橋梁通航凈空高度動態監測預報系統研究

李向前 杜榮宏 胡應苗 汪凡文 任洪敏

[摘 要] 本文介紹了現有橋梁凈空高度監測現狀，針對現有橋梁凈空監測系統弊端，通過各種方案對比，設計了基于雷達脈沖的橋梁水位高度測量系統，并通過GPRS網絡與監控中心進行數據傳輸，監控中心通過AIS短信息服務和VHF緊急呼叫等多途徑發布橋梁凈空高度信息，保障及時準確地將信息發布到船舶的通信終端，確保船舶安全通過橋梁。該系統可為船舶駕駛員提供有效的服務，保障橋梁和船舶安全，提升服務水運能力，具有重要的實用價值。

[關鍵詞] 橋梁通航 ；凈空尺度； 雷達水位計；GPRS

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 13. 069

[中圖分類號] TP315 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）13- 0153- 05

1 內河航運橋梁通航凈空尺寸研究現狀

隨著我國航運業的發展，內河船舶趨向大型化，不少江海直達海輪進入內河航道，內河航運業發展迅速，通航密度、船舶噸位不斷增加，但是內河航道上不少橋梁存在通航凈高不足，致使船舶碰撞橋梁事故時有發生。橋梁的通過能力，即可以安全通過的船舶噸位，根據當時橋區的水位的不同而改變，但由于枯洪水期的變化、地形特點以及地理位置影響，水位的變化情況不盡相同，水位的快速變化會導致橋梁通過能力的改變，水位低時能通過橋區的橋梁，很多在髙水位時是通過不了的。部分河道有山區河流存在，水位變化大，水位對通航影響大，水位的突然變化嚴重威脅著橋梁船舶人員的安全。根據《內河交通安全標志GB13851》等標準和規范的規定，為保障船舶和橋梁等過河建筑物自身的安全，設置實時通航凈空高度信息警告（或提示）標志是十分必要的。特別是在水位變化大的河段或時段，設置實時通航凈空高度信息警告（或提示）標志尤為重要。

由于橋區水域復雜，各種礙航設備多，橋梁等水上建筑的存在，使得橋區水域的環境與其他水域相比，有著特有的復雜性，如橋梁周圍由于通航孔的作用，往往會改變其周圍的風向、風速，橋域的存在使得流速、流向等也往往比寬闊水域紊亂。對于感潮河段，以及山區河流等特殊河段，河流水位變化劇烈，加之橋梁凈空尺度往往不足，使得實時的水位信息對于船舶操縱人員十分重要，當前許多橋梁沒有凈空高度監測設備，部分采用標尺顯示橋梁實時通航凈空高度，但存在所提示的信息是靜態信息，而隨水位變化的凈空高度動態信息沒能反映，同時可見度低。為此，本文設計以一種新型的實時凈空高度信息航運服務平臺，將橋梁的凈空高度信息實時發布給過往船只，確保通行安全。

2 橋梁通航凈空尺度動態監測系統

2.1 系統總體結構

設計橋梁通航凈空高度動態監測預報系統如圖1所示，系統由四個部分組成：水位遙測終端、數據通信網絡、數據監測中心、預警信息發布平臺。

水位遙測終端以STM單片機為控制核心，結合雷達水位計、供電系統、溫度測量系統構成橋梁凈空高度檢測系統，其中供電系統根據現場環境可選擇太陽能供電或者是市電供電。數據通信網絡主要作為通信鏈路，可以配置為有線或者無線方式，無線通信模塊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的水位信息利用GPRS/CDMA網絡傳輸到數據監測中心的服務器上。凈空高度檢測系統，利用雷達測距原理，將雷達水位計安裝在通航橋梁通航孔上，高頻微波脈沖垂直向下發射較窄的微波脈沖，經天線向下傳輸，微波接觸到被測介質表面后被反射回來，再次被天線系統接收并將其傳輸給電子線路部分自動轉換成水位信號（因為微波傳播速度極快，回波到達目標并進行反射返回接收器這一來回所用的時間幾乎是瞬間的）。由于安裝高度可測定，即可求得水位。因為在設計橋梁時，凈空高度是在某一特定水位下的高度，利用水位信息，便可換算出該水位下的凈空高度。水位監測終端通過RTU模塊，利用GPRS網絡將數據上傳至數據監控中心。水位監測終端可設置為自動定時向控制中心發送信息，也可設置為平時處于待命狀態，在收到控制中心的指令后再上傳橋梁凈空高度信息。數據監控中心收到橋梁凈空高度信息后，可通過電子顯示屏、AIS信息服務平臺和VHF信息服務平臺多途徑發布梁凈空高度信息，保障及時準確地將信息發布到船舶的通信終端，確保船舶安全通過橋梁。

2.2 遙測終端基本結構

橋梁通航凈空高度動態監測預報系統遙測終端負責橋梁水位高度的數據采集與傳輸，其結構如圖2所示，系統由雷達水位計、數據處理單元（RTU）、GPRS通信模塊、供電單元組成。數據處理單元通過485通信接口與雷達水位計通信，通過modbus協議讀取水位信息，數字濾波處理過后通過GPRS模塊上傳至數據中心。供電系統由太陽能電池板、避雷器、充電控制器和蓄電池構成，蓄電池輸出經過穩壓電路穩壓后給各個單元模塊供電。

