基于水位與流速測量的橋區安全通航監測系統

竇 路，陳 凱，張明睿

（交通運輸部水運科學研究所，北京 100088）

基于水位與流速測量的橋區安全通航監測系統

竇 路，陳 凱，張明睿

（交通運輸部水運科學研究所，北京 100088）

在所有跨河建筑物中，橋梁對航道的影響最大，橋梁的通航凈空尺度和通航孔的布設直接影響航道通航能力和船舶航行安全。本文介紹了一種利用安裝在橋梁上的水位與流速監測系統，實現對航道水情信息的及時監測，監測數據通過播發平臺傳遞給船舶用戶，有助于預警船舶安全航行。

水位；流速；橋區；通航安全；監測

1 引言

目前，航道管理部門對船舶通過航道橋梁的相關信息沒有公開服務數據來源與渠道，掌握水情水位信息主要依靠氣象部門每天定時對外提供的水情水位信息。除緊急情況下，信息基本一日一發，不具有實時性，且公布信息中缺少橋梁通航水位信息，無法向船舶提供橋下通航預警信息，船舶過橋主要依靠經驗與目測，不利于管理部門針對各時段水位變化實施科學監管。因此，及時掌握水位信息及部分通航河段的流速信息，發布信息與預警，船舶可通過實時橋下通航高度預測選擇放桅等通行方式，可以有效避免通航高度導致的撞橋等事故。本文介紹了水位與流速測量的橋區安全通航監測系統，有助于通航安全預測。

2 系統原理與組成

橋區水位與監測系統主要由三個部分組成：監測終端、實時通信鏈路、數據中心與發布平臺，如圖1所示。

圖1 橋區水位與監測系統組成

2.1 監測終端

系統監測終端安裝于跨航道橋梁上方，主要硬件設備包括：水位傳感器、流速傳感器、無線數傳模塊（RTU）、太陽能電池板、控制器、蓄電池及設備箱。監測終端硬件組成如圖2所示。

圖2 監測終端硬件組成

超聲探頭主要是指水位傳感器與流速傳感器，固定安裝在水面觀測點上方，位于橋梁結構最低緣，垂直對準水面向水面發射無線電波，超聲波到達水面后部分能量經水面反射，被探頭接收，儀表記下這段時間t；探頭內部安裝有溫度傳感器，根據超聲波的傳播速度和時間t，經過溫度補償計算出水面到探頭的距離D。流速傳感器利用多普勒原理，可以測得0.3m/s～8m/s的水流。系統原理圖見圖3所示，前端單元設備探測水位信息，由RTU模塊利用公眾移動通信網GPRS/CDMA方式進行實時傳輸。

圖3 橋區通航水位測量系統原理圖

（1）監測傳感器。對于只進行橋下實時通航高度測量的橋梁，監測傳感器只需要安裝水位探測儀；對于除測量橋下實時通航高度外，還需要測量表面流速的橋梁安裝點，監測傳感器包括水位探測儀、流速探測儀。

（2）無線數傳模塊（RTU）。RTU主要作為通信單元，內置公眾移動通信網SIM卡。其主要作用是將前端單元設備探測水位信息、流速信息，利用GPRS/CDMA網絡傳輸到監控中心。

（3）控制器。智能控制器通過RTU模塊可以監控中心進行遙控，控制單元將采集到的信息傳遞給RTU單元，供其向外發送。同時，可以根據RTU接收到的監測中心發送的控制指令，并可根據接收到的最新配置參數對工作參數進行設置，可以改變采集的頻次，實現啟動等遠程控制功能。

（4）太陽能電池板及蓄電池。對于有供電系統的橋梁，可直接采用供電系統，而對于無法供電的橋梁，采用光伏供電系統，一般均可采用太陽能供電。在無交流負載的太陽能光伏供電系統中，太陽能光伏供電系統的基本工作原理就是在太陽光的照射下，將太陽電池組件產生的電能給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池給直流負載供電。

（5）設備箱。設備箱可選擇雙層箱、單層箱兩種配置，兩種配置在外層構造、材質及主體設計上基本一致，結構設計上能改善原設備箱在通風、散熱、排水、防雨等方面的性能，有效保證設備箱內置設備的安全。雙層箱方案比單層箱方案增加了隔熱層，其通風散熱效果更加顯著，在自重及造價方面較單層箱方案也同樣有所增加。配置時根據現場站點實際環境情況進行選擇，對散熱要求更高的應選擇雙層箱方案。

