汕頭礐石大橋防撞預警系統設計

劉 淵

(汕頭市礐石大橋有限公司，廣東 汕頭 515000)

0 引言

汕頭礐石大橋南接廣汕公路濠江區路段，北跨汕頭港至老城區西堤路，與海灣大橋相距9km。礐石大橋的建成，方便了汕頭中西部的過海交通，大大提高了汕頭市區出口道路的通過能力，與海灣大橋共同形成汕頭港東西兩翼聯結粵東和珠三角的主要通道。該橋的地理位置如圖1所示。

圖1 礐石大橋地理位置

大橋全長2 391m，主橋為906m連續混合加勁梁斜拉橋，跨度布置為2×47m(PC箱梁)+100m+518m+100m(鋼箱梁)+2×47m(PC箱梁)，在距主塔98.5m處為鋼箱梁與PC梁的混合接頭，該連接構造在我國大型橋梁中首次采用。大橋橋型布置如圖2所示。

圖2 礐石大橋橋型布置(單位：m)

1 現狀與需求分析

1.1 現狀

“十三五”以來，廣東航道建設取得較大成效，航道通行能力大幅提高，船舶流量增多，通航環境變得更加復雜，水上安全形勢也日益嚴峻。據2012年至2018年不完全統計，廣東省發生的較大的船舶撞橋事故27起，其中碰撞橋面事故14起，占撞橋事故的1/2左右[1]。

汕頭礐石大橋尚未安裝有效的通航安全監控設施以及防碰撞預警系統。橋該通航安全方面的主要問題有：

(1)橋梁整體信息化程度不高；

(2)橋梁對過往船只獲取信息情況不足；

(3)橋梁管理人員對橋梁水域情況不明確；

(4)未建設過往船只對礐石大橋周邊水域發布情況。

1.2 需求

汕頭港的港區布局跨度大、范圍廣，各港區根據碼頭的建設規模，對應建設了適合自身港區碼頭的進港航道。

本工程位于汕頭港主航道的內航道航段。該航道段目前是5 000t級乘潮通航航道，航道底標高-8.0m(當地理論最低潮面起算)，底寬120m。據《汕頭市港口管理局關于提供汕頭港主航道相關資料的函》，汕頭港內航道遠期規劃為3萬t級乘潮通航航道，航道底標高-11.0m，底寬150m。有關的船舶進出港統計資料表明，最近三年，進出港區水域的船舶交通量平均約210艘次/d,若加上過境的船舶、漁船等，本水域的交通量還會大些。

在以上分析的基礎上，對礐石大橋進行橋梁防撞系統建設，向航行的來往船舶提供橋梁通航信息服務，以降低船舶安全航行風險，提高航道部門服務社會的能力，從而最大程度避免船舶撞擊橋梁事故的發生，切實有效地保障橋梁、船舶等自身安全和廣大群眾的生命財產安全。

2 防撞預警系統設計

根據橋區水域的管理需求和船舶動態情況，結合“橋梁防碰撞智能預警系統”，可利用云平臺數據存儲或本地數據存儲技術對橋梁進行監測預警，圖3為預警系統拓撲圖。

圖3 防撞預警系統拓撲圖

汕頭礐石大橋防撞預警系統主要由前端服務單元、熱成像儀、視頻監控單元以及軟件功能組成。

2.1 前端服務單元

前端服務單元一般安裝在橋梁現場，由工業控制計算機、終端軟件、控制模塊、AIS控制模塊、水位傳感器、網絡交換機、硬盤錄像機等模塊構成。系統軟件通過AIS接收到的船舶編號、位置、速度等信息參數，通過水位傳感器獲取當前水文參數，通過其它單元傳回來的各種條件參數，協調各單元相互運作，發出各項相應指令。前端服務單元是該橋梁防撞預警系統的核心單元，能把現場的數據傳輸到服務器，供業主單位或海事部門查詢控制，可以選配各種功能模塊實現需要的功能，如圖4所示。

圖4 前端服務單元功能模塊

2.2 熱成像儀

該系統中的熱成像儀主要指用于超高監測的熱成像雙光譜中載云臺攝像機和用于偏航監測的熱成像雙光譜網絡智能球型攝像機，用于監測通航船舶的超高和偏航信息。

2.3 視頻監控單元

視頻監控模塊由1臺硬盤錄像機、4個高速球型攝像機組成。攝像機分別指向上、下游航道的中央區域，主航道通行及非航道區域，24h監控航道的通航情況，拍攝方向可以任意控制。所有攝像頭通過室外防水網線將內容傳到硬盤錄像機，硬盤錄像機配備的硬盤可以保存一個月的視頻數據，這些數據可隨時播放。管理人員在上位機的電腦屏幕可通過鍵盤切換，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。

