号接收

报警信号

输出

电压变动

信号

化管理手段（见图6）。

软件平台

优质电源供电无线传输模块

图3报警信息传输装置结构示意图

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。

视频核查系统

实时摄录

有效数据

拼接

软件平台

（a）处置主界面

图6移动端事件处置模块界面

（b）现场信息采集

（c）事件详情查看

软件平台

指令

本地存储

模块

转码

移动端

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

太阳能供电无线传输模块

图4视频核查系统装置结构示意图

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。

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）。

3.1.1超高车辆报警模拟

利用模拟试验区已有限高3.4m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3.4m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3.4m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。

图5事件管理平台工作界面

（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，警事件的详细信息及现场实时视频，完成现场基本信

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

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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等

查看系统报警情况。为城乡结合处，常年有大车经过，限高3.4m。系统未

（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。

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3.7m，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。

图7模拟超高纸箱

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。

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5min，期间分别开展

大雨5次，每次10min，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。

横梁撞损模拟测试3次和横梁掉杆模拟测试5次；模拟

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1.1s。

（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。

（a）日间

3.2现场验证试验

3.2.1试验地点

（b）夜间

图8现场抓取事故车辆信息视频截图

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）

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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等

4结论

铁路跨公路限高防护架架设位置包括市区、城乡结

［2］邓中洋.一种道路用限高报警及拦截装置：

［3］朱金荣.一种道路桥梁用限高装置：CN204589854U［P］.

［4］中国铁路总公司.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［S］.北京：

中国铁路总公司，2017.

［5］庞祖康.公铁立交桥防撞系统技术设计探讨［J］.

建筑工程技术与设计，2018（26）：900-903.

［6］魏晓颖，陈旺日，陈金刚.郑州西三环限高架频繁

被撞原因与对策［J］.河南科技，2015（24）：92-94.

［7］仝刚，许明财，仝强.限高架被撞自动预警装置：

［8］杨连军，刘芳.铁跨公立交桥涵限高防撞方式探

索［C］//中国铁道学会.高速重载与普通铁路桥隧

运营管理与检测修理技术论文集：上册，2010.

［9］杜跃平.红外热成像技术在铁路安全防护中的应

用［J］.中国铁路，2018（2）：90-94.

［10］史天运，孙鹏.铁路物联网应用现状与发展［J］.

中国铁路，2017（12）：1-6.

［11］王都，林峰，李刚，等.铁路物联网的构建与运作

研究［J］.中国铁路，2012（7）：19-22.

参考文献

CN207517169U［P］.2018-06-19.

2015-08-26.

CN106801393A［P］.2017-06-06.

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。

［1］中华人民共和国国务院.铁路安全管理条例：国务院

令第639号［S］.北京：中华人民共和国国务院，2013.

责任编辑李葳

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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