2.2 實時通信鏈路

監測終端采用公網GPRS/CDMA無線傳輸模式，將采集器內水位數據信息發送給監測中心，并在顯示屏上呈現，應支持實時在線和按需在線多種工作方式，如：定時上下線和設備喚醒，保障數據安全可靠。還能按需進行數據傳輸，節省電量及通信費用。

2.3 數據中心與發布平臺

由數據中心統一接收水位與橋下凈空高度數據信息，進行綜合處理，據歷史數據動態分析、比對、研判，形成指令數據，以直觀圖標模式呈現在系統平臺上，數據中心可利用對外發布系統，例如航道LED大屏提醒、AIS消息預報、VHF廣播等方式及時將水位水情信息傳達給船舶。

3 系統功能

3.1 數據采集

系統應具有安裝在橋梁的硬件監測設備，測量水位與橋梁結構最低端的凈空高度，為船舶安全通過橋梁提供助航信息。監測設備應具有前端水位與流速采集探頭、儀表、通信模塊、供電（太陽能電子板、鋰電池）等數據采集與生成功能。設備安裝于露天工作環境，并且應具有防雷、防水、防塵等防護設施，以保證這些設備的長效運行。

3.2 數據傳輸

數據傳輸功能分為兩個部分。第一部分是從監測站到數據中心，目前我國內河高等級航道橋梁區域均應有公眾移動通信網絡覆蓋，在監測終端的RTU模塊可以利用GPRS/CDMA向數據中心發送水位與橋梁凈空高度數據信息，若航道處于偏遠地段，無法得到公眾移動通信網的有效覆蓋，也可以采用北斗的RDSS短報文傳輸模塊進行傳輸。除此之外，系統的設計應具有較高的可靠性，在系統故障或事故造成中斷時，能向中心提供相關報警信息，自啟動備儲功能，并確保數據的準確性、完整性和一致性，具備迅速恢復的功能，同時系統具有一整套完成的系統管理策略，可以保證系統的運行安全。第二部分是數據中心到相應分支管理機構以及船舶終端的信息傳輸，采用VHF、AIS網絡或其他播發方式直接推送給船舶用戶。

3.3 數據處理與發布功能

系統應具備相應的軟件平臺，并能在GIS平臺上顯示對應位置橋梁的實時水位流速數據，數據監控中心將接收到的數據存儲到水位與橋梁凈空管理數據庫中，系統可實現航道水位及橋梁凈空高度數據的實時遠程觀測，提供水位及流速數據信息查詢、分析應用，同時具有水位自動預警功能，對內能夠為通航管理部門提供及時的數據信息和決策支持。此外，可以在對外服務平臺上進行數據的發布。

4 結束語

本文所述基于橋區的水位與流速監測系統，適用于內河航道橋區眾多，且橋梁建設年代較遠，橋區通航凈空高地較低，水流流速流態易變化的通航水域。系統采用較簡易的裝置與設備，通過實時監測，實現對航道水情信息的及時預警與發布，保障船舶航行安全，有效提高我國內河航道的助航服務。

[1] 張忠遠．智能水位監測儀的研究[D]．南京理工大學，2008

[2] 徐航．基于GPRS的水庫水位實時監測系統的研究[D]．江西理工大學，2012

[3] 耿曉明．無線數據傳輸水位監測儀的研究[D]．南京理工大學，2009

[4] 鐘東．西江黃金水道物流信息化戰略研究[D]．廣西大學，2013

A Fairway Navigation Safety Monitoring System of Bridge Area based on the Flowing Measurement

Dou Lu, Chen Kai, Zhang Mingrui
(China Waterborne Transport Research Institute, Beijing, 100088)

The safety of navigation on fairway is affected mostly by the bridge among all the buildings across the channel. The construction design of bridge navigation clearance and navigable spans are related to the waterlevel, velocity and turbulent motion of the fairway. This paper introduces a real-time water-level and velocity monitoring system installed under the bridge, the monitoring data can be received by ships through the broadcast platform for safer navigation.

water-level; velocity; bridge area; safety navigation; monitoring

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.009

TN92文獻標示碼：A

1672-7274（2015）08-0032-03

竇 路，女，1988年生，任職于交通運輸部水運科學研究所，研究方向為水運通信導航。

陳 凱，現任職于交通運輸部水運科學研究所。

張明睿，現任職于交通運輸部水運科學研究所。

項目資助：本項目受交通運輸部水運科學研究所WTI-51404項目資助。