長江堤防道路智慧限行技術(shù)研究

摘 要：分析了長江河道堤防道路限行設(shè)施現(xiàn)狀，針對其維修養(yǎng)護(hù)及防汛搶險(xiǎn)專用機(jī)械設(shè)備通行不便、智慧化程度不高等方面的問題，通過技術(shù)調(diào)研以及查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出了一種新型限寬墩及其組件，并介紹了基于該新型限寬組件的智慧限行技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。該新型堤防道路限行技術(shù)智慧化水平較高，能夠滿足現(xiàn)有管理要求。

關(guān)鍵詞：河道；堤防；智慧；限寬；技術(shù)

中圖分類號：U492.8；TP277" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

國內(nèi)道路通過限寬以達(dá)到限行目的的方式主要有固定式限寬、開關(guān)式限寬、電子式限寬三種。①固定式限寬，通常采用限寬墩限行，是現(xiàn)階段道路中最主要的限行措施。其優(yōu)點(diǎn)在于能較好地對超限車輛進(jìn)行管控。但因該種方式固定了通行寬度，一旦需要調(diào)整限行寬度值時(shí)就需要重新調(diào)整布置。防汛緊急情況下，會(huì)對特殊應(yīng)急車輛造成嚴(yán)重影響[1]。②開關(guān)式限寬，通過開關(guān)調(diào)整道路上的限寬路墩來實(shí)現(xiàn)道路的限寬。目前的主要應(yīng)用形式為電液升降式路障[2]，可以相對靈活的對堤防防汛道路進(jìn)行限行[3]，該方式限制寬度相對固定，動(dòng)態(tài)智能控制功能略顯薄弱。③電子式限寬，主要依靠裝置中的激光和紅外檢測器，當(dāng)有超過限寬值的車輛駛?cè)耄瑱z測器會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并向控制器發(fā)送信號，控制設(shè)備通過提示音和光線進(jìn)行警示，告知限寬相關(guān)信息，達(dá)到限行目的[4-11]。該方式動(dòng)態(tài)智能控制功能同樣略顯薄弱。

國外的道路限行措施發(fā)展方向與國內(nèi)不同，主要包括簡易型和阻攔型[12]，包括交通警告裝置、伸縮路障、柔性路障、阻攔防撞路障等，更偏重于裝置的物理功能，缺少對裝置的控制和管理[13-18]。

綜上所述，國內(nèi)外開展的類似問題研究都偏向于具體限行方式的創(chuàng)新和優(yōu)化，沒有將其納入智慧水利大背景下，未能智慧化解決堤防道路防汛應(yīng)急使用與常規(guī)使用的矛盾沖突，缺少對數(shù)字孿生流域建設(shè)的一些“四預(yù)”場景的數(shù)據(jù)和模型支撐。

堤防是防御洪水、保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要防線。為了確保堤防運(yùn)行安全，河道管理部門參照道路中固定式限寬方式，常采用在堤防進(jìn)出口位置設(shè)置固定式重型混凝土限寬墩，以禁止未經(jīng)允許的大型超寬車輛違規(guī)上堤行駛。該種型式的限寬墩橫截面較大，形狀一般為圓柱狀，底部預(yù)留插筋深入地下，難以滿足日常與汛期通行兼顧的需求。因此，有必要提出一種長江堤防道路智慧限行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)日常僅允許小型轎車通過，當(dāng)汛期河道出現(xiàn)險(xiǎn)情或者需要養(yǎng)護(hù)時(shí)，改變寬度允許堤防養(yǎng)護(hù)的大型機(jī)械設(shè)備通過。

1 存在的問題

現(xiàn)有限寬設(shè)施雖然在保障堤防安全運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用，但難以滿足現(xiàn)有的管理要求，存在以下4點(diǎn)問題。

（1）不利于維修養(yǎng)護(hù)及防汛搶險(xiǎn)專用機(jī)械設(shè)備通行。堤防工程需要及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)，固定式重型混凝土限寬墩在限制大型社會(huì)車輛上堤通行的同時(shí)，也限制了堤防養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備的通行。當(dāng)汛期河道出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，也不利于防汛搶險(xiǎn)專用機(jī)械設(shè)備的通行。因此，不得不在需要的時(shí)候，反復(fù)對其進(jìn)行移位及復(fù)位，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。

