橋區水域船舶管控主動預警系統研究

施永燦

摘 要：在橋區水域管理過程中，管理方需要對橋區水域中的船只信息進行監測，并進行反饋共享，廣播船只信息，方便附近船只了解航道情況，避免發生意外。現有的防碰撞裝置主要基于紅外探測技術，監測效果一般，精度不高，所以本文提出一種橋區水域管理裝置。該裝置可有效監控橋區水域船舶通航情況，通過全面監測水上和水下通航物體，防止船只誤入、危險駕駛，甚至碰撞。

關鍵詞：橋區水域;船舶管控;主動預警

Abstract： In the process of water management in the bridge area， the management side needs to monitor the ship information in the water area of the bridge area， and carry out feedback sharing and broadcast the ship information to facilitate the nearby ships to understand the channel conditions and avoid accidents. The existing anti-collision device is mainly based on infrared detection technology， with general monitoring effect and low accuracy. Therefore， this paper proposed a water area management device in bridge area. The device can effectively monitor the navigation of ships in the water area of the bridge area， and prevent the ships from entering， dangerous driving and even collision by comprehensively monitoring the navigation objects on and under the water.

Keywords： bridge area waters;ship control;active warning

近年來，隨著路網建設的發展和完善，溝通江河兩岸的橋梁建設項目越來越多，大型跨河橋梁工程施工水域與航路相互交疊的情況大量出現，不僅改變了船舶習慣的航路，而且對大橋施工和管理的各個階段產生了不同程度的影響。加之船舶發展不斷趨于大型化，船舶駕駛員不能及時掌握橋區水域通航尺度，導致越來越多的船撞橋事故發生，橋區水域船舶安全事故已經成為水上交通事故的重要組成部分[1-5]。例如：2017年1月8日晚，一艘散貨船途經洪奇瀝水道時，觸碰到南沙番中公路（省道S111）洪奇瀝大橋南側橋墩。事故導致橋墩凹陷、鋼筋外露，所幸無人員傷亡，未造成水域污染。再如：2018年9月24日晚，一艘沙船（空船）失控撞到北環高速公路廣清立交GF匝道橋橋墩和北環高速主線白坭河大橋橋墩，其中GF匝道橋橋墩被撞擊后混凝土有較大面積剝落，主線白坭河大橋橋墩被撞擊后，懸掛在橋墩北側的直徑約1.2 m的自來水管被撞裂，肇事船被水管卡在橋墩位不能移動。因此，研究最大程度上預防船舶碰撞橋梁事故的發生，合理地管控橋區水域船舶，構建橋區水域船舶管控預警系統，具有重要的經濟價值和社會意義。

1 橋梁防撞設施現狀

橋梁防撞措施大致包括兩部分：主動橋梁防撞和被動橋梁防撞。主動橋梁防撞方法包括：船舶交通服務系統（Vessel Traffic Services，VTS）、船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）、船舶警戒系統、設置橋涵標、設置助航標志等。被動橋梁防撞方法包括：采用消能緩沖材質防撞、重力式防撞墩、人工防撞島等[6-10]。

1.1 主動橋梁防撞

1.1.1 VTS系統。VTS系統是利用甚高頻無線通信系統（Very High Frequency，VHF）和雷達無線感知識別的方式，結合AIS系統，對監管區域內航行的船舶進行實時的信息管控和船舶合理調度[11-13]。在目前的通信領域中，各種通信日新月異，特別是數字手機通信發展迅速。但是，由于水域管理情況特殊，VHF通信在水域管理中受行業管理要求，其地位和作用無可替代。同時，VTS的建設是由國家承擔的政府公共服務之一，目前僅對海域及大型港區提供覆蓋和公共服務。

1.1.2 AIS系統。AIS系統是采用自組織時分多址鏈接技術，在規定頻段內連續自動地播發本船靜態、動態、與航次相關信息及安全短消息，同時也能自動接收周圍船舶發出的這些消息，并與岸基站臺進行信息交換。《國際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）規定，從事非國際航運的500總噸及以上噸位的船舶以及不論尺度大小的客船，都必須安裝AIS系統。目前，內河船舶100總噸以上船舶基本都安裝了AIS系統。AIS系統是一個較好的防撞避碰系統[14-16]。

