基于多源信息融合的高等級航道橋梁主動防船撞系統(tǒng)

何侃

摘 要：隨著陸上交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善和水運(yùn)工程的飛速發(fā)展，跨河橋梁的數(shù)量在逐漸增加，船舶與橋梁相撞的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)提升。為消除船舶碰撞橋梁尤其是高等級航道橋梁的安全隱患，應(yīng)建立對危險(xiǎn)船舶進(jìn)行甄別、預(yù)警及干預(yù)的主動防船撞系統(tǒng)。由于單一信息源的主動防船撞系統(tǒng)往往存在一定缺陷，本文旨在利用自動識別系統(tǒng)、甚高頻、船舶身份識別與軌跡傳感器等技術(shù)，構(gòu)建基于多源信息融合的碰撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊，從而推動智能航道的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：多源信息融合;高等級航道;橋梁;主動防船撞系統(tǒng)

中圖分類號：U611? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0081-03

1 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和水運(yùn)行業(yè)發(fā)展的日益加快，跨越通航水域的橋梁在不斷增多，同時(shí)，航行船舶的數(shù)量及載重噸位也在迅速增加[1]。由于跨河橋梁的建設(shè)年代和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，且下行船舶的噸位和通航要求不一，受到上述多種因素的影響，船舶與跨越通航水域的橋梁相碰撞的風(fēng)險(xiǎn)在日趨加大。在內(nèi)河高等級航道中，可通航船舶的載重噸位大、通航要求高，船舶與跨河橋梁碰撞的危險(xiǎn)性尤為突出。由此可見，對橋梁防船撞設(shè)施的研究具有一定的必要性，且對惠及民生的交通安全出行亦具有重要的意義。

在1847年至1975年期間，全球累計(jì)發(fā)生143例橋梁坍塌事件[2]。通過對事故原因的分析發(fā)現(xiàn)，因船舶碰撞橋梁而誘發(fā)橋梁垮塌的事件占比較高。在1980年，發(fā)生于美國佛羅里達(dá)州的陽光大橋橋墩被船舶撞塌的事件則成為船撞橋研究歷史進(jìn)程中一個(gè)標(biāo)志性的里程碑[3]。三年后，國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）以此為議題進(jìn)行了研究和討論。1991年，美國道路工程師協(xié)會出臺了美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（AASHTO）《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》[4]。1995年，國際航海協(xié)會常務(wù)會議（PIANC）成立了相關(guān)的工作小組，該小組對世界各地的船撞橋事件進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[5]。

在我國，船舶撞擊高等級航道橋梁的事故也屢見不鮮。南京長江大橋受到30余次船舶撞擊，武漢長江大橋累積受到多達(dá)70余次的船舶撞擊[6]。國內(nèi)具有代表性的船撞橋事件是發(fā)生于2007年的廣東九江大橋“6·15”事件[2]，船舶碰撞橋梁并誘發(fā)近200米橋面的坍塌[7]。20世紀(jì)90年代，我國開始開展對船撞橋問題的研究[8]，結(jié)合具體的工程項(xiàng)目，對橋梁選址、橋梁跨度、通航凈空、船撞力、橋墩水域流場、橋梁防撞等進(jìn)行了研究。

目前國內(nèi)的橋梁防撞設(shè)施有多種，包括光電預(yù)警等主動防船撞設(shè)施，以及防撞護(hù)舷、消能防撞套箱、樁式防撞裝置等被動防船撞設(shè)施[2]。然而，橋梁主動防船撞領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各橋梁采取的主動防船撞設(shè)施也不盡相同。

潤揚(yáng)長江公路大橋[9]的主動防船撞系統(tǒng)是利用激光巡回測距系統(tǒng)對船舶進(jìn)行照射及測距，從而發(fā)現(xiàn)通航水域內(nèi)對橋梁安全構(gòu)成威脅的目標(biāo)船只。系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信息，以便橋梁養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)采取措施，對危險(xiǎn)船只進(jìn)行攔截，保證橋梁安全。由于激光測距系統(tǒng)可以保證晝夜全天時(shí)工作，從而形成對橋區(qū)通航水域內(nèi)通行船只24小時(shí)連續(xù)不間斷的監(jiān)視，且測量精度高、定位準(zhǔn)確、發(fā)現(xiàn)概率高，因此該系統(tǒng)可以有效避免危險(xiǎn)船只對橋梁的撞擊事故。