（2）智慧化程度不高。每組固定式重型混凝土限寬墩一經(jīng)設(shè)置，其凈寬即不可調(diào)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)僅允許小型車輛（寬度一般小于2 m）可通行、維修養(yǎng)護(hù)及防汛搶險(xiǎn)專有機(jī)械設(shè)備（寬度一般為2～2.5 m）可通行、其他經(jīng)允許的大型超寬機(jī)械設(shè)備（寬度一般為2.5～3 m）可通行等多種應(yīng)用場景的自動(dòng)控制，智慧化程度低。現(xiàn)有技術(shù)中，高青[19]設(shè)計(jì)了一種長方體的限寬路墩，通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)改變路墩的長寬方向，以改變路寬。

（3）安全冗余度有待進(jìn)一步提高。現(xiàn)有的限寬路墩外表面刷有反光油漆及粘貼反光條，但長江堤防不同于市政道路，基本不設(shè)置照明設(shè)施，當(dāng)夜晚無外來光源或者外來光源較弱時(shí)，反光油漆的警示作用難以得到充分發(fā)揮。

（4）堤防限行設(shè)施布置有待優(yōu)化。現(xiàn)有大部分限行設(shè)施因防洪能力提升工程分期建設(shè)而分批設(shè)置，一種適用于不同堤防工程的限行裝置有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

2 新型限寬墩設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有限寬墩存在的上述不足，設(shè)計(jì)了一種方便調(diào)節(jié)寬度的新型堤防道路限寬墩，如圖1所示。該堤防道路限寬墩包括基礎(chǔ)底座和設(shè)置于基礎(chǔ)底座上方的墩體。基礎(chǔ)底座為混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置鋼板預(yù)埋件，混凝土基礎(chǔ)上表面與堤防道路表面持平，墩體包括外側(cè)鋼板、內(nèi)側(cè)鋼板以及橢圓形的鋼蓋板和鋼底板，內(nèi)側(cè)鋼板圍繞形成容納槽，并與鋼底板、鋼蓋板通過焊接連接，內(nèi)側(cè)鋼板上設(shè)置內(nèi)檢修窗口，外側(cè)鋼板上設(shè)置外檢修窗口，通過檢修窗口對轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行檢修，鋼底板、鋼蓋板與外側(cè)鋼板壁通過焊接連接。

基礎(chǔ)底座和墩體之間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于控制墩體相對基礎(chǔ)底座繞豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)。墩體橫截面為橢圓形，墩體轉(zhuǎn)軸位于橢圓中心，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置通過控制墩體的旋轉(zhuǎn)角度以改變堤防道路的通過寬度。

轉(zhuǎn)動(dòng)裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸和中心軸。中心軸位于內(nèi)側(cè)鋼板圍繞形成的容納槽內(nèi)，中心軸底端通過焊接方式與鋼板預(yù)埋件連接，上端固定設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)輸出端通過傳動(dòng)軸與鋼蓋板固定連接。內(nèi)側(cè)鋼板側(cè)壁與中心軸側(cè)壁之間設(shè)置軸承。

墩體上設(shè)有限位裝置，包括固定設(shè)置于外側(cè)鋼板內(nèi)側(cè)的伸縮桿，伸縮桿豎直延伸，且通過伸縮電機(jī)控制伸縮桿的上升和下落，限位裝置還包括設(shè)置于基礎(chǔ)底座上的若干限位槽，墩體旋轉(zhuǎn)后伸縮桿下端落入對應(yīng)的限位槽內(nèi)時(shí)，伸縮桿限制墩體相對基礎(chǔ)底座旋轉(zhuǎn)。

鋼底板上設(shè)置有控制模塊，外側(cè)鋼板上設(shè)置智能攝像頭，控制模塊控制轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，并控制攝像頭攝取通過車輛的圖像，根據(jù)攝像頭攝取的車輛圖像識別車寬。限寬墩短軸兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)智能攝像頭，可分別識別上行、下行車輛，實(shí)現(xiàn)雙向控制。

