桥涵标的集控管理及其工程应用
陈明忠
摘要：桥梁通航孔附近的桥区水域常常是通航安全的重点监控水域，其中桥涵标则是船舶驾驶人员所要参照的重要助航设施。然而桥涵标的管理目前还存在着一定的滞后性，其工作状态的实时监测尚显不足。本文在多座桥梁的桥涵标建设工程基础上，提出了开发新型桥涵标遥测终端的技术要求，介绍了遥测终端的工程安装方案，并运用自行开发软件将桥梁及其所对应的桥涵标进行联网管理，阐述了桥涵标的集控管理模式及其特点。
关键词：桥涵标 助航设施 集控管理 通航安全
0 引言
根据内河、海区的通航特点，我国先后制定有GB586493《内河标志》与GB24418-2009《中国海区可航行水域桥梁助航标志》，对桥梁助航标志的设置进行了规范，人们通常把安装在桥梁上的标牌、灯光标志等统称为桥涵标。随着我国经济的快速发展，四通八达的交通网建设促使跨江、跨海桥梁日渐增多，尤其是沿海地区，跨海连岛的桥梁与沿岸通航船舶的交互影响大，如果桥涵标的助航效能不能得到可靠保障，则可能给船舶通过桥孔造成困难，从而埋下碰撞、搁浅等安全隐患[1][2]。
航标遥测遥控技术的广泛应用大大提高了人们对航标故障的预判和及时发现能力[3][4]。按照GB规范设置的桥涵标在地理空间上与水上航标分布相比则显得高度密集，一座多孔桥梁少则十几个、多则数十个的标志设置点，如采用惯常的单标遥测方式，要全面实施桥涵标的遥测遥控则面临着建设与维护费用高、监控管理分散的窘境。因此研究采用集约式的桥涵标遥测和管理系统，对于推广应用桥涵标实时监控技术，提高航标管理效率和航海保障水平具有十分现实的意义。
1桥涵标的样式
1.1 内河桥涵标志
在内河航标中，桥涵标类型有桥孔中央的迎船面标牌（夜间为发光航标灯）以及两侧桥柱上的桥柱灯阵列（如图1-1）。有些新型设计方案也借鉴海区可航水域桥涵标设置要求，在多孔内河桥梁的禁航孔上安装了“X”形禁航标牌。
1.2 海区可航水域桥涵标志
在海区可航水域助航标志中，桥涵标类型有双向通航桥孔标志、单向通航桥孔标志、桥孔禁航标志、桥墩警示标志等，以上标志夜间标识显示为发光的标牌指示符或闪光灯质。如图1-2所示，前3种标牌夜间由发光LED灯阵组成指示符，后3种标志其夜间则由单盏航标灯以灯质来表示信号特征，或由LED阵列排列出标牌轮廓并按规定灯质发光。
2桥涵标遥测终端（RTU）的选用
2.1 通用航标遥测终端
桥涵标的遥测其目的是对桥梁上所布设的航标灯器、标志牌的发光状态及其工作参数进行监测。目前在海区航标管理中普遍使用的航标遥测遥控终端有两种类型：一种为内置式终端，整合在航标灯器内，结构紧凑，现场安装步骤少；另一种为外置式终端，安装于灯器外部，不依赖灯器接口，通过互感器及分立的外置天线与安装部件来采集信息，工作时对灯器影响小。这两类终端所采集并回传的数据主要为灯器的工作电流、工作电压以及位置信息，一般一个终端只能采集一盏航标灯的工作数据。
2.2 桥涵标遥测终端的开发
对于海区通航要求的桥梁来说，由于标牌间距小则30～40米，大则超过100米，整座桥梁的标志分布呈现数量多、排列集中的特点，如以通用的航标遥测终端来实现桥涵标的遥测，则需在每面标牌或者航标灯器上分别配置一个或多个RTU终端来实现数据采集和回传。因此一座海区通航要求的桥梁其桥涵标需配置的遥测终端数量就比较庞大，普及安装的投入大、成本高。如实现一个终端（RTU）同时采集多路标牌工作数据则可大大减少终端（RTU）的使用量，从而减少终端的经费投入和运维成本。为此，我们与相关企业联合研制了具有遥测遥控功能的GKDY07型LED标牌驱动器，该产品采用一体化模块式设计，既能驱动和控制LED标牌的发光，也整合了多路数据的采集和遥测遥控功能，这样就可对标牌的发光阵列进行更精细的监测，比如对发光阵列组合的每个笔画是否正常进行监测以判定故障部位，也可以根据驱动通道的占用情况同时接入两面以上的标牌或多台航标灯器。该型号驱动及遥测控制器的特点具体如下：
