智能橋梁防撞系統(tǒng)研究

鐘鵬　豐火雷　周開發(fā)

摘 要：處于通航航道處的橋梁容易遭到航行船舶的撞擊，這類橋梁事故往往會(huì)給橋梁、船舶和社會(huì)帶來(lái)巨大的損失。為此，國(guó)內(nèi)外都對(duì)橋梁防撞系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。本文就目前應(yīng)用的橋梁防撞技術(shù)作了歸納和介紹，并提出了一種基于云平臺(tái)，采用AIS系統(tǒng)和雷達(dá)技術(shù)，應(yīng)用Origami結(jié)構(gòu)的智能橋梁防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：橋梁智能防撞；Origami結(jié)構(gòu)；AIS系統(tǒng)；云平臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.089

橋梁，自古以來(lái)便是交通運(yùn)輸不可或缺的組成部分。如今我國(guó)的水上交通運(yùn)輸事業(yè)蒸蒸日上，處于通航航道處的橋梁也越來(lái)越多。航行船舶與橋梁之間的矛盾日益凸顯，由此導(dǎo)致的事故亦此起彼伏。船撞橋事故會(huì)帶來(lái)橋梁、船舶和社會(huì)三方面的損失：橋梁結(jié)構(gòu)受損，需大量的維修費(fèi)用；船舶結(jié)構(gòu)遭到破壞，船舶上的人員與貨物處于危險(xiǎn)狀態(tài)；通航受阻，居民出行不便，甚至影響當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生的船撞橋事故己經(jīng)不止110起，國(guó)內(nèi)情況尤其嚴(yán)重，僅武漢長(zhǎng)江大橋，被船舶撞擊的事故就高達(dá)80余起。同時(shí)，國(guó)外的類似船撞橋事故也高達(dá)50余起。據(jù)估算平均每年約有一座大型橋梁遭到船舶撞擊而受損。因此，如何防范通航航道處的橋梁被船舶撞擊是一個(gè)亟待解決的問題。

1 橋梁防撞系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁防撞系統(tǒng)的研究，可分為橋梁主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞兩部分。

目前可用于橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)主要有：①視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)主要運(yùn)用攝像頭監(jiān)測(cè)，成本較低。但難以精準(zhǔn)地識(shí)別較遠(yuǎn)距離的物體，誤報(bào)率較高，且受光線條件的限制。②雷達(dá)成像技術(shù)，該技術(shù)能監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)距離物體，能探測(cè)到物體的方位、速度等信息，可以滿足監(jiān)測(cè)船舶航行狀態(tài)的使用需求。但惡劣的天氣會(huì)對(duì)它的精度產(chǎn)生一定的影響，需采用其他技術(shù)加以輔助。③熱成像技術(shù)，該技術(shù)采用熱紅外攝像機(jī)，紅外輻射的穿透力強(qiáng)，不受光照和天氣的影響，隱蔽性高，但目前紅外圖像精度不高。

目前可用于橋梁被動(dòng)防撞系統(tǒng)的技術(shù)主要有：①防撞護(hù)舷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，作為直接構(gòu)造彈性變形型防撞設(shè)施，抵抗小噸位船舶撞擊的效果較好。對(duì)于抵抗大型船舶，該結(jié)構(gòu)的防撞效果差。②消能防撞套箱，利用具有一定剛度的套箱很好地吸收船舶撞擊動(dòng)能、延緩撞擊時(shí)間，使得傳遞到橋墩上的撞擊能量大程度減小。③樁式防撞裝置，能給橋梁和船舶雙方都提供很好的保護(hù)，不受橋墩類型和防撞船舶噸級(jí)限制，但成本高，施工難度大，且會(huì)減小通航凈空空間。

2 智能橋梁防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文采用將AIS系統(tǒng)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段，運(yùn)用可折疊Origami結(jié)構(gòu)，提出一種基于云平臺(tái)的智能橋梁防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于通航橋梁，能精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、低成本地防止船舶直接撞擊橋梁，確保橋梁、船舶雙方的安全。

2.1 被動(dòng)防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通航孔處橋墩周圍安裝一種伸縮性好、吸能性好的可折疊Origami結(jié)構(gòu)被動(dòng)防撞設(shè)施。正常狀況下，該結(jié)構(gòu)處于收縮狀態(tài)，緊貼于橋墩表面，使通航孔具有足夠的凈空空間，不影響船舶通行；船舶將撞向橋墩而觸發(fā)被動(dòng)防撞設(shè)施時(shí)，該結(jié)構(gòu)迅速打開并伸展，圍繞著橋墩形成“保護(hù)層”，極大程度地降低橋墩實(shí)體接收的撞擊能量。防撞過(guò)程中該結(jié)構(gòu)只會(huì)發(fā)生局部的損壞，不影響整體防撞性能，后期只需維修受損的局部。

