謝錦妹，趙志剛，汪發(fā)根，于國丞，段培勇

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081; 2.中國鐵路廣州局集團有限公司 工務處，廣東 廣州 150000)

我國正處于鐵路快速發(fā)展時期，鐵路跨越通航江河的大型橋梁數(shù)量逐年增多，而航運船型日趨大型化、重型化、高速化，船舶流量持續(xù)增加，使得橋梁和通行船舶之間的矛盾日趨突出，船舶撞擊橋梁的事故亦不斷增加。除人員傷亡和巨大的直接經(jīng)濟損失外，鐵路交通阻斷還會帶來難以估量的間接經(jīng)濟損失和社會影響。如武漢長江大橋自1957年建成以來，大約發(fā)生了70起船撞橋事故；2007年的九江大橋撞擊事故造成200m橋面坍塌，4輛汽車墜江，9人死亡，直接經(jīng)濟損失達3億元人民幣[1]。目前降低船舶撞擊橋梁危害的措施主要分為被動防撞措施和主動防撞措施[2-3]。

被動防撞措施是從減小對橋梁撞擊力的角度，在橋墩外側(cè)加裝防撞裝置與吸能設施。這種方式從一定程度上降低了船舶撞擊橋梁事故對橋梁的損傷，但不能避免事故發(fā)生，且存在減少通航空間、工程量大、造價高昂、維護成本較高等問題。萬州長江大橋防撞裝置花費2.1億元，黃花園大橋防撞裝置花費1800萬元。在過去的橋梁防撞預警裝置應用中，主要以被動防撞措施為主。

主動防撞措施是采用監(jiān)測技術從減小船舶撞擊橋梁發(fā)生概率的角度，對船舶航行實施各種主動干預措施。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，造成船舶撞擊橋梁的原因主要分為3類：第1類是超高、偏航船舶造成橋梁的損壞或意外事故；第2類是人為操作失誤或機械故障；第3類是惡劣的自然環(huán)境、通航條件不利等。由以上3類原因造成的船橋碰撞事故占事故總數(shù)比例分別為80%，8%，12%[4]。若提前發(fā)現(xiàn)超高、偏航船舶或人為操作失誤造成船舶存在撞橋趨勢，預警人員采取主動措施就能有效避免或減輕橋梁撞擊后果。該方式設備安裝及維護成本較低，適用廣泛，應優(yōu)先選用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外用于橋梁主動防撞預警監(jiān)測的技術主要有：①激光對射技術，可以定性測量且成本較低，但存在飛鳥、漂浮物等引起的誤報率高的問題，可以實現(xiàn)對橋梁防撞的報警功能，但難以實現(xiàn)對橋梁防撞的預警功能[5]；②雷達成像技術，雷達采集到的模擬信號由于無準確的物理含義，所以無法直接處理，且高精度的雷達系統(tǒng)復雜，造價比較高[6]；③視頻檢測技術，該技術易受光線、外界環(huán)境干擾，誤報率比較高[7]。

本文采用將激光掃描與視頻技術相結合的監(jiān)測手段，以滬昆鐵路下行線湘潭橋作為監(jiān)測對象，提出一種適用于鐵路通航橋梁的全自動、全天候、全天時、低成本、預警功能穩(wěn)定可靠的主動防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提高操船人員對船舶撞擊橋梁風險的預警能力，協(xié)助操船人員作出避撞決策，減少操作失誤，確保鐵路、船舶運輸安全。

2 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)采用激光二維掃描技術和視頻技術，通過對船舶高度和運行軌跡的綜合分析，預判行進中船舶撞擊橋梁梁體和橋墩的可能性并及時進行預警和報警。實時記錄船舶通行的圖像視頻，并獲取預警和報警船舶的身份信息。根據(jù)實際情況采取多種報警方式，監(jiān)測信息可通過云平臺進行管理。

湘潭橋第2，3，4孔為通航孔。根據(jù)橋梁特征和通航情況，確定如下布防要求：①梁體布防區(qū)域為非通航孔(第5孔梁體)上下游，見圖1中虛線區(qū)域；②橋墩布防區(qū)域為第2～5孔梁共用橋墩(A,B,C)，見圖1中實線區(qū)域。

圖1 布防區(qū)域(單位：m)

2.1 梁體防撞方案

在C號橋墩頂面適當位置安裝激光掃描傳感器和攝像機，形成略低于梁底面且平行于橋梁底面的布防區(qū)域，見圖2。系統(tǒng)可實現(xiàn)對上下游接近船舶的監(jiān)控，并對走錯航道的船舶進行聲光預警，盡量避免船舶與梁體相撞。如果船舶繼續(xù)通行，在無法避免撞橋事故時系統(tǒng)會通知橋梁管理人員確認橋梁撞擊情況，能夠最大限度地減輕撞橋事故所造成的嚴重后果。

圖2 梁體防撞方案

2.2 橋墩防撞方案

在B號橋墩上游方向適當高度處安裝激光掃描傳感器，在A，B，C 3個橋墩的鄰近區(qū)域形成布防區(qū)域，見圖3。系統(tǒng)可實現(xiàn)對上游接近船舶運行軌跡的監(jiān)控，并對船舶可能撞擊橋墩的情況進行預警和報警。發(fā)生撞橋事故時，系統(tǒng)會通知橋梁管理人員確認橋梁撞擊情況。

圖3 橋墩防撞方案

2.3 AIS數(shù)據(jù)采集

在橋梁上安裝AIS或利用AIS岸基網(wǎng)絡接收橋區(qū)附近水域過往船舶的動靜態(tài)信息，可獲取通航船舶的經(jīng)緯度、水上移動通信業(yè)務標識碼(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)、航速、航向等信息。圖4為現(xiàn)場獲取到的通航船舶的經(jīng)緯度信息在地圖上的展示。將二維激光掃描數(shù)據(jù)和船舶的位置信息進行匹配，可確定橋梁防撞預警和報警船舶的身份信息——MMSI號碼[8]。