（1）具有8个独立的LED阵列驱动通道；
（2）可分别采集8个通道的电流值及1个通道的电压值；
（3）可采集GPS位置信息；
（4）可感光控制电源通断；
（5）可回传常用遥测数据：位置、工作电压、工作电流；
（6）可接受遥控指令：上报时间间隔、设备ID编号、灯亮度等；
（7）双通道远程通信，两通道互为备份；
（8）过热保护；
（9）密封防水。
该型驱动器支持DC12V～DC36V宽电压幅值，每通道最大驱动电流3A，如桥涵标以交流电为供电电源则需通过电源转换后接入，如以太阳能和蓄电池组合供电则可直接输入电源接口。在市电供电情况下，其典型安装方式如图2-1所示，在标志间距合理情况下可通过电源引出线同时驱动多路标志。
3桥涵标的布设与遥测终端的安装
3.1 桥涵标设置方案
以福建省闽江通海航道上的魁岐大桥为例，该桥桥区航道按内河2级通航标准维护，通航孔按单孔双向通航1000T海轮标准设计，桥墩间距270m，通航孔净空高度24.0m，净空宽度181.0m，设计最高通航水位6.89m，其余桥孔均为非通航孔，禁止通航。按GB标准其桥涵标布设方案如图3-1、图3-2所示，通航孔左、右侧标牌中间分别安装红、绿闪光航标灯，双向通航标牌由LED阵列组成，夜间灯质为绿色定光，禁航孔标牌为黄底红色“X”形，夜间灯质为红色“X”形定光。
3.2 遥测控制柜安装方案
桥梁两侧的桥涵标设置及安装方式基本相同，发光标牌由市电经UPS在线方式供电，桥墩警示灯桩由太阳能电池独立供电。桥梁单侧标牌的驱动及遥测控制柜安装方案如图3-3所示，双向通航标志及左右侧航标灯可由同一个GKDY07型控制柜驱动发光并遥测，共占用驱动器的4个支路；魁岐大桥1号标牌距离其他标志较远，为简化施工布线作业可单独安装一个控制柜；魁岐大桥13号、15号标牌可共用一个控制柜，每个标牌占用4个通道分别驱动“X”形的4个笔画，可用满8个驱动通道。以上每个控制柜各使用一张SIM卡，采集的各通道数据通过GPRS/GSM公网回传，从而实现桥涵标的遥测遥控。
4多桥梁的桥涵标集控管理
4.1 常用的航标遥测系统
目前常用的航标遥测管理系统多以电子海图叠加航标及其遥测数据的方式来实施监控，如要查询桥涵标工作情况只能输入具体的航标名称或编号来查找，其遥测管理和桥梁之间缺乏直接的关联，因此随着桥梁及其桥涵标数量的增多，系统对桥涵标的监测和查询常常需要熟练的专业人员辅助才能实现，这也给值班人员的培训和应急判断造成诸多不便，管理短板显而易见。
4.2桥涵标集控管理系统
4.2.1 数据库内容
针对桥涵标的管理特点，我们结合多桥梁条件下遥测终端的安装使用，开发了桥涵标集控管理系统，以提高监控和应急反应的及时性和便利性。该系统所构建的桥涵标管理数据库内容包括：
（1）用户（操作）权限：用户名、密码、类别、权限；
（2）操作行为日志（时间、用户ID、动作）；
（3）报警表（实时和历史报警数据）；
（4）桥涵标标牌显示笔画或灯器与控制器编码关系表；
（5）水文采集数据表（流速、流向和净空高）
（6）气象采集数据表（风速、风向、温度和湿度）；
（7）助航标志表（航标编码、经纬度、坐标）；
（8）控制器信息表（控制器IP、电话号码、工作状态）、实时/历史；
（9）航标类型表（单向、双向、禁航、桥柱等）；
（10）桥梁信息表（省、市、桥梁名称、通航孔宽度、净空高）。
4.2.2 系统功能特点
如图4-1所示，以已完成工程建设并入网的7座桥梁为例，该系统主要实现了几大功能：
（1）平台以桥梁为管理对象，增加了对桥梁通航数据的管理，达到多桥梁联网管理目的；
（2）每座桥梁所附属的桥涵标工作状态以平面图或实景图显示如图4-2，易于识别，监控管理操作简便；
（3）接入数据库的桥涵标遇有故障将予以及时报警；
（4）可通过传感器采集桥区水文气象及净空高等助航数据，为改善桥区通航环境拓展助航信息服务内容。
