智能橋梁防撞系統研究

鐘鵬　豐火雷　周開發

摘 要：處于通航航道處的橋梁容易遭到航行船舶的撞擊，這類橋梁事故往往會給橋梁、船舶和社會帶來巨大的損失。為此，國內外都對橋梁防撞系統進行了相關研究。本文就目前應用的橋梁防撞技術作了歸納和介紹，并提出了一種基于云平臺，采用AIS系統和雷達技術，應用Origami結構的智能橋梁防撞系統的設計思路。

關鍵詞：橋梁智能防撞；Origami結構；AIS系統；云平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.089

橋梁，自古以來便是交通運輸不可或缺的組成部分。如今我國的水上交通運輸事業蒸蒸日上，處于通航航道處的橋梁也越來越多。航行船舶與橋梁之間的矛盾日益凸顯，由此導致的事故亦此起彼伏。船撞橋事故會帶來橋梁、船舶和社會三方面的損失：橋梁結構受損，需大量的維修費用；船舶結構遭到破壞，船舶上的人員與貨物處于危險狀態；通航受阻，居民出行不便，甚至影響當地自然環境。

據統計，近年來，國內外發生的船撞橋事故己經不止110起，國內情況尤其嚴重，僅武漢長江大橋，被船舶撞擊的事故就高達80余起。同時，國外的類似船撞橋事故也高達50余起。據估算平均每年約有一座大型橋梁遭到船舶撞擊而受損。因此，如何防范通航航道處的橋梁被船舶撞擊是一個亟待解決的問題。

1 橋梁防撞系統的研究現狀

國內外對橋梁防撞系統的研究，可分為橋梁主動防撞和被動防撞兩部分。

目前可用于橋梁主動防撞預警系統的技術主要有：①視頻監測技術，該技術主要運用攝像頭監測，成本較低。但難以精準地識別較遠距離的物體，誤報率較高，且受光線條件的限制。②雷達成像技術，該技術能監測遠距離物體，能探測到物體的方位、速度等信息，可以滿足監測船舶航行狀態的使用需求。但惡劣的天氣會對它的精度產生一定的影響，需采用其他技術加以輔助。③熱成像技術，該技術采用熱紅外攝像機，紅外輻射的穿透力強，不受光照和天氣的影響，隱蔽性高，但目前紅外圖像精度不高。

目前可用于橋梁被動防撞系統的技術主要有：①防撞護舷，結構簡單，維護成本低，作為直接構造彈性變形型防撞設施，抵抗小噸位船舶撞擊的效果較好。對于抵抗大型船舶，該結構的防撞效果差。②消能防撞套箱，利用具有一定剛度的套箱很好地吸收船舶撞擊動能、延緩撞擊時間，使得傳遞到橋墩上的撞擊能量大程度減小。③樁式防撞裝置，能給橋梁和船舶雙方都提供很好的保護，不受橋墩類型和防撞船舶噸級限制，但成本高，施工難度大，且會減小通航凈空空間。

2 智能橋梁防撞系統設計思路

本文采用將AIS系統和雷達技術相結合的監測手段，運用可折疊Origami結構，提出一種基于云平臺的智能橋梁防撞系統。該系統適用于通航橋梁，能精準化、實時化、自動化、低成本地防止船舶直接撞擊橋梁，確保橋梁、船舶雙方的安全。

2.1 被動防撞系統設計

在通航孔處橋墩周圍安裝一種伸縮性好、吸能性好的可折疊Origami結構被動防撞設施。正常狀況下，該結構處于收縮狀態，緊貼于橋墩表面，使通航孔具有足夠的凈空空間，不影響船舶通行；船舶將撞向橋墩而觸發被動防撞設施時，該結構迅速打開并伸展，圍繞著橋墩形成“保護層”，極大程度地降低橋墩實體接收的撞擊能量。防撞過程中該結構只會發生局部的損壞，不影響整體防撞性能，后期只需維修受損的局部。

2.2 主動防撞預警系統設計

隨著航海信息技術的快速發展，船舶自動識別系統（簡稱AIS系統）日趨完善。AIS系統可以提供船名、航線、航向、位置、船舶尺度等有關船舶航行的基本信息。目前，AIS基站信號可用率接近100%。橋梁防撞系統主要是防止船舶撞橋事故，在橋梁附近水域覆蓋AIS基站信號，從而將AIS系統運用于智能橋梁防撞系統中是可行且有效的。采集橋梁附近船舶的AIS數據，為后續的防撞應對措施提供基本信息。考慮到AIS基站信號并未達到100%，為了提高防撞系統的精準性，引入雷達監測加以輔助。在通航孔處的橋墩布設雷達，實時監測橋墩周圍的船舶航行狀況。

2.3 云平臺

作為云計算的重要組成部分，云平臺是云服務的核心。云平臺具有安全防護體制，無需構建人工監控中心，無需購買監控相關的物理服務器和存儲設備，也無需進行人工維護和管理。作為健康監測系統的一個子系統，以云計算為基礎的橋梁預警系統可接入健康監測系統。基于云平臺的橋梁防撞預警系統，可以同時向多個服務器（如海事管理、橋梁維護單位、船舶控制人員等）提供服務。該預警系統成本低，且具有非常高的可維護性、穩定性和靈活性，能讓防撞系統更智能，運作更有效率。

2.4 智能橋梁防撞系統工作模式

將AIS和雷達得到的有關船舶基本數據信息上傳到云平臺，為后續的智能化處理奠定基礎，同時也可以供相關人員隨時隨地查看。

在橋墩周圍由遠及近分別設置一定范圍的預警區、報警區、防撞區。當系統監測到船舶進入了預警區，系統計算船舶的航向、位置、航速等，向船舶控制人員發送預警信號，提醒其調整航速、航向等，此時Origami結構處于收縮狀態。此后，系統對進入預警區的船舶進行自動跟蹤，當船舶繼續向橋墩靠近，進入報警區，系統判定船舶是否會進入防撞區，指示Origami結構是否準備伸展，同時系統根據其危險程度向船舶控制人員發送停船命令。當船舶已經進入了防撞區，說明船舶極可能撞向橋墩，此時該橋墩的Origami結構已準備就緒，立即打開并伸展，對船舶的撞擊能進行緩沖，避免橋墩受到大程度的損壞。

整個工作過程中，系統能精準地判別船舶具體撞擊的某一個橋墩，打開該橋墩周圍的Origami結構，其余橋墩周圍的Origami結構不受影響，相互獨立。

3 結論

一種理想的橋梁防撞系統不僅需要精準的主動防撞預警系統，還需要靈活的被動防撞系統，二者有機地結合，實現智能化防撞的目的，同時兼顧經濟因素。緊跟大數據時代的發展潮流，基于云平臺的智能橋梁防撞系統，可以節約大量機器購買費用和人工管理費用。融合AIS和雷達技術的分區式預警系統，相互獨立的可折疊Origami防撞結構，使得該橋梁防撞系統真正實現智能化、高效化、經濟化。

參考文獻：

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