橋梁橋墩防撞監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究

摘 要： 隨著航道交通的發(fā)展，船舶日益增多，由此引發(fā)的事故也與日俱增。針對(duì)船舶撞擊事故引發(fā)的人員傷亡、橋梁損毀、財(cái)產(chǎn)損失及環(huán)境破壞等現(xiàn)象，本文提出橋梁橋墩防撞監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，主要包括防撞設(shè)施及雷達(dá)信號(hào)預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)靠近橋梁橋墩的船舶是否偏離航向，船舶未撞到橋墩前提前預(yù)警，雷達(dá)安裝在防撞設(shè)施上，通過(guò)測(cè)距和測(cè)角能提前預(yù)知船舶航向，船舶船主看見(jiàn)信號(hào)燈閃爍，適時(shí)糾正航向，避免橋墩剮蹭。針對(duì)船主不顧信號(hào)警告剮蹭橋墩，橋墩上雷達(dá)傳感器集成的振動(dòng)傳感器會(huì)及時(shí)報(bào)警，報(bào)警數(shù)據(jù)傳到云端，聯(lián)動(dòng)橋梁兩端攝像機(jī)抓怕船型船號(hào)，監(jiān)控記錄碰撞事件，防撞設(shè)施二次作用，為保護(hù)橋梁橋墩做出了可行有效的方案。

關(guān)鍵詞：橋墩;預(yù)警;雷達(dá);監(jiān)控 ;防撞設(shè)施

引言

隨著航道交通的發(fā)展，船舶與橋梁碰撞的風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年至2020年，每年發(fā)生多次刮碰事故，為保障橋梁的安全使用，必須每日派專人逐一檢查橋梁狀態(tài)，工作強(qiáng)度大，且人工檢查受人的視角限制和環(huán)境限制，仍然存在安全隱患[1]。

朱海洋[2]建立了基于雷達(dá)的無(wú)線主動(dòng)防撞系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及抓拍畫(huà)面，驗(yàn)證了該監(jiān)控裝置的可靠性。張俊[3]利用數(shù)值分析軟件建立了基于橋墩防撞裝置的力學(xué)模型，同時(shí)也利用現(xiàn)有理論對(duì)計(jì)算撞擊力的公式進(jìn)行了對(duì)比分析，指出橋墩防撞裝置，特別是填充泡沫鋁的撞裝置在吸收沖擊動(dòng)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。黃兆亮[4]利用有限元軟件對(duì)鋼-聚氨酯夾層板在橋墩防撞方面的效果展開(kāi)了詳盡的研究，同時(shí)還將撞擊速度與防撞材料的力學(xué)特性緊密聯(lián)系起來(lái)。

橋梁防撞預(yù)警視頻監(jiān)控系統(tǒng)能利用現(xiàn)代化檢測(cè)手段，提高航道運(yùn)行的安全性，有效避免超高船舶進(jìn)入航道造成交通意外事故;能精確檢測(cè)出船舶是否偏離航道，并及時(shí)通過(guò)信號(hào)燈進(jìn)行提示，提高橋梁船只安全航行，提前防范交通隱患，同時(shí)防撞設(shè)施做到保護(hù)橋墩作用[5]。通過(guò)安裝橋梁監(jiān)控系統(tǒng)，錄像所記錄的碰撞事件，有著方便違章查詢，監(jiān)管便利，為航道交通保駕護(hù)航[6，7]。上海浦東運(yùn)河大治河川楊河存在著較大的船舶碰撞橋梁安全隱患，本文基于雷達(dá)無(wú)線裝置，提出橋梁橋墩防撞監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，為保護(hù)橋梁橋墩提供可行有效的方案。

1 防撞預(yù)警系統(tǒng)概述

橋梁防撞監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)組成由現(xiàn)場(chǎng)防撞設(shè)施、監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。橋墩防撞設(shè)施是船舶撞擊保護(hù)橋梁作用，如圖1所示，監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要是船舶預(yù)警記錄橋梁橋墩被撞事件。

2 橋梁橋墩防撞設(shè)施

根據(jù)橋墩大小尺寸在保證航道在規(guī)范的通行的情況下設(shè)計(jì)定加工防撞設(shè)施，防撞設(shè)施主要由鋼板、緩沖吸能材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三部分組成。

