智能桥梁防撞系统研究

钟鹏　丰火雷　周开发

摘 要：处于通航航道处的桥梁容易遭到航行船舶的撞击，这类桥梁事故往往会给桥梁、船舶和社会带来巨大的损失。为此，国内外都对桥梁防撞系统进行了相关研究。本文就目前应用的桥梁防撞技术作了归纳和介绍，并提出了一种基于云平台，采用AIS系统和雷达技术，应用Origami结构的智能桥梁防撞系统的设计思路。

关键词：桥梁智能防撞；Origami结构；AIS系统；云平台

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

桥梁，自古以来便是交通运输不可或缺的组成部分。如今我国的水上交通运输事业蒸蒸日上，处于通航航道处的桥梁也越来越多。航行船舶与桥梁之间的矛盾日益凸显，由此导致的事故亦此起彼伏。船撞桥事故会带来桥梁、船舶和社会三方面的损失：桥梁结构受损，需大量的维修费用；船舶结构遭到破坏，船舶上的人员与货物处于危险状态；通航受阻，居民出行不便，甚至影响当地自然环境。

据统计，近年来，国内外发生的船撞桥事故己经不止110起，国内情况尤其严重，仅武汉长江大桥，被船舶撞击的事故就高达80余起。同时，国外的类似船撞桥事故也高达50余起。据估算平均每年约有一座大型桥梁遭到船舶撞击而受损。因此，如何防范通航航道处的桥梁被船舶撞击是一个亟待解决的问题。

1 桥梁防撞系统的研究现状

国内外对桥梁防撞系统的研究，可分为桥梁主动防撞和被动防撞两部分。

目前可用于桥梁主动防撞预警系统的技术主要有：①视频监测技术，该技术主要运用摄像头监测，成本较低。但难以精准地识别较远距离的物体，误报率较高，且受光线条件的限制。②雷达成像技术，该技术能监测远距离物体，能探测到物体的方位、速度等信息，可以满足监测船舶航行状态的使用需求。但恶劣的天气会对它的精度产生一定的影响，需采用其他技术加以辅助。③热成像技术，该技术采用热红外摄像机，红外辐射的穿透力强，不受光照和天气的影响，隐蔽性高，但目前红外图像精度不高。

目前可用于桥梁被动防撞系统的技术主要有：①防撞护舷，结构简单，维护成本低，作为直接构造弹性变形型防撞设施，抵抗小吨位船舶撞击的效果较好。对于抵抗大型船舶，该结构的防撞效果差。②消能防撞套箱，利用具有一定刚度的套箱很好地吸收船舶撞击动能、延缓撞击时间，使得传递到桥墩上的撞击能量大程度减小。③桩式防撞装置，能给桥梁和船舶双方都提供很好的保护，不受桥墩类型和防撞船舶吨级限制，但成本高，施工难度大，且会减小通航净空空间。

2 智能桥梁防撞系统设计思路

本文采用将AIS系统和雷达技术相结合的监测手段，运用可折叠Origami结构，提出一种基于云平台的智能桥梁防撞系统。该系统适用于通航桥梁，能精准化、实时化、自动化、低成本地防止船舶直接撞击桥梁，确保桥梁、船舶双方的安全。

2.1 被动防撞系统设计

在通航孔处桥墩周围安装一种伸缩性好、吸能性好的可折叠Origami结构被动防撞设施。正常状况下，该结构处于收缩状态，紧贴于桥墩表面，使通航孔具有足够的净空空间，不影响船舶通行；船舶将撞向桥墩而触发被动防撞设施时，该结构迅速打开并伸展，围绕着桥墩形成“保护层”，极大程度地降低桥墩实体接收的撞击能量。防撞过程中该结构只会发生局部的损坏，不影响整体防撞性能，后期只需维修受损的局部。

2.2 主动防撞预警系统设计

随着航海信息技术的快速发展，船舶自动识别系统（简称AIS系统）日趋完善。AIS系统可以提供船名、航线、航向、位置、船舶尺度等有关船舶航行的基本信息。目前，AIS基站信号可用率接近100%。桥梁防撞系统主要是防止船舶撞桥事故，在桥梁附近水域覆盖AIS基站信号，从而将AIS系统运用于智能桥梁防撞系统中是可行且有效的。采集桥梁附近船舶的AIS数据，为后续的防撞应对措施提供基本信息。考虑到AIS基站信号并未达到100%，为了提高防撞系统的精准性，引入雷达监测加以辅助。在通航孔处的桥墩布设雷达，实时监测桥墩周围的船舶航行状况。

2.3 云平台

作为云计算的重要组成部分，云平台是云服务的核心。云平台具有安全防护体制，无需构建人工监控中心，无需购买监控相关的物理服务器和存储设备，也无需进行人工维护和管理。作为健康监测系统的一个子系统，以云计算为基础的桥梁预警系统可接入健康监测系统。基于云平台的桥梁防撞预警系统，可以同时向多个服务器（如海事管理、桥梁维护单位、船舶控制人员等）提供服务。该预警系统成本低，且具有非常高的可维护性、稳定性和灵活性，能让防撞系统更智能，运作更有效率。

2.4 智能桥梁防撞系统工作模式

将AIS和雷达得到的有关船舶基本数据信息上传到云平台，为后续的智能化处理奠定基础，同时也可以供相关人员随时随地查看。

在桥墩周围由远及近分别设置一定范围的预警区、报警区、防撞区。当系统监测到船舶进入了预警区，系统计算船舶的航向、位置、航速等，向船舶控制人员发送预警信号，提醒其调整航速、航向等，此时Origami结构处于收缩状态。此后，系统对进入预警区的船舶进行自动跟踪，当船舶继续向桥墩靠近，进入报警区，系统判定船舶是否会进入防撞区，指示Origami结构是否准备伸展，同时系统根据其危险程度向船舶控制人员发送停船命令。当船舶已经进入了防撞区，说明船舶极可能撞向桥墩，此时该桥墩的Origami结构已准备就绪，立即打开并伸展，对船舶的撞击能进行缓冲，避免桥墩受到大程度的损坏。

整个工作过程中，系统能精准地判别船舶具体撞击的某一个桥墩，打开该桥墩周围的Origami结构，其余桥墩周围的Origami结构不受影响，相互独立。

3 结论

一种理想的桥梁防撞系统不仅需要精准的主动防撞预警系统，还需要灵活的被动防撞系統，二者有机地结合，实现智能化防撞的目的，同时兼顾经济因素。紧跟大数据时代的发展潮流，基于云平台的智能桥梁防撞系统，可以节约大量机器购买费用和人工管理费用。融合AIS和雷达技术的分区式预警系统，相互独立的可折叠Origami防撞结构，使得该桥梁防撞系统真正实现智能化、高效化、经济化。

参考文献：

[1]邓清文，孙中懿，王端，刘何平，李红强，顾亚雄，张同.桥梁桥体主动防撞报警系统设计[J].仪器仪表用户，2016，23（12）：16-19.

[2]谢锦妹，赵志刚，汪发根，于国丞，段培勇.铁路桥梁防撞监测系统的研究[J].铁道建筑，2019（01）：39-42.