李飞雄,潘俊涛,朱 页

(1.昆明公路局晋宁公路分局，昆明 650605；2.云南省公路科学技术研究院，昆明 650051；3.昭通公路局镇雄公路分局，昭通 657200)

截至2020年年底，我国高速公路里程已达16.1万公里，为中国的经济发展做出了重大贡献。桥梁作为高速公路重要的组成部分，其能否正常通行直接影响着高速公路的行车安全，如大广高速花湖互通D匝道(跨空匝道桥梁)发生侧翻事故，实时的桥面路况信息不仅能够提高管养单位的应急处置效率，也能提高来车司机的行车安全。当前许多学者在积极开展桥面监测的研究，并取得了一定的成绩，赵旭升等[1]采用MIDAS Civil软件建立桥梁空间动力计算模型并对桥梁的健康状态进行仿真计算，以确认桥梁的传感器数量及铺设位置，最终计算出三种有效的布置方案，但该方案处于仿真阶段，只有传感器的布置，未对整套监测系统进行设计，对桥梁的监测不完整。周志祥等[2]采用三维激光扫描系统对桥梁的变形情况进行监测，并将采集数据与精密水准仪测量结果、有限元仿真分析结果比较，结果表明该方案能够显著地提高检测的精度，但该方案所采用的三维激光扫描系统成本较高，且只能识别出桥梁变形信息，对桥面是否结冰、是否拥堵等情况无法检测。罗娟等[3]采用干涉雷达对桥梁结构的动态连续变形进行测量，该技术能够检测出桥梁发生的微型形变，相比传统测量技术，该技术检测精度更高，实用性更强，但该技术不能得知桥面的交通路况信息。李文全[4]提出了一种变高度钢桁架连续梁桥健康监测系统设计思路，主要对传感器布置、软硬件设施等进行优化设计，但该方案不能形成闭环的监测系统，也不能实时提醒来车司机前方桥面的路况信息。另有相关研究学者总结了现有斜拉桥拉索健康监测技术，并介绍了基于压力传感器的索力监测法、基于振动频率的索力监测法和基于电磁传感器的索力监测法、光纤光栅监测法及声发射监测法等几种主要的拉索健康监测技术的基本原理，但这些技术均只针对桥梁的某一方面进行监测，并未全面地监测桥梁的路况信息。

基于上述原因，本文提出一种采用温度传感器、湿度传感器、倾角传感器、结冰传感器、位移传感器、振动传感器、视频事件检测器和毫米波雷达分别实时检测桥面的温湿度信息、倾斜度信息、结冰信息、位移信息、振动信息、交通事故信息和拥堵信息等的高速公路桥面路况监测系统，并将检测到的路况信息传输至监控分中心展示，为管养单位的工作人员提供路况信息，便于工作人员有目的地对桥梁进行维护。同时，该系统所检测到的路况信息在可变信息情报板上显示，为来车司机提供有效的交通信息。

1 系统整体设计

本系统主要对高速公路桥面实时交通路况进行监测，需在桥面两侧等距铺设无线传感器实时检测桥面的路况信息，再通过LoRa无线传输技术将采集到的数据传到桥头的一体化机柜。一体化机柜能控制可变信息情报板的显示，也能够汇聚无线传感器、视频事件检测器和毫米波雷达检测到的数据，并将其传输至监控分中心显示。桥头设置有龙门架，用于安装可变信息情报板、视频事件检测器、补光灯和毫米波雷达，其中视频事件检测器、补光灯和毫米波雷达均设置两套，互为冗余。毫米波雷达通过检测车辆的速度信息判断桥面是否拥堵，视频事件检测器主要用于判断桥面是否发生交通事故，补光灯主要用于为视频事件检测器增加亮度，补光灯和视频事件检测器的安装方向需与行车方向同向，以避免补光灯直射行车司机而影响司机视线。系统安装示意如图1所示。

图1 系统安装示意

1.1 LoRa无线传输技术

LoRa无线传输技术是Semtech公司于2013年发布的一种低功耗广域网传输技术，它能够兼顾低功耗和远距离传输，打破了传统通信技术中需要牺牲功耗来提高传输距离或牺牲传输距离来节约功耗的瓶颈[5-6]。相比蓝牙通信、ZigBee通信、Wi-Fi通信等技术，LoRa无线传输技术具有传输距离远、功耗及成本较低的优势，传输距离可达15～20 km，低功耗的优势能够延长电池的使用寿命，相应成本也因此降低。

LoRa基本网络架构拓扑如图2所示。由图2可知，LoRa网络架构拓扑由若干终端节点采集底层数据，利用RF(射频)技术或LoRaWAN技术将终端节点采集到的数据传输至网关基站，再通过3G或以太网通信技术发送到网络服务器中，最后再传输至应用服务器上。其中，网关基站与网络服务器通过TCP/IP传输控制协议/网际协议连接，网关基站与终端节点之间的网络拓扑结构为星型网络拓扑，一个LoRa网关基站能接入200个LoRa终端节点，网关基站与终端节点之间能够双向通信[7]。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信之间不会互相干扰，此外还会创建一组虚拟化的频段增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为0.3～37.5 kbps，为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量，LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率[8-9]。

