李飛雄,潘俊濤,朱 頁

(1.昆明公路局晉寧公路分局，昆明 650605；2.云南省公路科學技術(shù)研究院，昆明 650051；3.昭通公路局鎮(zhèn)雄公路分局，昭通 657200)

截至2020年年底，我國高速公路里程已達16.1萬公里，為中國的經(jīng)濟發(fā)展做出了重大貢獻。橋梁作為高速公路重要的組成部分，其能否正常通行直接影響著高速公路的行車安全，如大廣高速花湖互通D匝道(跨空匝道橋梁)發(fā)生側(cè)翻事故，實時的橋面路況信息不僅能夠提高管養(yǎng)單位的應(yīng)急處置效率，也能提高來車司機的行車安全。當前許多學者在積極開展橋面監(jiān)測的研究，并取得了一定的成績，趙旭升等[1]采用MIDAS Civil軟件建立橋梁空間動力計算模型并對橋梁的健康狀態(tài)進行仿真計算，以確認橋梁的傳感器數(shù)量及鋪設(shè)位置，最終計算出三種有效的布置方案，但該方案處于仿真階段，只有傳感器的布置，未對整套監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，對橋梁的監(jiān)測不完整。周志祥等[2]采用三維激光掃描系統(tǒng)對橋梁的變形情況進行監(jiān)測，并將采集數(shù)據(jù)與精密水準儀測量結(jié)果、有限元仿真分析結(jié)果比較，結(jié)果表明該方案能夠顯著地提高檢測的精度，但該方案所采用的三維激光掃描系統(tǒng)成本較高，且只能識別出橋梁變形信息，對橋面是否結(jié)冰、是否擁堵等情況無法檢測。羅娟等[3]采用干涉雷達對橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)連續(xù)變形進行測量，該技術(shù)能夠檢測出橋梁發(fā)生的微型形變，相比傳統(tǒng)測量技術(shù)，該技術(shù)檢測精度更高，實用性更強，但該技術(shù)不能得知橋面的交通路況信息。李文全[4]提出了一種變高度鋼桁架連續(xù)梁橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路，主要對傳感器布置、軟硬件設(shè)施等進行優(yōu)化設(shè)計，但該方案不能形成閉環(huán)的監(jiān)測系統(tǒng)，也不能實時提醒來車司機前方橋面的路況信息。另有相關(guān)研究學者總結(jié)了現(xiàn)有斜拉橋拉索健康監(jiān)測技術(shù)，并介紹了基于壓力傳感器的索力監(jiān)測法、基于振動頻率的索力監(jiān)測法和基于電磁傳感器的索力監(jiān)測法、光纖光柵監(jiān)測法及聲發(fā)射監(jiān)測法等幾種主要的拉索健康監(jiān)測技術(shù)的基本原理，但這些技術(shù)均只針對橋梁的某一方面進行監(jiān)測，并未全面地監(jiān)測橋梁的路況信息。

基于上述原因，本文提出一種采用溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器、振動傳感器、視頻事件檢測器和毫米波雷達分別實時檢測橋面的溫濕度信息、傾斜度信息、結(jié)冰信息、位移信息、振動信息、交通事故信息和擁堵信息等的高速公路橋面路況監(jiān)測系統(tǒng)，并將檢測到的路況信息傳輸至監(jiān)控分中心展示，為管養(yǎng)單位的工作人員提供路況信息，便于工作人員有目的地對橋梁進行維護。同時，該系統(tǒng)所檢測到的路況信息在可變信息情報板上顯示，為來車司機提供有效的交通信息。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要對高速公路橋面實時交通路況進行監(jiān)測，需在橋面兩側(cè)等距鋪設(shè)無線傳感器實時檢測橋面的路況信息，再通過LoRa無線傳輸技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳到橋頭的一體化機柜。一體化機柜能控制可變信息情報板的顯示，也能夠匯聚無線傳感器、視頻事件檢測器和毫米波雷達檢測到的數(shù)據(jù)，并將其傳輸至監(jiān)控分中心顯示。橋頭設(shè)置有龍門架，用于安裝可變信息情報板、視頻事件檢測器、補光燈和毫米波雷達，其中視頻事件檢測器、補光燈和毫米波雷達均設(shè)置兩套，互為冗余。毫米波雷達通過檢測車輛的速度信息判斷橋面是否擁堵，視頻事件檢測器主要用于判斷橋面是否發(fā)生交通事故，補光燈主要用于為視頻事件檢測器增加亮度，補光燈和視頻事件檢測器的安裝方向需與行車方向同向，以避免補光燈直射行車司機而影響司機視線。系統(tǒng)安裝示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)安裝示意

