基于水位與流速測(cè)量的橋區(qū)安全通航監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

竇 路，陳 凱，張明睿

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，北京 100088）

基于水位與流速測(cè)量的橋區(qū)安全通航監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

竇 路，陳 凱，張明睿

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，北京 100088）

在所有跨河建筑物中，橋梁對(duì)航道的影響最大，橋梁的通航凈空尺度和通航孔的布設(shè)直接影響航道通航能力和船舶航行安全。本文介紹了一種利用安裝在橋梁上的水位與流速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道水情信息的及時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)播發(fā)平臺(tái)傳遞給船舶用戶，有助于預(yù)警船舶安全航行。

水位；流速；橋區(qū)；通航安全；監(jiān)測(cè)

1 引言

目前，航道管理部門對(duì)船舶通過(guò)航道橋梁的相關(guān)信息沒有公開服務(wù)數(shù)據(jù)來(lái)源與渠道，掌握水情水位信息主要依靠氣象部門每天定時(shí)對(duì)外提供的水情水位信息。除緊急情況下，信息基本一日一發(fā)，不具有實(shí)時(shí)性，且公布信息中缺少橋梁通航水位信息，無(wú)法向船舶提供橋下通航預(yù)警信息，船舶過(guò)橋主要依靠經(jīng)驗(yàn)與目測(cè)，不利于管理部門針對(duì)各時(shí)段水位變化實(shí)施科學(xué)監(jiān)管。因此，及時(shí)掌握水位信息及部分通航河段的流速信息，發(fā)布信息與預(yù)警，船舶可通過(guò)實(shí)時(shí)橋下通航高度預(yù)測(cè)選擇放桅等通行方式，可以有效避免通航高度導(dǎo)致的撞橋等事故。本文介紹了水位與流速測(cè)量的橋區(qū)安全通航監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有助于通航安全預(yù)測(cè)。

2 系統(tǒng)原理與組成

橋區(qū)水位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：監(jiān)測(cè)終端、實(shí)時(shí)通信鏈路、數(shù)據(jù)中心與發(fā)布平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 橋區(qū)水位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測(cè)終端

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端安裝于跨航道橋梁上方，主要硬件設(shè)備包括：水位傳感器、流速傳感器、無(wú)線數(shù)傳模塊（RTU）、太陽(yáng)能電池板、控制器、蓄電池及設(shè)備箱。監(jiān)測(cè)終端硬件組成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)終端硬件組成

超聲探頭主要是指水位傳感器與流速傳感器，固定安裝在水面觀測(cè)點(diǎn)上方，位于橋梁結(jié)構(gòu)最低緣，垂直對(duì)準(zhǔn)水面向水面發(fā)射無(wú)線電波，超聲波到達(dá)水面后部分能量經(jīng)水面反射，被探頭接收，儀表記下這段時(shí)間t；探頭內(nèi)部安裝有溫度傳感器，根據(jù)超聲波的傳播速度和時(shí)間t，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償計(jì)算出水面到探頭的距離D。流速傳感器利用多普勒原理，可以測(cè)得0.3m/s～8m/s的水流。系統(tǒng)原理圖見圖3所示，前端單元設(shè)備探測(cè)水位信息，由RTU模塊利用公眾移動(dòng)通信網(wǎng)GPRS/CDMA方式進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。

圖3 橋區(qū)通航水位測(cè)量系統(tǒng)原理圖

（1）監(jiān)測(cè)傳感器。對(duì)于只進(jìn)行橋下實(shí)時(shí)通航高度測(cè)量的橋梁，監(jiān)測(cè)傳感器只需要安裝水位探測(cè)儀；對(duì)于除測(cè)量橋下實(shí)時(shí)通航高度外，還需要測(cè)量表面流速的橋梁安裝點(diǎn)，監(jiān)測(cè)傳感器包括水位探測(cè)儀、流速探測(cè)儀。

（2）無(wú)線數(shù)傳模塊（RTU）。RTU主要作為通信單元，內(nèi)置公眾移動(dòng)通信網(wǎng)SIM卡。其主要作用是將前端單元設(shè)備探測(cè)水位信息、流速信息，利用GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

（3）控制器。智能控制器通過(guò)RTU模塊可以監(jiān)控中心進(jìn)行遙控，控制單元將采集到的信息傳遞給RTU單元，供其向外發(fā)送。同時(shí)，可以根據(jù)RTU接收到的監(jiān)測(cè)中心發(fā)送的控制指令，并可根據(jù)接收到的最新配置參數(shù)對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以改變采集的頻次，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)等遠(yuǎn)程控制功能。

（4）太陽(yáng)能電池板及蓄電池。對(duì)于有供電系統(tǒng)的橋梁，可直接采用供電系統(tǒng)，而對(duì)于無(wú)法供電的橋梁，采用光伏供電系統(tǒng)，一般均可采用太陽(yáng)能供電。在無(wú)交流負(fù)載的太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽(yáng)光的照射下，將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電能給蓄電池充電或者在滿足負(fù)載需求的情況下直接給負(fù)載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池給直流負(fù)載供電。

（5）設(shè)備箱。設(shè)備箱可選擇雙層箱、單層箱兩種配置，兩種配置在外層構(gòu)造、材質(zhì)及主體設(shè)計(jì)上基本一致，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能改善原設(shè)備箱在通風(fēng)、散熱、排水、防雨等方面的性能，有效保證設(shè)備箱內(nèi)置設(shè)備的安全。雙層箱方案比單層箱方案增加了隔熱層，其通風(fēng)散熱效果更加顯著，在自重及造價(jià)方面較單層箱方案也同樣有所增加。配置時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)實(shí)際環(huán)境情況進(jìn)行選擇，對(duì)散熱要求更高的應(yīng)選擇雙層箱方案。

