橋梁橋墩防撞監控預警系統研究

摘 要： 隨著航道交通的發展，船舶日益增多，由此引發的事故也與日俱增。針對船舶撞擊事故引發的人員傷亡、橋梁損毀、財產損失及環境破壞等現象，本文提出橋梁橋墩防撞監控預警系統，主要包括防撞設施及雷達信號預警系統。通過雷達系統來監測靠近橋梁橋墩的船舶是否偏離航向，船舶未撞到橋墩前提前預警，雷達安裝在防撞設施上，通過測距和測角能提前預知船舶航向，船舶船主看見信號燈閃爍，適時糾正航向，避免橋墩剮蹭。針對船主不顧信號警告剮蹭橋墩，橋墩上雷達傳感器集成的振動傳感器會及時報警，報警數據傳到云端，聯動橋梁兩端攝像機抓怕船型船號，監控記錄碰撞事件，防撞設施二次作用，為保護橋梁橋墩做出了可行有效的方案。

關鍵詞：橋墩;預警;雷達;監控 ;防撞設施

引言

隨著航道交通的發展，船舶與橋梁碰撞的風險持續升高。據統計，2017年至2020年，每年發生多次刮碰事故，為保障橋梁的安全使用，必須每日派專人逐一檢查橋梁狀態，工作強度大，且人工檢查受人的視角限制和環境限制，仍然存在安全隱患[1]。

朱海洋[2]建立了基于雷達的無線主動防撞系統，根據現場應用及抓拍畫面，驗證了該監控裝置的可靠性。張俊[3]利用數值分析軟件建立了基于橋墩防撞裝置的力學模型，同時也利用現有理論對計算撞擊力的公式進行了對比分析，指出橋墩防撞裝置，特別是填充泡沫鋁的撞裝置在吸收沖擊動能方面具有明顯的優勢。黃兆亮[4]利用有限元軟件對鋼-聚氨酯夾層板在橋墩防撞方面的效果展開了詳盡的研究，同時還將撞擊速度與防撞材料的力學特性緊密聯系起來。

橋梁防撞預警視頻監控系統能利用現代化檢測手段，提高航道運行的安全性，有效避免超高船舶進入航道造成交通意外事故;能精確檢測出船舶是否偏離航道，并及時通過信號燈進行提示，提高橋梁船只安全航行，提前防范交通隱患，同時防撞設施做到保護橋墩作用[5]。通過安裝橋梁監控系統，錄像所記錄的碰撞事件，有著方便違章查詢，監管便利，為航道交通保駕護航[6，7]。上海浦東運河大治河川楊河存在著較大的船舶碰撞橋梁安全隱患，本文基于雷達無線裝置，提出橋梁橋墩防撞監控預警系統，為保護橋梁橋墩提供可行有效的方案。

1 防撞預警系統概述

橋梁防撞監控預警系統組成由現場防撞設施、監控預警系統兩個部分組成。橋墩防撞設施是船舶撞擊保護橋梁作用，如圖1所示，監控預警系統主要是船舶預警記錄橋梁橋墩被撞事件。

2 橋梁橋墩防撞設施

根據橋墩大小尺寸在保證航道在規范的通行的情況下設計定加工防撞設施，防撞設施主要由鋼板、緩沖吸能材料、纖維增強復合材料三部分組成。

2.1 鋼板

鋼板采用機械零件制造過程中常用的Q235B，主要原因是其在韌性與鑄造性方面的優點，伸長率和強度均能達到規范要求，并且其易于沖壓和焊接的特點能夠滿足橋墩結構防撞設施在高性能材料方面的要求。

2.2 緩沖吸能材料

緩沖吸能材料采用組合聚醚和異氰酸酯。其中組合聚醚采用HCFC—141b（非CFC—11）發泡劑，該發泡劑的詳細參數應依據現場所處環境條件實時調節。值得一提的是，該發泡劑有著極小的全球變暖系數，因而對臭氧層的影響是微乎其微的。異氰酸酯彈性纖維可以有效的緩沖吸能，廣泛用于防撞設施絕熱防水。

2.3 纖維增強復合材料

纖維增強復合材料主要由特制纖維表面氈、特制纖維布、特制原絲短切纖維、環氧樹脂粘接劑、環氧樹脂、間苯型聚酯樹脂膠衣、防紫外線吸收劑等組成，其突出優點具體如下：（1）比強度較高、比模量較大;（2）該纖維增強復合材料具有良好的可設計性;（3）較強的抗腐蝕性及耐久性;（4）熱膨脹系數接近于混凝土值。以上諸多優點使得纖維增強復合材料在大跨、高聳、重載、輕質、高強結構中，甚至極端環境下的使用占上風，在現代土建施工智能化、工業化的發展進程中，纖維增強復合材料越來越多的被用于橋梁橋墩防撞設施的填充工藝中。

3 預警系統組成詳述

預警系統主要由微波雷達、交通信號燈、4G遠程數據網管、攝像機四部分組成。

3.1 微波雷達

防護角度范圍為12°—20°;探測距離范圍為25 m—70 m;探測速度范圍為1 km/小時—30 km/小時;測距精度為0.5 m; 測速精度為0.75 m;存儲溫度：-40 °C—125 °C。

