橋梁凈空高度實時檢測與綜合報告系統及其應用

郭義浩

（長江重慶航運工程勘察設計院，重慶401147）

橋梁凈空高度實時檢測與綜合報告系統及其應用

郭義浩

（長江重慶航運工程勘察設計院，重慶401147）

根據現行的規范和標準，橋梁凈空高度主要依據航道等級和相應設計最高通航水位確定。考慮到汛期河流水位的頻繁變化以及通行船舶空載高度的不統一，存在著船舶碰撞橋梁的風險。文章結合目前我國橋梁凈空高度及船舶現狀，在分析快速檢測和船舶能及時接收的基礎上，提出了一種橋梁凈空高度的實時自動檢測與綜合報告系統，并獲得國家專利。該測報系統簡單易實施，可有效施行凈空高度的預警，大大降低船撞橋事故風險，并可在各河流的通航上推廣。

橋梁；凈空高度；船撞橋；風險；自動測報

現代經濟社會的發展，導致各種安全風險因數的增多是必然規律，關鍵是要有防范安全風險的措施才能保證我們享受現代社會發展的成果。隨著我國交通運輸建設的快速發展，橋梁建設方興未艾，數量不斷增加，航運的發展船舶不斷大型化，同時由于自然條件的變化，有些橋梁的最高通航水位也發生了變化，這些因素都使得橋梁設計凈高原因的通航安全的風險不斷累積增加，因凈高問題撞橋事故也時有發生。很有必要采取相應的防范措施，降低因凈高原因導致的安全風險，使橋梁通航不斷趨于安全，對我國橋梁和航行船舶安全都具有十分重大的意義。

橋梁的凈空高度是通航橋孔的一項主要技術參數，它影響到橋區船舶的通過能力和通航安全。據調查，在我國已建成的橋梁中，橋孔通航凈高不富裕、或接近國家規定標準臨界值或不滿足凈高要求等情況均普遍存在。加之我國船舶種類繁多，多年來倡導的船舶標準化也未能完全實現。每當汛期到來，水位較高且變幅較大，即通航凈高值處于臨界的時候，極易發生船撞橋事故。原因是船舶通過橋梁時往往不清楚橋梁通航凈高的實際值，也無法在短時間內判斷自身高度與橋梁通航凈空高度的關系。因此，建立一種精確和便捷的橋梁凈高實時檢測系統并進行綜合報告，在凈空高度達不到標準時及時報警，使得船舶提前獲知凈空高度信息，及時做出合理的判斷，對降低事故風險，保障船舶和橋梁安全意義重大。

1 研究現狀

1.1 國內外針對船舶超高造成的橋梁碰撞的防治研究

鑒于船舶與橋梁碰撞的嚴重性、破壞性、多面性，我國橋梁安全逐步受到重視，基于此的研究也越來越深入、系統、全面。針對船舶超高造成的橋梁碰撞的防治研究主要在以下幾方面：

（1）在橋梁前方增加防護橫梁的保護裝置［1］，防止超高船舶撞擊，一般適用于通航等級較低的小型橋梁，費用較高；

（2）通過在橋面安裝光電探測儀器檢測超高船舶，從而報警。但此種手段受雨雪霧等天氣的影響，可靠性難以保證，而且隨著橋面的震動，探測儀器安裝基面發生變化，探測誤差大。

（3）橋梁上安裝CCTV工業電視監控設備，但此種設備裝置由于是視屏裝置，受天氣條件影響大，對船舶超高狀況難以準確判斷，而且需要配置人員24 h不間斷的人工觀察，實際效果不佳。

以上方式都是被動防撞，存在較大的局限性，效果受限。實際上現在船舶趨于大型化，即使是長江等內河船舶，5 000 t乃至萬噸級船舶也不鮮見，沿海橋梁通過的船舶更大，僅僅靠被動防撞是不能解決問題的。不難發現，主動防撞比起被動防撞能更多的提供船舶所需信息，更重視船與橋的互聯性，讓船舶駕駛人員感知橋梁的實際凈空高度，更能從根本上減少船撞橋事故，是一種理想的方式。

目前針對橋梁凈空高度的實時檢測與凈高綜合報告系統仍處于空白。鑒于此，提出一種自動實時檢測橋梁通航凈高并對凈高信息進行綜合報告的系統，從根本上主動避免船撞橋事故的發生是非常必要的。

