實(shí)時(shí)橋梁凈空高程測(cè)量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

潘麗敏，李建蓉

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

為了保證船舶能安全通過橋梁，必須實(shí)時(shí)獲得橋梁的凈空高度。橋梁凈空高度的測(cè)量，特別是實(shí)時(shí)測(cè)量一直是相關(guān)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，出現(xiàn)了多種有效的測(cè)量方法。

B.H.沙拉遼夫[1]在1983年利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究了彎曲河段正常航行所需要的航道條件，由于計(jì)算時(shí)采用的是近似公式，導(dǎo)致其準(zhǔn)確性不高。2002年，鄭直[2]研究了橋梁通航凈空尺度、橋位等與航道通航的關(guān)系，為跨航道橋梁的通航凈空設(shè)計(jì)和橋址選擇提供參考。2003年，吳乃平[3]提出了橋梁凈空高度的定義及相關(guān)定義值的區(qū)別與換算方法。同年，陸明生等[4]從交叉學(xué)科的角度論述了橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)的確定原則與方法，提出了凈空尺度計(jì)算原則和斜交橋梁凈空寬度計(jì)算公式，為跨道橋梁的通航凈空尺度和技術(shù)要求論證提供了參考。2006年，張玉山[5]介紹了橋梁凈空高程測(cè)量的兩種方法即三角高程測(cè)量法與GPS觀測(cè)法，并詳細(xì)介紹了平均大潮高潮面的確定方法，從中得出GPS觀測(cè)效率比三角高程測(cè)量更快且精度更高。2009年，鄭仲娥[6]結(jié)合滬漢蓉快速鐵路跨南淝河特大橋，從橋位方案的合理選擇和通航凈空尺度的確定入手，對(duì)跨河橋梁通航凈空尺度和技術(shù)要求論證工作進(jìn)行探討并提出了合理建議。2017年，郭義浩[7]提出了一種橋梁凈空高度的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)與綜合報(bào)告系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易實(shí)施，能實(shí)時(shí)獲取橋梁凈空高度信息，從而可以避免因船舶超高而發(fā)生碰撞橋梁事故，其應(yīng)用性可進(jìn)一步擴(kuò)展。本文采用更先進(jìn)的脈沖雷達(dá)液位計(jì)來進(jìn)行橋梁凈空高程的測(cè)量，并開發(fā)了基于地理信息系統(tǒng)的客戶端系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)通航船舶進(jìn)行監(jiān)控和管理。

1 雷達(dá)液位計(jì)簡(jiǎn)介

雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理如下：雷達(dá)液位計(jì)的天線發(fā)射極窄的微波脈沖，這個(gè)脈沖以光速在空間傳播，遇到被測(cè)介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來，被同一天線接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。但是由于電磁波的傳播速度極高，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔很短(納秒量級(jí))，一般設(shè)備很難確認(rèn)，26 GHz雷達(dá)液位計(jì)采用了一種特殊的解調(diào)技術(shù)，可以準(zhǔn)確識(shí)別發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔，最終準(zhǔn)確計(jì)算出發(fā)射天線到被測(cè)介質(zhì)表面的距離[8]。雷達(dá)液位計(jì)能夠測(cè)量液體或固體介質(zhì)，且不受介質(zhì)變化、溫度變化、蒸汽、粉塵、泡沫等的影響；其精度為毫米級(jí)，智能型高頻雷達(dá)最高可以做到70 m；雷達(dá)液位計(jì)可耐高溫250°C、高壓40 kPa，故也可用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

