基于GIS平臺的AIS&Radar在大橋防撞預警上的應用

■洪茂枝

(1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004)

1 引言

伴隨我國橋梁建設及交通運輸行業的高速發展，跨越通航江河、港區和海峽的大型橋梁數量逐漸增多。而與此同時，全世界船舶正向大型化、高速化發展，艘次、噸位和航速都不斷增加，這使得橋梁和通行船舶之間的矛盾日趨突出，船舶撞擊橋墩的事故亦不斷增加。船撞橋事故不同于一般交通事故，一旦發生，往往會造成橋損船毀人亡、航道受阻、陸上交通中斷和貨物泄漏等嚴重后果，并且重建橋梁和疏通航道的費用十分驚人。

據統計，在1960～1993年的33年中，全世界因船撞橋而導致損毀的大型橋梁已達29座，其中美國15座，死亡人數為321人。統計表明1970～1974年間，美國內河上發生了811起船撞橋事件，造成損失2300多萬美元。在通航的大型橋梁運營期間，約有10%的橋梁因船舶撞擊而倒塌。我國內河船撞橋事故也數量眾多，黃石大橋在1993至1994年短短兩年就發生了19起船撞橋事故；武漢公鐵兩用長江大橋自1957年建成以來至少發生70余起船撞橋事故，造成直接經濟損失超過百萬的大事故超過10起；南京長江大橋建橋至今也至少發生了30余起船撞橋事故；重慶白沙陀大橋發生的船撞橋事故甚至達到了百余起之多。

本論文以賽岐大橋為依托工程，開展基于GIS平臺的AIS&Radar(雷達)在大橋防撞預警上的應用技術研究。充分利用AIS、Radar(雷達)、視頻監控、遠程廣播等特點，搭建一套多方位的橋區船舶實時監控平臺，構建出一個實時、直觀、聯動、多角度、全局的橋區船舶航行動態圖。

2 橋梁防撞研究現狀

在1970至20世紀70年代，國外發生了多起惡性船撞橋事故，因此在20世紀70年代末期，國外開始了關于船撞橋的系統研究。例如：1978年，美國政府與馬里蘭大學共同簽訂了一項關于橋墩防撞保護系統的研究合同。

1980年，美國原陽光大橋發生嚴重船撞事故，由此引起了美國工程界對于船撞橋安全問題的重視。1983年，在丹麥的哥本哈根，國際橋梁與結構工程學會(IABSE，International Association of Bridge and Structura1 Engineering)召開了“船只與橋梁和近海結構的碰撞”國際學會研討會。此次研討會是在丹麥大帶海峽的跨海工程背景下召開的，是這個課題的第一次研討會，在會中提議建立一個船舶撞擊橋梁安全事故的國際數據庫。

1991年IABSE發表了《交通船只與橋梁結構的相互影響》(綜述與指南)，同年美國土木工程協會(AASHTO)出版了《公路橋梁船撞設計指南》。之后歐洲一些國家也陸續針對船撞橋安全問題制定了相關規范。

1993年IABSE出版了“船舶碰撞橋梁”專冊。

1995年國際海協會常務會議PLANC工作小組成立，共有包括美國、英國、德國、法國、西班牙、瑞典、荷蘭、比利時、日本等9個成員國參加，專門研究船撞橋安全問題，并于2000年建立了一個船撞橋數據庫，涵蓋了發生在海峽、港口入口、內河航道的151起船撞引發的橋梁安全事故。

1997年歐洲統一規范(Eurocode)第一卷(Eurocode 1)第2.7分冊開始試用，試用期為三年，此分冊規定了沖擊與爆炸事故設計荷載的確定方法。

我國針對船撞橋安全問題的研究始于20世紀80年代末期。當時正處于我國改革開放不斷深入的黃金時期，我國經濟建設快速發展，加大了對于交通運輸的財政投入，我國橋梁建設也贏來了發展的高潮，跨河流和海峽的航道橋梁數目迅速增加。隨著我國跨河流、海峽(灣)橋梁的數目增加，我國交通運輸能力得到極大提升的同時，船撞橋安全事故的問題形勢也日益嚴峻。

2007年6月九江大橋受到采砂船撞擊發生坍塌近200米，共造成8人死亡，經濟損失4500萬元。這事故引起了我國各界廣泛關注，船撞引發的橋梁安全問題更加受到了重視。

3 賽岐大橋水域及通航特點

賽岐大橋位于閩東賽岐，橫貫賽江東西兩岸，是福建省首座大跨連續梁橋。全長486米，寬12米 (主車道9米、人行道3米)，于1991年8月28日建成通車，日車流達千輛以上。近10年發生過兩次船撞橋事故：

2009年2月23日500噸貨輪脫錨受困賽岐大橋。上午8時許一艘拋錨在賽岐大橋下游的貨輪在大風和潮汐的作用下忽然脫錨，并順勢往上游飄移了500米后卡在賽岐大橋下面。賽岐海事局、賽岐交警、海防等有關部門經過3個多小時的緊張大營救，貨輪順利脫險。

2012年8月18日，賽江漲潮，一艘原本靠泊在大橋附近碼頭的空載貨輪，疑錨機故障，固定船只的繩索斷開，貨輪失去控制，隨水流朝賽岐大橋漂去，結果撞向大橋一側。大橋橋體有一段10米長的人行道路面開裂，橋梁部分翼元板受損明顯，不過橋梁主梁體暫未發現異常情況。

