臨時(shí)橋梁智能控制系統(tǒng)框架研究

吳 坤，黃紹虎，潘 勇，杜 超

（安能西藏建設(shè)發(fā)展有限公司，西藏 拉薩）

引言

在搶險(xiǎn)救災(zāi)、臨時(shí)通道、旅游景點(diǎn)等場景中都必不可少地會使用到臨時(shí)橋梁，臨時(shí)橋梁能夠快速搭建，方便人員和物資地快速疏散和運(yùn)輸。然而，傳統(tǒng)的臨時(shí)橋梁安全保障與管理復(fù)雜，需要大量專業(yè)人員進(jìn)行管理和維護(hù)，安全性并不能完全保證，且其自動(dòng)化水平與智能化水平相對較低，消耗大量人力、物力和財(cái)力[1]。

在現(xiàn)代社會，智能化技術(shù)正在深入影響各行各業(yè)的發(fā)展，為解決傳統(tǒng)臨時(shí)橋梁的上述問題提供了有力的技術(shù)支持。為解決臨時(shí)橋梁的運(yùn)營穩(wěn)定性和安全性問題，本文借鑒了最新的智能化技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套臨時(shí)索道橋智能控制系統(tǒng)框架。

本框架主要由動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)、實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)和智能道閘系統(tǒng)組成，采用了傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等前沿技術(shù)，以提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高臨時(shí)索道橋的使用效率和安全性能，實(shí)現(xiàn)對臨時(shí)索道橋的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能化管理。通過本研究，實(shí)現(xiàn)減少人工，高效運(yùn)行，低風(fēng)險(xiǎn)管理的臨時(shí)索道橋運(yùn)營模式。為今后臨時(shí)橋梁的運(yùn)營管理提供了參考。

1 項(xiàng)目概況

某高寒高海拔臨時(shí)交通橋由1 號橋、2 號橋連接兩岸連接道路，兩座橋均采用單車道索道橋，凈跨均為350 m。單幅橋面凈寬4.5 m+2 0.75 m，單向行駛。兩座臨時(shí)交通橋的設(shè)計(jì)高程均為3 325 m，跨中最大垂度為6 m，設(shè)計(jì)行車速度為10 km/h，設(shè)計(jì)使用年限為7 年。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

2.1 動(dòng)態(tài)稱重需求

在車輛上橋前布置稱重設(shè)備，對想要上橋的車輛進(jìn)行不停車稱重，通過系統(tǒng)進(jìn)行稱重?cái)?shù)據(jù)存儲，并且對超重車輛進(jìn)行警示，禁止超重車輛上橋，從而保證臨時(shí)橋梁的運(yùn)營安全。

2.2 實(shí)時(shí)測速需求

對于橋上車輛的行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對超速車輛的超速時(shí)間、速度、位置等信息進(jìn)行記錄，并且通過LED 顯示屏對超速車輛進(jìn)行警示，要求駕駛員進(jìn)行減速，保障車輛的運(yùn)行安全。

2.3 智能道閘需求

在橋梁的上橋處設(shè)置智能道閘，當(dāng)橋面情況正常時(shí)，智能道閘按照常規(guī)情況運(yùn)行，對于超重車輛或不滿足上橋要求的車輛禁止放行，滿足上橋要求的車輛予以正常放閘通行。若橋面結(jié)冰或發(fā)生其他橋面不滿足通行的情況，道閘將關(guān)閉，禁止一切車輛上橋，從而保障車輛的安全。

3 智能系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)

3.1.1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是臨時(shí)索道橋智能控制系統(tǒng)框架的核心組成部分。確保上橋車輛的載重在臨時(shí)橋梁設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是保障臨時(shí)橋梁安全運(yùn)營的首要條件。