1.2 目前橋梁凈空高度測報的一般方法

目前橋梁凈空高度測量的方法有：三角高程測量法、水尺法和視覺目測法。上述方法具有一定的實用價值，但是在測報精度和測報的便捷性方面存在不足。有學者在總結分析上述方法的基礎上，針對船舶航行經過橋梁的實際特點，提出了一種基于標定物的高度測量方法［2］。該方法以雙目視覺為基礎，結合標定點的信息，船舶的位置信息，利用空間幾何關系，計算得到船舶的高度。而大型橋梁凈空高度的測量方法，可使用GPS網絡RTK技術結合全站儀精密三角高程測量技術實時得到橋面點高程，經橋梁橫坡、橋梁厚度及檢修軌道梁改正后得到軌道梁底的高程，再與實時水面高程相減得到相應點的凈空高度，但是由于存在諸多限制條件，航行船舶要精確測量橋梁的凈空高度是十分困難的。

2 凈空高度實時檢測的必要性

以長江為例，其干線橋梁凈空高度存在以下問題：

（1）不少早期橋梁的通航凈高不能滿足目前規范和通行船舶的凈高要求，如《通航海輪橋梁通航標準》頒布后部分內河船舶不能滿足海輪通航的凈高要求；武漢長江大橋、南京長江大橋等早期橋梁凈空高度也不富裕；還有部分橋梁由于水庫蓄水或最高洪水位發生變化從而引起通航凈空高度改變。橋梁通航凈高的確定取決于計算出的最高通航水位，而實際確定的凈高尺度還往往與建橋條件有關。因此，在實際建成的橋梁中，普遍存在通航凈高取值處于《內河通航標準》允許的下限值的情況，凈空高度參差不齊。

（2）部分船舶的實際高度超過代表船型的高度。我國內河運輸的快速發展已經形成較為開放的運輸格局，船舶跨越航道等級航行已呈常態。以長江為例，下游船舶可駛入長江上、中游干線或支流航行，進江海輪也可駛入中游的武漢甚至以上河段，這就導致船舶的凈高超過設計航道等級的代表船型凈高。這類船舶只能在長江水位較低或橋梁實際凈高較富裕的情況下通過，或通過壓載通過，但隨水位上漲，撞橋的風險就凸顯出來。

例如，武漢、南京長江大橋建成以來均數十次被撞擊，對橋梁結構和船舶自生安全造成嚴重影響；2014年6月7日，某多用途船總噸1 493 t滿載吃水高度13.5 m，準備通過凈高只有11 m揚州夾江大橋，幸被海事部門及時攔截制止，從而避免了一起事故的發生，否則后果不堪設想。

（3）橋梁凈空高度不能實時檢測和顯示，存在船撞橋風險。由于現行橋梁大多沒有通航凈高的實時顯示系統，受季節交替、降水、上游水庫調節、潮汐等影響航道水位又處于隨時變化之中，船舶對潛在的凈空高度不夠的危險不能感知預警，造成通航安全的重大隱患。例如，長江上游河段汛期水位漲落幅度大，一天內水位可陡漲10 m以上，橋梁富裕凈空高度急劇減小，也容易因超高而引發船撞橋事故。

實際上，除長江外，船舶超高發生碰橋的安全隱患，在我國其他通航水域普遍存在，如廣深高速川槎大橋從從2013年以來，多次發生船舶碰撞橋梁T梁事故，造成重大損失。

為解決這些問題，提出一種橋梁通航凈高全天候自動實時檢測與綜合報告的裝置，從源頭上避免船撞橋事故的發生是非常必要的。船舶因超高碰撞橋梁事故的發生，大都因船舶對自身及橋梁實際通航凈高判斷失誤造成。由于現有的凈高測量方法存在局限和不足，在河流水位變幅較大、橋梁凈高不足加之船長不熟悉航道條件等眾多不利條件下，讓船舶提前感知橋梁凈空高度信息，與船舶高度進行簡單比對，順利通過橋區，避免船橋碰撞事故的發生意義重大。因此需要對凈高的檢測方法進行研究，目的是為船舶全天候提供實時、精確和便捷的凈高信息。

3 一種橋梁凈空實時自動檢測與綜合報告系統

基于上述考慮，筆者通過研究，提出了一種橋梁凈空高度的自動實時檢測與綜合報告系統，該系統由安裝在橋梁上的導向桿、距離傳感器、測報器和傳感單元四大部分組成，能迅速自動實時檢測和進行凈高信息綜合報告。該系統已于2015年獲得國家實用新型專利（專利號ZL 2015 2 0143445.5）。

3.1 系統結構及原理

該系統包括標尺（1），高頻率激光測距傳感器（MSE-LDS30B）（2），反射板（4），以及搭載Cotex3內核的STM32芯片做主控芯片的測報裝置（3）（如圖1所示）。

圖1 橋梁凈空高度自動測報系統結構圖（1-導向桿，2-距離傳感器，3-測報器、4-傳感單元）Fig.1 Sketch of automatic detection system for the navigable clearance height of bridge