1.1 LoRa無線傳輸技術(shù)

LoRa無線傳輸技術(shù)是Semtech公司于2013年發(fā)布的一種低功耗廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)，它能夠兼顧低功耗和遠距離傳輸，打破了傳統(tǒng)通信技術(shù)中需要犧牲功耗來提高傳輸距離或犧牲傳輸距離來節(jié)約功耗的瓶頸[5-6]。相比藍牙通信、ZigBee通信、Wi-Fi通信等技術(shù)，LoRa無線傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠、功耗及成本較低的優(yōu)勢，傳輸距離可達15～20 km，低功耗的優(yōu)勢能夠延長電池的使用壽命，相應(yīng)成本也因此降低。

LoRa基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓撲如圖2所示。由圖2可知，LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓撲由若干終端節(jié)點采集底層數(shù)據(jù)，利用RF(射頻)技術(shù)或LoRaWAN技術(shù)將終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)基站，再通過3G或以太網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，最后再傳輸至應(yīng)用服務(wù)器上。其中，網(wǎng)關(guān)基站與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過TCP/IP傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議連接，網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，一個LoRa網(wǎng)關(guān)基站能接入200個LoRa終端節(jié)點，網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點之間能夠雙向通信[7]。由于采用了擴頻技術(shù)，不同傳輸速率的通信之間不會互相干擾，此外還會創(chuàng)建一組虛擬化的頻段增加網(wǎng)關(guān)容量。LoRaWAN的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3～37.5 kbps，為了最大化終端設(shè)備電池的壽命和整個網(wǎng)絡(luò)容量，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過一種速率自適應(yīng)方案來控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設(shè)備的射頻輸出功率[8-9]。

圖2 LoRa基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓撲

1.2 無線傳感器

由于高速公路橋梁的橋體是懸空的，周圍空氣流動快，橋體的熱量散發(fā)快，橋面溫度隨空氣溫度升降也快，因此橋面溫度與路基溫度有一定的差值，不能僅以氣象站提供的溫度為依據(jù)來判斷橋面的真實溫度，需采用溫度傳感器對橋面溫度進行實地測量。橋面濕滑也是影響行車安全的一個重要因素，通過濕度傳感器檢查橋面的濕度信息，進而判斷橋面是否存在濕滑的情況。對橋梁振動頻率進行監(jiān)測也很重要，由于車輛行駛在橋面上時，橋體會產(chǎn)生振動，當車輛施加到橋梁的頻率與橋梁的固有頻率相同時，橋梁的振動會被加強，當橋梁的振動幅度達到最大限度直至超過橋梁的抗壓力時，橋梁就會斷裂，因此需采用振動傳感器對橋梁振動頻率進行監(jiān)測。路面結(jié)冰造成路面抗滑能力顯著降低，將給道路暢通和行車安全帶來嚴重的隱患，橋面相對路基路面更易結(jié)冰，采用結(jié)冰傳感器檢測橋面的結(jié)冰情況對山區(qū)高速公路來說是非常有必要的。此外，當橋梁發(fā)生變形、偏移時，橋體的位移和傾角會產(chǎn)生一定的變化，需通過布設(shè)位移傳感器和傾角傳感器來實時檢測橋梁的變形和偏移情況。