2.2 主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著航海信息技術(shù)的快速發(fā)展，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AIS系統(tǒng)）日趨完善。AIS系統(tǒng)可以提供船名、航線、航向、位置、船舶尺度等有關(guān)船舶航行的基本信息。目前，AIS基站信號(hào)可用率接近100%。橋梁防撞系統(tǒng)主要是防止船舶撞橋事故，在橋梁附近水域覆蓋AIS基站信號(hào)，從而將AIS系統(tǒng)運(yùn)用于智能橋梁防撞系統(tǒng)中是可行且有效的。采集橋梁附近船舶的AIS數(shù)據(jù)，為后續(xù)的防撞應(yīng)對(duì)措施提供基本信息。考慮到AIS基站信號(hào)并未達(dá)到100%，為了提高防撞系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，引入雷達(dá)監(jiān)測(cè)加以輔助。在通航孔處的橋墩布設(shè)雷達(dá)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋墩周圍的船舶航行狀況。

2.3 云平臺(tái)

作為云計(jì)算的重要組成部分，云平臺(tái)是云服務(wù)的核心。云平臺(tái)具有安全防護(hù)體制，無(wú)需構(gòu)建人工監(jiān)控中心，無(wú)需購(gòu)買監(jiān)控相關(guān)的物理服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，也無(wú)需進(jìn)行人工維護(hù)和管理。作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，以云計(jì)算為基礎(chǔ)的橋梁預(yù)警系統(tǒng)可接入健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；谠破脚_(tái)的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)，可以同時(shí)向多個(gè)服務(wù)器（如海事管理、橋梁維護(hù)單位、船舶控制人員等）提供服務(wù)。該預(yù)警系統(tǒng)成本低，且具有非常高的可維護(hù)性、穩(wěn)定性和靈活性，能讓防撞系統(tǒng)更智能，運(yùn)作更有效率。

2.4 智能橋梁防撞系統(tǒng)工作模式

將AIS和雷達(dá)得到的有關(guān)船舶基本數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺(tái)，為后續(xù)的智能化處理奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也可以供相關(guān)人員隨時(shí)隨地查看。

在橋墩周圍由遠(yuǎn)及近分別設(shè)置一定范圍的預(yù)警區(qū)、報(bào)警區(qū)、防撞區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到船舶進(jìn)入了預(yù)警區(qū)，系統(tǒng)計(jì)算船舶的航向、位置、航速等，向船舶控制人員發(fā)送預(yù)警信號(hào)，提醒其調(diào)整航速、航向等，此時(shí)Origami結(jié)構(gòu)處于收縮狀態(tài)。此后，系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入預(yù)警區(qū)的船舶進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，當(dāng)船舶繼續(xù)向橋墩靠近，進(jìn)入報(bào)警區(qū)，系統(tǒng)判定船舶是否會(huì)進(jìn)入防撞區(qū)，指示Origami結(jié)構(gòu)是否準(zhǔn)備伸展，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)其危險(xiǎn)程度向船舶控制人員發(fā)送停船命令。當(dāng)船舶已經(jīng)進(jìn)入了防撞區(qū)，說(shuō)明船舶極可能撞向橋墩，此時(shí)該橋墩的Origami結(jié)構(gòu)已準(zhǔn)備就緒，立即打開并伸展，對(duì)船舶的撞擊能進(jìn)行緩沖，避免橋墩受到大程度的損壞。

整個(gè)工作過(guò)程中，系統(tǒng)能精準(zhǔn)地判別船舶具體撞擊的某一個(gè)橋墩，打開該橋墩周圍的Origami結(jié)構(gòu)，其余橋墩周圍的Origami結(jié)構(gòu)不受影響，相互獨(dú)立。

3 結(jié)論

一種理想的橋梁防撞系統(tǒng)不僅需要精準(zhǔn)的主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，還需要靈活的被動(dòng)防撞系統(tǒng)，二者有機(jī)地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化防撞的目的，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)因素。緊跟大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展潮流，基于云平臺(tái)的智能橋梁防撞系統(tǒng)，可以節(jié)約大量機(jī)器購(gòu)買費(fèi)用和人工管理費(fèi)用。融合AIS和雷達(dá)技術(shù)的分區(qū)式預(yù)警系統(tǒng)，相互獨(dú)立的可折疊Origami防撞結(jié)構(gòu)，使得該橋梁防撞系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)智能化、高效化、經(jīng)濟(jì)化。

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