CN110500992A - 一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法，主要由四个部分组成：桥梁通航净高数据测量终端、数据通信网络、数据监测中心、预警信息发布平台；该系统集桥梁监测、预警、数据传输、数据分析及信息发布于一体，是一种综合性桥梁通航净空尺度实时监测预警系统。实现对桥梁通航工作的全面监管，实时监测桥梁通航净空尺度动态数据信息，然后对这些信息有效分析并及时发布，实现对汛期水位变化大的桥区通航净空尺度的实时监测和预警的目标，从而为船民提供有效的服务；保障桥梁和船舶安全；提升服务水运能力。

Description

一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁通航领域，具体涉及一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法。

背景技术

当前很多桥梁的相关标识不齐全，信息技术支撑不足，缺少相应的净空尺度实时监测及预警手段。

水位与桥梁通航净空尺度密切相关，对于水位信息：

1)船舶可以通过航道部门查询当日的水位情况，但水位往往是航道的整体水位，并非针对特定航段的水位信息，船舶操纵人员根据水位以及驾驶经验估算是否可以通过桥梁。

2)在有些水域水位变化大，净空严重不足的危险段，通过在桥梁附近设立倒水尺，让过往船舶读取倒水尺刻度提前掌握该桥的净空高度和该段航道的水深办法，来判断船舶是否可以顺利穿越通航孔。但是由于倒水尺安装在桥梁附近，船舶在白天、天气良好、距离桥梁比较近、有人瞭望的情况下，才能得到桥梁净空高度。

大型船舶如果采用上述方法得到桥梁净空高度时，往往已经错过了安全避碰的时间，如果再遇上天气状况差的情况，人工读取倒水尺方法更难以满足需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统，主要由四个部分组成：桥梁通航净高数据测量终端、数据通信网络、数据监测中心、预警信息发布平台；

所述桥梁通航净高数据测量终端以单片机为控制核心，结合雷达水位计、供电系统构成；

所述供电系统采用太阳能供电系统；

选取雷达水位计测量水位，雷达水位计采用发射—反射—接收的工作模式；

所述数据通信网络主要作为通信链路；通信链路配置为无线方式，无线通信模块内置公众移动通信网SIM卡，其主要作用是将桥梁通航净高数据测量终端探测的水位信息，基于GPRS通信原理，采用GPRS接入方式，传输到数据监测中心的服务器上；

所述数据监测中心，依托数据通信网络，并通过业务数据通信方案实时获取测控终端数据；然后对监测数据进行有效数据分析，并结合桥梁设计资料中的净宽数据形成桥梁通航净空尺度信息发送到预警信息发布平台；

所述预警信息发布平台，主要功能是航道监管部门基于监测中心数据，依托该平台向过往船民发送通航安全预警信息；

数据监测中心通过可变情报板，AIS短消息、或HF紧急呼叫综合信息发布手段及时对船民发布桥梁通航净空尺度信息。

本发明的有益效果：

本发明提供一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统及方法，实现对桥梁通航工作的全面监管，实时监测桥梁通航净空尺度动态数据信息，然后对这些信息有效分析并及时发布，实现对汛期水位变化大的桥区通航净空尺度的实时监测和预警的目标，从而为船民提供有效的服务；保障桥梁和船舶安全；提升服务水运能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为桥梁通航净空尺度实时监测预警系统部署架构；

图2为监控终端数据采集流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-2，一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统，主要由四个部分组成：桥梁通航净高数据测量终端(以下简称监控终端)、数据通信网络、数据监测中心(以下简称监测中心)、预警信息发布平台。该系统集桥梁监测、预警、数据传输、数据分析及信息发布于一体，是一种综合性桥梁通航净空尺度实时监测预警系统。

桥梁净空尺度包括净空高度和净空宽度，桥梁净空宽度代表船型要求的航道宽度，主要包括通航孔的通航方式、航道过桥时的航道扩大系数、净宽加大值等，相关数值均由桥梁设计资料获取。

监控终端以单片机为控制核心，结合雷达水位计、供电系统构成；

供电系统采用蓄电池与太阳能相互结合的电源供给方方案，即太阳能供电系统，该系统是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能的发电系统，该系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池等组成。太阳能电池板是太阳能发电系统的核心,其作用就是将太阳能转化为电能或是存入蓄电池中。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,对蓄电池进行过充、过放电等保护。蓄电池的作用是存储由太阳能电池板转化的电能,以便系统使用，蓄电池一般为铅酸电池。该系统日常工作过程是当阳光充裕时，太阳能电池板将直接供电给测报终端，同时给铅酸蓄电池充电，当遇到阴雨连绵等阳光不充裕的天气时，监测终端的电能供应则由蓄电池完成。