2 實(shí)時(shí)橋梁凈空高度管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)橋梁凈空高度管理系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：橋梁的現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分與信息中心的監(jiān)控服務(wù)部分。橋梁的現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分包括：橋梁兩側(cè)的橋涵標(biāo)信息采集、橋梁下方的水位信息采集、橋梁上下游的通航標(biāo)信息采集。采集到這些信息后，通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)的采集終端將信息發(fā)送到信息中心的終端通信服務(wù)器。信息中心的監(jiān)控服務(wù)由終端通信服務(wù)器、中心監(jiān)控服務(wù)器和客戶端連網(wǎng)組成，采集終端到終端通信服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接是采用GPRS無(wú)線網(wǎng)連接，而服務(wù)器之間以及服務(wù)器與客戶端之間是采用Internet網(wǎng)連接，服務(wù)器與客戶端中均有相應(yīng)的應(yīng)用程序，管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分的實(shí)現(xiàn)

橋梁兩側(cè)的橋涵標(biāo)信息、通航標(biāo)數(shù)據(jù)采集均由航道管理系統(tǒng)提供。水位高度采集終端選用26 GHz雷達(dá)液位計(jì)，型號(hào)為EL-RD609，發(fā)射頻率為26 GHz，精度±10 mm，測(cè)量范圍70 m。由于雷達(dá)波的傳播速度不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風(fēng)沙等環(huán)境因素的影響，傳播相當(dāng)穩(wěn)定，使得雷達(dá)液位計(jì)在其工作范圍內(nèi)具有相當(dāng)高的精度，且不需維護(hù)。

利用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量出橋梁下方的水位面距雷達(dá)液位計(jì)的高度后，將測(cè)量的高度數(shù)據(jù)通過RS485接口和采集終端傳輸?shù)浇K端通信服務(wù)器，再由終端通信服務(wù)器計(jì)算出橋梁凈空高程、水深等數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際要求，所需測(cè)量設(shè)備參數(shù)技術(shù)指標(biāo)為：量程范圍，0～70 m；測(cè)量精度，±10 mm；供電電源，DC(6-24 V)/四線；頻率范圍，26 GHz；輸出信號(hào)，RS485/Modbus協(xié)議；溫度范圍，-40～100 ℃；防護(hù)等級(jí)，IP67/IP65；防爆等級(jí)，ExibⅡCT6 Gb。

雷達(dá)液位計(jì)安裝如圖2所示。安裝時(shí)應(yīng)給安裝設(shè)備預(yù)留足夠的空間，且避免強(qiáng)烈震動(dòng)的安裝場(chǎng)合。安裝時(shí)要求從天線下緣到被測(cè)介質(zhì)表面之間，即發(fā)射微波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)不得有障礙物。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量橋梁凈空高程的實(shí)際精度除了儀器本身的測(cè)量精度外，更主要取決于被測(cè)水面的風(fēng)浪大小。

2.2 客戶端/中心監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中心監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)是數(shù)字橋梁管理系統(tǒng)的中心，連接終端通信服務(wù)、監(jiān)控客戶端等多個(gè)系統(tǒng)，既有橋梁的作用，也有中心的作用。橋梁作用表現(xiàn)為：負(fù)責(zé)監(jiān)控客戶端與終端通信服務(wù)器之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。中心作用表現(xiàn)為：各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、各類用戶的登錄管理等。客戶端與中心監(jiān)控服務(wù)器之間的通信模塊調(diào)用關(guān)系圖如圖3所示。

監(jiān)控客戶端軟件由地圖管理、橋涵標(biāo)管理、水位管理、航標(biāo)管理等模塊組成。監(jiān)控客戶端軟件被安裝在橋梁管理人員使用的電腦中，該電腦采用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口來與中心監(jiān)控服務(wù)器建立TCP/IP連接。監(jiān)控客戶端軟件由一個(gè)安裝包來實(shí)現(xiàn)，安裝后不需要做任何設(shè)置即可使用；管理人員無(wú)須具備數(shù)據(jù)庫(kù)、編程、電子等方面的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，就能方便的使用該客戶端軟件。監(jiān)控客戶端通過監(jiān)控軟件查詢并接收來自中心監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)發(fā)來的相關(guān)數(shù)據(jù)，并顯示橋涵標(biāo)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、液位計(jì)測(cè)量的水深值、橋梁凈空高程數(shù)值以及報(bào)警信息。