系統其中高頻率激光測距傳感器［3］，由紅外激光發射管、接收管、光電池和轉換電路組成，在激光發射部分采用測距專用激光器產生高性能的脈沖激光，激光接收部分選用雪崩光電二極管（APD）進行光電轉換。

在系統傳感器的選擇上，經過多次試驗對其性能進行比選，開始采用的超聲波傳感器，由于其在江面工作時，受風、雨、障礙物干擾較大，精確度不能保證，最終選用高頻率激光測距傳感器（MSE-LDS30B），因為其相比于其他傳感器，如超聲波測距傳感器等，具有性能穩定、響應速度快、抗沖擊、耐振動、干擾小、壽命長、檢測距離遠、可以看見激光光束、調試方便、精準度高，穿透雨、霧、雪、風沙能力強等優點，可極大的降低測量的誤差率，非常適合在惡劣環境如：（江面、海面）工作。

圖2 系統原理圖Fig.2 System principle

圖3 系統運行工作圖Fig.3 Principle for operation work of the system

測報裝置3的主控芯片為搭載Cotex3內核的STM32芯片，具有處理速度快，實時性好，測量誤差小，GPIO端口豐富等優勢，非常適合用于此測控系統。

其工作原理為：固定在橋墩上的導向桿1上端安裝有高頻率激光測距傳感器2，反射面4安裝在導向桿下端并可隨水面高度變化而上下自由移動，這樣不僅保證反射面始終位于水面位置，同時也保證了每次測得距離的準確性和可靠性。導向桿下端的反射面4與置于橋頂的高頻率激光測距傳感器2形成反饋，主控芯片通過GPIO端口發送命令給高頻率激光測距傳感器4，高頻率激光測距傳感器2開始發送紅外激光信號，反射面4接收到紅外激光信號后就會產生漫反射。經反射面反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到能檢測極其微弱的光信號，具有放大功能的光學傳感器——雪崩光電二極管上，記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，根據發送的時間T和激光傳輸的速度V0做出運算H=V0T/2即可測定目標距離。此時就會通過串口RS232返回相關數據信息給主控芯片或者PC機。在這個過程中所測得的H為實時橋梁凈空高度，并將STM32處理后的數據通過數據GPIO端口發送到LED顯示屏3顯示出來，當凈高不達標時可根據管理部門的要求顯示警告信息或禁航信息，同時通過VHF公共通信頻率（16f）小功率方式向附近過往船舶進行語音傳播，并可通過手機短消息方式發送至有關管理部門（可設置發送條件），如果水位上漲超過最高通航水位，可以采取相應的通航管制措施。

3.2 優點及適用性

該系統主要有以下優點：

（1）避免船舶超高碰撞大橋事故的發生。船舶超高碰撞橋梁事故的發生主要是由于船舶對橋梁實際通航凈空判斷失誤造成，而本系統可根據實際水位變化情況，顯示實時獲取的橋梁通航凈空信息，特別是在水位變化較大，水位突然漲落時以及特殊水文年，為船舶安全航行，提供了準確及時的判斷依據和信息，可有效避免船撞橋事故的發生，同時提高了船舶航行通過橋區的安全性，確保生命及財產安全。

（2）綜合報告橋梁實時凈高信息，便于船舶及管理部門及時采取措施。以往判斷船舶是否能夠安全通過橋梁，主要是根據航行水尺及橋梁高度信息粗略換算相減，并與自身船舶實際高度比較而來，數據不精確，不直觀，如果夜間或視線不良或沒有水尺信息，會嚴重影響船舶駕駛人員對橋梁凈空高度的判斷。而該系統直接醒目地顯示和VHF無線電語音播報兩種方式，提高了過往船舶提前獲取橋梁實際凈空高度信息的可靠性，從而及早采取相應的安全措施，避免事故的發生；此外，當橋梁凈高不足時還可通過短消息的方式通知管理部門采取措施，顯示屏可以根據需要顯示警示或禁航信息。

（3）成本低，安裝方便、實用性強。該系統可以避免橋梁投入大量的資金建設被動防碰設施，效費比高，成本低。該系統在橋梁及船舶航行安全方面由被動防撞轉化為主動防撞，從而減少事故的發生，創新性強，并且可作為橋梁安全評估系統的一部分，為其增加準確的判斷依據。該系統采用的技術較為成熟，且結構簡單，原件采購方便，系統安裝、調試方便，并利用船舶已有的公共頻道資源，不會增加船舶的附加費用，實用性較強。

