桥梁通航净空尺度动态监测预报系统探讨

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　　摘  要：以芜申运河安徽段航道上桥梁通航净空尺度为研究对象，通过对桥梁通航净空进行监测，分析收集的通航信息数据，数据中心对数据分析處理后通过信息平台及时向过桥船员发布，以便船员根据实际通航信息决定行动计划，最大限度地避免船舶撞击桥梁事件的发生，保护生命财产安全。
　　关键词：桥梁通航;净空尺度;动态监测;预报
　　中图分类号：U446 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）32-0054-02
　　Abstract： Taking the navigation clearance scale of the bridge on the Anhui section of the Wushen Canal as the research object， through the monitoring of the navigation clearance of the bridge， the navigation information data collected are analyzed. After analyzing and processing the data， the data center issues it to the bridge crew in time through the information platform， so that the crew can decide the action plan according to the actual navigation information， avoid the collision of the ship into the bridge to the maximum extent， and protect the safety of life and property.
　　Keywords： bridge navigation; clearance scale; dynamic monitoring; prediction
　　1 概述
　　净高和净宽是桥梁通航净空尺度主要指标。因高度不足发生卡船、因宽度不足（偏离航道）发生船撞桥墩的事故在世界各国时有发生。
　　为保证桥梁通航安全，建设、运营、海事等相关部门在桥梁上及其附近设置防撞设施及助航标志，较好地起到了预防事故的作用。但由于桥梁建设时期不同，建设标准不统一以及大雾、超载、船舶尺寸改变、违章航行、夜航等客观原因的存在，目前急需把被动式防护变成船舶驾驶员主动避让，才能更大程度上避免船撞桥事故的发生。实时监测桥梁净空尺度，在桥梁及其附近建设信息化平台，提前准确告知船舶驾驶员相关信息，就成了当前研究的热点。
　　本文以芜申运河安徽段信息化建设为依托，对比分析芜申运河桥梁现状，找出最具设置实时监测要求的桥梁进行监测，并数据把实时发布到信息平台上，提升服务能力。
　　2 调查研究
　　2.1 芜申运河上桥梁现状和航道等级情况
　　已有调查表明，芜申运安徽段航道上存在16座桥梁，分属市政、公路、铁路部门。芜申运河航道整治工程采用限制性Ⅲ级航道标准，半径不小于480米，最小通航水深为3.2米。其中临江桥、芜马公路桥、芜宣公路桥净空尺度不符合限制性Ⅲ级航道标准。
　　2.2 调查运输船舶
　　芜申运河规划船型为1顶2×1000t船队、1000t货船。随着航道等级的提高，江海直达轮进入内河，大宗货物运输对公路的破坏造成社会成本增加等，客观上造成运输船舶大型化趋势。受船闸宽度的影响，船舶大型化的先期趋势是加大吃水深度和船长，这对通航安全都提出了考验。通过对芜申运河安徽段运输船舶的调查得知，单艘船运量及其构成比例如下：水位较高时通行船舶最大吨位达2800吨，其船舶尺寸也大于规划船型尺寸，特别是吃水深度达到2.5m～3.0m，数量约占5%左右;900吨～1300吨是常见船舶，船舶尺寸与规划船型尺寸相当，数量约占50%;其它比规划船舶小的船舶，数量约占45%。
　　大型船舶驾驶员如果对桥梁通航净高、净宽信息不能及时撑握，就不能根据自己船舶的实际尺寸及时做出决策，给内河航运安全会带来不利的影响。“互联网+”和航道信息化的发展，使得船舶驾驶员根据通航信息做出主动避让成为可能。
　　3 桥梁通航净空尺度监测及预报系统应用
　　3.1 桥梁通航净空尺度实时监测
　　3.1.1 净高
　　根据《内河通航标准》规定，净高起算面为设计最高通航水位。通航净空高度数值为代表船型空载水线以上至最高固定点高度与富余高度之和。当净高大于桥梁最低点至河床顶面距离与设计船舶吃水深度之差时，则有可能搁浅。所以得出：
