內河多橋梁水域船舶安全航行預警系統實現

桑凌志, 毛 喆, 張文娟, 嚴新平

(1. 武漢理工大學 智能交通系統研究中心， 武漢 430063； 2. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心， 武漢 430063； 3. 交通運輸部長江航運技術行業研發中心 水上交通安全與防污染研發基地， 武漢 430063)

內河多橋梁水域船舶安全航行預警系統實現

桑凌志1,2,3, 毛 喆1,2,3, 張文娟1,2,3, 嚴新平1,2,3

(1. 武漢理工大學 智能交通系統研究中心， 武漢 430063； 2. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心， 武漢 430063； 3. 交通運輸部長江航運技術行業研發中心 水上交通安全與防污染研發基地， 武漢 430063)

為保障內河多橋梁水域通航安全,開發實時可靠的內河多橋梁水域船舶安全預警系統。結合現有的系統無法有效判斷監管區域內船舶實時航行的態勢、無法實時給出區域內高風險船舶的缺點，對內河多橋梁水域船舶安全航行預警系統的功能需求進行分析，對系統的總體構架、系統功能、系統組成進行設計，結合內河船舶安全預警算法實現該系統。在武漢海事局進行系統應用示范，結果表明，該系統能夠有效彌補現有監管系統的不足，提高內河多橋區水域的監管效率，保障水上人命財產安全。

水路運輸； 內河； 多橋梁水域； 船舶； 預警； 系統

近年來，我國內河航運發展迅速，以長江干線為例，2012年貨物通過量達18億t，相當于20條以上京廣鐵路的運輸量，已成為世界上運量最大的通航河流，同比增長8.4%[1]，穩居世界第一。2011年1月，國務院提出力爭用10 a左右時間建成暢通、高效、平安、綠色的現代化內河水運體系[2]，這標志著加快長江等內河水運的發展已上升為國家戰略，內河航運必將持續穩定、快速發展。

橋梁作為溝通河流兩岸之間陸路交通運輸的紐帶，具有重要的地位和作用。但其在便利陸路交通的同時，也限制著內河通航尺度，并成為通航瓶頸。發生在橋區的船舶事故在給橋梁本身造成損壞的同時，也極易造成航道擁堵。一直以來，海事管理部門都將橋區作為最重要的監管區域進行監管。

雖然在加強橋區水域監管方面做了大量工作，但水上交通事故仍然頻頻發生，如2011年6月武漢長江大橋被撞、2013年5月南京長江大橋被撞、2013年8月椒江大橋被撞、2014年1月武漢長江大橋再次被碰等，橋區水域安全監管任務依然艱巨。

目前，橋梁隨著我國交通運輸事業的發展越建越多，越建越密，僅武漢市就有已建成跨江大橋7座、在建1座、規劃建設3座。就發展趨勢而言，隨著橋梁不斷增多，未來內河大量“橋區水域”將由點成線，形成“多橋梁水域”。基于此，多橋梁水域的安全問題將更加敏感，安全監管也將更加困難。因此，針對內河多橋梁水域特點，開發內河多橋梁水域船舶安全預警系統，具有極其重要的現實意義。

1 內河多橋梁水域安全監管現狀

經過海事“十一五”信息化建設，目前已在內河水域初步構建成由船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services, VTS)、船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)、閉路電視系統(Closed Circuit TeleVision, CCTV)和無線射頻識別系統(Radio Frequency Identification Devices, RFID)等組成的針對船舶航行的立體化監管體系。[3]該監管系統在多內河、多橋梁水域的安全監管中發揮著重要作用。

1. VTS是由主管機關實施的，用于提高船舶交通安全和效率及提供保護環境的服務(該服務應能在其覆蓋水域內與交通相互作用，并對交通形勢變化做出反應)。[4]其主要功能是對船舶提供信息服務、助航服務和交通組織服務，并協助進行聯合服務和應急服務等。[5-6]我國已建成并運行的內河VTS中心主要在長江沿線，具有一定局限性：跟蹤精度、目標參數識別率低，惡劣天氣下系統可靠性差、無法自動識別，系統封閉，受人為影響大[7-8]，在內河使用時盲區范圍大、受地形特征影響大[9]。

