高速公路橋面路況監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李飛雄,潘俊濤,朱 頁(yè)

(1.昆明公路局晉寧公路分局，昆明 650605；2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，昆明 650051；3.昭通公路局鎮(zhèn)雄公路分局，昭通 657200)

截至2020年年底，我國(guó)高速公路里程已達(dá)16.1萬(wàn)公里，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。橋梁作為高速公路重要的組成部分，其能否正常通行直接影響著高速公路的行車(chē)安全，如大廣高速花湖互通D匝道(跨空匝道橋梁)發(fā)生側(cè)翻事故，實(shí)時(shí)的橋面路況信息不僅能夠提高管養(yǎng)單位的應(yīng)急處置效率，也能提高來(lái)車(chē)司機(jī)的行車(chē)安全。當(dāng)前許多學(xué)者在積極開(kāi)展橋面監(jiān)測(cè)的研究，并取得了一定的成績(jī)，趙旭升等[1]采用MIDAS Civil軟件建立橋梁空間動(dòng)力計(jì)算模型并對(duì)橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算，以確認(rèn)橋梁的傳感器數(shù)量及鋪設(shè)位置，最終計(jì)算出三種有效的布置方案，但該方案處于仿真階段，只有傳感器的布置，未對(duì)整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)不完整。周志祥等[2]采用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)橋梁的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將采集數(shù)據(jù)與精密水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果、有限元仿真分析結(jié)果比較，結(jié)果表明該方案能夠顯著地提高檢測(cè)的精度，但該方案所采用的三維激光掃描系統(tǒng)成本較高，且只能識(shí)別出橋梁變形信息，對(duì)橋面是否結(jié)冰、是否擁堵等情況無(wú)法檢測(cè)。羅娟等[3]采用干涉雷達(dá)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)連續(xù)變形進(jìn)行測(cè)量，該技術(shù)能夠檢測(cè)出橋梁發(fā)生的微型形變，相比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)檢測(cè)精度更高，實(shí)用性更強(qiáng)，但該技術(shù)不能得知橋面的交通路況信息。李文全[4]提出了一種變高度鋼桁架連續(xù)梁橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，主要對(duì)傳感器布置、軟硬件設(shè)施等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但該方案不能形成閉環(huán)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也不能實(shí)時(shí)提醒來(lái)車(chē)司機(jī)前方橋面的路況信息。另有相關(guān)研究學(xué)者總結(jié)了現(xiàn)有斜拉橋拉索健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，并介紹了基于壓力傳感器的索力監(jiān)測(cè)法、基于振動(dòng)頻率的索力監(jiān)測(cè)法和基于電磁傳感器的索力監(jiān)測(cè)法、光纖光柵監(jiān)測(cè)法及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法等幾種主要的拉索健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理，但這些技術(shù)均只針對(duì)橋梁的某一方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并未全面地監(jiān)測(cè)橋梁的路況信息。

基于上述原因，本文提出一種采用溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器、振動(dòng)傳感器、視頻事件檢測(cè)器和毫米波雷達(dá)分別實(shí)時(shí)檢測(cè)橋面的溫濕度信息、傾斜度信息、結(jié)冰信息、位移信息、振動(dòng)信息、交通事故信息和擁堵信息等的高速公路橋面路況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將檢測(cè)到的路況信息傳輸至監(jiān)控分中心展示，為管養(yǎng)單位的工作人員提供路況信息，便于工作人員有目的地對(duì)橋梁進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，該系統(tǒng)所檢測(cè)到的路況信息在可變信息情報(bào)板上顯示，為來(lái)車(chē)司機(jī)提供有效的交通信息。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要對(duì)高速公路橋面實(shí)時(shí)交通路況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需在橋面兩側(cè)等距鋪設(shè)無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)橋面的路況信息，再通過(guò)LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳到橋頭的一體化機(jī)柜。一體化機(jī)柜能控制可變信息情報(bào)板的顯示，也能夠匯聚無(wú)線傳感器、視頻事件檢測(cè)器和毫米波雷達(dá)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并將其傳輸至監(jiān)控分中心顯示。橋頭設(shè)置有龍門(mén)架，用于安裝可變信息情報(bào)板、視頻事件檢測(cè)器、補(bǔ)光燈和毫米波雷達(dá)，其中視頻事件檢測(cè)器、補(bǔ)光燈和毫米波雷達(dá)均設(shè)置兩套，互為冗余。毫米波雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛的速度信息判斷橋面是否擁堵，視頻事件檢測(cè)器主要用于判斷橋面是否發(fā)生交通事故，補(bǔ)光燈主要用于為視頻事件檢測(cè)器增加亮度，補(bǔ)光燈和視頻事件檢測(cè)器的安裝方向需與行車(chē)方向同向，以避免補(bǔ)光燈直射行車(chē)司機(jī)而影響司機(jī)視線。系統(tǒng)安裝示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)安裝示意

