面向長(zhǎng)江堤防的智慧限行集成技術(shù)研究設(shè)想

張潔，居鴻洋，胡操，徐逸文

（1.南京市水務(wù)建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京210011；2.南京振高建設(shè)有限公司，江蘇 南京 211300；3.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京210011）

近期，水利部先后出臺(tái)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》等系列重要文件，全面部署智慧水利建設(shè)，并將數(shù)字孿生流域建設(shè)作為構(gòu)建智慧水利體系、實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”的重中之重。數(shù)字孿生流域是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，河道堤防工程是其重要組成部分，“四預(yù)”的許多場(chǎng)景與河道堤防工程直接和間接相關(guān)，需要加強(qiáng)對(duì)堤防防汛道路管理的智慧化研究和探索，為數(shù)字孿生流域?qū)崿F(xiàn)提供基礎(chǔ)部件支撐。

1 限行措施現(xiàn)狀與不足

南京市長(zhǎng)江堤防約270km，歷經(jīng)1988年達(dá)標(biāo)建設(shè)、2010～2013年防洪能力提升建設(shè)、2015年城區(qū)濱江風(fēng)光帶建設(shè)等，已全部達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)，在抵御洪水、保障南京市防洪安全方面發(fā)揮了巨大的作用。其中防洪能力提升段堤防長(zhǎng)度約102km，以擋墻結(jié)合土堤型式為主，坡比1：3，墻高0.5～1m，堤頂寬度8m，堤頂設(shè)防汛道路，以瀝青路面為主。

1.1 限行措施現(xiàn)狀

考慮堤防道路等級(jí)相對(duì)市政交通標(biāo)準(zhǔn)低，抗壓能力弱，為避免超載車輛對(duì)防洪能力提升段堤防造成嚴(yán)重?fù)p壞，工程實(shí)施前后，建設(shè)單位及運(yùn)行管理部門在上堤路口及堤頂部分位置設(shè)置了若干限寬路墩和限高桿（如圖1（a））。限寬路墩凈寬2.5m，設(shè)置后不可移動(dòng)；限高桿凈高2.5m，非汛期關(guān)閉，汛期打開（如圖1（b））。

圖1 限寬路墩和限高桿現(xiàn)狀

1.2 存在的不足

2013年至今，上述堤防管理附屬設(shè)施在保障堤防安全運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用，但綜合多年運(yùn)行實(shí)踐及當(dāng)前智慧水利建設(shè)要求，南京市長(zhǎng)江堤防限行措施還存在以下幾方面的不足：

（1）堤防限行設(shè)施智慧化程度低。雖然南京市長(zhǎng)江堤防防洪能力提升工程起步較早，但目前來(lái)看，智慧化限行有待提升。當(dāng)前的堤防限行管理方式和手段傳統(tǒng)，不能達(dá)到遠(yuǎn)程可視控制，已落后于智慧水利建設(shè)和發(fā)展要求，不能滿足智慧化管理的要求。

（2）不利于防汛及養(yǎng)護(hù)專用車輛通行。設(shè)置限寬路墩會(huì)在一定程度上對(duì)堤防工程防汛、養(yǎng)護(hù)、維修車輛的通行造成不便，此外每年都會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力進(jìn)行管護(hù)，不僅未能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且群眾認(rèn)可度不高。

（3）安全冗余度有待進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的限寬路墩及限高桿外分別刷有反光油漆及粘貼反光條。長(zhǎng)江堤防不同于市政道路，基本不設(shè)置照明設(shè)施。因此，當(dāng)夜晚無(wú)外來(lái)光源或者外來(lái)光源較弱時(shí)，反光油漆的警示作用難以得到充分發(fā)揮。同時(shí)，現(xiàn)有限高桿單開設(shè)計(jì)且跨度大。長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月的汛期，限高桿打開后一直成懸臂狀態(tài)，除容易發(fā)生一定的變形外，汛期出現(xiàn)的惡劣天氣也會(huì)造成橫梁發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一旦橫梁旋轉(zhuǎn)至堤頂?shù)缆飞喜靠臻g，將對(duì)來(lái)往行人和車輛安全構(gòu)成一定威脅。

（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，有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

2 國(guó)內(nèi)外類似問(wèn)題研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)

2.1 國(guó)內(nèi)外類似問(wèn)題研究現(xiàn)狀

2.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)的道路限行措施研究方向如下：

（1）固定式限高限寬。這是現(xiàn)階段道路中最主要的限行措施，包括限高桿和限寬墩。當(dāng)車輛的高度和寬度超過(guò)限定的值即被禁止通行。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于能較好地對(duì)超載車輛進(jìn)行管控，因其尺寸一般都遠(yuǎn)大于限定的值。但因該種方式固定了通行高度和寬度，一旦需要調(diào)整限行高寬值時(shí)就需要重新調(diào)整布置；防汛緊急情況下，會(huì)對(duì)特殊應(yīng)急車輛造成嚴(yán)重影響[1]。

（2）開關(guān)式限高限寬。開關(guān)式限高限寬，通過(guò)開關(guān)調(diào)整道路上的限高門架和限寬路墩來(lái)實(shí)現(xiàn)道路的限高和限寬。目前的主要應(yīng)用形式有多功能一體式限高門架以及電液升降式路障[2]，可以相對(duì)靈活地對(duì)堤防防汛道路進(jìn)行限行[3]，缺少智能控制單元，功能單一。

（3）電子式限高限寬。電子式限高限寬主要依靠裝置中的激光和紅外檢測(cè)器，當(dāng)有超過(guò)限高和限寬值的車輛駛?cè)?，檢測(cè)器會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并向控制器發(fā)送信號(hào)，控制設(shè)備會(huì)通過(guò)提示音和光線進(jìn)行警示，告知限高限寬相關(guān)信息，達(dá)到限行目的[4-11]。