1.1.3 橋涵標。橋涵標是橋梁業主單位建設落實的橋梁水域通航助航設施。橋涵標設置于橋梁上，一般位于通航孔或禁航孔正上方，是規范船舶航行的重要參考設備。目前，橋涵標的設置主要存在海區和內河水域混淆、標志不清晰、信息固化、在大霧等危險天氣效能無法正常發揮等問題。

1.1.4 紅外預警。目前在橋區水域管理過程中，部分業主單位采用了建立在紅外基礎上的主動預警裝置，從技術上對橋區水域中的船只信息進行監測，并進行反饋共享，廣播船只信息，方便附近船只了解航道情況，避免發生意外。但是，這種防碰撞裝置主要基于紅外探測技術，監測效果一般，精度不高，受水上條件影響較大，誤報率極高。

1.2 被動橋梁防撞

被動橋梁防撞也稱為結構防撞。傳統橋梁結構防撞方式分為三種。第一種是在橋墩附近建設固定式防撞墩，船舶不慎偏離航道即將撞擊橋墩時，會先撞擊固定式防撞墩，卸去一部分的撞擊力，同時撞擊的異響會提醒船員發生了異常情況，不僅能保護橋梁自身完整，而且能保護周邊傳船只的安全。第二種是在橋墩上加裝復合緩沖材質較好的緩沖墩，達到卸去撞擊力的效果。復合緩沖材質一般采用纖維制成，可以有效將碰撞點的撞擊力向四周擴散。第三種是采用復合材質的特殊結構的防撞設備，這種防撞設備首先在材質上可以將撞擊力分散，其次在結構上也會有一定的緩沖作用，類似于大型彈簧[17-21]。

結構防撞裝置目前被橋梁業主廣泛接受。但是，從事故統計來看，目前發生的船舶撞橋事故中，結構防撞裝置發揮的效能基本為零。主要原因是結構防撞對不同水域和不同船型的效果截然不同。此外，在橋區水域增設固定式防撞墩，造成橋區水域水流繞流，影響船舶操縱，同時造成涌水現象，抬高橋區水域水位。主管部門出于防洪考慮，一般不同意在內河水域橋區范圍建設結構防撞裝置。

2 橋區水域船舶管控主動預警系統

2.1 系統整體結構

為了能研究出有效的電子橋梁防碰撞機制，研究者對北環白坭河船碰橋事故進行了仔細分析。事故當晚，船舶順流向南航行，航道彎曲，且當時正退潮，流速約2節。肇事船舶航行入白坭河橋時航速仍保持8.1節，未使用安全航速，離橋較近時才發現船舶失控，撞擊白坭河橋橋墩時航速為6節左右，最后導致白坭河橋橋墩嚴重受損，橋上過橋水管因撞擊而被損壞。通過調查可知，船舶投入運行后，舵系統發生多次故障，本次事故發生時，船舶左舵柄與舵連桿滑脫，導致船舶操舵時，左右兩個舵的舵角無法保持一致，船舶操舵無法獲取有效舵效，導致舵機失效。可見，事故的主要原因是船員未按安全航速通過橋梁，并且船員對橋區的水道情況不熟悉，以較快的航速通過彎曲的航道時，才發現船舶失控，最終未能在一定時間內采取有效的減速措施，導致事故發生[22-24]。

事故造成廣州北環高速公路廣清互通立交GF匝道白坭河大橋0-1、0-2#墩柱蓋梁項部往廣州方向新近位移約3～29 cm，且蓋梁左側系推算蓋梁頂部相對泥面處的傾斜量約為26.8～28.5 cm（往收費站方向），大橋0-1、0-2#墩柱及樁基均有新鮮開裂，且樁基裂縫寬度較大，影響結構安全，大橋梁體暫無明顯相關性病害。依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）對該橋進行評定，該橋受損后被評定為“5類橋”，處于危險狀態，直接經濟損失約為千萬元。