2.1 鋼板

鋼板采用機(jī)械零件制造過(guò)程中常用的Q235B，主要原因是其在韌性與鑄造性方面的優(yōu)點(diǎn)，伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度均能達(dá)到規(guī)范要求，并且其易于沖壓和焊接的特點(diǎn)能夠滿足橋墩結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施在高性能材料方面的要求。

2.2 緩沖吸能材料

緩沖吸能材料采用組合聚醚和異氰酸酯。其中組合聚醚采用HCFC—141b（非CFC—11）發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑的詳細(xì)參數(shù)應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所處環(huán)境條件實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。值得一提的是，該發(fā)泡劑有著極小的全球變暖系數(shù)，因而對(duì)臭氧層的影響是微乎其微的。異氰酸酯彈性纖維可以有效的緩沖吸能，廣泛用于防撞設(shè)施絕熱防水。

2.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要由特制纖維表面氈、特制纖維布、特制原絲短切纖維、環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑、環(huán)氧樹(shù)脂、間苯型聚酯樹(shù)脂膠衣、防紫外線吸收劑等組成，其突出優(yōu)點(diǎn)具體如下：（1）比強(qiáng)度較高、比模量較大;（2）該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計(jì)性;（3）較強(qiáng)的抗腐蝕性及耐久性;（4）熱膨脹系數(shù)接近于混凝土值。以上諸多優(yōu)點(diǎn)使得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在大跨、高聳、重載、輕質(zhì)、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，甚至極端環(huán)境下的使用占上風(fēng)，在現(xiàn)代土建施工智能化、工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料越來(lái)越多的被用于橋梁橋墩防撞設(shè)施的填充工藝中。

3 預(yù)警系統(tǒng)組成詳述

預(yù)警系統(tǒng)主要由微波雷達(dá)、交通信號(hào)燈、4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)管、攝像機(jī)四部分組成。

3.1 微波雷達(dá)

防護(hù)角度范圍為12°—20°;探測(cè)距離范圍為25 m—70 m;探測(cè)速度范圍為1 km/小時(shí)—30 km/小時(shí);測(cè)距精度為0.5 m; 測(cè)速精度為0.75 m;存儲(chǔ)溫度：-40 °C—125 °C。

3.2 交通信號(hào)燈

外殼壽命不小于10年;防水等級(jí)在IP65等級(jí)及以上;可視距離大于500 m;功率不小于10 W;亮度大于6000 mcd;環(huán)境溫度范圍為-40 °C—80 °C。

3.3 4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)管

通信距離不低于500米;GPRS端發(fā)射功率為1 W;GPRS端發(fā)射頻率850/900/1800/1900 MHZ;通信接口方式為RS485;帶寬頻率為 250.0 kHz;工作溫度范圍為-40 °C—85 °C。

3.4 攝像機(jī)

經(jīng)比選，實(shí)際應(yīng)用中所采用的攝像機(jī)型號(hào)為DS-2CD2T27FDWD-LSGLE/32G-E，最高分辨率可達(dá)25 fps（1920×1080），并可輸出實(shí)時(shí)圖像;碼流平滑設(shè)置，可滿足各種情景下圖像質(zhì)量、流暢性等方面的需求。該攝像機(jī)支持GBK字庫(kù)，支持更多漢字及生僻字疊加，支持OSD顏色自選;同時(shí)也支持3D數(shù)字降噪、120dB寬動(dòng)態(tài)、支持暖光燈補(bǔ)光，照射距離最遠(yuǎn)可達(dá)30米?？筛鶕?jù)場(chǎng)景情況自適應(yīng)調(diào)整碼率分配，能夠有效節(jié)省存儲(chǔ)成。

4 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

據(jù)悉，上海浦東運(yùn)河大治河川楊河存在著較大的船舶碰撞橋梁安全隱患，應(yīng)及時(shí)對(duì)橋梁橋墩進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)。綜合以上條件，現(xiàn)場(chǎng)橋梁兩側(cè)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖2所示（以8m立桿為例），所用到的硬件材料包括： DH-IPC-HFW7226F-W4G攝像機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)情況選用廣角）;監(jiān)控立桿（直徑159 mm、高8 m）;2塊150 W太陽(yáng)能板：128 G儲(chǔ)存卡，太陽(yáng)能板控制器;100 Ah蓄電池;4G物聯(lián)卡等。

