橋梁通航凈空高度動態(tài)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)研究

李向前 杜榮宏 胡應(yīng)苗 汪凡文 任洪敏

[摘 要] 本文介紹了現(xiàn)有橋梁凈空高度監(jiān)測現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有橋梁凈空監(jiān)測系統(tǒng)弊端，通過各種方案對比，設(shè)計了基于雷達(dá)脈沖的橋梁水位高度測量系統(tǒng)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心通過AIS短信息服務(wù)和VHF緊急呼叫等多途徑發(fā)布橋梁凈空高度信息，保障及時準(zhǔn)確地將信息發(fā)布到船舶的通信終端，確保船舶安全通過橋梁。該系統(tǒng)可為船舶駕駛員提供有效的服務(wù)，保障橋梁和船舶安全，提升服務(wù)水運能力，具有重要的實用價值。

[關(guān)鍵詞] 橋梁通航 ；凈空尺度； 雷達(dá)水位計；GPRS

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 13. 069

[中圖分類號] TP315 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）13- 0153- 05

1 內(nèi)河航運橋梁通航凈空尺寸研究現(xiàn)狀

隨著我國航運業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河船舶趨向大型化，不少江海直達(dá)海輪進(jìn)入內(nèi)河航道，內(nèi)河航運業(yè)發(fā)展迅速，通航密度、船舶噸位不斷增加，但是內(nèi)河航道上不少橋梁存在通航凈高不足，致使船舶碰撞橋梁事故時有發(fā)生。橋梁的通過能力，即可以安全通過的船舶噸位，根據(jù)當(dāng)時橋區(qū)的水位的不同而改變，但由于枯洪水期的變化、地形特點以及地理位置影響，水位的變化情況不盡相同，水位的快速變化會導(dǎo)致橋梁通過能力的改變，水位低時能通過橋區(qū)的橋梁，很多在髙水位時是通過不了的。部分河道有山區(qū)河流存在，水位變化大，水位對通航影響大，水位的突然變化嚴(yán)重威脅著橋梁船舶人員的安全。根據(jù)《內(nèi)河交通安全標(biāo)志GB13851》等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的規(guī)定，為保障船舶和橋梁等過河建筑物自身的安全，設(shè)置實時通航凈空高度信息警告（或提示）標(biāo)志是十分必要的。特別是在水位變化大的河段或時段，設(shè)置實時通航凈空高度信息警告（或提示）標(biāo)志尤為重要。

由于橋區(qū)水域復(fù)雜，各種礙航設(shè)備多，橋梁等水上建筑的存在，使得橋區(qū)水域的環(huán)境與其他水域相比，有著特有的復(fù)雜性，如橋梁周圍由于通航孔的作用，往往會改變其周圍的風(fēng)向、風(fēng)速，橋域的存在使得流速、流向等也往往比寬闊水域紊亂。對于感潮河段，以及山區(qū)河流等特殊河段，河流水位變化劇烈，加之橋梁凈空尺度往往不足，使得實時的水位信息對于船舶操縱人員十分重要，當(dāng)前許多橋梁沒有凈空高度監(jiān)測設(shè)備，部分采用標(biāo)尺顯示橋梁實時通航凈空高度，但存在所提示的信息是靜態(tài)信息，而隨水位變化的凈空高度動態(tài)信息沒能反映，同時可見度低。為此，本文設(shè)計以一種新型的實時凈空高度信息航運服務(wù)平臺，將橋梁的凈空高度信息實時發(fā)布給過往船只，確保通行安全。

2 橋梁通航凈空尺度動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計橋梁通航凈空高度動態(tài)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由四個部分組成：水位遙測終端、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、預(yù)警信息發(fā)布平臺。