（5）根据管理单位需要，桥梁和对应的桥涵标数据库可不断新增与扩充，达到实时监控和集控管理目的。
5 结语
桥区水域的通航安全关系重大，桥涵标具有指引明晰、提前预示的助航作用，因此桥涵标的监控管理应作为桥区通航安全的重点监管范畴予以重视。由于在常用的航标遥测遥控管理平台上仅将每座桥梁对应的桥涵标当作孤立的一座座普通航标来管理，难以直观展示或识别一座桥梁标志的整体工作状况，管理的针对性不强、局限性较为明显。桥涵标集控管理模式可通过建立桥梁数据库，在硬件上开发一种可采集多路数据的桥涵标遥测终端，降低了工程成本，并能更准确地监测桥涵标标牌的局部（如：笔画）故障；在软件上开发了桥涵标集控管理系统平台，将桥梁数据及其对应的桥涵标遥测数据实行联网管理，可直观监控每座桥梁所对应的桥涵标工作状态。这种管理模式操作便捷，工作状态直观明了，故障报警及时，可不断扩充需监测的桥梁及桥涵标数量，而且桥涵标遥测终端的布设成本低，易于实现集约式监测桥涵标工作状态，保障桥区水域通航安全的。
对于已经完成桥涵标建设但尚未实现遥测功能的桥梁，在并入集控管理平台时，为避免大规模更换标牌或灯器的驱动设备而增加改造成本，可在保持原设备不变情况下，开发一种外置式多路数据采集与回传的遥测终端，并简化遥测型GKDY07驱动器中所附带的灯器驱动功能，达到降低改造成本并实现集控管理的目的，这也是我们进一步在做的工作。
参考文献：
[1]阳建云.东海大桥桥航标的设计[M].水运工，2006（5）：79-84.
[2]陈明栋，陈明，林巧等.山区河流桥区通航条件和通航安全问题研究[M].水运工程，2009（8）：84-88.
[3]吴允平，蔡声镇，刘华松等.航标遥测遥控信息系统的设计与实现[M].计算机工程，2006（6）：253-254.
[4] 余华，张杏谷，魏武财.AIS航标遥测遥控的研究[M].航海技术，2010（5）：41-43.
摘要：桥梁通航孔附近的桥区水域常常是通航安全的重点监控水域，其中桥涵标则是船舶驾驶人员所要参照的重要助航设施。然而桥涵标的管理目前还存在着一定的滞后性，其工作状态的实时监测尚显不足。本文在多座桥梁的桥涵标建设工程基础上，提出了开发新型桥涵标遥测终端的技术要求，介绍了遥测终端的工程安装方案，并运用自行开发软件将桥梁及其所对应的桥涵标进行联网管理，阐述了桥涵标的集控管理模式及其特点。
关键词：桥涵标 助航设施 集控管理 通航安全
0 引言
根据内河、海区的通航特点，我国先后制定有GB586493《内河标志》与GB24418-2009《中国海区可航行水域桥梁助航标志》，对桥梁助航标志的设置进行了规范，人们通常把安装在桥梁上的标牌、灯光标志等统称为桥涵标。随着我国经济的快速发展，四通八达的交通网建设促使跨江、跨海桥梁日渐增多，尤其是沿海地区，跨海连岛的桥梁与沿岸通航船舶的交互影响大，如果桥涵标的助航效能不能得到可靠保障，则可能给船舶通过桥孔造成困难，从而埋下碰撞、搁浅等安全隐患[1][2]。
航标遥测遥控技术的广泛应用大大提高了人们对航标故障的预判和及时发现能力[3][4]。按照GB规范设置的桥涵标在地理空间上与水上航标分布相比则显得高度密集，一座多孔桥梁少则十几个、多则数十个的标志设置点，如采用惯常的单标遥测方式，要全面实施桥涵标的遥测遥控则面临着建设与维护费用高、监控管理分散的窘境。因此研究采用集约式的桥涵标遥测和管理系统，对于推广应用桥涵标实时监控技术，提高航标管理效率和航海保障水平具有十分现实的意义。
1桥涵标的样式
1.1 内河桥涵标志
在内河航标中，桥涵标类型有桥孔中央的迎船面标牌（夜间为发光航标灯）以及两侧桥柱上的桥柱灯阵列（如图1-1）。有些新型设计方案也借鉴海区可航水域桥涵标设置要求，在多孔内河桥梁的禁航孔上安装了“X”形禁航标牌。
1.2 海区可航水域桥涵标志