無線傳感器的組成結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，無線傳感器主要由溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器、振動傳感器、LoRa無線終端和STM32控制器組成。其中，溫度傳感器、濕度傳感器、傾角傳感器、結(jié)冰傳感器、位移傳感器和振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息需傳輸至STM32控制器中進行計算。由于橋面需要安裝多個無線傳感器來檢測橋面路況信息，本文采用LoRa無線傳輸技術(shù)將各無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息匯聚到一體化機柜中進行處理。

圖3 無線傳感器的組成結(jié)構(gòu)示意

1.3 一體化機柜

一體化機柜的主要功能是通過LoRa網(wǎng)關(guān)匯聚各無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，并將其同毫米波雷達采集到的數(shù)據(jù)信息一起傳輸至工控機中進行處理，處理后的數(shù)據(jù)信息同視頻事件檢測器采集到的圖像信息一同傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)交換機中，最后再通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機傳輸至監(jiān)控分中心。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，一體化機柜中配置有不間斷電源，以保證供電的連續(xù)性。一體化機柜的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 一體化機柜的結(jié)構(gòu)示意

1.4 可變信息情報板

可變信息情報板不僅要顯示監(jiān)控分中心下達的顯示指令，還要顯示橋面路況信息。因此，需要將可變信息情報板與工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工控機連接起來，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機接收監(jiān)控分中心下達的顯示指令，再傳輸給可變信息情報板顯示，工控機則根據(jù)LoRa網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)信息控制可變信息情報板的顯示內(nèi)容。可變信息情報板的控制連接如圖5所示。

圖5 可變信息情報板的控制連接

2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

高速公路沿線鋪設(shè)有主干光纜，主要用于傳輸機電設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。因此，各無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息在全部匯聚至一體化機柜后，可通過主干光纜傳輸至監(jiān)控分中心。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意

通過LoRa無線終端將布設(shè)在橋面上的各無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將匯聚后的數(shù)據(jù)信息分兩路分別傳輸給工業(yè)以太網(wǎng)交換機和工控機，采用融纖技術(shù)在主干光纜上接出兩芯尾纖連接到工業(yè)以太網(wǎng)交換機上，每條路段上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過光纖連接成自愈環(huán)網(wǎng)，即使其中一條鏈路斷開，數(shù)據(jù)還可以通過另一側(cè)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。路段上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機將LoRa網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)信息通過尾纖傳到主干光纜上，主干光纜再通過通信系統(tǒng)發(fā)送至監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機中，并通過工作站來訪問監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機上的實時數(shù)據(jù)信息，再將數(shù)據(jù)信息傳輸至服務(wù)器中進行存儲，通過工作站訪問服務(wù)器來查看歷史數(shù)據(jù)信息。根據(jù)《橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運營維護與管理規(guī)范》(DB34/T 3968—2021)中的各項指標在工作站中建立橋梁健康指標庫，以這些指標作為預(yù)設(shè)值，當指標被監(jiān)測到超出預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)會發(fā)出警告以提醒工作人員橋面出現(xiàn)健康問題。

3 結(jié)語

本文主要利用無線傳感器針對橋面的溫濕度信息、傾斜度信息、結(jié)冰信息、位移信息、振動信息、交通事故信息和擁堵信息進行監(jiān)測，采用LoRa無線傳輸技術(shù)將各無線傳感器采集到的橋面路況信息數(shù)據(jù)匯總后傳輸至監(jiān)控分中心，再通過可變信息情報板顯示。該方案監(jiān)測維度廣，能夠形成監(jiān)測閉環(huán)，既能為工作人員提供實時的橋面路況信息，方便工作人員對橋梁進行維護，也能提醒行車司機前方橋面的路況，提高行車安全性。