2.AIS是一種集網絡技術、現代通信技術、計算機技術、電子信息顯示技術于一體的新型數字助航系統，采用自控時分多址技術，配合全球定位系統將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態信息和船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態信息通過甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻道向附近水域船舶及岸臺進行廣播。隨著AIS技術不斷發展和普及，AIS在水上交通安全保障中發揮著越來越重要的作用。

3.海事CCTV系統具有實時、直觀、遠程的特點，可得到直觀的圖像信息，能彌補VTS雷達的局限，現已在各重要水域的實時監管中得到廣泛應用，在實施船舶交通動態管理、加強執法力度、提高監管效率等方面起到了重要作用。[10]CCTV不僅能夠有效提高海事監管水平，節約海事運行成本、船舶遇險救助的時間成本，提高救助效率及救助決策能力，還可以通過回放錄像資料，為海事行政執法和處理水上交通事故提供有力證據。[11]

4.RFID設備具有非接觸、多目標、可對高速移動物體進行識別等特點，已在江浙水網、南通、連云港、寧波等地的船舶管理中推廣應用。[12]RFID識別技術可通過與船舶綁定的電子標簽信息確認該船舶的準確“身份”，記錄和更新船舶動態數據，以供管理部門隨時查詢。

針對內河船舶安全的信息化建設已基本完成，且重點已轉變為多源數據的融合研究，包括VTS與AIS數據的融合[13-14]，AIS與CCTV的快速融合與聯動[15]、RFID與CCTV的融合及更多源數據的融合[16]等。然而，這些信息化監管系統及現在的多源數據融合研究都以盡可能實時準確地獲得船舶靜態與動態信息為目的。就多橋梁水域而言，針對如何結合多橋梁水域通航環境的實際特點，更加有效地幫助海事監管人員對這類水域的通航安全形勢進行判斷，缺少實證研究和可用的預警系統。而結合現階段各個信息化監管平臺所獲得的信息，如何針對內河多橋梁水域預知船舶的航行態勢風險并及時提醒船舶駕駛員與現場監管人員更加有效地防范多橋梁水域交通事故，也缺少相關的數據處理方法與展示平臺。

2 系統需求分析

多橋梁水域船舶安全航行預警系統用于對多橋梁水域船舶的航行狀態進行實時監控，并對航行過程中的潛在風險進行預判別，實現對船舶航行風險的實時預警，為海事監管部門和船舶駕駛人員及時采取安全應對措施創造條件。系統應滿足以下需求。

2.1目標水域的全方位監控

系統需要對所監控水域的通航條件、水文條件、氣象條件及水域內的船舶進行監控。通航條件包括航標、航道、淺灘暗礁、橋梁及其他通航建筑物等信息；水文條件包括水位、流速、流向；氣象條件包括能見度、風息、風向；水域內船舶信息包括船舶的靜態信息、動態信息和航次信息。具體靜態信息有船名、海上移動通信業務標識(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)、船長、船寬、型深等；動態信息包括船位、航速、航向、艏向等；航次信息包括始發港、目的港、貨物種類、裝載重量、吃水等。

2.2對目標水域的實時監控

為保證預警功能的及時性，需對連續橋區進行實時、不間斷監控。因此,前端傳感器應能實時、不間斷地采集各種信息，能將其傳輸至岸基端并存儲至數據庫中。系統也需要對數據庫中的數據進行實時分析處理。

2.3監控信息可視化

為便于管理人員了解多橋梁水域實時通航信息，需結合電子航道圖，直觀地反映監控所需的各種通航環境、水文、氣象與船舶交通信息。

2.4船舶航行態勢的實時預測

根據數據庫中的實時水文、氣象及所監控船舶的狀態信息，預測船舶航行態勢。通過船位的變化、航速航向變化以及風和流對船舶的致漂影響，預測船舶航跡，對其航行態勢進行預判斷。