3.2 交通信號燈

外殼壽命不小于10年;防水等級在IP65等級及以上;可視距離大于500 m;功率不小于10 W;亮度大于6000 mcd;環境溫度范圍為-40 °C—80 °C。

3.3 4G遠程數據網管

通信距離不低于500米;GPRS端發射功率為1 W;GPRS端發射頻率850/900/1800/1900 MHZ;通信接口方式為RS485;帶寬頻率為 250.0 kHz;工作溫度范圍為-40 °C—85 °C。

3.4 攝像機

經比選，實際應用中所采用的攝像機型號為DS-2CD2T27FDWD-LSGLE/32G-E，最高分辨率可達25 fps（1920×1080），并可輸出實時圖像;碼流平滑設置，可滿足各種情景下圖像質量、流暢性等方面的需求。該攝像機支持GBK字庫，支持更多漢字及生僻字疊加，支持OSD顏色自選;同時也支持3D數字降噪、120dB寬動態、支持暖光燈補光，照射距離最遠可達30米。可根據場景情況自適應調整碼率分配，能夠有效節省存儲成。

4 監控預警系統現場應用

據悉，上海浦東運河大治河川楊河存在著較大的船舶碰撞橋梁安全隱患，應及時對橋梁橋墩進行監控預警系統布設。綜合以上條件，現場橋梁兩側監控結構如圖2所示（以8m立桿為例），所用到的硬件材料包括： DH-IPC-HFW7226F-W4G攝像機（現場情況選用廣角）;監控立桿（直徑159 mm、高8 m）;2塊150 W太陽能板：128 G儲存卡，太陽能板控制器;100 Ah蓄電池;4G物聯卡等。

預警系統供電采用光伏發電，主要用電設備包括微波雷達、交通信號燈、4G網關，所使用的設備統一按12 V電壓供電，交通信號燈不報警時處于休眠狀態，報警觸發后工作，微波雷達用電量綜合所有設備物理搭配，按一般光照太陽能板存電大于所有設備24小時用電量總和，具體計算如下：監控設備9 W、信號燈15 W、微波雷達3 W、4G網關1 W、太陽能板供電300 W。太陽能供電主要由正常天氣陰雨天氣兩種情況，正常天氣太陽能板工作8小時，陰雨天氣保守工作時間3小時。按陰雨天氣計算，300 W×3 h>（9 W+15 W+3 W+1 W）×24 h，物理搭配滿足蓄電池每天處于存電狀態，保證蓄電池壽命及所有設備穩定性，存放電原理如圖3所示。

通過雷達系統來監測靠近橋梁橋墩的船舶是否偏離航向，船舶到雷達監測距離后，雷達發出信號至交通信號燈，信號燈閃爍提示預警，避免橋墩剮蹭，船主不顧信號警告剮蹭橋墩，橋墩上雷達傳感器集成的振動傳感器就會因剮蹭撞擊報警，報警數據4 G網關傳輸信號傳到云端服務器，云端服務器通過移動網絡橋梁聯動攝像機抓怕船型船號，監控記錄碰撞事件，攝像機自帶128 G內存卡錄像存儲，信號傳輸原理如圖4所示。本系統可使橋墩上雷達傳感器集成的振動傳感器因剮蹭撞擊報警，報警數據傳到云端，聯動橋梁兩端攝像機抓怕船型船號，監控記錄碰撞事件，防撞設施二次作用，為保護橋梁橋墩做出了可行有效的方案。

5結語

文中針對經濟損失大、社會影響差的船撞橋事故，提出了一套可行方案，為了使防撞設施達到保護橋梁橋墩的目的，對橋梁橋墩進行了監控預警系統布設。本系統所采用的微波雷達具有全方位可靠性，可實現橋梁主動防撞預警及碰撞抓拍。基于理論解析方法及內部幾何模型，完成感知船舶撞擊過程的無線加速度傳感器的低功耗設計。通過在上海川楊河園橋的現場應用，可以發現該系統對橋梁橋墩防撞的可靠保護性能不僅僅體現在及時性，而且還體現在自動化高等方面。因此，該系統可滲透到橋梁的全生命周期，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]朱忠義，崔海興.紹興曹娥江袍江大橋橋墩防撞分析與設計[J].中外公路，2011，31（06）：139-141.

[2]朱海洋，朱思悅，王磊磊. 橋梁主動防撞預警與碰撞抓拍系統[J].電子設計工程.2019，27（07）：33-37.

[3]張俊. 沖擊荷載作用下橋墩防撞裝置的力學性能研究[D].佛山科學技術學院，2017.

[4]黃兆亮. 鋼—聚氨酯夾層結構圓端形橋墩防撞浮箱碰撞性能研究[D].華南理工大學，2017.

[5]陳國祥.橋梁防碰智能預警系統研究應用[J].中國水運，2017（05）：31-33.

[6]蔣仕光.橋梁防撞預警視頻監控系統[J].港口裝卸，2018（04）：31-34.

[7]程呈.基于云平臺的橋梁主動防撞預警系統設計[J].科技風，2018（08）：34+36.

作者簡介：

王永建（1989.08.12），男，漢，河南，本科，上海同濟工程項目管理咨詢有限公司，市政管理。

（上海同濟工程項目管理咨詢有限公司，上海 200092）