在進(jìn)入橋梁區(qū)前的外延路段設(shè)置交通標(biāo)識牌，提示進(jìn)入臨時(shí)橋梁會限重，并設(shè)置嚴(yán)禁超載的警示標(biāo)志，對擬通過大橋的超限車輛進(jìn)行提前警示。在連接臨時(shí)索道橋兩端入口路段設(shè)置交通禁令標(biāo)志牌，要求上橋車輛分道限速行駛，并將文字標(biāo)注在路面上。在稱重設(shè)備前50 m、100 m 處均設(shè)置提示牌，提示稱重設(shè)備位置，提醒車輛即將進(jìn)入稱重測速區(qū)。在每個(gè)車道布置稱重設(shè)備，并配備龍門架攝像機(jī)、圖像識別儀器。在識別車牌的同時(shí)，對過往車輛進(jìn)行不停車稱重。稱重設(shè)備后方50 m 處布置LED 情報(bào)板，顯示超重車輛車牌信息。控制管理分中心設(shè)在就近的橋管所,記錄車輛信息和監(jiān)控圖像，并存入數(shù)據(jù)庫。

3.1.2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程

當(dāng)車輛通過橋梁上的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備時(shí)，對其稱重同時(shí)進(jìn)行車牌識別。稱重?cái)?shù)據(jù)將被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)經(jīng)過軟件處理，處理后的數(shù)據(jù)將返還到用戶界面供管理者查看。若動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備監(jiān)測到車輛超重，則會將超重車輛的車牌號顯示在LED 顯示屏上，禁止車輛上橋并且警告車輛駛離橋梁[2]。若被檢測車輛沒有超重，則能夠正常通過橋梁。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

圖1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程

動(dòng)態(tài)稱重模塊：當(dāng)車輛通過窄條彎板時(shí)，彎板式稱重傳感器以及線圈傳感器將檢測車輛通行的數(shù)據(jù)信息，并將信息上傳到中心控制器CPU 模塊進(jìn)行處理和判斷，然后通過CPU 模塊上的網(wǎng)絡(luò)接口將信息輸出至發(fā)送機(jī)，再經(jīng)過光端機(jī)接入主線光纜，傳輸至監(jiān)控中心機(jī)房，經(jīng)過接收機(jī)直接連接到機(jī)房核心數(shù)據(jù)交換機(jī)上，最后傳到機(jī)房存儲服務(wù)器上，將獲取的數(shù)據(jù)交由服務(wù)器分析和處理。

車牌自動(dòng)識別模塊：前端攝像機(jī)通過超五類室外網(wǎng)線與車輛自動(dòng)識別儀器連接，前端攝像機(jī)輸出的網(wǎng)絡(luò)視頻信號接入車牌自動(dòng)識別的網(wǎng)絡(luò)端口，前端攝像機(jī)設(shè)備輸出觸發(fā)信號接入LED 頻閃燈中，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測范圍內(nèi)的通行車輛車牌的自動(dòng)識別。前端攝像機(jī)抓拍的視頻資料同樣可以傳輸至機(jī)房核心數(shù)據(jù)交換機(jī)中，由設(shè)備上的管理存儲服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

報(bào)警顯示模塊：當(dāng)檢測出超過限制重量的車輛時(shí)，計(jì)算機(jī)將發(fā)送超重車輛車牌號以及載重信息至數(shù)據(jù)處理卡上。通過光纖收發(fā)器將信息傳送到LED 顯示屏控制器，最終在LED 顯示屏上顯示超重車輛信息。提示駕駛?cè)藛T車輛超重，不滿足上橋要求，需駛離橋梁，從而限制上橋車輛通行。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念在于智能化、自動(dòng)化和人性化。對于智能化，通過將傳感器和無線通信技術(shù)的集成，使得系統(tǒng)能根據(jù)采集的載重?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算和控制；對于自動(dòng)化，系統(tǒng)可以在沒有人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)完成上橋車輛載重監(jiān)測和超重報(bào)警；對于人性化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好的用戶界面，操作者可以通過觸控屏幕，方便的查看和控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)查看上橋車輛的載重信息和超重車輛的信息。

3.2 實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)

3.2.1 實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)是臨時(shí)索道橋智能控制系統(tǒng)框架的另一個(gè)關(guān)鍵部分，其目的在于保障通行車輛在索道橋上的行駛速度處于一個(gè)安全可控的范圍內(nèi)，從而保障臨時(shí)橋梁的運(yùn)營安全。

實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)采用雷達(dá)測速技術(shù)，先初步測速，作為觸發(fā)錄像抓拍的手段；通過視頻圖像處理技術(shù)，對超速行駛的車輛進(jìn)行確認(rèn)；利用車牌識別技術(shù)，對超速行駛的車輛進(jìn)行車牌識別，確定車輛超速行駛的時(shí)間、地點(diǎn)、車牌號碼和車速等信息；數(shù)據(jù)傳輸通過光纖進(jìn)行，在車輛行駛方向的下游，利用LED 電子顯示屏進(jìn)行超速警示[3]。并將超速車輛信息進(jìn)行存儲，以供橋梁管理部門調(diào)查。