案例企業(yè)社會責任行為說明：2018年1月19日，在《證券日報》主辦的第一屆新時代資本論壇上，首屆“金駿馬獎”評選結果出爐。中化國際榮獲金駿馬“最具社會責任上市公司”獎?！白罹呱鐣熑紊鲜泄惊劇敝饕碚眯聲r代資本市場上持續(xù)履行社會責任的杰出企業(yè)。中化國際作為國家“一帶一路”國際合作倡議的先行者，沿“一帶一路”國家和地區(qū)深入踐行了大量社會責任，是中國國家化企業(yè)履行社會責任的典型代表。

圖4 通航船舶展示

2.4 視頻監(jiān)控

采用高清視頻，能夠?qū)νㄟ^監(jiān)控現(xiàn)場的全部船舶進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)通過激光掃描數(shù)據(jù)獲取船舶位置及運行軌跡，視頻監(jiān)控設備根據(jù)船舶的位置信息進行追蹤監(jiān)控。監(jiān)控流程如下：①開始錄像。船舶一旦進入監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)就會控制相機對船舶進行錄像，并拍照。②追蹤。系統(tǒng)控制相機追蹤船舶運行，持續(xù)錄像。③結束錄像。船舶通過橋梁后，系統(tǒng)自動停止錄像。④視 頻回放。網(wǎng)絡遠程查看船舶錄像。⑤實時視頻，網(wǎng)絡遠程查看現(xiàn)場實時情況。

2.5 綜合報警

系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場需求采用多種報警方式：①VHF電臺報警。當通航船舶進入布控區(qū)且存在撞橋風險時，通過VHF無線通訊系統(tǒng)對該船舶發(fā)出預警。②聲光報警。在橋梁現(xiàn)場設置聲光報警器，對船舶進行聲光報警。③手機短信。系統(tǒng)可將報警信息以手機短信的形式實時發(fā)送到橋梁管理人員的手機上。④手機APP報警推送。系統(tǒng)可將報警圖片等信息通過手機APP向橋梁管理人員推送。

2.6 監(jiān)測信息管理方案

監(jiān)測信息的管理基于云平臺的系統(tǒng)架構設計[9]。監(jiān)測信息包括預警報文、圖片視頻、設備狀態(tài)報文等。測點機采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后將實時上傳至云服務器，部署在云服務器上的監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)接收到的報文級別進行相應的處理，并按設定的報警方式實時推送給相關人員[9]。工區(qū)人員可將確認信息、處理信息等上報給云服務器，實現(xiàn)對報警的閉環(huán)管理。監(jiān)測信息處理流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測信息處理流程

監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)管轄范圍設立4級監(jiān)控，如圖6所示，分別對應路局、工務段、車間和工區(qū)。其中工區(qū)級別用戶擁有對其負責的測點預警信息實時接收及反饋處理的權限，路局、工務段、車間級別用戶擁有對其轄區(qū)內(nèi)所有工區(qū)的歷史信息進行查詢、統(tǒng)計等權限。

圖6 信息管理分級

3 系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)由激光掃描監(jiān)測模塊、視頻采集模塊、AIS信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報警模塊以及監(jiān)控中心組成，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)組成

4 數(shù)據(jù)處理方法

系統(tǒng)通過對激光掃描數(shù)據(jù)進行計算來判斷通航船舶是否存在撞擊橋梁的風險，并通過AIS數(shù)據(jù)獲取船舶的身份信息。數(shù)據(jù)處理過程如下：

2)對平面坐標系進行區(qū)域劃分,分為有效坐標區(qū)域、預警區(qū)域、報警區(qū)域；

3)判定布防區(qū)域內(nèi)有無通航船舶，測定船舶在平面坐標系中的位置、航速、航向；

4)與通航船舶AIS數(shù)據(jù)進行對比，確定船舶的身份信息；

5)根據(jù)測定的數(shù)據(jù)信息對進入布防區(qū)域的船舶進行計算，如果存在撞擊橋梁風險則預警；

6)船舶繼續(xù)行駛，駛?cè)雸缶瘏^(qū)則報警。

5 系統(tǒng)功能及技術指標

基于上述設計方案，系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：①第5孔梁體上下游船舶橋梁撞擊預警和報警。②A，B，C 3個 橋墩上游船舶撞擊預警和報警。③布防區(qū)域內(nèi)船舶通行過程的實時錄像。④多種方式報警。報警信息的多級發(fā)布、集成管理、視頻錄像的遠程訪問，提供web網(wǎng)頁、手機APP這2種訪問手段。

系統(tǒng)的總體技術指標為：①可分別實現(xiàn)船舶與橋梁、橋墩150 m以外布防區(qū)域撞擊預警及報警功能；②可 識別物體大小在10 cm×10 cm以上；③報警響應速度為5 s，檢測頻率為2次/s。

6 技術特點

鐵路橋梁防撞監(jiān)測系統(tǒng)具有以下技術特點：①集成化，設備均安裝在橋上，岸上無設備；②自動化，自動監(jiān)控、自動預報警，無需人員值守；③內(nèi)容多，包括梁體防撞、橋墩防撞和船舶走錯航道；④模塊化，便于靈活配置和維護更換。

7 結語

本文提出了一種基于激光掃描的橋梁防撞監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)預警準確性高，且抗陽光、雨水等干擾的能力強，誤判率低，便于安裝實施，可運用于大江大河的鐵路橋梁。根據(jù)橋梁跨距配置不同的監(jiān)測方案，為通航橋梁安全保駕護航。