在海区可航水域助航标志中，桥涵标类型有双向通航桥孔标志、单向通航桥孔标志、桥孔禁航标志、桥墩警示标志等，以上标志夜间标识显示为发光的标牌指示符或闪光灯质。如图1-2所示，前3种标牌夜间由发光LED灯阵组成指示符，后3种标志其夜间则由单盏航标灯以灯质来表示信号特征，或由LED阵列排列出标牌轮廓并按规定灯质发光。
2桥涵标遥测终端（RTU）的选用
2.1 通用航标遥测终端
桥涵标的遥测其目的是对桥梁上所布设的航标灯器、标志牌的发光状态及其工作参数进行监测。目前在海区航标管理中普遍使用的航标遥测遥控终端有两种类型：一种为内置式终端，整合在航标灯器内，结构紧凑，现场安装步骤少；另一种为外置式终端，安装于灯器外部，不依赖灯器接口，通过互感器及分立的外置天线与安装部件来采集信息，工作时对灯器影响小。这两类终端所采集并回传的数据主要为灯器的工作电流、工作电压以及位置信息，一般一个终端只能采集一盏航标灯的工作数据。
2.2 桥涵标遥测终端的开发
对于海区通航要求的桥梁来说，由于标牌间距小则30～40米，大则超过100米，整座桥梁的标志分布呈现数量多、排列集中的特点，如以通用的航标遥测终端来实现桥涵标的遥测，则需在每面标牌或者航标灯器上分别配置一个或多个RTU终端来实现数据采集和回传。因此一座海区通航要求的桥梁其桥涵标需配置的遥测终端数量就比较庞大，普及安装的投入大、成本高。如实现一个终端（RTU）同时采集多路标牌工作数据则可大大减少终端（RTU）的使用量，从而减少终端的经费投入和运维成本。为此，我们与相关企业联合研制了具有遥测遥控功能的GKDY07型LED标牌驱动器，该产品采用一体化模块式设计，既能驱动和控制LED标牌的发光，也整合了多路数据的采集和遥测遥控功能，这样就可对标牌的发光阵列进行更精细的监测，比如对发光阵列组合的每个笔画是否正常进行监测以判定故障部位，也可以根据驱动通道的占用情况同时接入两面以上的标牌或多台航标灯器。该型号驱动及遥测控制器的特点具体如下：
（1）具有8个独立的LED阵列驱动通道；
（2）可分别采集8个通道的电流值及1个通道的电压值；
（3）可采集GPS位置信息；
（4）可感光控制电源通断；
（5）可回传常用遥测数据：位置、工作电压、工作电流；
（6）可接受遥控指令：上报时间间隔、设备ID编号、灯亮度等；
（7）双通道远程通信，两通道互为备份；
（8）过热保护；
（9）密封防水。
该型驱动器支持DC12V～DC36V宽电压幅值，每通道最大驱动电流3A，如桥涵标以交流电为供电电源则需通过电源转换后接入，如以太阳能和蓄电池组合供电则可直接输入电源接口。在市电供电情况下，其典型安装方式如图2-1所示，在标志间距合理情况下可通过电源引出线同时驱动多路标志。
3桥涵标的布设与遥测终端的安装
3.1 桥涵标设置方案
以福建省闽江通海航道上的魁岐大桥为例，该桥桥区航道按内河2级通航标准维护，通航孔按单孔双向通航1000T海轮标准设计，桥墩间距270m，通航孔净空高度24.0m，净空宽度181.0m，设计最高通航水位6.89m，其余桥孔均为非通航孔，禁止通航。按GB标准其桥涵标布设方案如图3-1、图3-2所示，通航孔左、右侧标牌中间分别安装红、绿闪光航标灯，双向通航标牌由LED阵列组成，夜间灯质为绿色定光，禁航孔标牌为黄底红色“X”形，夜间灯质为红色“X”形定光。
3.2 遥测控制柜安装方案
桥梁两侧的桥涵标设置及安装方式基本相同，发光标牌由市电经UPS在线方式供电，桥墩警示灯桩由太阳能电池独立供电。桥梁单侧标牌的驱动及遥测控制柜安装方案如图3-3所示，双向通航标志及左右侧航标灯可由同一个GKDY07型控制柜驱动发光并遥测，共占用驱动器的4个支路；魁岐大桥1号标牌距离其他标志较远，为简化施工布线作业可单独安装一个控制柜；魁岐大桥13号、15号标牌可共用一个控制柜，每个标牌占用4个通道分别驱动“X”形的4个笔画，可用满8个驱动通道。以上每个控制柜各使用一张SIM卡，采集的各通道数据通过GPRS/GSM公网回传，从而实现桥涵标的遥测遥控。