3.2.2 實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)工作流程

當(dāng)車輛進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域后，首先進(jìn)行雷達(dá)測速，如果車輛未超速行駛，則車輛正常通行，不做任何處理；如果測得車輛超速行駛，啟動(dòng)前端攝像頭，通過視頻采集卡將監(jiān)控車道的視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y速工控機(jī)上，通過軟件進(jìn)行分析處理[4]。當(dāng)確認(rèn)車輛超速后，記錄超速時(shí)間、車速、地點(diǎn)等信息，通過前端攝像設(shè)備識別車牌。通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，在車輛行駛方向下游50m 的LED 顯示屏上進(jìn)行超速警示，并儲存超速車輛信息。實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)工作流程

雷達(dá)測速模塊：雷達(dá)測速采用多普勒效應(yīng)，雷達(dá)發(fā)出一個(gè)脈沖微波，當(dāng)微波射在車輛上時(shí)將被車輛反射，然后雷達(dá)接收這個(gè)反射微波，通過對發(fā)出的微波與接收的微波之間的頻率進(jìn)行計(jì)算分析，可獲得車輛的行駛速度。若車輛行駛速度沒有超過限額，則不進(jìn)行后續(xù)處理；若超過限額，則將對車輛車牌進(jìn)行識別和警示。

車牌自動(dòng)識別模塊與報(bào)警顯示模塊和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的對應(yīng)模塊相同。

實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念在于先進(jìn)、簡潔和高效。先進(jìn)表現(xiàn)在采用了最新的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電子技術(shù)，實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度的速度監(jiān)測；簡潔體現(xiàn)在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，識別原理簡單，便于使用和維護(hù)；高效體現(xiàn)在，實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，系統(tǒng)能準(zhǔn)確且快速地進(jìn)行速度識別和警示，從而最大程度地保證橋上車輛行駛速度在規(guī)定范圍內(nèi)，保障車輛的通行安全和臨時(shí)橋梁的運(yùn)營安全

3.3 智能道閘系統(tǒng)

智能道閘系統(tǒng)的主要目的是控制車輛能否上橋。由于臨時(shí)橋梁的通行條件比普通橋梁苛刻一些，因此需要對車輛的上橋條件進(jìn)行考察，當(dāng)條件不滿足時(shí)，智能道閘系統(tǒng)將關(guān)閉道閘，禁止車輛上橋，從而保障車輛安全以及橋梁運(yùn)營安全。

當(dāng)車輛經(jīng)過動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測量后，結(jié)果為超重時(shí)，將通過LED 顯示屏通知超重車輛禁止上橋，并且，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將信息傳輸至智能道閘系統(tǒng)，智能道閘系統(tǒng)接收到超重信息后，將拒絕開閘，避免超重車輛上橋。同時(shí)，由于臨時(shí)橋梁處于高寒高海拔地區(qū)，當(dāng)氣溫過低時(shí)，橋面可能有結(jié)冰的情況，當(dāng)橋面情況不滿足安全通行時(shí)，管理人員將通過LED 顯示橋面情況，并且利用智能道閘系統(tǒng)禁止所有車輛上橋，以保證橋梁和車輛的安全。智能道閘系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 智能道閘系統(tǒng)工作流程

結(jié)束語

本文通過對動(dòng)態(tài)稱重、實(shí)時(shí)測速、智能道閘系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，并將其組合成為臨時(shí)橋梁智能控制系統(tǒng)的框架。利用該智能系統(tǒng)，能夠?qū)ι蠘蜍囕v的載重、行駛速度進(jìn)行監(jiān)測和限制，將智能化技術(shù)有效融入臨時(shí)橋梁的運(yùn)營和管理中，顯著提高了橋梁安全性和通行效率。便于在搶險(xiǎn)救災(zāi)、臨時(shí)通道、旅游景點(diǎn)等特殊場景中的應(yīng)用，減少了人力、物力和財(cái)力的使用，為后續(xù)類似工程提供了參考。