水位遙測終端以STM單片機為控制核心，結(jié)合雷達(dá)水位計、供電系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成橋梁凈空高度檢測系統(tǒng)，其中供電系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境可選擇太陽能供電或者是市電供電。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)主要作為通信鏈路，可以配置為有線或者無線方式，無線通信模塊內(nèi)置公眾移動通信網(wǎng)SIM卡，其主要作用是將前端單元設(shè)備探測的水位信息利用GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測中心的服務(wù)器上。凈空高度檢測系統(tǒng)，利用雷達(dá)測距原理，將雷達(dá)水位計安裝在通航橋梁通航孔上，高頻微波脈沖垂直向下發(fā)射較窄的微波脈沖，經(jīng)天線向下傳輸，微波接觸到被測介質(zhì)表面后被反射回來，再次被天線系統(tǒng)接收并將其傳輸給電子線路部分自動轉(zhuǎn)換成水位信號（因為微波傳播速度極快，回波到達(dá)目標(biāo)并進(jìn)行反射返回接收器這一來回所用的時間幾乎是瞬間的）。由于安裝高度可測定，即可求得水位。因為在設(shè)計橋梁時，凈空高度是在某一特定水位下的高度，利用水位信息，便可換算出該水位下的凈空高度。水位監(jiān)測終端通過RTU模塊，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。水位監(jiān)測終端可設(shè)置為自動定時向控制中心發(fā)送信息，也可設(shè)置為平時處于待命狀態(tài)，在收到控制中心的指令后再上傳橋梁凈空高度信息。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心收到橋梁凈空高度信息后，可通過電子顯示屏、AIS信息服務(wù)平臺和VHF信息服務(wù)平臺多途徑發(fā)布梁凈空高度信息，保障及時準(zhǔn)確地將信息發(fā)布到船舶的通信終端，確保船舶安全通過橋梁。

2.2 遙測終端基本結(jié)構(gòu)

橋梁通航凈空高度動態(tài)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)遙測終端負(fù)責(zé)橋梁水位高度的數(shù)據(jù)采集與傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由雷達(dá)水位計、數(shù)據(jù)處理單元（RTU）、GPRS通信模塊、供電單元組成。數(shù)據(jù)處理單元通過485通信接口與雷達(dá)水位計通信，通過modbus協(xié)議讀取水位信息，數(shù)字濾波處理過后通過GPRS模塊上傳至數(shù)據(jù)中心。供電系統(tǒng)由太陽能電池板、避雷器、充電控制器和蓄電池構(gòu)成，蓄電池輸出經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后給各個單元模塊供電。

2.2.1 水位測量

液位是工業(yè)現(xiàn)場重要的測量參數(shù)，根據(jù)特定的應(yīng)用場合研制出了各式的水位測量裝置，如果從水位感應(yīng)的種類上分類大致可以分為浮子式、壓差式、超聲波式、電容式、電極感應(yīng)式、磁致伸縮式、圖像視覺式、雷達(dá)檢測方式等等，各種方案對比如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，非接觸測量方案更適合橋梁凈空高度檢測。超聲波水位計由于自身的物理特征，超聲波對溫度和塵霧、霾的變化敏感，尤其是在進(jìn)行大量程水位測量時，受大氣環(huán)境變化影響很大，測量精度和穩(wěn)定性較差。雷達(dá)水位計最主要的優(yōu)點是抗干擾能力強，不受溫度、風(fēng)，蒸汽等影響，安裝、使用、維護(hù)方便。雷達(dá)水位計具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、精度高等鮮明的優(yōu)點，適合對測量精度要求較高的場合測量水位使用。雷達(dá)無機械磨損，所以壽命長也更容易維護(hù)。綜合橋梁通航凈空高度動態(tài)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)要求及上述各種水位測量技術(shù)方案的對比分析，本文采用雷達(dá)水位測量系統(tǒng)。雷達(dá)水位計設(shè)計參數(shù)如下：26GHz脈沖雷達(dá)水位計，測量量程30米，測量精度±10mm，波束角80。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸及供電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是橋梁凈空高度水位測報系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸有有線通信和無線通信方式，其中有線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號比較穩(wěn)定，質(zhì)量好，但是傳輸距離受到限制，而水位測報系統(tǒng)的采集點一般都在野外，安裝地點分散，監(jiān)控中心和采集點之間的距離非常大，有線通信方式布線困難，且成本較高，因此橋梁凈空高度水位測報系統(tǒng)中應(yīng)采用無線通信的方式進(jìn)行傳輸。無線通信包括超短波、短波、衛(wèi)星、PSTN、無線擴頻通信、CDMA 、GPRS、3G 等無線介質(zhì)來傳輸測量數(shù)據(jù)和控制命令的通信方式。其中GPRS網(wǎng)具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計費等優(yōu)點，而且其本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。因此，GPRS在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測便攜型、交通監(jiān)控、移動辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。橋梁通航凈高測量系統(tǒng)的采集地點一般都在野外，安裝地點分散，監(jiān)控中心和采集點之間的距離非常大，傳輸數(shù)據(jù)包小、有線通信方式布線困難，且成本較高，因此橋梁通航凈空高度測量系統(tǒng)中采用無線GPRS通信的方式進(jìn)行傳輸。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 3所示。此種方案客戶先與移動 DNS 服務(wù)商聯(lián)系開通移動動態(tài)域名，監(jiān)測終端在撥號上網(wǎng)后必須將獲得的動態(tài)IP向注冊服務(wù)器的軟件進(jìn)行注冊，數(shù)據(jù)中心則從注冊服務(wù)器上獲得監(jiān)測終端的IP地址，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心至監(jiān)測終端下行通信；監(jiān)測終端接收到數(shù)據(jù)中心的IP包后，從IP頭中獲得數(shù)據(jù)中心的 IP 地址，從而實現(xiàn)上行通信。該方案除下行通信建立階段外，其他的數(shù)據(jù)傳輸全部在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行，安全性高，時延小。本方案采用公網(wǎng)上的注冊服務(wù)器協(xié)助建立通信，費用較低，從價格方面有利于 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的推廣。但由于數(shù)據(jù)中心采用GPRS 終端撥號上網(wǎng)，帶寬較小，使得本方案比較適合于小批量數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)中心和監(jiān)測終端都使用GPRS終端撥號上網(wǎng)，中心和監(jiān)測終端采用移動內(nèi)網(wǎng)動態(tài) IP+移動DNS 解析服務(wù)，采用此種方案的優(yōu)點是可以使用普通的SIM卡，費用低，而且通信速度適中、通信質(zhì)量較為穩(wěn)定。