事故造成廣州北環高速公路白坭河大橋L15-2#墩距蓋梁底面往下1.2 m處混凝土破損，大橋L15-2#墩等相關結構物暫無明顯相關性病害。

通過對北環白坭河橋案例及洪奇瀝大橋案例進行分析，本系統需要從三個方向進行設計，即事故前、事故中、事故后。事故前，船員并不知道前方橋梁的具體情況，或者自身沒有意識到前方有橋梁，等發現異常情況時，已經來不及采取防范措施;事故發生時，橋梁管理人員不能及時獲取橋梁信息，也無法和船員進行通信，導致事故嚴重化或者復雜化;事故發生后，執法人員獲取追責證據的周期較長，這主要是因為缺乏收集橋梁證據的方法，較難收取證據，不便對事故進行判罰。該系統是一套較全面的電子橋梁防碰撞系統，從事故前預防到事故中了解現況，最后到事故后執法追責，都要考慮在內。實現方法是開發一套可以收集單信息點有效數據的系統，把系統軟硬件設備放在每一個監管信息點中。通過每個監管信息點收集的信息及反饋，數據中心采用大數據分析及算法處理，最后將各自通航橋梁的信息、預警信息及通航建議提供給傳播用戶、監管部門和執法部門。結合水上專用通信技術，研究并提出一種橋區水域的管理裝置，可有效監控水域船舶通航情況，通過動力感應等全新技術，全面監測水上和水下通航物體，防止船只誤入、危險駕駛，甚至碰撞。

該系統由橋梁電子預警監管信息點、數據處理中心、監控中心、移動終端和執法單位預警信息接入端。系統結構如圖1所示。

2.2 橋梁電子預警監管信息點模塊介紹

為了達到水上安全保障功能，系統融合多種水上專用技術，硬件設計如圖2所示。

2.2.1 AIS識別模塊。結合船上現有的設備開發船舶識別功能，采用AIS船舶識別技術識別接收預警區域內所有AIS船舶的信息，并指向性發送AIS預警短報文到指定船舶。AIS技術采用標準報文中規定的22種不同類型的幀，其中不僅包括傳輸船舶動態和靜態信息，還包括與互通各模塊或者網絡層傳輸的信息。

經過后期開發解析，將該模塊船舶信息疊加到電子海圖中，以達到船舶信息實時更新的效果。為方便業主監管，系統AIS識別模塊可根據業主需求，在電子海圖中設置預警區域、虛擬航道、信號覆蓋圈等定制化功能。在特定橋區，也可以在電子海圖上顯示來往船舶的通航軌跡，方便相關部門輔助執法。AIS識別模塊覆蓋范圍相當廣泛，AIS船臺機也是船舶必備的安全設備。該模塊可以讓船舶第一時間接收到設備發送的橋梁信息，是該系統建立船橋通信的手段之一。結合北環白坭河橋的案例，假設船員在離橋安全距離內通過系統發送的預警AIS信息發現前方有橋梁，并且了解前方的橋梁實時信息，提高警惕，提前發現船舶自身的問題，那么將會有更長的應急時間處理突發問題，及時采取良好的對應措施。

2.2.2 甚高頻通信（VHF）模塊。本系統的VHF采用技術加裝，覆蓋水域可調控，僅對橋區水域船舶進行指向性管理，避免VHF通信干擾。VHF主要應用在水上通信領域，主要工作頻率為156～174 MHz，是重要的水上通信手段。其主要功能是實現與來往船舶的通信預警功能，當船舶進入預警橋區水域后，該模塊可自動向船舶發送橋區情況，輔助船舶安全通航。為了解決監管部門與船舶通信的問題，目前開發了可將陸地上數字通信與水上無線電通信相融合的技術，實現系統與船舶之間的有效通信，是突發情況監管部門與船舶應急通信的重要工具。船舶需要根據海事部門規定使用VHF作為水上通信手段。

VHF無線電通信是船舶的通信方式，在船舶行駛過程中，必須24 h開著VHF無線電通信設備。利用甚高頻通信（VHF）模塊能更加有效地將橋梁信息或者預警信息告知給船員，使船員安全通航。即使船舶因疏忽沒能及時留意AIS模塊發送的信息，VHF通信模塊也會將安全信息以語音的形式告知船員。

2.2.3 雷達識別模塊。本系統采用定制化小目標精測雷達，雷達識別運用微波偵測技術，對預警區域進行精確掃描。當船舶進入雷達掃描范圍時，雷達將掃描到的信息通過通信網絡傳送到數據中心。數據中心通過數學模型解析出目標的位置、距離、方位、速度等信息，將目標在電子海圖上實時顯示出來，并顯示其運動軌跡。若發現異常情況，則發出報警信息至后臺監管平臺，同時在軟件端發出報警，并聯動橋區甚高頻通信（VHF）模塊、LED大屏等告警模塊對異常船舶進行提醒。