3 限行技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

通過上述新型堤防道路限寬墩以及管理部門提供的設(shè)置于堤防養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備上的動(dòng)態(tài)識別碼實(shí)現(xiàn)智能限寬。兩個(gè)堤防道路限寬墩面對面設(shè)置于道路兩側(cè)，當(dāng)橢圓形長軸垂直于堤防道路中心線時(shí)，兩個(gè)限寬墩之間的距離為2 m；當(dāng)橢圓形短軸垂直于堤防道路中心線時(shí)，兩個(gè)限寬墩之間的距離為3 m。

當(dāng)?shù)谭赖缆窙]有車輛通過時(shí)，堤防道路限寬組件處于凈寬2 m模式待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)有車輛臨近時(shí)，限寬裝置工作流程如下：

（1）智能攝像頭攝取車輛圖像。

（2）判斷車輛圖像中是否存在識別碼圖像。若不存在識別碼圖像，不進(jìn)行動(dòng)作，繼續(xù)保持凈寬2 m模式的待機(jī)狀態(tài)，小型車輛可自由通行；若存在識別碼圖像，則收起限位裝置中的伸縮桿進(jìn)行下一步驟。車輛動(dòng)態(tài)識別碼由水行政管理部門發(fā)放，每一個(gè)識別碼均有規(guī)定的有效期限和對應(yīng)的車輛牌照，不可在有效期限外使用，也不可轉(zhuǎn)予其他車輛使用。

（3）獲取識別碼中的車輛信息。

（4）根據(jù)車輛信息控制兩個(gè)堤防道路限寬墩的墩體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)結(jié)束限位裝置進(jìn)行限位。

（5）若識別系統(tǒng)意外失靈，則啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，車輛駕駛?cè)藛T可撥打限行裝置上的緊急電話，等待管理部門手動(dòng)放行。

墩體旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算。獲取車輛信息中的車寬L時(shí)，若車寬小于2 m，則繼續(xù)保持凈寬2 m模式的待機(jī)狀態(tài)；若識別出車寬大于2 m，根據(jù)識別得到的車寬L，依據(jù)式（1）計(jì)算得出控制墩體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角θ，θ∈［0°，90°］。

式中：a、b分別為橢圓限寬墩長、短軸的長度（m）；c為單側(cè)安全加寬值（m）；L為識別得到的車寬（m）。

若伸縮桿沒有完全位于限位槽內(nèi)，增加轉(zhuǎn)角，墩體旋轉(zhuǎn)結(jié)束，伸縮桿落入限位槽。

限寬組件待機(jī)及工作狀態(tài)見圖2。通過控制模塊發(fā)送指令給限位裝置和轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，限位裝置先升起伸縮桿，再啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)由鋼蓋板、內(nèi)側(cè)鋼板壁、外側(cè)鋼板壁和鋼底板組成的橢圓形鋼柱體自動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度θ，予以放行后，控制模塊再發(fā)送指令給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，恢復(fù)至凈寬2 m模式，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，限位裝置落下伸縮桿進(jìn)行限位。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型堤防道路限行技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置改變橢圓形墩體角度，從而改變道路寬度，實(shí)現(xiàn)日常僅允許小型車輛通行，當(dāng)汛期河道出現(xiàn)險(xiǎn)情或者需要養(yǎng)護(hù)時(shí)，改變寬度允許堤防養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備通過，且橢圓形墩體沒有尖角的安全隱患。通過控制模塊自動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)，方便快捷。通過識別碼自動(dòng)識別車輛信息，放行車輛，減少了人力監(jiān)控。

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Intelligent Traffic Restriction Technology for Yangtze River Embankment

LI Minghua，F(xiàn)AN Kunpeng，HU Cao，XU Yiwen，CAO Guojun

（Nanjing Yangtze River Management Office，Nanjing 210011，China）

Abstract：This paper examines the existing traffic restriction measures for the embankment roads along the Yangtze River course. To address the inconvenient in maintenance，flood control and emergency rescue，and the low level of intelligence，we designed a new type of width-limiting pier and its components through technical research and literature review. We introduce the method of realising intelligent traffic restriction technology through this new type of width-limiting pier. The proposed technology has a high intelligence level and meets the existing management requirements.

Keywords：river course；embankment；intelligent；width limit；technology