太阳能供电系统特点：连续、稳定、安全可靠、无污染、无需消耗燃料、不受地域限制、便于维修、无人值守、运行成本低。

选取雷达水位计测量水位，该水位计采用发射—反射—接收的工作模式，具体过程如下：

步骤1、脉冲及驱动信号发生电路产生两组相关的窄脉冲信号，分别驱动发射26GHz振荡器和接收26GHz振荡器

步骤2、发射信号通过带通滤波器、功率放大器、环形器后由天线将微波信号发射出去

步骤3、微波信号遇到被测水位后，部分能量被反射并被天线接收，经过放大滤波后由AD采集器根据等效时间采样原理采集数据，并送入微处理器分析、计算回波位置。

该水位计特点：非接触测量；抗干扰能力强，不受温度，风，蒸汽等影响；安装、使用、维护方便；技术成熟、性能稳定、精度高；雷达无机械磨损，使用寿命长。

数据通信网络主要作为通信链路，通信链路配置为无线方式，无线通信模块内置公众移动通信网SIM卡，其主要作用是将桥梁通航净高数据测量终端探测的水位信息，基于GPRS通信原理，采用GPRS接入方式，传输到数据监测中心的服务器上。

GPRS是在GSM系统的基础上引入三大主要组件如SGSN(GPRS业务支持节点)、GGSN(GPRS网关支持节点)、PCU(分组控制单元)而构成的无线数据传输系统。GPRS使用分组交换技术，特别适合突发性分组数据如水位采集信息的传输，在无线接口上可以按需分配信道资源。GPRS工作时，是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接。

GPRS网络特点：覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。

GPRS接入方式：监测中心和监控终端都使用GPRS终端拨号上网，采用移动内网动态IP+移动DNS解析服务。接入过程如下：

用户先与移动DNS服务商联系开通移动动态域名；监控终端在拨号上网后必须将获得的动态IP向注册服务器的软件进行注册；监测中心则从注册服务器上获得监控终端的IP地址，实现监测中心至监控终端下行通信；监控终端接收到监测中心的IP包后，从IP头中获得数据中心的IP地址，实现上行通信。

GPRS方式接入特点：除下行通信建立阶段外，其它的数据传输全部在GPRS网络内进行，安全性高，时延小，采用公网上的注册服务器协助建立通信，费用较低，有利于后期推广。

描述监测中心，依托数据通信网络，并通过业务数据通信方案实时获取测控终端数据；然后对监测数据进行有效数据分析，并结合桥梁设计资料中的净宽数据形成桥梁通航净空尺度信息发送到预警信息发布平台。