2.2.1 水位測量

液位是工業現場重要的測量參數，根據特定的應用場合研制出了各式的水位測量裝置，如果從水位感應的種類上分類大致可以分為浮子式、壓差式、超聲波式、電容式、電極感應式、磁致伸縮式、圖像視覺式、雷達檢測方式等等，各種方案對比如表1所示。

從表中數據可以看出，非接觸測量方案更適合橋梁凈空高度檢測。超聲波水位計由于自身的物理特征，超聲波對溫度和塵霧、霾的變化敏感，尤其是在進行大量程水位測量時，受大氣環境變化影響很大，測量精度和穩定性較差。雷達水位計最主要的優點是抗干擾能力強，不受溫度、風，蒸汽等影響，安裝、使用、維護方便。雷達水位計具有技術成熟、性能穩定、精度高等鮮明的優點，適合對測量精度要求較高的場合測量水位使用。雷達無機械磨損，所以壽命長也更容易維護。綜合橋梁通航凈空高度動態監測預報系統要求及上述各種水位測量技術方案的對比分析，本文采用雷達水位測量系統。雷達水位計設計參數如下：26GHz脈沖雷達水位計，測量量程30米，測量精度±10mm，波束角80。

2.2.2 數據傳輸及供電系統

數據傳輸技術是橋梁凈空高度水位測報系統的重要環節，通信網絡數據傳輸有有線通信和無線通信方式，其中有線通信傳輸的數據信號比較穩定，質量好，但是傳輸距離受到限制，而水位測報系統的采集點一般都在野外，安裝地點分散，監控中心和采集點之間的距離非常大，有線通信方式布線困難，且成本較高，因此橋梁凈空高度水位測報系統中應采用無線通信的方式進行傳輸。無線通信包括超短波、短波、衛星、PSTN、無線擴頻通信、CDMA 、GPRS、3G 等無線介質來傳輸測量數據和控制命令的通信方式。其中GPRS網具有覆蓋范圍廣、數據傳輸穩定、通信質量高、永遠在線和按流量計費等優點，而且其本身就是一個分組型數據網，支持TCP/IP協議，可以直接與Internet互通。因此，GPRS在無線上網、環境監測便攜型、交通監控、移動辦公等行業中具有無可比擬的性價比優勢。橋梁通航凈高測量系統的采集地點一般都在野外，安裝地點分散，監控中心和采集點之間的距離非常大，傳輸數據包小、有線通信方式布線困難，且成本較高，因此橋梁通航凈空高度測量系統中采用無線GPRS通信的方式進行傳輸。

網絡架構如圖 3所示。此種方案客戶先與移動 DNS 服務商聯系開通移動動態域名，監測終端在撥號上網后必須將獲得的動態IP向注冊服務器的軟件進行注冊，數據中心則從注冊服務器上獲得監測終端的IP地址，從而實現數據中心至監測終端下行通信；監測終端接收到數據中心的IP包后，從IP頭中獲得數據中心的 IP 地址，從而實現上行通信。該方案除下行通信建立階段外，其他的數據傳輸全部在 GPRS 網絡內進行，安全性高，時延小。本方案采用公網上的注冊服務器協助建立通信，費用較低，從價格方面有利于 GPRS 無線數據傳輸系統的推廣。但由于數據中心采用GPRS 終端撥號上網，帶寬較小，使得本方案比較適合于小批量數據傳輸。數據中心和監測終端都使用GPRS終端撥號上網，中心和監測終端采用移動內網動態 IP+移動DNS 解析服務，采用此種方案的優點是可以使用普通的SIM卡，費用低，而且通信速度適中、通信質量較為穩定。

供電是自動化數據采集系統的能量保障，橋梁通航凈空高度動態監測系統中，由于測量終端是現場設備，且一般其工作現場都少有市電，而測量終端需要全天候不間斷的工作，保證系統電源供應的持續與穩定顯得尤為重要，目前常用的供電方案有市電供電，風能供電，太陽能供電，電池供電。太陽能是一種綠色能源，具有安全可靠、無污染、無須消耗燃料、不受地域限制、便于維修、無人值守等眾多優點。橋梁水位監控裝置分散于野外，工作環境惡劣，為無人值守的設備或監測點。無人值守的橋梁通航凈高測量采用太陽能電池板和蓄電池的方式給設備供電是最佳方案。采用太陽能供電系統應該注意的問題就是要根據當地的氣候條件合理設計太陽能電池板的功率和蓄電池的容量，在保證供電穩定的情況下盡量降低成本。

3 信息調度流程

監控中心可以對各個遠程子站發送輪詢、數據上傳等指令，并能將接收到的上傳數據進行解碼。同時，中心也能接收遠程子站的突發上傳數據。各數據中心的信息調度軟件是整個GPRS網絡正常工作的核心。它以上述功能為基礎，完成對通信網絡的初始化組建，各子站下達輪詢、要求數據上傳等指令，接收上傳數據。同時，處理子站突發報警事件。監控中心軟件流程如圖4所示。

4 結 語

本系統設計適于橋梁、跨河管線等建筑物，作為一種新型的實時凈空高度信息航運服務平臺，能有效提高船舶通過建筑物的安全系數，特別適于凈空高度不達標的橋梁。本系統技術可行、功能完備，對于改善橋區航道的通航條件，保障橋梁和航道安全，提升服務水運能力，具有實際意義。通過本文研究及成果實施，以期達到汛期水位變化大的橋區實時通航凈空高度的實時遙測和通報，枯水期實際動態水深的遙測，為船舶駕駛員提供有效的服務，保障橋梁和船舶安全，提升服務水運能力，具有重要的實用價值。

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