图2 LoRa基本网络架构拓扑

1.2 无线传感器

由于高速公路桥梁的桥体是悬空的，周围空气流动快，桥体的热量散发快，桥面温度随空气温度升降也快，因此桥面温度与路基温度有一定的差值，不能仅以气象站提供的温度为依据来判断桥面的真实温度，需采用温度传感器对桥面温度进行实地测量。桥面湿滑也是影响行车安全的一个重要因素，通过湿度传感器检查桥面的湿度信息，进而判断桥面是否存在湿滑的情况。对桥梁振动频率进行监测也很重要，由于车辆行驶在桥面上时，桥体会产生振动，当车辆施加到桥梁的频率与桥梁的固有频率相同时，桥梁的振动会被加强，当桥梁的振动幅度达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥梁就会断裂，因此需采用振动传感器对桥梁振动频率进行监测。路面结冰造成路面抗滑能力显著降低，将给道路畅通和行车安全带来严重的隐患，桥面相对路基路面更易结冰，采用结冰传感器检测桥面的结冰情况对山区高速公路来说是非常有必要的。此外，当桥梁发生变形、偏移时，桥体的位移和倾角会产生一定的变化，需通过布设位移传感器和倾角传感器来实时检测桥梁的变形和偏移情况。

无线传感器的组成结构示意如图3所示，无线传感器主要由温度传感器、湿度传感器、倾角传感器、结冰传感器、位移传感器、振动传感器、LoRa无线终端和STM32控制器组成。其中，温度传感器、湿度传感器、倾角传感器、结冰传感器、位移传感器和振动传感器采集到的数据信息需传输至STM32控制器中进行计算。由于桥面需要安装多个无线传感器来检测桥面路况信息，本文采用LoRa无线传输技术将各无线传感器采集到的数据信息汇聚到一体化机柜中进行处理。

图3 无线传感器的组成结构示意

1.3 一体化机柜

一体化机柜的主要功能是通过LoRa网关汇聚各无线传感器采集到的数据信息，并将其同毫米波雷达采集到的数据信息一起传输至工控机中进行处理，处理后的数据信息同视频事件检测器采集到的图像信息一同传输至工业以太网交换机中，最后再通过工业以太网交换机传输至监控分中心。为保证数据传输的连续性，一体化机柜中配置有不间断电源，以保证供电的连续性。一体化机柜的结构示意如图4所示。

图4 一体化机柜的结构示意

1.4 可变信息情报板

可变信息情报板不仅要显示监控分中心下达的显示指令，还要显示桥面路况信息。因此，需要将可变信息情报板与工业以太网交换机、工控机连接起来，由工业以太网交换机接收监控分中心下达的显示指令，再传输给可变信息情报板显示，工控机则根据LoRa网关接收的数据信息控制可变信息情报板的显示内容。可变信息情报板的控制连接如图5所示。

图5 可变信息情报板的控制连接

2 数据传输设计

高速公路沿线铺设有主干光缆，主要用于传输机电设备的数据信息。因此，各无线传感器采集到的数据信息在全部汇聚至一体化机柜后，可通过主干光缆传输至监控分中心。系统通信结构示意如图6所示。

图6 系统通信结构示意

通过LoRa无线终端将布设在桥面上的各无线传感器采集到的数据信息传输至LoRa网关，LoRa网关将汇聚后的数据信息分两路分别传输给工业以太网交换机和工控机，采用融纤技术在主干光缆上接出两芯尾纤连接到工业以太网交换机上，每条路段上的工业以太网交换机通过光纤连接成自愈环网，即使其中一条链路断开，数据还可以通过另一侧传输，保证了数据传输的连续性。路段上的工业以太网交换机将LoRa网关中的数据信息通过尾纤传到主干光缆上，主干光缆再通过通信系统发送至监控分中心的工业以太网交换机中，并通过工作站来访问监控分中心的工业以太网交换机上的实时数据信息，再将数据信息传输至服务器中进行存储，通过工作站访问服务器来查看历史数据信息。根据《桥梁健康监测系统运营维护与管理规范》(DB34/T 3968—2021)中的各项指标在工作站中建立桥梁健康指标库，以这些指标作为预设值，当指标被监测到超出预设值，系统会发出警告以提醒工作人员桥面出现健康问题。

3 结语

本文主要利用无线传感器针对桥面的温湿度信息、倾斜度信息、结冰信息、位移信息、振动信息、交通事故信息和拥堵信息进行监测，采用LoRa无线传输技术将各无线传感器采集到的桥面路况信息数据汇总后传输至监控分中心，再通过可变信息情报板显示。该方案监测维度广，能够形成监测闭环，既能为工作人员提供实时的桥面路况信息，方便工作人员对桥梁进行维护，也能提醒行车司机前方桥面的路况，提高行车安全性。