业务数据通信方案主要包含业务数据通信方式，通信流程及通信协议。

1)业务数据通信方式：

系统采用自报式和查询应答式的混合方式上传数据，采用轮询和突发上传两者结合的通讯调度方式。

自报式指的是按照监控终端测量数据与系统设定数据发生变化时，向监测中心发送桥梁通航净高数据的工作方式，其不受监测中心的控制。

自报式特点：优点是系统功耗低、结构简单、可靠性高实时性较好，且维修方便等，主要缺点是同频信号容易出现碰撞，从而使系统宽度受到限。

查询应答式是指在系统工作中，监测终端实时对桥梁通航净高数据进行采集存储并进行分析，当监控中心发送出相对的查询指令时，系统自动将桥梁通航净高数据上报到监控中心。

查询应答式的特点：监测中心可以随时对监控终端进行控制查询，系统可控行较好。

轮询指的是监测中心在设定的时间间隔内定时轮询监测数据，获取现场的设备的运行状况和参数

突发上传指的是若现场采集的监测数据超过设定的报警限值，数据处理单元就会以突发上传的方式，把报警信息发送监测中心。

2)业务数据通信流程：

监控终端采集到的桥梁通航净高数据，依托数据通信网络，按照数据通信方案，将数据传输监控中心，并对数据进行校验，格式化后录入数据库。具体流程如下：

步骤1、数据采集：通过监控终端，自动采集桥梁通航净高、并通过桥梁设计资料获取桥梁通航净宽信息；

步骤2、数据校验：重点对系统采集到的数据内容的有效性、完整性、准确性进行校验，未通过校验的数据不允许进入数据库；

步骤3、数据格式化：对采集的桥梁通航净空尺度数据，按照要求、时间进行分类、标准化、格式化；

步骤4、数据入库：开发数据转换程序或者利用已有的转换程序，将格式化后的数据转换入库。

3)业务数据通信协议：

雷达水位测量终端利用Modbus通信协议的03功能码，读取传感器或显示器数值(1个数值)。

主机的命令格式是从机地址、功能码、起始地址、字节数及CRC码。

从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。

数据区的数据是二进制码，二个字节，高位在前。

CRC码都是二个字节，低位在前。

CRC码的计算步骤：

步骤1、预置16位寄存器为十六进制FFFF(即全为1)。称此寄存器为CRC寄存器；

步骤2、把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器；

步骤3、检查最低位是否为0，如为0则把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位；如为1把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，然后CRC寄存器与多项式A001(1010000000000001)进行异或；

步骤4、重复步骤3直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；

步骤5、重复步骤2到步骤4，进行下一个8位数据的处理；

步骤6、得到的CRC寄存器即为CRC码。将CRC结果放入信息帧时，将高低位交换，低位在前。

数据分析指的是当河道水位受较大波浪、漂浮物、结冰、浮雪、干滩等诸多干扰；航道水位受行船、水的流动性以及刮风等因素影响；水波幅度变化较大时，测量数据将会出现跳变现象，对测量数据进行稳定性分析。

预警信息发布平台，主要功能是航道监管部门基于监测中心数据，依托该平台向过往船民发送通航安全预警信息。

监测中心通过可变情报板，AIS短消息、VHF紧急呼叫等综合信息发布手段及时对船民等发布桥梁通航净空尺度信息。

可变情报板系统为被动式预警，需要船民主动观察；VHF紧急呼叫为主动式预警，船载VHF终端被强制切换到紧急呼叫频道，播放预警信息；AIS为主动预警，但只针对安装AIS终端并且处于开机状态的船民，具有一定的局限性。通过三种不同方式的综合预警信息发布，将有效传递桥梁通航净空尺度，保障航道的通航。

可变情报板系统

可变情报板是航道通航状况及通航安全信息发布的重要设备，它是以LED发光器件为基本显示单元的通航信息显示设备，具有图形及文字显示功能。

可变情报板系统由显示屏体、控制器(内含软件)、数据采集器、配电箱、龙门架等组成。

控制器由cpu、存储器、通信接口、日历时钟、扫描显示和检测电路等组成，具有通信、故障检测和屏体显示检测等功能。

显示屏体是由若干个显示模组箱体组合而成，显示屏体采用积木化结构组合。

数据采集器采集电源及防雷器的电压、温度、亮度等数据提供给控制器。

配电箱由信号及交流电防雷器、过流和过压保护断路器、照明灯、工作插座等部件组成。

远程传输设备可以是rs-485转换器，或是调制解调器，或是光端机。

可变情报板系统预警信息发布流程如下：

步骤1、监控设备采集桥梁动态净空高度数据

步骤2、将数据通过GPRS无线网，将数据发送到监测中心

步骤3、监测中心根据设置的预警值决定是否发布预警信息

步骤4、如达到预警要求，监测中心发布预警信息到可变情报板，并不断更新最新的桥梁通航净空高度数据

步骤5、当预警解除后，LED电子显示屏显示默认的信息。

AIS短消息

船舶自动识别系统AIS(Automatic identification System)由岸基(基站)设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。

AIS采用船舶全球唯一编码体制，即MMSI码来作为识别手段。每一艘船舶从开始建造到船舶使用解体，给予一个全球唯一的MMSI码。

ASI技术标准规定：每分钟划分为2250个时间段。每个时间段可发布一条不长于256比特的信息，长于256比特的信息需要增加时间段。每条船舶会通过询问选择一个与他船不发生冲突的时间段和对应的时间段，依托AIS基站来发布本船的信息即AIS短消息。

