桥梁桥墩防撞监控预警系统研究

摘 要： 随着航道交通的发展，船舶日益增多，由此引发的事故也与日俱增。针对船舶撞击事故引发的人员伤亡、桥梁损毁、财产损失及环境破坏等现象，本文提出桥梁桥墩防撞监控预警系统，主要包括防撞设施及雷达信号预警系统。通过雷达系统来监测靠近桥梁桥墩的船舶是否偏离航向，船舶未撞到桥墩前提前预警，雷达安装在防撞设施上，通过测距和测角能提前预知船舶航向，船舶船主看见信号灯闪烁，适时纠正航向，避免桥墩剐蹭。针对船主不顾信号警告剐蹭桥墩，桥墩上雷达传感器集成的振动传感器会及时报警，报警数据传到云端，联动桥梁两端摄像机抓怕船型船号，监控记录碰撞事件，防撞设施二次作用，为保护桥梁桥墩做出了可行有效的方案。

关键词：桥墩;预警;雷达;监控 ;防撞设施

引言

随着航道交通的发展，船舶与桥梁碰撞的风险持续升高。据统计，2017年至2020年，每年发生多次刮碰事故，为保障桥梁的安全使用，必须每日派专人逐一检查桥梁状态，工作强度大，且人工检查受人的视角限制和环境限制，仍然存在安全隐患[1]。

朱海洋[2]建立了基于雷达的无线主动防撞系统，根据现场应用及抓拍画面，验证了该监控装置的可靠性。张俊[3]利用数值分析软件建立了基于桥墩防撞装置的力学模型，同时也利用现有理论对计算撞击力的公式进行了对比分析，指出桥墩防撞装置，特别是填充泡沫铝的撞装置在吸收冲击动能方面具有明显的优势。黄兆亮[4]利用有限元软件对钢-聚氨酯夹层板在桥墩防撞方面的效果展开了详尽的研究，同时还将撞击速度与防撞材料的力学特性紧密联系起来。

桥梁防撞预警视频监控系统能利用现代化检测手段，提高航道运行的安全性，有效避免超高船舶进入航道造成交通意外事故;能精确检测出船舶是否偏离航道，并及时通过信号灯进行提示，提高桥梁船只安全航行，提前防范交通隐患，同时防撞设施做到保护桥墩作用[5]。通过安装桥梁监控系统，录像所记录的碰撞事件，有着方便违章查询，监管便利，为航道交通保驾护航[6，7]。上海浦东运河大治河川杨河存在着较大的船舶碰撞桥梁安全隐患，本文基于雷达无线装置，提出桥梁桥墩防撞监控预警系统，为保护桥梁桥墩提供可行有效的方案。

1 防撞预警系统概述

桥梁防撞监控预警系统组成由现场防撞设施、监控预警系统两个部分组成。桥墩防撞设施是船舶撞击保护桥梁作用，如图1所示，监控预警系统主要是船舶预警记录桥梁桥墩被撞事件。

2 桥梁桥墩防撞设施

根据桥墩大小尺寸在保证航道在规范的通行的情况下设计定加工防撞设施，防撞设施主要由钢板、缓冲吸能材料、纤维增强复合材料三部分组成。

2.1 钢板

钢板采用机械零件制造过程中常用的Q235B，主要原因是其在韧性与铸造性方面的优点，伸长率和强度均能达到规范要求，并且其易于冲压和焊接的特点能够满足桥墩结构防撞设施在高性能材料方面的要求。

2.2 缓冲吸能材料

缓冲吸能材料采用组合聚醚和异氰酸酯。其中组合聚醚采用HCFC—141b（非CFC—11）发泡剂，该发泡剂的详细参数应依据现场所处环境条件实时调节。值得一提的是，该发泡剂有着极小的全球变暖系数，因而对臭氧层的影响是微乎其微的。异氰酸酯弹性纤维可以有效的缓冲吸能，广泛用于防撞设施绝热防水。

2.3 纤维增强复合材料

纤维增强复合材料主要由特制纤维表面毡、特制纤维布、特制原丝短切纤维、环氧树脂粘接剂、环氧树脂、间苯型聚酯树脂胶衣、防紫外线吸收剂等组成，其突出优点具体如下：（1）比强度较高、比模量较大;（2）该纤维增强复合材料具有良好的可设计性;（3）较强的抗腐蚀性及耐久性;（4）热膨胀系数接近于混凝土值。以上诸多优点使得纤维增强复合材料在大跨、高耸、重载、轻质、高强结构中，甚至极端环境下的使用占上风，在现代土建施工智能化、工业化的发展进程中，纤维增强复合材料越来越多的被用于桥梁桥墩防撞设施的填充工艺中。

3 预警系统组成详述

预警系统主要由微波雷达、交通信号灯、4G远程数据网管、摄像机四部分组成。

3.1 微波雷达

防护角度范围为12°—20°;探测距离范围为25 m—70 m;探测速度范围为1 km/小时—30 km/小时;测距精度为0.5 m; 测速精度为0.75 m;存储温度：-40 °C—125 °C。