2.2 實(shí)時(shí)通信鏈路

監(jiān)測(cè)終端采用公網(wǎng)GPRS/CDMA無(wú)線傳輸模式，將采集器內(nèi)水位數(shù)據(jù)信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心，并在顯示屏上呈現(xiàn)，應(yīng)支持實(shí)時(shí)在線和按需在線多種工作方式，如：定時(shí)上下線和設(shè)備喚醒，保障數(shù)據(jù)安全可靠。還能按需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省電量及通信費(fèi)用。

2.3 數(shù)據(jù)中心與發(fā)布平臺(tái)

由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一接收水位與橋下凈空高度數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行綜合處理，據(jù)歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析、比對(duì)、研判，形成指令數(shù)據(jù)，以直觀圖標(biāo)模式呈現(xiàn)在系統(tǒng)平臺(tái)上，數(shù)據(jù)中心可利用對(duì)外發(fā)布系統(tǒng)，例如航道LED大屏提醒、AIS消息預(yù)報(bào)、VHF廣播等方式及時(shí)將水位水情信息傳達(dá)給船舶。

3 系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)應(yīng)具有安裝在橋梁的硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備，測(cè)量水位與橋梁結(jié)構(gòu)最低端的凈空高度，為船舶安全通過(guò)橋梁提供助航信息。監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具有前端水位與流速采集探頭、儀表、通信模塊、供電（太陽(yáng)能電子板、鋰電池）等數(shù)據(jù)采集與生成功能。設(shè)備安裝于露天工作環(huán)境，并且應(yīng)具有防雷、防水、防塵等防護(hù)設(shè)施，以保證這些設(shè)備的長(zhǎng)效運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸功能分為兩個(gè)部分。第一部分是從監(jiān)測(cè)站到數(shù)據(jù)中心，目前我國(guó)內(nèi)河高等級(jí)航道橋梁區(qū)域均應(yīng)有公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在監(jiān)測(cè)終端的RTU模塊可以利用GPRS/CDMA向數(shù)據(jù)中心發(fā)送水位與橋梁凈空高度數(shù)據(jù)信息，若航道處于偏遠(yuǎn)地段，無(wú)法得到公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的有效覆蓋，也可以采用北斗的RDSS短報(bào)文傳輸模塊進(jìn)行傳輸。除此之外，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有較高的可靠性，在系統(tǒng)故障或事故造成中斷時(shí)，能向中心提供相關(guān)報(bào)警信息，自啟動(dòng)備儲(chǔ)功能，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和一致性，具備迅速恢復(fù)的功能，同時(shí)系統(tǒng)具有一整套完成的系統(tǒng)管理策略，可以保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。第二部分是數(shù)據(jù)中心到相應(yīng)分支管理機(jī)構(gòu)以及船舶終端的信息傳輸，采用VHF、AIS網(wǎng)絡(luò)或其他播發(fā)方式直接推送給船舶用戶。

3.3 數(shù)據(jù)處理與發(fā)布功能

系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的軟件平臺(tái)，并能在GIS平臺(tái)上顯示對(duì)應(yīng)位置橋梁的實(shí)時(shí)水位流速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到水位與橋梁凈空管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)航道水位及橋梁凈空高度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀測(cè)，提供水位及流速數(shù)據(jù)信息查詢、分析應(yīng)用，同時(shí)具有水位自動(dòng)預(yù)警功能，對(duì)內(nèi)能夠?yàn)橥ê焦芾聿块T提供及時(shí)的數(shù)據(jù)信息和決策支持。此外，可以在對(duì)外服務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述基于橋區(qū)的水位與流速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于內(nèi)河航道橋區(qū)眾多，且橋梁建設(shè)年代較遠(yuǎn)，橋區(qū)通航凈空高地較低，水流流速流態(tài)易變化的通航水域。系統(tǒng)采用較簡(jiǎn)易的裝置與設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道水情信息的及時(shí)預(yù)警與發(fā)布，保障船舶航行安全，有效提高我國(guó)內(nèi)河航道的助航服務(wù)。

[1] 張忠遠(yuǎn)．智能水位監(jiān)測(cè)儀的研究[D]．南京理工大學(xué)，2008

[2] 徐航．基于GPRS的水庫(kù)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]．江西理工大學(xué)，2012

[3] 耿曉明．無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸水位監(jiān)測(cè)儀的研究[D]．南京理工大學(xué)，2009

[4] 鐘東．西江黃金水道物流信息化戰(zhàn)略研究[D]．廣西大學(xué)，2013

A Fairway Navigation Safety Monitoring System of Bridge Area based on the Flowing Measurement

Dou Lu, Chen Kai, Zhang Mingrui
(China Waterborne Transport Research Institute, Beijing, 100088)

The safety of navigation on fairway is affected mostly by the bridge among all the buildings across the channel. The construction design of bridge navigation clearance and navigable spans are related to the waterlevel, velocity and turbulent motion of the fairway. This paper introduces a real-time water-level and velocity monitoring system installed under the bridge, the monitoring data can be received by ships through the broadcast platform for safer navigation.

water-level; velocity; bridge area; safety navigation; monitoring

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.009

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）08-0032-03

竇 路，女，1988年生，任職于交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，研究方向?yàn)樗\(yùn)通信導(dǎo)航。

陳 凱，現(xiàn)任職于交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所。

張明睿，現(xiàn)任職于交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所。

項(xiàng)目資助：本項(xiàng)目受交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所WTI-51404項(xiàng)目資助。