鐵路橋梁防撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

謝錦妹，趙志剛，汪發(fā)根，于國(guó)丞，段培勇

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081; 2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 工務(wù)處，廣東 廣州 150000)

我國(guó)正處于鐵路快速發(fā)展時(shí)期，鐵路跨越通航江河的大型橋梁數(shù)量逐年增多，而航運(yùn)船型日趨大型化、重型化、高速化，船舶流量持續(xù)增加，使得橋梁和通行船舶之間的矛盾日趨突出，船舶撞擊橋梁的事故亦不斷增加。除人員傷亡和巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失外，鐵路交通阻斷還會(huì)帶來(lái)難以估量的間接經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。如武漢長(zhǎng)江大橋自1957年建成以來(lái)，大約發(fā)生了70起船撞橋事故；2007年的九江大橋撞擊事故造成200m橋面坍塌，4輛汽車墜江，9人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億元人民幣[1]。目前降低船舶撞擊橋梁危害的措施主要分為被動(dòng)防撞措施和主動(dòng)防撞措施[2-3]。

被動(dòng)防撞措施是從減小對(duì)橋梁撞擊力的角度，在橋墩外側(cè)加裝防撞裝置與吸能設(shè)施。這種方式從一定程度上降低了船舶撞擊橋梁事故對(duì)橋梁的損傷，但不能避免事故發(fā)生，且存在減少通航空間、工程量大、造價(jià)高昂、維護(hù)成本較高等問(wèn)題。萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋防撞裝置花費(fèi)2.1億元，黃花園大橋防撞裝置花費(fèi)1800萬(wàn)元。在過(guò)去的橋梁防撞預(yù)警裝置應(yīng)用中，主要以被動(dòng)防撞措施為主。

主動(dòng)防撞措施是采用監(jiān)測(cè)技術(shù)從減小船舶撞擊橋梁發(fā)生概率的角度，對(duì)船舶航行實(shí)施各種主動(dòng)干預(yù)措施。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，造成船舶撞擊橋梁的原因主要分為3類：第1類是超高、偏航船舶造成橋梁的損壞或意外事故；第2類是人為操作失誤或機(jī)械故障；第3類是惡劣的自然環(huán)境、通航條件不利等。由以上3類原因造成的船橋碰撞事故占事故總數(shù)比例分別為80%，8%，12%[4]。若提前發(fā)現(xiàn)超高、偏航船舶或人為操作失誤造成船舶存在撞橋趨勢(shì)，預(yù)警人員采取主動(dòng)措施就能有效避免或減輕橋梁撞擊后果。該方式設(shè)備安裝及維護(hù)成本較低，適用廣泛，應(yīng)優(yōu)先選用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外用于橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要有：①激光對(duì)射技術(shù)，可以定性測(cè)量且成本較低，但存在飛鳥(niǎo)、漂浮物等引起的誤報(bào)率高的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁防撞的報(bào)警功能，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁防撞的預(yù)警功能[5]；②雷達(dá)成像技術(shù)，雷達(dá)采集到的模擬信號(hào)由于無(wú)準(zhǔn)確的物理含義，所以無(wú)法直接處理，且高精度的雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)比較高[6]；③視頻檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)易受光線、外界環(huán)境干擾，誤報(bào)率比較高[7]。

本文采用將激光掃描與視頻技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段，以滬昆鐵路下行線湘潭橋作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，提出一種適用于鐵路通航橋梁的全自動(dòng)、全天候、全天時(shí)、低成本、預(yù)警功能穩(wěn)定可靠的主動(dòng)防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提高操船人員對(duì)船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警能力，協(xié)助操船人員作出避撞決策，減少操作失誤，確保鐵路、船舶運(yùn)輸安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用激光二維掃描技術(shù)和視頻技術(shù)，通過(guò)對(duì)船舶高度和運(yùn)行軌跡的綜合分析，預(yù)判行進(jìn)中船舶撞擊橋梁梁體和橋墩的可能性并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。實(shí)時(shí)記錄船舶通行的圖像視頻，并獲取預(yù)警和報(bào)警船舶的身份信息。根據(jù)實(shí)際情況采取多種報(bào)警方式，監(jiān)測(cè)信息可通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行管理。