2.5船舶事故風險的實時評估

要能根據預測的船舶航行態勢，結合水文、氣象信息，對船舶實時事故風險進行評估，并能將事故風險較高的船舶相關信息在電子航道圖上顯示出來，幫助管理人員篩選重點監控船舶，提高監管效率。

2.6船舶航跡回放

實現船舶歷史航行狀態(即歷史航跡)的回放功能，以還原船舶航行場景，協助分析船舶交通流特征，協助水上交通事故的調查取證。

2.7預警信息管理

包括對當前預警信息和歷史預警信息的管理，能夠按照指定條件進行查詢和查看，協助分析多橋梁水域事故與預警特征。

3 系統設計

多橋梁水域船舶安全航行預警系統基于電子航道圖進行開發，通過實時接收多橋梁水域的船舶數據、水文數據、氣象數據，結合電子航道圖中的通航環境數據，對船舶航行態勢進行預測，進而實現對船舶航行的實時風險評價，并根據評價結果進行預警。系統層次結構見圖1。

3.1系統總體構架

海事監管部門需要利用本系統對多橋梁水域內的所有航行船舶進行監控和預警。由于海事監管部門的指揮中心、執法大隊及現場執法人員都需要訪問該系統，遠程訪問用戶量大，因此系統采用Browser/Server(B/S)架構。用戶通過Web瀏覽器訪問服務器端，Web服務器端在收到請求后，進行相應的反饋。其中，服務器端需要進行相應的數據處理運算，此過程需要與數據庫交互。系統總體構架見圖2。

圖1 系統層次結構

圖2 系統總體結構

當船舶進入多橋梁水域時，岸基設備主動(VTS系統)和被動(AIS系統)得到船舶信息，同時接收來自水文傳感器和氣象傳感器的信息。所有接收到的數據都被存儲到服務器的數據庫中。

Web服務器根據數據庫中的信息，結合電子航道圖提供的通航環境信息,對船舶態勢進行判斷處理，并對船舶實時風險進行評估計算，得到預警信息。處理后的信息也同時保存到數據庫中。

岸基監控端和其他遠程訪問客戶端可利用電子航道圖調用服務器中的數據，并將這些信息直觀顯示在電子航道圖上。

3.2系統功能

根據實際需求，系統功能模塊應包括：航道圖顯示模塊、航道圖操作模塊、通航環境監控模塊、航跡管理模塊、事故預警模塊、預警信息查詢模塊及系統管理模塊(見圖3)。

圖3 系統功能模塊

1) 航道圖顯示模塊：用于管理航道圖圖庫，并對其顯示模式與情景進行設置。圖庫管理用于添加和刪除系統圖庫；顯示模式允許用戶根據需要選擇航道圖上信息顯示的詳略情況，包括全部顯示、標準顯示和基本顯示等3種模式；情景設置允許用戶按白天、傍晚和黑夜等3種不同情景進行顯示。

2) 航道圖操作模塊：主要有航道圖的顯示及放大、縮小、移動等基本操作功能。

3) 通航環境監控模塊：用于控制監控的開啟與關閉，并且允許用戶根據不同的需求進行監控方式的設置。

4) 航跡管理模塊：實現對船舶航跡的管理，包括船舶的預測、航跡的顯示及歷史航跡的回放。

5) 事故預警模塊：根據船舶運動態勢及船舶周邊環境進行動態預警判斷，如出現警情，系統界面報警燈閃爍，并發出報警聲。

6) 預警信息查詢模塊：提供預警信息查詢功能，可根據指定查詢條件查詢預警信息。歷史預警信息包括預警類型、級別、報警時間、結束時間和預警時船舶位置。

7) 系統管理模塊：提供系統升級功能及用戶管理功能。

3.3系統組成

按照數據在系統中的流動過程，可將整個系統分為4部分：數據接入部分、數據存儲部分、數據處理部分、數據展示部分(見圖4)。其中，數據處理部分包括船舶航跡預測和航行預警2個關鍵部分。