2.1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的道路限行措施研究與發(fā)展方向與國(guó)內(nèi)不同，主要是簡(jiǎn)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(duì)裝置的控制和管理[13-18]。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究特點(diǎn)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外開展的類似問(wèn)題研究都偏向于具體限行方式的創(chuàng)新和優(yōu)化，沒(méi)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(duì)數(shù)字孿生流域建設(shè)的一些“四預(yù)”場(chǎng)景的數(shù)據(jù)和模型支撐。

3 “面向長(zhǎng)江堤防的智慧限行集成技術(shù)”的研究設(shè)想

3.1 研究?jī)?nèi)容

“面向長(zhǎng)江堤防的智慧限行集成技術(shù)”主要由自動(dòng)升降式道閘、車牌識(shí)別、測(cè)高測(cè)速、信息播報(bào)、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)交換、一張圖指揮等子系統(tǒng)組成。通過(guò)車牌識(shí)別子系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外車輛，測(cè)高測(cè)速子系統(tǒng)測(cè)出車高和車速，并提供開關(guān)信號(hào)給自動(dòng)升降式道閘，識(shí)別數(shù)據(jù)給信息播報(bào)子系統(tǒng)。自動(dòng)升降式道閘子系統(tǒng)根據(jù)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行升降操作；信息播報(bào)子系統(tǒng)播報(bào)對(duì)應(yīng)的聲音和文字。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)重點(diǎn)負(fù)責(zé)限行點(diǎn)的周界安全監(jiān)控；遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程操作自動(dòng)升降式道閘；數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；一張圖指揮實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可視化管理。

3.1.1 自動(dòng)升降式道閘

開發(fā)集成一種可調(diào)節(jié)通行高度的升降式限高路障，需要提供反光或自發(fā)光能力，提高夜間行駛安全水平。

利用電液升降形成攔截效果，主要由路障箱、軸承座和電液推桿組成，路障箱的箱體為長(zhǎng)方體的鋼結(jié)構(gòu)件，在安裝路障處開挖并砌筑深溝槽以安裝電液升降式路障。該路障可承受爆炸、沖擊，能有效地阻止機(jī)動(dòng)車闖卡實(shí)現(xiàn)路障可攔、可調(diào)、可控，使路障達(dá)到既能限制通行，又可調(diào)節(jié)通行的目的。

3.1.2 多系統(tǒng)的集成

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降式道閘、車牌識(shí)別、測(cè)高測(cè)速、信息播報(bào)、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)交換、一張圖指揮等子系統(tǒng)的綜合集成，包含現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、成熟系統(tǒng)、研發(fā)系統(tǒng)這三類系統(tǒng)的集成，根據(jù)相關(guān)子系統(tǒng)的特點(diǎn)采取合適的技術(shù)（同步機(jī)制、異步機(jī)制）來(lái)保障項(xiàng)目集成的可靠性。

3.1.3 數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通

結(jié)合防汛應(yīng)急指揮需求，實(shí)現(xiàn)與防汛應(yīng)急指揮業(yè)務(wù)的無(wú)縫銜接，考慮采用數(shù)據(jù)共享交換的方式，實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)集成和深度挖掘，為可視化全要素展示提供數(shù)據(jù)保障，并提供數(shù)據(jù)快速獲取、搜索與推薦等功能。

3.1.4 基于水利一張圖實(shí)現(xiàn)管理可視化

基于水利一張圖實(shí)現(xiàn)堤防防汛道路管理可視化，布置點(diǎn)位直觀展示、數(shù)據(jù)快速查詢、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，提高管理的智能化水平和運(yùn)維管理的工作效率。

3.1.5 移動(dòng)端管理

可通過(guò)移動(dòng)端來(lái)進(jìn)行自動(dòng)升降式道閘的遠(yuǎn)程控制和管理，實(shí)現(xiàn)管理人員的移動(dòng)辦公需求。

3.2 擬需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研，結(jié)合升降式道閘的型號(hào)參數(shù)，根據(jù)項(xiàng)目示范布設(shè)點(diǎn)周邊的接電和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境現(xiàn)狀，選擇合適的設(shè)備型號(hào)和安裝方式；

（2）通過(guò)軟硬件系統(tǒng)集成，形成適用于堤防防汛道路智慧化限行的解決方案和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，方便與智慧水利其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行功能集成和數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)語(yǔ)

“面向長(zhǎng)江堤防的智慧限行集成技術(shù)”的研究與應(yīng)用，通過(guò)軟件總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備的集成，軟件系統(tǒng)、硬件之間功能解耦，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立替換升級(jí)；通過(guò)制定堤防防汛道路管理的數(shù)據(jù)開發(fā)規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)與其它水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；通過(guò)傳感器（視頻+語(yǔ)音）的數(shù)據(jù)采集，然后利用圖像智能識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、防汛道路管理規(guī)則強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，具備一定的智慧處理能力；能實(shí)現(xiàn)堤防管理由傳統(tǒng)的線下人工管理轉(zhuǎn)換為線上數(shù)字化管理，緊跟智慧水利的政策和方向，提升管理單位的數(shù)字化管理水平和運(yùn)管能力；運(yùn)營(yíng)成本及社會(huì)效益方面具有優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步進(jìn)行業(yè)務(wù)推廣。因此，無(wú)論從技術(shù)方面還是業(yè)務(wù)管理方面，“面向長(zhǎng)江堤防的智慧限行集成技術(shù)”的研究與應(yīng)用均具有一定意義。