AIS基站实现对辖区水域内装有AIS船台设备的船舶所发出的AIS信号接收。对于辖区内已有的AIS系统信号与监测中心实现接入。

AIS基站系统按功能可以分为三个部分：

(1)数据接收：通过VHF射频天线接收附近船舶信息，并且以标准AIS报文形式传递到下一个功能模块；

(2)数据处理：接收到标准的AIS报文数据，进行必要的处理，包括缓存、完整性检测、历史数据处理等功能；

(3)数据发送：侦测网络状况，在准确发送实时数据的前提下，利用网络空闲来传输缓存的历史数据。

AIS预警信息发布流程如下：

步骤1、监控设备采集桥梁动态净空高度数据并通过；

步骤2、将数据通过GPRS无线网，将数据发送到监测中心；

步骤3、监测中心根据设置的预警值决定是否发布预警信息；

步骤4、当达到预警设置后，监测中心搜索上下游预警区域内的所有AIS船舶；

步骤5、监测中心通过AIS基站系统向区域内所有装有AIS船台设备的船舶的发送短信提醒；

步骤6、警报解除后，由监测中心向AIS数据处理中心发出解除AIS预警指令。

VHF通信

无线电话指采用中/高频、高频、甚高频以及特高频等海上专用频率进行船舶间或船岸间的无线电通信。VHF电话的是无线电话中频段为156～174MHz的甚高频无线通信。

VHF无线电话有两种输出功率供选择——25W和1W。大功率用于通信距离较远、需要较强的发射信号，小功率用于近距离通话，减少了船舶间的信号干扰。岸台VHF无线电话输出功率为50W。

无线电话常用的工作方式有两种——单工操作和双工操作。

(1)单工操作(Simplex)：电信通路的每一方交替发射/接受信号。通信时，接/发信号都使用同一个频率，每一方讲话与收听不能同时进行。讲话时，需要将话筒上的按钮按下(此时收方不能讲话)，接收时松开按钮(此时不能向对方讲话)。

(2)双工操作(Duplex):电信通路的双方可同时发射/接受信号通信时。接/发信号都使用不频率，每一方讲话和收听都能同时进行。但应注意，此种工作方式只能在船/岸通信中使用，不能在船/船间通信中使用。

VHF无线电话的频道又称为信道，按照国际无线电规则的规定，目前共设有57个频道，01～28频道、66～88频道，频道间隔是25kHz，其中16频道的保护频道有两个(75频道和76频道)。开通了55个频道，其中单工频道20个，双工频道35个。目前，70个频道作为数字选择呼叫通信频道(DigitalSelective Calling——DSC)该频道已不能进行电话通信，因此目前能进行通话的频道只有54个。

AIS(Automatic Identification System)频道有2个，占用岸台的87和88频道。

VHF呼叫程序分为两步：(1)呼叫(2)消息交换

VHF基站部署是以桥梁为中心，在桥梁附近空旷处架设VHF小型基站，其有效覆盖范围保持在5公里左右，主要用于调节其发生功率。

VHF基站配设的CH16频道是遇险和安全报警的专用电路，可以随时接收在其覆盖区内遇险船舶的报警信号，为确保船民及时获取预警信息，呼叫频道采用CH16紧急呼叫频道。

当桥梁通航净空尺度达到预警设置后，VHF基站向过往船舶发送预警信息。

使用该系统预警方法为：将雷达水位计安装在通航桥梁通航孔上，高频微波脉冲垂直向下发射较窄的微波脉冲，经天线向下传输，微波接触到被测水位表面后被反射回来，再次被天线系统接收并将其传输给电子线路部分自动转换成水位信号。(因为微波传播速度极快，回波到达目标并进行反射返回接收器这一来回所用的时间几乎是瞬间的)，安装高度可测定，故可求得水位。由于桥梁在设计时，净空高度是在某一特定水位下的高度，利用水位信息，便可换算出该水位下的净空高度。水位监测终端通过数据处理单元模块，利用GPRS网络将数据上传至数据监测中心。桥梁通航监控终端可设置为自动定时向监测发送信息，也可设置为平时处于待命状态，在收到监测中心的指令后再上传桥梁净空高度信息。监测中心收到桥梁净空高度信息后，结合桥梁净宽数据，通过LED大屏，AIS短消息、VHF紧急呼叫等多途经发布桥梁通航净空尺度信息，确保及时准确的发布预警信息，保障船舶安全通过桥梁。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明中，除非有明确的规定和限定，特征之间相互交错，不一定独立存在。以上显示与描述包括本发明的基本原理、主要特征及其优点。从事该专业的技术人员需知，本发明不局限于上述实施例的限制，上述的实施例与说明书仅为本发明的优选例，而不是用来限制本发明，以成为唯一选择。在发明的精神和范围要求下，本发明还可进一步变化并优化，对本发明进行的改进优化都进入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护具体范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统，其特征在于：主要由四个部分组成：桥梁通航净高数据测量终端、数据通信网络、数据监测中心、预警信息发布平台；