蘇通長江大橋[10]的主動防船撞系統(tǒng)是基于自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）建立的無接觸防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動傳遞橋墩的位置給過往船舶，船舶通過雷達(dá)顯示器可以明確通航孔的位置。系統(tǒng)在船舶偏航時(shí)將及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒采取措施避免碰撞。在能見度不高或夜晚航行的情況下，該系統(tǒng)可以協(xié)助船舶安全過橋。

東江鐵路大橋[11]采用激光結(jié)合AIS建立了主動超高報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)前端激光檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)船舶高度超過預(yù)設(shè)標(biāo)高時(shí)，便會立即發(fā)出報(bào)警指令。系統(tǒng)后臺會依據(jù)AIS及GIS給出的船舶信息，快速定位到超高船舶，并播放警示語音。此外，系統(tǒng)還配備有錄像設(shè)備，以便協(xié)助監(jiān)控人員看清現(xiàn)場情況并留存違章證據(jù)。

總體而言，目前國內(nèi)諸多橋梁都基于激光、AIS等設(shè)備，對船舶撞擊橋梁進(jìn)行主動預(yù)警及干預(yù)，但尚存在著系統(tǒng)不完善、手段單一、功能不全等缺陷。在此背景下，本文旨在采用多源信息融合的技術(shù)[12]，基于AIS、甚高頻（Very High Frequency，簡稱VHF）電臺模塊[13]、船舶身份識別與軌跡傳感器（Vessel Identification and Track Sensor，簡稱VITS）[14]等構(gòu)建碰撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊。首先，船舶偏航預(yù)警系統(tǒng)通過聲、光、電等多種手段，對危險(xiǎn)船舶進(jìn)行識別、預(yù)警及干預(yù)，盡可能消除了船舶碰撞橋梁的安全隱患，保障了大橋的運(yùn)營安全。其次，船舶碰撞報(bào)警系統(tǒng)可以24小時(shí)監(jiān)測船撞橋事故的發(fā)生并為后期的橋梁管理和維護(hù)提供了依據(jù)。最后，橋區(qū)信息播報(bào)系統(tǒng)可以及時(shí)通報(bào)水位、流速、施工、天氣等信息，為船舶的安全通航提供了保障。

2 船舶偏航預(yù)警系統(tǒng)

船舶偏航預(yù)警系統(tǒng)（見圖1）由現(xiàn)場服務(wù)器單元、海事VHF對講模塊以及聲光報(bào)警及LED顯示屏單元三部分組成[13]。

現(xiàn)場服務(wù)器單元（見圖2）是主動防船撞系統(tǒng)的核心單元，能將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器供橋梁業(yè)主單位、海事管理部門和維護(hù)單位管理部門查詢。

其中，AIS控制模塊可以獲取橋區(qū)通航水域內(nèi)船舶的靜態(tài)信息（例如名稱、呼號、載重、所運(yùn)貨物等）以及動態(tài)信息（例如位置、速度、方向、改變航向率等）。通過將船舶位置與橋梁上下游虛擬航標(biāo)燈內(nèi)的虛擬航道進(jìn)行比對，判斷船舶是否偏航（見圖3）[15]。VITS模塊可以對船舶操縱性能進(jìn)行辨識，繼而預(yù)測船舶操縱后的運(yùn)動過程，并按照目前的船舶運(yùn)動狀態(tài)，計(jì)算出最優(yōu)避碰操縱方案。

一旦檢測出有船舶偏移航道，海事VHF對講模塊（見圖4）即可使用海事專用頻道向偏航船舶發(fā)布語音對講警告。

聲光報(bào)警及LED顯示屏單元（見圖5）由水位顯示與聲光報(bào)警單元控制器、LED顯示屏、高音電笛、高亮度頻閃燈等組成。為降低建造成本和日常維護(hù)成本，LED顯示屏可以選用固定字符的簡單形式，提示內(nèi)容為“船舶偏航”，且具備閃爍警示的功能。