湘潭橋第2，3，4孔為通航孔。根據(jù)橋梁特征和通航情況，確定如下布防要求：①梁體布防區(qū)域?yàn)榉峭ê娇?第5孔梁體)上下游，見(jiàn)圖1中虛線區(qū)域；②橋墩布防區(qū)域?yàn)榈?～5孔梁共用橋墩(A,B,C)，見(jiàn)圖1中實(shí)線區(qū)域。

圖1 布防區(qū)域(單位：m)

2.1 梁體防撞方案

在C號(hào)橋墩頂面適當(dāng)位置安裝激光掃描傳感器和攝像機(jī)，形成略低于梁底面且平行于橋梁底面的布防區(qū)域，見(jiàn)圖2。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下游接近船舶的監(jiān)控，并對(duì)走錯(cuò)航道的船舶進(jìn)行聲光預(yù)警，盡量避免船舶與梁體相撞。如果船舶繼續(xù)通行，在無(wú)法避免撞橋事故時(shí)系統(tǒng)會(huì)通知橋梁管理人員確認(rèn)橋梁撞擊情況，能夠最大限度地減輕撞橋事故所造成的嚴(yán)重后果。

圖2 梁體防撞方案

2.2 橋墩防撞方案

在B號(hào)橋墩上游方向適當(dāng)高度處安裝激光掃描傳感器，在A，B，C 3個(gè)橋墩的鄰近區(qū)域形成布防區(qū)域，見(jiàn)圖3。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)上游接近船舶運(yùn)行軌跡的監(jiān)控，并對(duì)船舶可能撞擊橋墩的情況進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。發(fā)生撞橋事故時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通知橋梁管理人員確認(rèn)橋梁撞擊情況。

圖3 橋墩防撞方案

2.3 AIS數(shù)據(jù)采集

在橋梁上安裝AIS或利用AIS岸基網(wǎng)絡(luò)接收橋區(qū)附近水域過(guò)往船舶的動(dòng)靜態(tài)信息，可獲取通航船舶的經(jīng)緯度、水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)、航速、航向等信息。圖4為現(xiàn)場(chǎng)獲取到的通航船舶的經(jīng)緯度信息在地圖上的展示。將二維激光掃描數(shù)據(jù)和船舶的位置信息進(jìn)行匹配，可確定橋梁防撞預(yù)警和報(bào)警船舶的身份信息——MMSI號(hào)碼[8]。

案例企業(yè)社會(huì)責(zé)任行為說(shuō)明：2018年1月19日，在《證券日?qǐng)?bào)》主辦的第一屆新時(shí)代資本論壇上，首屆“金駿馬獎(jiǎng)”評(píng)選結(jié)果出爐。中化國(guó)際榮獲金駿馬“最具社會(huì)責(zé)任上市公司”獎(jiǎng)?！白罹呱鐣?huì)責(zé)任上市公司獎(jiǎng)”主要表彰新時(shí)代資本市場(chǎng)上持續(xù)履行社會(huì)責(zé)任的杰出企業(yè)。中化國(guó)際作為國(guó)家“一帶一路”國(guó)際合作倡議的先行者，沿“一帶一路”國(guó)家和地區(qū)深入踐行了大量社會(huì)責(zé)任，是中國(guó)國(guó)家化企業(yè)履行社會(huì)責(zé)任的典型代表。

圖4 通航船舶展示

2.4 視頻監(jiān)控

采用高清視頻，能夠?qū)νㄟ^(guò)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的全部船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)通過(guò)激光掃描數(shù)據(jù)獲取船舶位置及運(yùn)行軌跡，視頻監(jiān)控設(shè)備根據(jù)船舶的位置信息進(jìn)行追蹤監(jiān)控。監(jiān)控流程如下：①開(kāi)始錄像。船舶一旦進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)控制相機(jī)對(duì)船舶進(jìn)行錄像，并拍照。②追蹤。系統(tǒng)控制相機(jī)追蹤船舶運(yùn)行，持續(xù)錄像。③結(jié)束錄像。船舶通過(guò)橋梁后，系統(tǒng)自動(dòng)停止錄像。④視 頻回放。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看船舶錄像。⑤實(shí)時(shí)視頻，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況。