　　Hm<Hz-Hs......①桥卡船报警
　　Hm>Hz-Hc......②搁浅报警
　　Hz-Hc？芏Hm？芏Hz-Hs......③正常航行
　　芜申运河安徽段临江桥梁底最低高程15.21m，查航道设计图河床设计高程为-1.7m，因此Hz=15.21-（-1.7）=16.91m;设计最高水位9.60m。
　　Hm<16.91-9.6-1.7=5.61（m）......④桥卡船报警;
　　Hm>15.21-（-1.7）-3.2=13.71（m）......⑤搁浅报警;
　　5.61？芨Hm？芨13.71......⑥不报警，船舶正常通行。
　　3.1.2 净宽
　　芜申运河安徽段通航孔是单孔单向通航，根据《内河通航标准》，当桥梁轴线的法线方向与水流方向夹角小于5°时，通航净宽可以按下列公式计算：
　　Bm1<BF+ΔBm+Pd......⑦报警， 　　其中BF=Bs+Lsinβ.........⑧
　　式中：Bm1-单孔单向通航净宽（m）;BF-船舶或船队航迹带宽度（m）;ΔBm-船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度（m），Ⅰ～Ⅴ级航道取0.6倍航迹宽度;Pd-下行船舶或船队的偏航距（m）;Bs-船舶或船队宽度（m）;Β-船舶或船队的航行漂角（°），Ⅰ～Ⅴ级航道取6°。
　　所以公式⑦代入数据后变为：Bm1=10.8+160×sin6°+0.6×（10.8+160×sin6°）+10=10.8+160×0.104+0.6×（10.8+160×0.104）+10=53.904m。
　　即实测通航孔两桥墩内缘间距离B<53.904m通航宽度时报警。
　　3.2 信息采集、传输与发布
　　3.2.1 数据采集
　　以净高为例，对比分析各种仪器可知，雷达水位计不受温度、风、蒸汽等影响，抗干扰能力强，安装、使用、维护方便，无机械磨损，寿命长，比较适合。
　　3.2.2 信息传输
　　通信网络主要包括有线通信和无线通信两种方式。桥梁通航净空尺度采集地点大多在野外，地点分散，传输距离大，有线通信方式布线困难，且成本较高，因此桥梁通航净空高度测量系统中采用无线通信的方式进行传输比较合适。4G LTE系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。桥梁净空尺度的信息采用无线4G作为数据传输手段，将来升级改造也相对容易。
　　3.2.3 信息发布
　　目前船民获取信息的方式主要有手机短信、岸边电子显示屏、AIS短消息、VHF对讲、公众服务网站、通航服务APP等。针对船民航行分散的特点，以及信息发布具有实时性的要求，采用通航服务APP的方式较好。结合航道管理信息化平台，可以将船舶运行轨迹叠加到电子航道图上，通过语音形式报送提醒信息。
　　3.3 发布报警地点及等待区设置
　　船舶接收到预警后，就要有个停泊等待区。停泊等待区与桥梁的距离以不降低桥址段航道的通过能力、并保证航行安全来确定。其距离可取以下两种方法计算结果2的大值。按“上游：顶推船队长度4倍或拖带船队3倍;下游：顶推船队长度2倍或拖带船队1.5倍”进行计算就是上游：640m;下游：320m。
　　按“Ⅱ～Ⅴ级航道5min航程+L”计算（内河船舶航行平均12节，最大20节，取（12+20）/2=16节中高水平，即8.23m/s;不利季节水流取1.5m/s）为5×60×9.73+160=3079m。由于受青弋江水流影响，芜申运河安徽段部分河段水流不是一直朝一个方向流，所以距离应按上游大值控制。取3079m整数，建议报警地点设在离桥梁3000m以外，等待区设在离桥梁640m～3000m之间。
　　4 结论
　　本文以芜申运河安徽段航道整治工程信息化建设为依托，以临江桥、芜马公路桥、芜宣公路桥不符合限制性Ⅲ级航道标准为事实基础提出桥梁通航净空尺度监测和预报应用，得出如下结论：
　　（1）通航净高：Hm<Hz-Hs桥卡船报警;Hm>Hz-Hc搁浅报警;Hz-Hc？芏Hm？芏Hz-Hs正常航行。
　　（2）单孔单向通航净宽：Bm1<BF+ΔBm+Pd报警;Bm1？芏BF+ΔBm+Pd正常航行。
　　（3）建議在离桥3000m外发布警报信息。
　　（4）建议等待区地点在离桥梁640m～3000m间设置。
　　（5）通过“互联网+”可以实现桥梁通航信息的采集、传输和发布。
　　参考文献：
　　[1]戴彤宇，聂武.船撞桥事故综述[J].黑龙江交通科技，2003（02）：1-3.
　　[2]安徽海达海事咨询服务有限公司.通航安全评估报告（报批稿）[R].2009，8.
　　[3]安徽省交通勘察设计院有限公司.芜申运河航道整治工程施工图设计[Z].2010，12.
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