2.2.4 檢測模塊。對于橋區水域自然環境動態數據檢測模塊，采用紅外感知技術及水流感應技術等制作出凈空測高模塊及紅外測高模塊等數種高精密實時傳感器，全天候采集橋區預警水域的橋區情況，如風速、流速及實時凈空高度等。采集數據經處理后上傳到數據中心進行保存與分析。

2.2.5 預警模塊。系統采用高性能處理單元，將橋區的實時信息與數據中心橋區的信息進行匹配，進行判斷并作出反饋。若輸出異常信息，則要通過通信模塊把指令下發給信息點、監管中心及執法部門，各信息點收到指令后執行告警操作。

2.2.6 CCTV監控模塊。CCTV監控模塊采用水上高精密紅外夜視攝像設備，聯動雷達識別模塊，自動抓拍來往異常行為，并且實時將信息上傳到數據處理中心。

2.2.7 外延裝置模塊。橋區水域管理裝置包括設置在橋梁或岸/船基上的向過往船舶發送和接收信息的AIS模塊，用于發送給過往船舶信息的VHF模塊及設置在橋梁或岸/船基上的預警信息裝置。其中，預警信息裝置包括設置在橋梁或岸/船基一側的控制箱，控制箱頂端一側設有聲光報警器和光電雷達。控制箱兩側均連接有無線信號裝置，且兩個無線信號裝置與水上設置的不等距分布的浮標裝置無線連接。浮標裝置內部設置無線網絡收發模塊;頂部設有檢測裝置，且檢測裝置內部設置有AIS模塊、VHF模塊和檢測傳感器;浮標裝置底部設有動力傳感器。控制箱底部兩邊位置處均有傾斜設置的超聲波速度傳感器，控制箱一側中間位置處設有高清攝像頭，控制箱內設有微處理器以及與微處理器進行電性連接的供電模塊，微處理器連接有無線網絡收發模塊，且微處理器通過無線網絡收發模塊與AIS模塊和VHF模塊進行通信連接，高清攝像頭、超聲波速度傳感器和聲光報警器均與微處理器形成電性連接。

使用時，將控制箱安裝到橋梁或岸/船基的一邊，保持高清攝像頭處于水平狀態。當船只靠近延伸的浮標裝置時，檢測傳感器反饋信號，根據不同檢測傳感器反饋的信號實現對船只位置的定位;通過超聲波速度傳感器反饋船只的速度情況;通過高清攝像頭采集船只照片，并與標準照片進行比對，結合光電雷達采集的信息，反饋船只是否有撞擊橋梁或岸/船的危險，通過聲光報警器進行預警，通過VHF模塊和AIS模塊傳播船只信息。預警裝置示意圖如圖3所示。

2.2.8 移動終端。移動終端或APP或小程序是系統不可或缺的重要組成部分。船舶使用者可以通過移動終端，實時輸入船舶信息及方位，主動了解橋梁通航情況，以實現安全通航。若船舶在當前預警水域偏航或者超高，也可以通過AIS短報文或VHF兩種方式接收來自系統的告警信息。結合北環白坭河橋的案例，如果船員收到了移動終端的智能提示，發現船舶偏航或者無法控制，可以立刻在移動終端上聯系相關部門，相關部門第一時間收到求救或者緊急信息，及時調動系統信息定位船舶位置，從而進行救援;或者結合橋梁現場的設備及情況，告知船員有效的應對方法，避免事故發生。

2.3 數據處理中心

設備的信息處理及數據存儲離不開計算服務器及數據存儲設備，系統的運算能力取決于數據中心的整體綜合計算能力。數據處理中心是系統的核心。因此，為了提高系統的安全性、冗余性及可拓展性，數據處理中心采用雙處理中心——“云服務+本地服務中心”架構，主數據處理中心設置在本地中心機房，副數據處理中心設置在云上。遇到突發情況，硬件設備做到主備中心無間斷切換，網絡環境上做到自動計算最優路徑，加快系統計算能力，保障系統的正常運行。