3.3.1數據接入部分

(1) 船舶信息：通過VTS、雷達、AIS等現場傳感器得到,并接入系統，船舶信息包括水域內所有船舶的靜態信息、動態信息與航次信息。靜態信息包括船名、MMSI、船長、船寬、型深等，動態信息包括船位、航速、航向，航次信息包括始發港、目的港、貨物種類、吃水等；

圖4 系統功能流程

(2) 水文信息：通過水文傳感器得到，并接入系統，包括水位、流速和流向；

(3) 氣象信息：通過氣象傳感器得到，并接入系統，包括能見度、風速和風向；

(4) 通航條件信息：主要指多橋梁水域的通航環境信息，可通過電子航道圖得到，包括航標信息、航道寬度、航道最小水深、航道曲率半徑、淺灘暗礁信息、橋梁信息及其他通航建筑物信息等。

3.3.2數據存儲部分

數據存儲部分就是系統的數據庫，存儲數據接入部分所接入的船舶信息、水文信息、氣象信息和通航條件信息。

同時，數據處理部分也會將接入并經處理得到的船舶航跡預測信息、最近會遇距離(Distance to the Closed Point Approach, DCPA)、最近會遇時間(Time to the Closed Point Approach, TCPA)和航行預警信息存放到數據庫中。

3.3.3數據處理部分

數據處理部分主要實現對船舶航跡的預測，準確地推算船舶的DCPA、TCPA，并對船舶安全航行風險進行評估，根據評估結果進行預警。

(1) 根據數據庫中的船舶信息、水文信息、氣象信息和通航環境信息，實時預測船舶航跡；

(2) 通過船舶的航跡信息，實時判斷船舶與目標物(包括他船、航標、橋墩、暗礁等)之間相對航行時的DCPA與TCPA；

(3) 根據船舶與目標物尺寸，結合實時DCPA與TCPA，對事故風險進行實時評估，并給出預警等級。

如何在實時評估計算事故風險后根據實時DCPA與TCPA給出預警等級，是系統實現的關鍵。

3.3.4數據展示部分

數據展示部分基于電子航道圖完成，即所有的數據展示都可在電子航道圖上進行。可展示的數據有：通航環境信息、水文信息、氣象信息、船舶信息、船舶交通信息、航跡預測信息和航行預警信息。

4 船舶航行預警方法

要對船舶安全風險進行評價，需對船舶發生碰撞事故的可能性及其后果進行評估。利用所得到的DCPA值和TCPA值(即考慮空間和時間2方面的因素)評價船舶安全風險并進行航行預警。DCPA可表明是否存在碰撞危險，TCPA可表明危險的緊迫性。此時船舶的碰撞風險ρ可表示為

ρ=ρd×ρt×k

(1)

式(1)中：ρd為與DCPA相關的距離危險因子；ρt為與TCPA相關的時間危險因子；k為事故類型限定參數，取0或1。對于目標物為他船、航標、橋墩時的碰撞和觸損事故，k=1；對于目標物為暗礁或淺灘的擱淺和觸礁事故，需要根據淺灘和暗礁的深度、當前水位及船舶吃水情況判斷是否擱淺或觸礁，若是，k=1，否則無危險，k=0。

設船舶與礙航物的最小安全距離為D，由預測點得到的DCPA為d，則距離危險因子ρd為

(2)

當d≥D時，ρd=0，即船舶不會碰撞目標物，是安全的。其中，最小安全距離D通過對船員進行調研，取其經驗值。

設船舶以最大轉向角旋回90°所需要的時間為T，由預測點得到的最近會遇時間TCPA為t，則時間危險因子ρt為

(3)

當t≥T時，ρt=0，即船舶有足夠的用于調整航向的時間，是安全的。此時船舶的碰撞風險ρ為

(4)

將船舶航行風險ρ作為具體的預警指標，通過專家咨詢將船舶實時碰撞風險的取值范圍[0,1]劃分為若干區間，根據計算得到的實時船舶事故風險值即可實現對船舶事故風險的預警。