所述桥梁通航净高数据测量终端以单片机为控制核心，结合雷达水位计、供电系统构成；

所述供电系统采用太阳能供电系统；

选取雷达水位计测量水位，雷达水位计采用发射—反射—接收的工作模式；

所述数据通信网络主要作为通信链路；通信链路配置为无线方式，无线通信模块内置公众移动通信网SIM卡，其主要作用是将桥梁通航净高数据测量终端探测的水位信息，基于GPRS通信原理，采用GPRS接入方式，传输到数据监测中心的服务器上；

所述数据监测中心，依托数据通信网络，并通过业务数据通信方案实时获取测控终端数据；然后对监测数据进行有效数据分析，并结合桥梁设计资料中的净宽数据形成桥梁通航净空尺度信息发送到预警信息发布平台；

所述预警信息发布平台，主要功能是航道监管部门基于监测中心数据，依托该平台向过往船民发送通航安全预警信息；

数据监测中心通过可变情报板，AIS短消息、或HF紧急呼叫综合信息发布手段及时对船民发布桥梁通航净空尺度信息。

2.根据权利要求1中所述的一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统，其特征在于，雷达水位计工作模式具体为：

步骤1、脉冲及驱动信号发生电路产生两组相关的窄脉冲信号，分别驱动发射26GHz振荡器和接收26GHz振荡器；

步骤2、发射信号通过带通滤波器、功率放大器、环形器后由天线将微波信号发射出去；

步骤3、微波信号遇到被测水位后，部分能量被反射并被天线接收，经过放大滤波后由AD采集器根据等效时间采样原理采集数据，并送入微处理器分析、计算回波位置。

3.根据权利要求1中所述的一种桥梁通航净空尺度实时监测预警系统，其特征在于，业务数据通信方案主要包含业务数据通信方式，通信流程及通信协议；

1)业务数据通信方式：

系统采用自报式和查询应答式的混合方式上传数据，采用轮询和突发上传两者结合的通讯调度方式；

自报式指的是按照监控终端测量数据与系统设定数据发生变化时，向监测中心发送桥梁通航净高数据的工作方式，其不受监测中心的控制；

查询应答式是指在系统工作中，监测终端实时对桥梁通航净高数据进行采集存储并进行分析，当监控中心发送出相对的查询指令时，系统自动将桥梁通航净高数据上报到监控中心；

轮询指的是监测中心在设定的时间间隔内定时轮询监测数据，获取现场的设备的运行状况和参数；

突发上传指的是若现场采集的监测数据超过设定的报警限值，数据处理单元就会以突发上传的方式，把报警信息发送监测中心；

2)业务数据通信流程：

桥梁通航净高数据测量终端采集到的桥梁通航净高数据，依托数据通信网络，按照数据通信方案，将数据传输监控中心，并对数据进行校验，格式化后录入数据库；具体流程如下：

步骤1、数据采集：通过桥梁通航净高数据测量终端，自动采集桥梁通航净高、并通过桥梁设计资料获取桥梁通航净宽信息；

步骤2、数据校验：重点对系统采集到的数据内容的有效性、完整性、准确性进行校验，未通过校验的数据不允许进入数据库；

步骤3、数据格式化：对采集的桥梁通航净空尺度数据，按照要求、时间进行分类、标准化、格式化；

步骤4、数据入库：开发数据转换程序或者利用已有的转换程序，将格式化后的数据转换入库；

3)业务数据通信协议：

雷达水位测量终端利用Modbus通信协议的03功能码，读取传感器或显示器数值(1个数值)；

主机的命令格式是从机地址、功能码、起始地址、字节数及CRC码；

从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码；

数据区的数据是二进制码，二个字节，高位在前；

CRC码都是二个字节，低位在前；

CRC码的计算步骤：

步骤1、预置16位寄存器为十六进制FFFF(即全为1)；称此寄存器为CRC寄存器；

步骤2、把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器；

步骤3、检查最低位是否为0，如为0则把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位；如为1把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，然后CRC寄存器与多项式A001(1010000000000001)进行异或；

步骤4、重复步骤3直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；

步骤5、重复步骤2到步骤4，进行下一个8位数据的处理；

步骤6、得到的CRC寄存器即为CRC码；将CRC结果放入信息帧时，将高低位交换，低位在前。