監(jiān)控客戶端軟件的數(shù)據(jù)支持由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)管理包括地圖數(shù)據(jù)、橋梁信息數(shù)據(jù)、橋涵標(biāo)信息數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)及歷史水位數(shù)據(jù)、通航標(biāo)數(shù)據(jù)等內(nèi)容的存儲(chǔ)、讀取、更新、查詢，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為中心監(jiān)控服務(wù)器所調(diào)用，從而向其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

3 基于地理信息系統(tǒng)的橋梁管理客戶端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文的監(jiān)控客戶端系統(tǒng)是自行開發(fā)的基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的橋梁管理客戶端系統(tǒng)，其需要解決以下五方面的問題：下載通用瓦片地圖，開發(fā)基于SharpMap的瓦片式基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，開發(fā)基于橋梁實(shí)景圖像的橋涵標(biāo)監(jiān)控界面，解決客戶端與客戶端之間、客戶端與監(jiān)控服務(wù)器之間、客戶端與終端通信服務(wù)器之間的通信問題，開發(fā)橋梁管理系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。該系統(tǒng)具有地理信息系統(tǒng)的一般功能與特征，即：可視化、移動(dòng)、縮放、測(cè)量、對(duì)象查詢等功能，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖4所示。

為了更好地展示橋梁上橋涵標(biāo)的當(dāng)前狀態(tài)，采用橋梁實(shí)景圖像作為背景，橋涵標(biāo)的形狀與狀態(tài)按照實(shí)時(shí)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行顯示。監(jiān)視界面可以是如圖5所示的單橋監(jiān)視，也可以是如圖6所示的多橋監(jiān)視。

橋梁管理客戶端系統(tǒng)大致分為地圖管理、橋梁管理、橋涵標(biāo)管理、液位計(jì)管理、通航標(biāo)管理和系統(tǒng)管理六大功能模塊，每個(gè)大模塊又由若干小模塊組成。

所有功能模塊采用Visual Studio 2013開發(fā)平臺(tái)開發(fā)，主要開發(fā)語(yǔ)言為Visual C#2013，其中少量使用了Visual C++2013，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQL Server 2008。此外，開發(fā)過程中還要使用多個(gè)外部控件，包括DevExpress 13.2界面組件包、ES Framework通信組件包、SharpMap 1.1開源代碼等。

該系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)在于需要了解現(xiàn)有分析公司系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。其原因是分析公司早期開發(fā)的航道管理系統(tǒng)中關(guān)于航標(biāo)部分的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容與通信協(xié)議，往往和現(xiàn)有設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)兼容性差，整合比較困難。如原系統(tǒng)中航標(biāo)的定義，通常存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；而原系統(tǒng)中航標(biāo)的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，則一般采用網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。這些具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義及數(shù)據(jù)庫(kù)布局還需要進(jìn)一步完善和整合。故開發(fā)過程中需要得到以前開發(fā)商的協(xié)助和配合。

4 結(jié)論

基于利用雷達(dá)液位計(jì)對(duì)橋梁的凈空高程進(jìn)行測(cè)量，介紹了實(shí)時(shí)橋梁管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，說明了其具體的實(shí)現(xiàn)方法，并開發(fā)了基于地理信息系統(tǒng)的管理客戶端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁信息的可視化、移動(dòng)、縮放、測(cè)量、對(duì)象查詢等功能。

該系統(tǒng)在選取橋梁附近通航標(biāo)的數(shù)據(jù)后，解決了以下問題：①分析航道信息，了解通航航道情況；②查詢橋梁實(shí)時(shí)凈空高程、水位信息，掌握船只通航的重要信息；③將船只通航計(jì)劃納入管理系統(tǒng)并做出規(guī)劃。該系統(tǒng)對(duì)船舶安全通航的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理具有重要的意義。