預(yù)警系統(tǒng)供電采用光伏發(fā)電，主要用電設(shè)備包括微波雷達(dá)、交通信號(hào)燈、4G網(wǎng)關(guān)，所使用的設(shè)備統(tǒng)一按12 V電壓供電，交通信號(hào)燈不報(bào)警時(shí)處于休眠狀態(tài)，報(bào)警觸發(fā)后工作，微波雷達(dá)用電量綜合所有設(shè)備物理搭配，按一般光照太陽(yáng)能板存電大于所有設(shè)備24小時(shí)用電量總和，具體計(jì)算如下：監(jiān)控設(shè)備9 W、信號(hào)燈15 W、微波雷達(dá)3 W、4G網(wǎng)關(guān)1 W、太陽(yáng)能板供電300 W。太陽(yáng)能供電主要由正常天氣陰雨天氣兩種情況，正常天氣太陽(yáng)能板工作8小時(shí)，陰雨天氣保守工作時(shí)間3小時(shí)。按陰雨天氣計(jì)算，300 W×3 h>（9 W+15 W+3 W+1 W）×24 h，物理搭配滿足蓄電池每天處于存電狀態(tài)，保證蓄電池壽命及所有設(shè)備穩(wěn)定性，存放電原理如圖3所示。

通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)靠近橋梁橋墩的船舶是否偏離航向，船舶到雷達(dá)監(jiān)測(cè)距離后，雷達(dá)發(fā)出信號(hào)至交通信號(hào)燈，信號(hào)燈閃爍提示預(yù)警，避免橋墩剮蹭，船主不顧信號(hào)警告剮蹭橋墩，橋墩上雷達(dá)傳感器集成的振動(dòng)傳感器就會(huì)因剮蹭撞擊報(bào)警，報(bào)警數(shù)據(jù)4 G網(wǎng)關(guān)傳輸信號(hào)傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)橋梁聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)抓怕船型船號(hào)，監(jiān)控記錄碰撞事件，攝像機(jī)自帶128 G內(nèi)存卡錄像存儲(chǔ)，信號(hào)傳輸原理如圖4所示。本系統(tǒng)可使橋墩上雷達(dá)傳感器集成的振動(dòng)傳感器因剮蹭撞擊報(bào)警，報(bào)警數(shù)據(jù)傳到云端，聯(lián)動(dòng)橋梁兩端攝像機(jī)抓怕船型船號(hào)，監(jiān)控記錄碰撞事件，防撞設(shè)施二次作用，為保護(hù)橋梁橋墩做出了可行有效的方案。

5結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)經(jīng)濟(jì)損失大、社會(huì)影響差的船撞橋事故，提出了一套可行方案，為了使防撞設(shè)施達(dá)到保護(hù)橋梁橋墩的目的，對(duì)橋梁橋墩進(jìn)行了監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)。本系統(tǒng)所采用的微波雷達(dá)具有全方位可靠性，可實(shí)現(xiàn)橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警及碰撞抓拍?；诶碚摻馕龇椒皟?nèi)部幾何模型，完成感知船舶撞擊過(guò)程的無(wú)線加速度傳感器的低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)在上海川楊河園橋的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)橋梁橋墩防撞的可靠保護(hù)性能不僅僅體現(xiàn)在及時(shí)性，而且還體現(xiàn)在自動(dòng)化高等方面。因此，該系統(tǒng)可滲透到橋梁的全生命周期，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱忠義，崔海興.紹興曹娥江袍江大橋橋墩防撞分析與設(shè)計(jì)[J].中外公路，2011，31（06）：139-141.

[2]朱海洋，朱思悅，王磊磊. 橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警與碰撞抓拍系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程.2019，27（07）：33-37.

[3]張俊. 沖擊荷載作用下橋墩防撞裝置的力學(xué)性能研究[D].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2017.

[4]黃兆亮. 鋼—聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)圓端形橋墩防撞浮箱碰撞性能研究[D].華南理工大學(xué)，2017.

[5]陳國(guó)祥.橋梁防碰智能預(yù)警系統(tǒng)研究應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2017（05）：31-33.

[6]蔣仕光.橋梁防撞預(yù)警視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].港口裝卸，2018（04）：31-34.

[7]程呈.基于云平臺(tái)的橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2018（08）：34+36.

作者簡(jiǎn)介：

王永建（1989.08.12），男，漢，河南，本科，上海同濟(jì)工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，市政管理。

（上海同濟(jì)工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，上海 200092）