供電是自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能量保障，橋梁通航凈空高度動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，由于測量終端是現(xiàn)場設(shè)備，且一般其工作現(xiàn)場都少有市電，而測量終端需要全天候不間斷的工作，保證系統(tǒng)電源供應(yīng)的持續(xù)與穩(wěn)定顯得尤為重要，目前常用的供電方案有市電供電，風(fēng)能供電，太陽能供電，電池供電。太陽能是一種綠色能源，具有安全可靠、無污染、無須消耗燃料、不受地域限制、便于維修、無人值守等眾多優(yōu)點。橋梁水位監(jiān)控裝置分散于野外，工作環(huán)境惡劣，為無人值守的設(shè)備或監(jiān)測點。無人值守的橋梁通航凈高測量采用太陽能電池板和蓄電池的方式給設(shè)備供電是最佳方案。采用太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)該注意的問題就是要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件合理設(shè)計太陽能電池板的功率和蓄電池的容量，在保證供電穩(wěn)定的情況下盡量降低成本。

3 信息調(diào)度流程

監(jiān)控中心可以對各個遠(yuǎn)程子站發(fā)送輪詢、數(shù)據(jù)上傳等指令，并能將接收到的上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。同時，中心也能接收遠(yuǎn)程子站的突發(fā)上傳數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)中心的信息調(diào)度軟件是整個GPRS網(wǎng)絡(luò)正常工作的核心。它以上述功能為基礎(chǔ)，完成對通信網(wǎng)絡(luò)的初始化組建，各子站下達(dá)輪詢、要求數(shù)據(jù)上傳等指令，接收上傳數(shù)據(jù)。同時，處理子站突發(fā)報警事件。監(jiān)控中心軟件流程如圖4所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計適于橋梁、跨河管線等建筑物，作為一種新型的實時凈空高度信息航運服務(wù)平臺，能有效提高船舶通過建筑物的安全系數(shù)，特別適于凈空高度不達(dá)標(biāo)的橋梁。本系統(tǒng)技術(shù)可行、功能完備，對于改善橋區(qū)航道的通航條件，保障橋梁和航道安全，提升服務(wù)水運能力，具有實際意義。通過本文研究及成果實施，以期達(dá)到汛期水位變化大的橋區(qū)實時通航凈空高度的實時遙測和通報，枯水期實際動態(tài)水深的遙測，為船舶駕駛員提供有效的服務(wù)，保障橋梁和船舶安全，提升服務(wù)水運能力，具有重要的實用價值。

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