3.2 交通信号灯

外壳寿命不小于10年;防水等级在IP65等级及以上;可视距离大于500 m;功率不小于10 W;亮度大于6000 mcd;环境温度范围为-40 °C—80 °C。

3.3 4G远程数据网管

通信距离不低于500米;GPRS端发射功率为1 W;GPRS端发射频率850/900/1800/1900 MHZ;通信接口方式为RS485;带宽频率为 250.0 kHz;工作温度范围为-40 °C—85 °C。

3.4 摄像机

经比选，实际应用中所采用的摄像机型号为DS-2CD2T27FDWD-LSGLE/32G-E，最高分辨率可达25 fps（1920×1080），并可输出实时图像;码流平滑设置，可满足各种情景下图像质量、流畅性等方面的需求。该摄像机支持GBK字库，支持更多汉字及生僻字叠加，支持OSD颜色自选;同时也支持3D数字降噪、120dB宽动态、支持暖光灯补光，照射距离最远可达30米。可根据场景情况自适应调整码率分配，能够有效节省存储成。

4 监控预警系统现场应用

據悉，上海浦东运河大治河川杨河存在着较大的船舶碰撞桥梁安全隐患，应及时对桥梁桥墩进行监控预警系统布设。综合以上条件，现场桥梁两侧监控结构如图2所示（以8m立杆为例），所用到的硬件材料包括： DH-IPC-HFW7226F-W4G摄像机（现场情况选用广角）;监控立杆（直径159 mm、高8 m）;2块150 W太阳能板：128 G储存卡，太阳能板控制器;100 Ah蓄电池;4G物联卡等。

预警系统供电采用光伏发电，主要用电设备包括微波雷达、交通信号灯、4G网关，所使用的设备统一按12 V电压供电，交通信号灯不报警时处于休眠状态，报警触发后工作，微波雷达用电量综合所有设备物理搭配，按一般光照太阳能板存电大于所有设备24小时用电量总和，具体计算如下：监控设备9 W、信号灯15 W、微波雷达3 W、4G网关1 W、太阳能板供电300 W。太阳能供电主要由正常天气阴雨天气两种情况，正常天气太阳能板工作8小时，阴雨天气保守工作时间3小时。按阴雨天气计算，300 W×3 h>（9 W+15 W+3 W+1 W）×24 h，物理搭配满足蓄电池每天处于存电状态，保证蓄电池寿命及所有设备稳定性，存放电原理如图3所示。

通过雷达系统来监测靠近桥梁桥墩的船舶是否偏离航向，船舶到雷达监测距离后，雷达发出信号至交通信号灯，信号灯闪烁提示预警，避免桥墩剐蹭，船主不顾信号警告剐蹭桥墩，桥墩上雷达传感器集成的振动传感器就会因剐蹭撞击报警，报警数据4 G网关传输信号传到云端服务器，云端服务器通过移动网络桥梁联动摄像机抓怕船型船号，监控记录碰撞事件，摄像机自带128 G内存卡录像存储，信号传输原理如图4所示。本系统可使桥墩上雷达传感器集成的振动传感器因剐蹭撞击报警，报警数据传到云端，联动桥梁两端摄像机抓怕船型船号，监控记录碰撞事件，防撞设施二次作用，为保护桥梁桥墩做出了可行有效的方案。

5结语

文中针对经济损失大、社会影响差的船撞桥事故，提出了一套可行方案，为了使防撞设施达到保护桥梁桥墩的目的，对桥梁桥墩进行了监控预警系统布设。本系统所采用的微波雷达具有全方位可靠性，可实现桥梁主动防撞预警及碰撞抓拍。基于理论解析方法及内部几何模型，完成感知船舶撞击过程的无线加速度传感器的低功耗设计。通过在上海川杨河园桥的现场应用，可以发现该系统对桥梁桥墩防撞的可靠保护性能不仅仅体现在及时性，而且还体现在自动化高等方面。因此，该系统可渗透到桥梁的全生命周期，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]朱忠义，崔海兴.绍兴曹娥江袍江大桥桥墩防撞分析与设计[J].中外公路，2011，31（06）：139-141.

[2]朱海洋，朱思悦，王磊磊. 桥梁主动防撞预警与碰撞抓拍系统[J].电子设计工程.2019，27（07）：33-37.

[3]張俊. 冲击荷载作用下桥墩防撞装置的力学性能研究[D].佛山科学技术学院，2017.

[4]黄兆亮. 钢—聚氨酯夹层结构圆端形桥墩防撞浮箱碰撞性能研究[D].华南理工大学，2017.

[5]陈国祥.桥梁防碰智能预警系统研究应用[J].中国水运，2017（05）：31-33.

[6]蒋仕光.桥梁防撞预警视频监控系统[J].港口装卸，2018（04）：31-34.

[7]程呈.基于云平台的桥梁主动防撞预警系统设计[J].科技风，2018（08）：34+36.

作者简介：

王永建（1989.08.12），男，汉，河南，本科，上海同济工程项目管理咨询有限公司，市政管理。

（上海同济工程项目管理咨询有限公司，上海 200092）