系統與數據中心的用戶接口設計成B/S架構。B/S架構的全稱為Browser/Server，即瀏覽器/服務器結構。Browser指的是Web瀏覽器，極少數事務邏輯在前端實現，但主要事務邏輯在服務器端實現。B/S架構的系統無須特別安裝，只有Web瀏覽器即可。

B/S架構的優點：客戶端無須安裝，有Web瀏覽器即可。B/S架構可以直接放在廣域網上，通過一定的權限控制實現多客戶訪問的目的，交互性較強。B/S架構無須升級多個客戶端，升級服務器即可。可以隨時更新版本，而無須用戶重新下載更新。

2.4 橋區水域船舶管控主動預警系統內嵌人工智能

從微觀角度來看，每一個橋梁監控信息點都是擁有獨立計算能力的橋梁電子防撞系統，根據預警區域的實時情況，將本地橋梁及船舶情況反饋給橋梁監管部門或者船舶駕駛員。從宏觀的角度，每一個橋梁水域監控信息點可以理解成一個局部的“感知器”。這些“感知器”將接收到的信息傳達給數據中心，數據中心經過長時間的智能學習、分析、演算后，形成范圍內擁有人工智能預警能力的橋區水域船舶管控主動預警系統。

對于復雜的橋區水域通航環境，船舶多數會憑借經驗通過橋梁水域。但是，船舶碰撞橋梁事故往往都是由于經驗不足或經驗太充分導致罔顧安全而導致的。橋區水域船舶管控主動預警系統可以從兩方面達到預警船舶避碰的功能：第一，通過AIS、VHF通信模塊，將橋梁的實時通航情況通過AIS短報文及VHF語音播報在規定的無線電頻道傳達給來往船舶;第二，船舶駕駛者可通過移動終端實時輸入自己船舶的信息及方位，主動了解橋梁通航情況，以實現安全通航。若船舶在當前預警水域偏航或者超高，也可以通過AIS、VHF接收到來自系統的告警信息。

系統后臺可記錄各橋梁的實時信息，包括實時凈空高度、船舶信息、實時水域監控視頻、異常通告等。要為監管部門提供可視化的操作后臺，方便監管部門了解各地橋梁的情況。一旦收到某橋區的異常告警，監管部門可通過軟件或者Web界面告知執法部門異常情況，對異常情況進行緊急處理。對于橋梁管理方或者船舶駕駛者來說，事前預警，哪怕只是一個溫馨提示，都可以在事故發生前的關鍵時刻發揮關鍵作用，其價值往往不可限量。

3 系統設計實施場景

3.1 實施場景A

將外延裝置安裝在橋區水域兩岸，也可以安裝在橋區水域浮標系統中，該模塊的作用是擴大預警防撞的預警范圍。本文以外延浮標裝置為例進行說明。浮標裝置包括頂部設置的航標燈，航標燈連接有浮標體，且浮標體底部卡接有中空半球罩，浮標裝置之間通過無線網絡連接。

本裝置可更精準反饋水上和水下通航物體位置、型寬、水線以上高度等數據，測量水流流速、水位等情況，能有效管理水域，預防船只碰撞。

通過設置的浮標裝置，結合設置的各種檢測傳感器、聲吶式液位傳感器，可以更加精準地反饋船只位置及水位情況，精度更高，能更加有效地預防船只碰撞;結合設置的速度傳感器，方便檢測船只速度;結合設置的聲光報警器，方便即時預警，避免船只與橋梁或岸/船發生碰撞;結合設置的電機和葉輪，方便調整浮標的位置，操作簡單。

3.2 實施場景B

將各個浮標裝置設置在水下利用導線連接，將浮標裝置與控制箱實行有線電連接，這樣既可以實現無線信號的連接，又可以實現有線控制。其余裝置的連接方法、設置方法和功能原理與實施例1相同。

4 結語

本文設計的橋梁水域主動管控系統，能讓船舶駕駛員提前了解當地橋梁的現狀，使管理人員清楚當地得橋梁及水域實時情況，也可使執法部門通過有效的視頻、音頻等證據，追究相應人員的責任。同時，該系統實現了“互聯網+大數據+人工智能”，在一定程度上保障了水上航運及陸上橋梁交通的協同發展，對未來實現智慧交通具有一定的參考作用。

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