3 船舶碰撞報(bào)警系統(tǒng)

船舶碰撞報(bào)警系統(tǒng)（見圖6）主要由兩大模塊組成，船撞橋的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又包括了三部分裝置，一是撞擊信號采集裝置，24小時(shí)不間斷采集大橋1號至N號橋墩的振動信號以及壓力信號。其中，振動信號采集裝置安裝在橋墩頂部，壓力信號采集裝置則分別安裝在防撞設(shè)備內(nèi)部。一旦系統(tǒng)顯示橋墩振動信號及壓力信號出現(xiàn)異常，船舶碰撞報(bào)警系統(tǒng)將被啟動，提醒橋梁現(xiàn)場監(jiān)管人員確認(rèn)是否發(fā)生撞橋。二是船只數(shù)據(jù)采集裝置，與主動防撞系統(tǒng)結(jié)合，記錄船只噸位及速度等信息。三是視頻監(jiān)控裝置，對橋梁附近通航水域的情況進(jìn)行全天候24小時(shí)的視頻監(jiān)控。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于橋墩頂部振動信號、防撞設(shè)備內(nèi)部壓力信號和視頻監(jiān)控三方面的內(nèi)容，綜合判斷是否發(fā)生船舶撞擊。判斷的指標(biāo)不止信號幅值，也包括信號的相關(guān)性等，以減少誤判。管理人員在收到撞橋警報(bào)后，可以調(diào)出視頻監(jiān)控確認(rèn)是否撞橋，如果確定撞橋，則依據(jù)振動信號和壓力信號、船只信息及相關(guān)視頻，分析撞擊程度及判斷撞擊影響，并將結(jié)果上報(bào)管理部門以便采取相應(yīng)的響應(yīng)措施。

4 橋區(qū)信息播報(bào)系統(tǒng)

橋區(qū)信息播報(bào)系統(tǒng)通過AIS系統(tǒng)自動向駛?cè)霕騾^(qū)通航水域的船舶發(fā)布各種助航信息，如水位、流速、施工等。系統(tǒng)還可根據(jù)天氣信息，及時(shí)預(yù)警通航船舶。一旦橋區(qū)有臺風(fēng)降臨，提前預(yù)警過往船舶;如果橋區(qū)風(fēng)力超過8級，通知過往船舶小心行駛;若超過9級，通知船舶就近靠泊避風(fēng)。除此之外，系統(tǒng)還將接收船舶的AIS信號并采集進(jìn)入橋區(qū)所有船舶的信息，并會保存一定時(shí)間內(nèi)船舶的通過時(shí)間、船舶信息、行駛速度等，管理人員可以根據(jù)需要通過云平臺查閱相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文對國內(nèi)外船舶撞擊橋梁的事件進(jìn)行了梳理，并對目前國內(nèi)高等級航道橋梁的主動防船撞系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于多數(shù)據(jù)源融合的主動防船撞系統(tǒng)。文章對系統(tǒng)裝置的構(gòu)成、原理、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景等進(jìn)行了一定的基礎(chǔ)性研究工作。系統(tǒng)采用AIS、VHF、VITS等多種技術(shù)，并利用聲、光、電等多種手段，對船舶的行駛軌跡進(jìn)行全程跟蹤及預(yù)判，對危險(xiǎn)行駛船舶進(jìn)行辨識、預(yù)警及干預(yù)，有效防范船舶碰撞高等級航道橋梁。本文搭建的主動防船撞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對交通環(huán)境的智能感知和對危險(xiǎn)物標(biāo)的判斷，營造了數(shù)字化交通環(huán)境，推動了智能航道的發(fā)展，具有一定的技術(shù)前瞻性和廣泛的實(shí)用性。未來，將在江蘇省內(nèi)多座高等級航道橋梁設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，對橋區(qū)過往船舶進(jìn)行跟蹤，結(jié)合智能算法進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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