1.1 LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)

LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)是Semtech公司于2013年發(fā)布的一種低功耗廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)，它能夠兼顧低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸，打破了傳統(tǒng)通信技術(shù)中需要犧牲功耗來(lái)提高傳輸距離或犧牲傳輸距離來(lái)節(jié)約功耗的瓶頸[5-6]。相比藍(lán)牙通信、ZigBee通信、Wi-Fi通信等技術(shù)，LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗及成本較低的優(yōu)勢(shì)，傳輸距離可達(dá)15～20 km，低功耗的優(yōu)勢(shì)能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命，相應(yīng)成本也因此降低。

LoRa基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)淙鐖D2所示。由圖2可知，LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)溆扇舾山K端節(jié)點(diǎn)采集底層數(shù)據(jù)，利用RF(射頻)技術(shù)或LoRaWAN技術(shù)將終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)基站，再通過(guò)3G或以太網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，最后再傳輸至應(yīng)用服務(wù)器上。其中，網(wǎng)關(guān)基站與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)TCP/IP傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議連接，網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)基站能接入200個(gè)LoRa終端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點(diǎn)之間能夠雙向通信[7]。由于采用了擴(kuò)頻技術(shù)，不同傳輸速率的通信之間不會(huì)互相干擾，此外還會(huì)創(chuàng)建一組虛擬化的頻段增加網(wǎng)關(guān)容量。LoRaWAN的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3～37.5 kbps，為了最大化終端設(shè)備電池的壽命和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)一種速率自適應(yīng)方案來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設(shè)備的射頻輸出功率[8-9]。

圖2 LoRa基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)?/p>

1.2 無(wú)線傳感器

由于高速公路橋梁的橋體是懸空的，周?chē)諝饬鲃?dòng)快，橋體的熱量散發(fā)快，橋面溫度隨空氣溫度升降也快，因此橋面溫度與路基溫度有一定的差值，不能僅以氣象站提供的溫度為依據(jù)來(lái)判斷橋面的真實(shí)溫度，需采用溫度傳感器對(duì)橋面溫度進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。橋面濕滑也是影響行車(chē)安全的一個(gè)重要因素，通過(guò)濕度傳感器檢查橋面的濕度信息，進(jìn)而判斷橋面是否存在濕滑的情況。對(duì)橋梁振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)也很重要，由于車(chē)輛行駛在橋面上時(shí)，橋體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)車(chē)輛施加到橋梁的頻率與橋梁的固有頻率相同時(shí)，橋梁的振動(dòng)會(huì)被加強(qiáng)，當(dāng)橋梁的振動(dòng)幅度達(dá)到最大限度直至超過(guò)橋梁的抗壓力時(shí)，橋梁就會(huì)斷裂，因此需采用振動(dòng)傳感器對(duì)橋梁振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。路面結(jié)冰造成路面抗滑能力顯著降低，將給道路暢通和行車(chē)安全帶來(lái)嚴(yán)重的隱患，橋面相對(duì)路基路面更易結(jié)冰，采用結(jié)冰傳感器檢測(cè)橋面的結(jié)冰情況對(duì)山區(qū)高速公路來(lái)說(shuō)是非常有必要的。此外，當(dāng)橋梁發(fā)生變形、偏移時(shí)，橋體的位移和傾角會(huì)產(chǎn)生一定的變化，需通過(guò)布設(shè)位移傳感器和傾角傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁的變形和偏移情況。