從上面的兩起事故，不難看出都是因潮汐作用引起的。賽岐大橋設計的主通航孔高16.9米，寬45米。然而賽江潮汐落差竟達7、8米之多，最高水位的時候，主通航孔剩余 4、5米的高度，參見圖 1～2：

賽岐大橋過往船舶基本都是小船(人工劃船)、小快艇等，根據近1個月的視頻監控記錄來看，超過10米左右的船舶往來次數為12次，最長船舶不超過50米。根據近3個月的AIS記錄來看，沒有一條AIS船舶經過賽岐大橋，最多只達到下游的碼頭。根據當地一名引航員介紹，不會有引航任務達到上游，最多只達到下游碼頭，而且少之又少，2012年因為船撞橋事故，他們才到上游配合搶險。

4 大橋防撞系統設計

圖1 漲潮時的水位(12點31分)

圖2 未完全落潮時的水位(16點10分)

本論文主要應用AIS、Radar(雷達)、視頻監控、遠程廣播四種手段對賽岐大橋進行船舶通航監控 (雖然在賽岐大橋橋區沒有AIS船舶，但AIS在橋梁主動防撞措施中作用還是很大的)。同時借助電子海圖平臺實時展示AIS、雷達目標數據，實現對橋區船舶進行實時監控，直觀地展示橋區船舶的航行狀態，有效預防船舶碰撞大橋，能夠及時作出應急處置，為大橋管理部門及相關職能部門提供監控支撐。

4.1 系統集成設計

系統由四個部分組成(如圖3所示)：

（1）數據采集，數據采集有三部分：雷達、AIS、視頻監控。雷達安裝在賽岐大橋附近，便于掃測過往船舶；AIS用于接收大橋附件船舶AIS數據；視頻監控用于采集過往大橋船舶。

（2）數據傳輸，由于雷達、AIS、視頻三者數據比較大，現場采用的是光纖寬帶傳輸；雷達、AIS需要通過轉換器才能夠通過網絡傳輸給監控中心；視頻可以直接通過網絡進行傳輸和查看；遠程廣播也可以直接通過網絡進行播放。

（3）數據解析與存儲，監控中心服務器接到雷達、AIS數據，需要解析后才能存儲到數據庫當中，供監控中心調用。

圖3 系統結構圖

(4)數據展示，監控中心通過訪問服務器，在電子海圖平臺上實時展示雷達目標、AIS數據，同時可以直接通過網絡調用視頻監控錄像、控制遠程播放。

4.2 主要功能實現

(1)系統主界面

軟件系統主界面如圖4～6所示。

圖4 軟件系統主界面

圖5 AIS實時信息框

圖6 雷達目標實時信息框

在系統主界面的GIS平臺 (配有三種地圖：電子海圖、街道圖、衛星圖)上顯示橋區雷達目標、AIS實時信息、位置、軌跡，以及實時視頻錄像，當船舶發生偏航或進入橋區進行報警或提示。

(2)雷達目標、AIS軌跡回放

雷達目標、AIS的軌跡回放有三種模式：單條回放、多條回放及區域回放，可以查看每個軌跡點具體信息。通過軌跡回放可以查看和分析橋區船舶航行情況，包括：船舶流量、時間段流量等。如圖7～10所示。

圖7 AIS單條軌跡回放

圖8 雷達單條軌跡回放

圖9 AIS區域軌跡回放(12天)

(3)雷達目標、AIS偏航報警

當雷達目標、AIS在預設航道上航行時，如果偏離或即將偏離預設航道，則系統進行報警提示(會朗讀報警信息)，同時調用遠程廣播接口，在現場室外廣播報警信息。

(4)視頻監控

系統支持PC和手機端24小時實時監控、視頻回放及下載，同時當雷達目標或AIS經過視頻監控范圍，還可以調用視頻監控，用于輔助船舶監控。如圖12～15所示。

圖10 雷達目標區域軌跡回放(12天)

圖11 偏航報警

圖12 視頻監控

5 結語

研究表明，通過應用AIS、雷達、視頻監控是可以及時有效地掌握橋區船舶航行動態，提高橋梁通航安全，減少生命財產損失，降低船舶碰撞幾率，延長大橋的使用年限。但由于經費所限，在設備選型、項目設計及實施上存在一些不足點：

圖13 實時的雷達目標軌跡

圖14 實時的雷達圖像

圖15 調用該區域的實時視頻監控

(1)只采購一臺船用小型雷達，無法兼顧賽岐大橋兩側掃測。基于現場安裝條件，雷達安置于賽岐大橋上游靠岸橋下。

(2)船用小雷達跟真正的岸基雷達無法比擬，包括：功率、性能、算法(雷達目標捕捉)、雷達目標數量、壽命等；無法做到遠程開關機，24小時不間斷運行，對船用小雷達的壽命影響極大。

(3)未采購船高監測設備，因此無法判斷過往橋區船舶是否超高。

(4)由于廣播安置在賽岐大橋靠岸橋下，然而橋下緊挨著居民區，同時橋對面就是商品房，因此聲音提示或報警，都會造成擾民(特別是夜晚)。