2.5 綜合報(bào)警

系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求采用多種報(bào)警方式：①VHF電臺(tái)報(bào)警。當(dāng)通航船舶進(jìn)入布控區(qū)且存在撞橋風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)VHF無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)該船舶發(fā)出預(yù)警。②聲光報(bào)警。在橋梁現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置聲光報(bào)警器，對(duì)船舶進(jìn)行聲光報(bào)警。③手機(jī)短信。系統(tǒng)可將報(bào)警信息以手機(jī)短信的形式實(shí)時(shí)發(fā)送到橋梁管理人員的手機(jī)上。④手機(jī)APP報(bào)警推送。系統(tǒng)可將報(bào)警圖片等信息通過(guò)手機(jī)APP向橋梁管理人員推送。

2.6 監(jiān)測(cè)信息管理方案

監(jiān)測(cè)信息的管理基于云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[9]。監(jiān)測(cè)信息包括預(yù)警報(bào)文、圖片視頻、設(shè)備狀態(tài)報(bào)文等。測(cè)點(diǎn)機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后將實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，部署在云服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)接收到的報(bào)文級(jí)別進(jìn)行相應(yīng)的處理，并按設(shè)定的報(bào)警方式實(shí)時(shí)推送給相關(guān)人員[9]。工區(qū)人員可將確認(rèn)信息、處理信息等上報(bào)給云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警的閉環(huán)管理。監(jiān)測(cè)信息處理流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)信息處理流程

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)管轄范圍設(shè)立4級(jí)監(jiān)控，如圖6所示，分別對(duì)應(yīng)路局、工務(wù)段、車間和工區(qū)。其中工區(qū)級(jí)別用戶擁有對(duì)其負(fù)責(zé)的測(cè)點(diǎn)預(yù)警信息實(shí)時(shí)接收及反饋處理的權(quán)限，路局、工務(wù)段、車間級(jí)別用戶擁有對(duì)其轄區(qū)內(nèi)所有工區(qū)的歷史信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)等權(quán)限。

圖6 信息管理分級(jí)

3 系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激光掃描監(jiān)測(cè)模塊、視頻采集模塊、AIS信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報(bào)警模塊以及監(jiān)控中心組成，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)組成

4 數(shù)據(jù)處理方法

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來(lái)判斷通航船舶是否存在撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)AIS數(shù)據(jù)獲取船舶的身份信息。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下：

2)對(duì)平面坐標(biāo)系進(jìn)行區(qū)域劃分,分為有效坐標(biāo)區(qū)域、預(yù)警區(qū)域、報(bào)警區(qū)域；

3)判定布防區(qū)域內(nèi)有無(wú)通航船舶，測(cè)定船舶在平面坐標(biāo)系中的位置、航速、航向；

4)與通航船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定船舶的身份信息；

5)根據(jù)測(cè)定的數(shù)據(jù)信息對(duì)進(jìn)入布防區(qū)域的船舶進(jìn)行計(jì)算，如果存在撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)則預(yù)警；

6)船舶繼續(xù)行駛，駛?cè)雸?bào)警區(qū)則報(bào)警。

5 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

基于上述設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：①第5孔梁體上下游船舶橋梁撞擊預(yù)警和報(bào)警。②A，B，C 3個(gè) 橋墩上游船舶撞擊預(yù)警和報(bào)警。③布防區(qū)域內(nèi)船舶通行過(guò)程的實(shí)時(shí)錄像。④多種方式報(bào)警。報(bào)警信息的多級(jí)發(fā)布、集成管理、視頻錄像的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，提供web網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP這2種訪問(wèn)手段。

系統(tǒng)的總體技術(shù)指標(biāo)為：①可分別實(shí)現(xiàn)船舶與橋梁、橋墩150 m以外布防區(qū)域撞擊預(yù)警及報(bào)警功能；②可 識(shí)別物體大小在10 cm×10 cm以上；③報(bào)警響應(yīng)速度為5 s，檢測(cè)頻率為2次/s。

6 技術(shù)特點(diǎn)

鐵路橋梁防撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①集成化，設(shè)備均安裝在橋上，岸上無(wú)設(shè)備；②自動(dòng)化，自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)報(bào)警，無(wú)需人員值守；③內(nèi)容多，包括梁體防撞、橋墩防撞和船舶走錯(cuò)航道；④模塊化，便于靈活配置和維護(hù)更換。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于激光掃描的橋梁防撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確性高，且抗陽(yáng)光、雨水等干擾的能力強(qiáng)，誤判率低，便于安裝實(shí)施，可運(yùn)用于大江大河的鐵路橋梁。根據(jù)橋梁跨距配置不同的監(jiān)測(cè)方案，為通航橋梁安全保駕護(hù)航。