無(wú)線傳感器的組成結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，無(wú)線傳感器主要由溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器、振動(dòng)傳感器、LoRa無(wú)線終端和STM32控制器組成。其中，溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器和振動(dòng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息需傳輸至STM32控制器中進(jìn)行計(jì)算。由于橋面需要安裝多個(gè)無(wú)線傳感器來(lái)檢測(cè)橋面路況信息，本文采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)將各無(wú)線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息匯聚到一體化機(jī)柜中進(jìn)行處理。

圖3 無(wú)線傳感器的組成結(jié)構(gòu)示意

1.3 一體化機(jī)柜

一體化機(jī)柜的主要功能是通過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)匯聚各無(wú)線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，并將其同毫米波雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)信息一起傳輸至工控機(jī)中進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)信息同視頻事件檢測(cè)器采集到的圖像信息一同傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中，最后再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸至監(jiān)控分中心。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，一體化機(jī)柜中配置有不間斷電源，以保證供電的連續(xù)性。一體化機(jī)柜的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 一體化機(jī)柜的結(jié)構(gòu)示意

1.4 可變信息情報(bào)板

可變信息情報(bào)板不僅要顯示監(jiān)控分中心下達(dá)的顯示指令，還要顯示橋面路況信息。因此，需要將可變信息情報(bào)板與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、工控機(jī)連接起來(lái)，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接收監(jiān)控分中心下達(dá)的顯示指令，再傳輸給可變信息情報(bào)板顯示，工控機(jī)則根據(jù)LoRa網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)信息控制可變信息情報(bào)板的顯示內(nèi)容?？勺冃畔⑶閳?bào)板的控制連接如圖5所示。

圖5 可變信息情報(bào)板的控制連接

2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

高速公路沿線鋪設(shè)有主干光纜，主要用于傳輸機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。因此，各無(wú)線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息在全部匯聚至一體化機(jī)柜后，可通過(guò)主干光纜傳輸至監(jiān)控分中心。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意

通過(guò)LoRa無(wú)線終端將布設(shè)在橋面上的各無(wú)線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將匯聚后的數(shù)據(jù)信息分兩路分別傳輸給工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和工控機(jī)，采用融纖技術(shù)在主干光纜上接出兩芯尾纖連接到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)上，每條路段上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)光纖連接成自愈環(huán)網(wǎng)，即使其中一條鏈路斷開(kāi)，數(shù)據(jù)還可以通過(guò)另一側(cè)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。路段上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將LoRa網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)信息通過(guò)尾纖傳到主干光纜上，主干光纜再通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送至監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中，并通過(guò)工作站來(lái)訪問(wèn)監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，再將數(shù)據(jù)信息傳輸至服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)工作站訪問(wèn)服務(wù)器來(lái)查看歷史數(shù)據(jù)信息。根據(jù)《橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)與管理規(guī)范》(DB34/T 3968—2021)中的各項(xiàng)指標(biāo)在工作站中建立橋梁健康指標(biāo)庫(kù)，以這些指標(biāo)作為預(yù)設(shè)值，當(dāng)指標(biāo)被監(jiān)測(cè)到超出預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告以提醒工作人員橋面出現(xiàn)健康問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要利用無(wú)線傳感器針對(duì)橋面的溫濕度信息、傾斜度信息、結(jié)冰信息、位移信息、振動(dòng)信息、交通事故信息和擁堵信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)將各無(wú)線傳感器采集到的橋面路況信息數(shù)據(jù)匯總后傳輸至監(jiān)控分中心，再通過(guò)可變信息情報(bào)板顯示。該方案監(jiān)測(cè)維度廣，能夠形成監(jiān)測(cè)閉環(huán)，既能為工作人員提供實(shí)時(shí)的橋面路況信息，方便工作人員對(duì)橋梁進(jìn)行維護(hù)，也能提醒行車(chē)司機(jī)前方橋面的路況，提高行車(chē)安全性。