5 系統實現與應用

利用軟件開發工具Visual C++和數據庫管理系統Structured Query Language (SQL) Server 2005，對多橋梁水域船舶安全航行預警系統進行開發(見圖5、圖6)。

圖5 系統登陸界面

圖6 系統運行界面

多橋梁水域船舶安全航行預警系統實現后，在長江武漢段對其進行了示范應用。在武漢海事局轄區范圍內，武漢市城區建設有白沙洲長江大橋、鸚鵡洲長江大橋、武漢長江大橋、武漢長江二橋、武漢二七長江大橋、天興洲長江大橋6座大橋，分布密集，一旦出現事故，將造成巨大人命與財產損失，監管壓力較大。

系統從2013年11月開始在武漢海事局試用，在半年多的試用期中，系統監控管理效果理想，多次協助發現船舶在該多橋區水域的高風險航行行為，包括2014年1月“力源2”輪刮碰武漢長江大橋事件，極大地減輕了橋區安全監管和安全預警的工作量。試用單位認為該系統的普及將有助于增強我國內河海事管理的智能化和自動化水平。

6 結 語

針對多橋梁水域的安全監管，對現階段正在使用的各種安全監管系統進行了分析，認為這些系統都有無法有效判斷監管區域內船舶實時航行的態勢、無法實時給出區域內高風險的重點監管船舶信息的不足。在此基礎上，對多橋梁水域船舶安全航行預警系統的需求進行了分析，綜合考慮系統總體架構、系統功能、系統組成等，對系統進行了設計。

根據實時DCPA與TCPA，建立了多橋梁水域船舶安全風險的實時評價方法，并以此為根據實時判斷、得到預警等級。

以電子航道圖為基礎，結合在航船舶實時信息、水文信息、氣象信息，基于多橋梁水域船舶安全風險的實時評價方法，開發了內河多橋梁水域船舶安全航行預警系統，并對其進行了示范應用。

運用內河多橋梁水域船舶安全航行預警系統可以更好地對多橋區水域進行實時監控，通過預測船舶航跡判斷航行態勢，實現對水域船舶的實時風險分析與警示，幫助海事監管人員及時對多橋梁水域的水上交通事故進行預判斷，具有實際應用意義。

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ImplementationofShipSafetyWarningSystemforInlandMulti-BridgeWaterways

SANGLingzhi1,2,3，MAOZhe1,2,3，ZHANGWenjuan1,2,3，YANXinping1,2,3

(1.Intelligent Transportation System of Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Engineering Research Center of Transportation Safety, Ministry of Education, Wuhan 430063, China; 3. Research and Development Base on Waterway Transportation Safety and Anti-Pollution of Changjiang Transportation Technology Industry Research and Development Center, Ministry of Transport, Wuhan 430063, China)

With the aim of developing a ship safety early warning system for inland multi-bridge waterways, which will work reliably and real-timely to assist in ensuring the navigation safety in these waterways, the function requirements for the new early warning system are defined based on the analysis of the function limitations of existing early warning systems, which are not able to effectively judge the navigational situation and can not real-timely determine the ships at high risk. The frame, functions, main compositions and structure of the system are designed and the algorithm for early warning of risky ship is developed. The proposed ship safety warning system for inland multi-bridge waterways is developed and installed for Wuhan Maritime Safety Administration. Field operation of the system shows that this system could overcome the shortages of existing supervisory systems, improve the efficiency of supervising and contribute to the safety of people and property in the inland multi-bridge waterways.

waterway transportation; inland; multi-bridge waterway; ship; early warning; system

2014-07-20

國家自然科學基金(51309187); 中央高校基本科研業務費專項資金(133244002)；交通運輸部西部科技建設重大專項(201132821110)

桑凌志(1987—)，男，湖北荊州人，博士生，研究方向為橋區水上交通安全預警與事故分析。E-mail：sanglz@126.com

1000-4653(2014)04-0034-06

U676.1; U698

A