該測報系統可有效施行凈空高度的預警，使船舶及時感知橋梁凈空高度，做出合理判斷，從而降低船撞橋事故的風險，可在各河流的通航上推廣，具有很好的適用性。

4 系統應用實例

該系統在奉節長江大橋、白沙沱長江大橋通航孔主橋墩上進行安裝測試（如圖4所示）。奉節長江大橋及重慶白沙沱長江大橋分別于2006年6月及1958年6月年建成通車，通航橋孔跨徑分別為420 m及80 m，設計最高通航水位分別為：173.48 m及190.6 m，通航凈高為18 m，該兩座橋梁在最高通航水位時橋梁實際凈高富裕很小，且其中奉節長江大橋為通航受限橋梁。在安裝測試過程中，為解決高頻率激光測距傳感器MSE-LDS30B反射面2能夠平穩浮在水面上這一問題［4］，我們采用浮球，并將其重心固定于球體下端的，將反射面安裝在浮球頂部，通過反復調試，能夠確保在不同風浪條件下，測距傳感器MSE-LDS30B反射面4都能夠平穩浮在水面上，準確的接收及反射接收到的激光信號。此外，針對反射面在水面移動位置的不規律性，導致射激光信號不穩定，甚至有時候反射失敗這一問題，我們將標尺表面加上導軌，并將反射面卡在導軌上，固定反射面只能縱向移動，防止其左右偏移帶來的測試不準確，從而解決了反射面的偏移問題。調試穩定后，根據試驗，效果如下：

表1 試驗結果表Tab.1 Test results

圖4 橋區船舶安全預警信息系統工作示意圖Fig.4 Sketch of forecasting system operation for ship security at bridge area

（1）由上表可以看出在安裝使用該裝置之后，船舶在通過此兩座大橋時，能有效獲取準確的橋梁實際凈高的信息，有足夠的時間與所駕駛船舶實際高度進行對比判斷，并有充足時間采取措施，提高了駕駛人員超高判斷的準確性，杜絕了因船舶超高造成的船舶海事，也有利于保證通航安全。因此該裝置的設計目的及預期目標得到了較好的實現，可以在其他橋梁上推廣應用。

（2）該裝置性能穩定，獲取數據及報告信息較為準確、及時、便捷，因此該裝置的設計目的及預期目標能夠很好的實現，可以在其他橋梁上普遍推廣應用。

5 結論及展望

該測報系統簡單易實施，安全可靠，實用性強且效費比極高，能夠及時有效的解決橋梁實際凈空高度的檢測、發布及危險報警禁航問題。它能夠很好的從源頭上解決船舶超高造成的事故，大大提高船舶通航的安全性。今后可廣泛推廣應用于通航凈空高度富余小的內河及跨海橋梁上，還可擴展應用于過江管線及其它跨河建筑物上。

此外，本系統還可以進一步擴展及完善，加入船舶實際高度信息獲取與監測系統模塊，與本系統獲取的準確的橋梁凈空信息相比較，從而準確判斷船舶是否能夠安全通過橋區，并與海事管理系統實現聯動管理，建立“橋梁區域船舶安全預警信息系統”（如圖4所示），從根本上減少船舶超高撞擊橋梁事故的發生。

［1］陳國虞，王禮立.橋梁防撞理論及防撞裝置設計［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［2］黃喆.橋區船舶安全通航與高度測量系統研究[D].大連：大連海事大學,2015.

［3］徐恒梅,付永慶.相位法激光測距系統［J］.應用科技,2010,37（6）：20-22. XU H M,FU Y Q.Research of the phase laser ranging system［J］.Applied Science and Technology,2010,37（6）：20-22.

［4］常鳳筠，崔旭東.激光測距傳感器在液位測量系統中的應用［J］.應用激光，2013（1）：44-47. CHANG F J,CUI X D.Laser liquid level measuring instrument design［J］.Applied Laser，2013（1）：44-47.

Real-time detection and integrated report system for navigable clearance height of bridge

GUO Yi-hao
（Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute,Chongqing401147,China）

According to the current standards of inland navigation,the navigable clearance height of bridge is mainly determined by the channel level and the corresponding designed highest navigable water level.The risk of ship-bridge collision is easily caused due to the frequent changes of the water level in flood season and the height disunity of light ship.According to current situation of navigable clearance height and ship in China,a real-time detection and integrated report system for navigable clearance height of bridge was proposed based on the analysis of the rapid detection and the real-time reception of ship.Also,a corresponding national patent was authorized.The clearance height of bridge is easily forecasted and the risk of ship-bridge collision is significantly reduced by the system.Moreover,the system can be widely applied in various rivers.

bridge;clearance height;ship-bridge collision;risk;automatic detection

U 656；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0054-05

2016-05-30；

2016-11-16

郭義浩（1963-），男，湖北天門人，高級工程師，主要從事港口航道、船閘與橋梁通航技術的研究。

Biography：GUO Yi-hao（1963-），male，senior engineer.