基于互聯網的內河橋梁主動防船撞實時預警系統?

陸 兵

（1.常州輕工職業技術學院 常州 213164）（2.江蘇省橋梁防撞系統工程技術研究中心 常州 213164）

1 引言

由于航道水位變化和船舶偏航等原因，經常發生船舶航行時碰撞橋梁的事故，其中最典型的是2007 年6 月15 日，一艘佛山籍運沙船撞擊九江大橋橋墩，造成九江大橋約200m 橋面坍塌，4 輛汽車墜江，9人死亡，直接經濟損失達3億元人民幣。這些安全事故給國家財產和人民生命造成了巨大損失。為保障橋梁運營安全，船橋碰撞及橋梁的防撞研究已成為具有廣泛意義的國際性課題，日益引起各國政府、學者、工程界的關注［1］。

國內外現有的橋梁防船舶撞擊技術主要是基于被動防船撞系統和船舶交通管理系統進行工作的［2］。雖然國內已經有了一些關于橋梁主動防撞預警技術的研究［3～6］，但這些研究成果主要集中在測量船舶凈高，而對船舶偏航檢測的研究則十分缺乏，也沒有構建出一個全天候全方位的實時預警系統。

本文基于對整個橋梁安全的考量，研究將互聯網技術應用于橋梁安全保障，構建了一個全天候全方位的實時預警系統。

2 系統總體結構

系統總體架構以互聯網為基礎，“互聯網+”的基礎設施可以概括為感知層、網絡層、云存儲，應用層四部分［7］。互聯網上部署有采集、數據庫、預警、Web和視頻等服務器。支持對多座橋梁防船撞主動預警系統進行集中管理，分布式控制。

系統架構采用現場控制系統——云服務——用戶模式（如圖1 所示），現場選用工業計算機，布置在各個橋梁控制點，通過互聯網與云服務交流信息，云服務提供用戶賬號，使用者可以在任何地方訪問現場控制系統，查看現場設備采集的數據及運行狀態，可以對現場設備實施控制。現場控制系統承擔現場監控系統的設備控制及數據存儲任務，云服務承擔數據備份任務，當云服務或互聯網故障時，現場控制系統能獨立控制現場設備工作并儲存數據。故障解除，現場控制系統的數據能自動與云服務同步。現場控制系統一旦發生故障，云服務能檢測到故障信息并通知相關部門進行處理［8］。

圖1 系統總體架構

3 關鍵技術及設計方案

3.1 船舶超高檢測技術及方案設計

船舶超高檢測的重要任務之一是檢測船舶的高度。船舶高度檢測技術有激光對射式、激光掃描測距方式、激光交差測距方式和熱成像圖像分析識別方式［9］。綜合各種檢測技術的靈敏度準確性、受環境影響度、河道寬度適應范圍、有效預警距離、傳感器成本、傳感器壽命、傳感器功能、傳感器數量和精度等指標，本系統采用熱成像攝像機采集進入檢測區域的船舶并使用圖像識別技術計算出船舶最高點是否超高［10］。該技術具有透霧性強、不受天氣的影響、靈敏度高的特點。

在上下游橋頭各設一套熱成像超高檢測單元。分別安裝在橋墩的位置，高度與橋體預警高度一致，水平觀測航道，熱成像超高檢測單元的視角成交叉狀布置，使用熱成像攝像機配合圖像識別算法［11］，可以全天候實現對河道船舶的超高檢測（如圖2所示）。

圖2 圖像識別測量船舶超高

3.2 船舶偏航檢測技術及方案設計

用于檢測船舶偏航的主要技術有基于AIS 的船舶位置識別技術及基于圖像識別的越界檢測技術，基于微波雷達的船舶位置識別技術。

AIS 全稱船舶自動識別系統，由岸基設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備［12］。AIS 將從北斗系統獲得的船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態數據和船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態資料通過甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近水域所有船舶之動靜態資訊，得以立刻互相通話協調，采取必要避讓行動。

圖像識別是利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對像的技術，在橋梁上架設攝像機，對橋區航道的圖像進行識別處理，可以判斷是否有船舶進入非航道區域。

微波雷達是裝在船上用于航行避讓、船舶定位、狹水道引航的雷達，亦稱船用雷達。雷達在能見度不良時為駕駛員提供了必需的觀察手段［13］。雷達識別船舶位置具有距離遠、不受天氣影響的優點。對雷達圖像進行識別可以計算出船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態數據。

綜合各種因素考慮，對300t 以上的船只，采用基于AIS 的船舶偏航檢測方案，該方案具有檢測范圍大、精度高、成本低、實施容易的優點。對無法識別甚高頻的船舶，采用近距微波雷達識別船舶航線軌跡的信號，并通過北斗信號定位，算法分析判斷是否進入偏航預警區域。（如圖3 所示，白色區域表示電子圍欄預警區域）。