4多桥梁的桥涵标集控管理
4.1 常用的航标遥测系统
目前常用的航标遥测管理系统多以电子海图叠加航标及其遥测数据的方式来实施监控，如要查询桥涵标工作情况只能输入具体的航标名称或编号来查找，其遥测管理和桥梁之间缺乏直接的关联，因此随着桥梁及其桥涵标数量的增多，系统对桥涵标的监测和查询常常需要熟练的专业人员辅助才能实现，这也给值班人员的培训和应急判断造成诸多不便，管理短板显而易见。
4.2桥涵标集控管理系统
4.2.1 数据库内容
针对桥涵标的管理特点，我们结合多桥梁条件下遥测终端的安装使用，开发了桥涵标集控管理系统，以提高监控和应急反应的及时性和便利性。该系统所构建的桥涵标管理数据库内容包括：
（1）用户（操作）权限：用户名、密码、类别、权限；
（2）操作行为日志（时间、用户ID、动作）；
（3）报警表（实时和历史报警数据）；
（4）桥涵标标牌显示笔画或灯器与控制器编码关系表；
（5）水文采集数据表（流速、流向和净空高）
（6）气象采集数据表（风速、风向、温度和湿度）；
（7）助航标志表（航标编码、经纬度、坐标）；
（8）控制器信息表（控制器IP、电话号码、工作状态）、实时/历史；
（9）航标类型表（单向、双向、禁航、桥柱等）；
（10）桥梁信息表（省、市、桥梁名称、通航孔宽度、净空高）。
4.2.2 系统功能特点
如图4-1所示，以已完成工程建设并入网的7座桥梁为例，该系统主要实现了几大功能：
（1）平台以桥梁为管理对象，增加了对桥梁通航数据的管理，达到多桥梁联网管理目的；
（2）每座桥梁所附属的桥涵标工作状态以平面图或实景图显示如图4-2，易于识别，监控管理操作简便；
（3）接入数据库的桥涵标遇有故障将予以及时报警；
（4）可通过传感器采集桥区水文气象及净空高等助航数据，为改善桥区通航环境拓展助航信息服务内容。
（5）根据管理单位需要，桥梁和对应的桥涵标数据库可不断新增与扩充，达到实时监控和集控管理目的。
5 结语
桥区水域的通航安全关系重大，桥涵标具有指引明晰、提前预示的助航作用，因此桥涵标的监控管理应作为桥区通航安全的重点监管范畴予以重视。由于在常用的航标遥测遥控管理平台上仅将每座桥梁对应的桥涵标当作孤立的一座座普通航标来管理，难以直观展示或识别一座桥梁标志的整体工作状况，管理的针对性不强、局限性较为明显。桥涵标集控管理模式可通过建立桥梁数据库，在硬件上开发一种可采集多路数据的桥涵标遥测终端，降低了工程成本，并能更准确地监测桥涵标标牌的局部（如：笔画）故障；在软件上开发了桥涵标集控管理系统平台，将桥梁数据及其对应的桥涵标遥测数据实行联网管理，可直观监控每座桥梁所对应的桥涵标工作状态。这种管理模式操作便捷，工作状态直观明了，故障报警及时，可不断扩充需监测的桥梁及桥涵标数量，而且桥涵标遥测终端的布设成本低，易于实现集约式监测桥涵标工作状态，保障桥区水域通航安全的。
对于已经完成桥涵标建设但尚未实现遥测功能的桥梁，在并入集控管理平台时，为避免大规模更换标牌或灯器的驱动设备而增加改造成本，可在保持原设备不变情况下，开发一种外置式多路数据采集与回传的遥测终端，并简化遥测型GKDY07驱动器中所附带的灯器驱动功能，达到降低改造成本并实现集控管理的目的，这也是我们进一步在做的工作。
参考文献：
[1]阳建云.东海大桥桥航标的设计[M].水运工，2006（5）：79-84.
[2]陈明栋，陈明，林巧等.山区河流桥区通航条件和通航安全问题研究[M].水运工程，2009（8）：84-88.
[3]吴允平，蔡声镇，刘华松等.航标遥测遥控信息系统的设计与实现[M].计算机工程，2006（6）：253-254.
[4] 余华，张杏谷，魏武财.AIS航标遥测遥控的研究[M].航海技术，2010（5）：41-43.
