桥梁通航净空高度动态监测预报系统研究

桥梁通航净空高度动态监测预报系统研究

[摘要]本文介绍了现有桥梁净空高度监测现状，针对现有桥梁净空监测系统弊端，通过各种方案对比，设计了基于雷达脉冲的桥梁水位高度测量系统，并通过GPRS网络与监控中心进行数据传输，监控中心通过AIS短信息服务和VHF紧急呼叫等多途径发布桥梁净空高度信息，保障及时准确地将信息发布到船舶的通信终端，确保船舶安全通过桥梁。该系统可为船舶驾驶员提供有效的服务，保障桥梁和船舶安全，提升服务水运能力，具有重要的实用价值。
[关键词]桥梁通航；净空尺度；雷达水位计；GPRS
doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2018.13.069
[中图分类号]TP315[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2018）13-0153-05
1内河航运桥梁通航净空尺寸研究现状
随着我国航运业的发展，内河船舶趋向大型化，不少江海直达海轮进入内河航道，内河航运业发展迅速，通航密度、船舶吨位不断增加，但是内河航道上不少桥梁存在通航净高不足，致使船舶碰撞桥梁事故时有发生。桥梁的通过能力，即可以安全通过的船舶吨位，根据当时桥区的水位的不同而改变，但由于枯洪水期的变化、地形特点以及地理位置影响，水位的变化情况不尽相同，水位的快速变化会导致桥梁通过能力的改变，水位低时能通过桥区的桥梁，很多在?{水位时是通过不了的。部分河道有山区河流存在，水位变化大，水位对通航影响大，水位的突然变化严重威胁着桥梁船舶人员的安全。根据《内河交通安全标志GB13851》等标准和规范的规定，为保障船舶和桥梁等过河建筑物自身的安全，设置实时通航净空高度信息警告（或提示）标志是十分必要的。特别是在水位变化大的河段或时段，设置实时通航净空高度信息警告（或提示）标志尤为重要。
由于桥区水域复杂，各种碍航设备多，桥梁等水上建筑的存在，使得桥区水域的环境与其他水域相比，有着特有的复杂性，如桥梁周围由于通航孔的作用，往往会改变其周围的风向、风速，桥域的存在使得流速、流向等也往往比宽阔水域紊乱。对于感潮河段，以及山区河流等特殊河段，河流水位变化剧烈，加之桥梁净空尺度往往不足，使得实时的水位信息对于船舶操纵人员十分重要，当前许多桥梁没有净空高度监测设备，部分采用标尺显示桥梁实时通航净空高度，但存在所提示的信息是静态信息，而随水位变化的净空高度动态信息没能反映，同时可见度低。为此，本文设计以一种新型的实时净空高度信息航运服务平台，将桥梁的净空高度信息实时发布给过往船只，确保通行安全。
2桥梁通航净空尺度动态监测系统
2.1系统总体结构
设计桥梁通航净空高度动态监测预报系统如图1所示，系统由四个部分组成：水位遥测终端、数据通信网络、数据监测中心、预警信息发布平台。
水位遥测终端以STM单片机为控制核心，结合雷达水位计、供电系统、温度测量系统构成桥梁净空高度检测系统，其中供电系统根据现场环境可选择太阳能供电或者是市电供电。数据通信网络主要作为通信链路，可以配置为有线或者无线方式，?o线通信模块内置公众移动通信网SIM卡，其主要作用是将前端单元设备探测的水位信息利用GPRS/CDMA网络传输到数据监测中心的服务器上。净空高度检测系统，利用雷达测距原理，将雷达水位计安装在通航桥梁通航孔上，高频微波脉冲垂直向下发射较窄的微波脉冲，经天线向下传输，微波接触到被测介质表面后被反射回来，再次被天线系统接收并将其传输给电子线路部分自动转换成水位信号（因为微波传播速度极快，回波到达目标并进行反射返回接收器这一来回所用的时间几乎是瞬间的）。由于安装高度可测定，即可求得水位。因为在设计桥梁时，净空高度是在某一特定水位下的高度，利用水位信息，便可换算出该水位下的净空高度。水位监测终端通过RTU模块，利用GPRS网络将数据上传至数据监控中心。水位监测终端可设置为自动定时向控制中心发送信息，也可设置为平时处于待命状态，在收到控制中心的指令后再上传桥梁净空高度信息。数据监控中心收到桥梁净空高度信息后，可通过电子显示屏、AIS信息服务平台和VHF信息服务平台多途径发布梁净空高度信息，保障及时准确地将信息发布到船舶的通信终端，确保船舶安全通过桥梁。
2.2遥测终端基本结构
桥梁通航净空高度动态监测预报系统遥测终端负责桥梁水位高度的数据采集与传输，其结构如图2所示，系统由雷达水位计、数据处理单元（RTU）、GPRS通信模块、供电单元组成。数据处理单元通过485通信接口与雷达水位计通信，通过modbus协议读取水位信息，数字滤波处理过后通过GPRS模块上传至数据中心。供电系统由太阳能电池板、避雷器、充电控制器和蓄电池构成，蓄电池输出经过稳压电路稳压后给各个单元模块供电。
2.2.1水位测量
液位是工业现场重要的测量参数，根据特定的应用场合研制出了各式的水位测量装置，如果从水位感应的种类上分类大致可以分为浮子式、压差式、超声波式、电容式、电极感应式、磁致伸缩式、图像视觉式、雷达检测方式等等，各种方案对比如表1所示。