圖3 電子圍欄偏航預警區

3.3 預警與報警技術

將超高、偏航等預警信息通過船用電笛、自動跟蹤探照燈、AIS 文字信息、LED 大屏幕、GSM 等多種（級）方法和手段及時告之船主（如圖4所示）。

圖4 三級防范措施

4 軟件設計

將系統軟件功能分為管理和預警兩大部分。

4.1 主要管理功能

1）橋梁地圖信息

顯示橋梁GIS 信息，方便管理部門對橋區的查看。

2）視頻圖像信息

實現圖像瀏覽，圖像疊加監測點名稱、時間、設備編號，可以按事件調取圖像信息。

3）預警信息查詢

查看設備發出的偏航、超高、超速、違規關閉AIS等預警信息記錄。

4）虛擬航標設置

把航道上的實體航標位置或航道上的航行控制點坐標封裝成AIS 數據包向周圍發射，把這些點模擬成AIS航標，以便被過往船舶駕駛員發現。

5）電子圍欄設置

把非通航區域繪制成矩形，可對電子圍欄查詢、添加、修改、刪除。如果有船舶進入非通航區域，現場設備將會發出AIS、VHF等手段通知船舶。

6）大數據統計

對發布信息、船舶通航情況、超高信息、超速信息、違規關閉AIS 信息、重點監控船舶信息進行統計。

4.2 主要預警功能

1）船舶走向預測

對現場設備收集到的船舶速度、坐標、航向等航行數據進行二維模擬計算，推算出所有船舶走向，對可能偏航的船只發出警報。

2）船舶超高預測

程序接收到設備返回的超高信號后，分析信號來自上游或者下游的設備，抓取該區域所有向橋梁方向航行的船舶數據，經過算法篩向觸發超高點最近的一條船舶發出警報。

3）船舶違規關閉AIS

根據現場設備的檢測信號，對監控區域的數據進行分析，判斷是否存在船舶。如果發現有船舶在該區域但未發出AIS 信號，就認為該船違規關閉AIS，系統對此船發出警告。

4）船舶助航預警提示

當船舶向橋的方向前進并進入指定的檢測范圍內，對該船下發如前方施工、霧霾嚴重和當前的通航凈高水位等提醒信息。

5 現場監控系統硬件設計

現場監控系統由現場服務器單元、AIS 模塊單元、VHF 模塊單元、水位檢測單元、視頻監控單元、船舶超高檢測單元、聲光報警單元、橋輪廓照明單元、船撞監測單元組成（如圖5 所示）。根據其功能安裝在橋梁不同部位，對過往船舶的高度、位置以及橋區水位進行檢測，一旦檢測到超高或偏航，現場服務器通過各種模塊單元發出報警信號，同時啟動錄像抓拍功能，拍攝違規航行船舶圖像，把報警信息及圖像信息傳送到中心服務器。管理人員在監控電腦屏幕可以通過鍵盤切換、觀看任意一路現場圖像信號，也可以控制云臺及調焦，細致觀看航道的通航情況。

1）總控單元

主要用于現場設備控制及數據等采集傳輸，選用嵌入式免風扇工業控制計算機，有利于減少體積，降低功耗，提高系統穩定性。

圖5 現場監控系統組成

2）AIS模塊單元

AIS 單元主要由AIS 模塊組成，通過232 或485與現場服務器連接，其主要功能是接收橋梁周圍一定范圍內的船舶發出的AIS 信號，經過解碼后發送到現場服務器，也可以接收現場服務器的指令，向橋梁周圍船舶發AIS 預警短信、發布虛擬航標、虛擬船舶等數據。

3）VHF電臺單元

VHF 電臺模塊的主要功能是主機檢測到有超高船舶駛入后，電臺單元使用海事專用頻道發出警示音頻。該模塊必須符合海事電臺使用規定；具備能被單片機控制的接口；具備外部音頻輸入接口［14］。

4）水位檢測單元

水位傳感器實時采集水位，通過遠程模塊發送給服務器［15］，實現24 小時全自動水位監測，保存記錄，保證預警信息的通航凈高準確。

5）視頻監控單元

采用200 萬網絡高清球機和槍機全天候監控河道以及橋面通行情況，與超高、偏航事件聯動。定時錄像、事件錄像、移動偵測錄像、報警錄像、動測或報警錄像、動測且報警錄像和回放。

6）超高檢測單元

采用熱成像攝像機儀，該設備能夠探測極微小溫差，將溫差轉換成實時熱輪廊視頻圖像。

7）聲光報警單元

現場總控單元判斷有超高船舶則開啟船用喇叭，啟動云跟蹤探照燈警示超高船舶。

8）橋輪廓照明單元

在通航孔輪廓頂部邊緣安裝LED照明模組，當有船舶駛入橋梁區域時，照明控制箱控制LED照明模組閃亮提醒過往船舶注意航行安全，船舶離開控制熄滅，達到節能環保的目的，閃亮頻率為每秒0.5次。

9）云臺探照燈

檢測到船舶違規時，系統按避碰規定控制云臺探照燈指向違規船舶進行提醒。

6 結語

本文用科技化、信息化手段在互聯網基礎上構建了集紅外超高探測，微波雷達偏航探測、AIS 船舶身份識別預警通知、VHF通知、視頻監控錄像、無線數據傳輸，聲光報警等于一體的多功能全方位內河橋梁主動防船碰撞實時預警系統。試運行期間共發出警告125 次，成功勸返超高船舶25 船次，預防準確率100% 。通過主動預警系統的示范帶動作用，為橋梁科學化運營管養水平的提升提供重要支撐。