2.4 軟件功能

(1)服務器軟件負責各種算法運行及數據的分析保存，用戶查看的關系權限等處理，及對前端服務單元的數據交換。

(2)前端服務單元軟件程序負責各傳感器的協議解析，數據加密，服務器數據加密傳輸，數據上報，接收指令控制前端設備，對現場AIS數據進行解碼，調解出來的AIS數據上傳到服務器運算保存。

3 防撞預警系統功能的實現

3.1 通航凈高測量

通過安裝在橋梁下的水位計監測到水位值，結合橋梁的技術參數換算得到橋梁的凈高值，并通過有線方式將數據傳輸到凈高顯示牌，顯示實時凈高信息。

橋梁水位計算公式[2]：

w=w′-(L-D)

(1)

式中：w′表示橋墩上的已知高度參考點高程值；L表示參考點到水位探頭的距離；D表示水位計到水面的距離。

實時凈高計算公式[2]：

h=H+W-w

(2)

其中：H表示設計凈高；W表示橋梁的設計最高通航水位值。

圖5 橋梁凈高系統拓撲圖

3.2 超高監測預警

在航道兩邊緣分別選擇一個橋墩安裝熱成像儀(受環境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對準上、下游雙向航道照射，兩部熱成像分別同時檢測兩個通航道，對過往船舶進行超高檢測，實現航道超高預警功能。

3.3 船舶偏離航道預警

在電子海圖上，標注船舶的航道信息。根據AIS子系統實時跟蹤船舶的位置信息，如發生或將要發生越界通航，系統向船舶發出報警信號，并錄像取證。

在航道兩邊緣分別選擇一個橋墩安裝熱成像儀(受環境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對準上、下游雙向航道照射。上、下游航道中橋墩設置4個熱成像儀以及LED聲光預警顯示屏，兩部分熱成像儀同時檢測兩個航道，實現航道偏航全覆蓋。同時系統設置電子圍欄及虛擬航標，通過熱成像偏航設備監測航道與非航道之間的情況。

與傳統的橋梁區域搭建“紅外線圖像識別”探測船舶是否越界通航相比，該方案更具有靈活性。當航道發生變化時，無需移動紅外線攝像頭的位置信息，只需要在電子海圖上重新標注航道位置信息即可。

3.4 橋區超速航行報警

通過AIS基站接收船舶的AIS信號，可得到橋區所有船舶的速度數據，一旦超過系統設定的安全速度，系統將自動向船舶發出告警信號。每座橋梁可設置不同的安全速度。

3.5 船舶關閉AIS報警

通過CCTV系統，當檢測到該水域有船舶進入，而系統在該區域沒有接收到AIS目標時，認為進入該水域的船舶違規關閉AIS航行或未安裝AIS系統，系統可通過VHF或聲光報警向船舶發出告警信號。

3.6 信息發布

(1)在橋區醒目位置建設LED大屏顯示系統，實時顯示各種通航信息及報警信息。系統檢測到有船舶進入橋區，自動控制橋梁的輪廓照明閃亮，警示過往船舶注意安全，并以定向的聲光報警方式進行警示。

(2)系統為靠近橋梁的船舶提供輔助航行指引，自動向駛入橋區水域的船舶通過VHF海事頻道發布語音提醒，如水位、流速、風速、能見度及橋梁凈高等；發布各種海事管制信息，如橋梁施工、封航信息等。

圖6 設備安裝

3.7 數據查詢、回放及大數據統計功能

系統保存每次報警的時間、錄像數據和過往船舶的數據，可根據需要，隨時對歷史數據進行查閱、統計、打印。并可對特定時間段橋區水域的通航情況，在電子海圖上進行歷史回放。

3.8 虛擬航標

將橋梁的墩臺及危險地點在電子海圖上標繪，通過AIS基站向附近船舶發布虛擬航標信息。經過的船舶靠近虛擬航標點時船載AIS裝置會自動發出告警信息，以提醒船舶駕駛員注意安全航行。

4 結語

礐石大橋主動防撞系統充分利用海事部門已建的VTS、AIS、VHF、CCTV等系統的信息資源，實現了設備間的優勢互補和整體協調聯動。通過圖

像、語音、短信消息等多種信息傳遞手段，提示船舶駕駛人員，克服了人為因素造成船撞橋的風險。在岸基系統中雷達的運用加強了系統監控力度，提高了系統的智能化和自動化程度，確保在礐石大橋重要水域內對管理對象的連續監控，實現船舶動態監管一體化。