从表中数据可以看出，非接触测量方案更适合桥梁净空高度检测。超声波水位计由于自身的物理特征，超声波对温度和尘雾、霾的变化敏感，尤其是在进行大量程水位测量时，受大气环境变化影响很大，测量精度和稳定性较差。雷达水位计最主要的优点是抗干扰能力强，不受温度、风，蒸汽等影响，安装、使用、维护方便。雷达水位计具有技术成熟、性能稳定、精度高等鲜明的优点，适合对测量精度要求较高的场合测量水位使用。雷达无机械磨损，所以寿命长也更容易维护。综合桥梁通航净空高度动态监测预报系统要求及上述各种水位测量技术方案的对比分析，本文采用雷达水位测量系统。雷达水位计设计参数如下：26GHz脉冲雷达水位计，测量量程30米，测量精度±10mm，波束角80。2.2.2数据传输及供电系统
数据传输技术是桥梁净空高度水位测报系统的重要环节，通信网络数据传输有有线通信和无线通信方式，其中有线通信传输的数据信号比较稳定，质量好，但是传输距离受到限制，而水位测报系统的采集点一般都在野外，安装地点分散，监控中心和采集点之间的距离非常大，有线通信方式布线困难，且成本较高，因此桥梁净空高度水位测报系统中应采用无线通信的方式进行传输。无线通信包括超短波、短波、卫星、PSTN、无线扩频通信、CDMA、GPRS、3G等无线介质来传输测量数据和控制命令的通信方式。其中GPRS网具有覆盖范围广、数据传输稳定、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。因此，GPRS在?o线上网、环境监测便携型、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。桥梁通航净高测量系统的采集地点一般都在野外，安装地点分散，监控中心和采集点之间的距离非常大，传输数据包小、有线通信方式布线困难，且成本较高，因此桥梁通航净空高度测量系统中采用无线GPRS通信的方式进行传输。
网络架构如图3所示。此种方案客户先与移动DNS服务商联系开通移动动态域名，监测终端在拨号上网后必须将获得的动态IP向注册服务器的软件进行注册，数据中心则从注册服务器上获得监测终端的IP地址，从而实现数据中心至监测终端下行通信；监测终端接收到数据中心的IP包后，从IP头中获得数据中心的IP地址，从而实现上行通信。该方案除下行通信建立阶段外，其他的数据传输全部在GPRS网络内进行，安全性高，时延小。本方案采用公网上的注册服务器协助建立通信，费用较低，从价格方面有利于GPRS无线数据传输系统的推广。但由于数据中心采用GPRS终端拨号上网，带宽较小，使得本方案比较适合于小批量数据传输。数据中心和监测终端都使用GPRS终端拨号上网，中心和监测终端采用移动内网动态IP+移动DNS解析服务，采用此种方案的优点是可以使用普通的SIM卡，费用低，而且通信速度适中、通信质量较为稳定。
供电是自动化数据采集系统的能量保障，桥梁通航净空高度动态监测系统中，由于测量终端是现场设备，且一般其工作现场都少有市电，而测量终端需要全天候不间断的工作，保证系统电源供应的持续与稳定显得尤为重要，目前常用的供电方案有市电供电，风能供电，太阳能供电，电池供电。太阳能是一种绿色能源，具有安全可靠、无污染、无须消耗燃料、不受地域限制、便于维修、无人值守等众多优点。桥梁水位监控装置分散于野外，工作环境恶劣，为无人值守的设备或监测点。无人值守的桥梁通航净高测量采用太阳能电池板和蓄电池的方式给设备供电是最佳方案。采用太阳能供电系统应该注意的问题就是要根据当地的气候条件合理设计太阳能电池板的功率和蓄电池的容量，在保证供电稳定的情况下尽量降低成本。
3信息调度流程
监控中心可以对各个远程子站发送轮询、数据上传等指令，并能将接收到的上传数据进行解码。同时，中心也能接收远程子站的突发上传数据。各数据中心的信息调度软件是整个GPRS网络正常工作的核心。它以上述功能为基础，完成对通信网络的初始化组建，各子站下达轮询、要求数据上传等指令，接收上传数据。同时，处理子站突发报警事件。监控中心软件流程如图4所示。
4结语
本系统设计适于桥梁、跨河管线等建筑物，作为一种新型的实时净空高度信息航运服务平台，能有效提高船舶通过建筑物的安全系数，特别适于净空高度不达标的桥梁。本系统技术可行、功能完备，对于改善桥区航道的通航条件，保障桥梁和航道安全，提升服务水运能力，具有实际意义。通过本文研究及成果实施，以期达到汛期水位变化大的桥区实时通航净空高度的实时遥测和通报，枯水期实际动态水深的遥测，为船舶驾驶员提供有效的服务，保障桥梁和船舶安全，提升服务水运能力，具有重要的实用价值。
主要参考文献
[1]岳文豹，杨录，张艳花.FMCW雷达近程测距系统设计[J].电子技术应用，2012，38（4）：73-75.
[2]舒怀.基于技术的水雨情测报系统的研究和实现[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[3]何锐强.基于GPRS的远程抄表管理系统设计与研究[D].上海：华东师范大学，2010.
[4]杨朝虹，李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势[J].工矿自动化，2009，35（6）：61-64.
[5]陆石辉，邱瑞鑫，黄少先.雷达液位计测量系统及应用[J].广东水利电力职业技术学院学报，2008，6（1）：37-39.