特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

鐘仕興

（廣東飛達(dá)交通工程有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

船舶撞橋事故常造成嚴(yán)重的社會(huì)安全問(wèn)題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，主要原因大致歸納為以下三類(lèi)：一是超高、偏航船舶造成橋梁的損壞及意外事故；二是惡劣的自然環(huán)境；三是人為操作失誤或機(jī)械故障，如主機(jī)熄火、舵機(jī)失靈、船隊(duì)斷纜等。其中，第三類(lèi)事故的原因存在偶發(fā)性、不確定性，可以結(jié)合偏航和超高監(jiān)測(cè)進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警。

1 特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)分析

1.1 需求分析

一是完成過(guò)往船舶的航道監(jiān)測(cè)，對(duì)偏航（駛?cè)虢絽^(qū)）的船舶予以警告、提示并適時(shí)引導(dǎo)船舶駛?cè)胪ê絽^(qū)；二是完成過(guò)往船舶的高度監(jiān)測(cè)，對(duì)超高船舶予以警告，采取降高措施前禁止通行；三是全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)預(yù)警，特別是濃霧、大雨、暴雨、暴雪等極端天氣情況；四是對(duì)違法船舶的非法行為進(jìn)行取證。

1.2 橋區(qū)船撞橋風(fēng)險(xiǎn)分析

船撞橋主要是指船舶撞擊橋墩或主梁，撞擊橋墩主要是船舶偏航、逆行導(dǎo)致，撞擊主梁則主要是船舶超高導(dǎo)致。當(dāng)人為、船舶、自然等因素導(dǎo)致船舶偏航、逆行時(shí)，可能造成船舶撞擊橋墩事件的發(fā)生。船舶撞擊主梁主要是超高導(dǎo)致。隨著航運(yùn)需求日益增長(zhǎng)，內(nèi)河貨運(yùn)船舶大型化發(fā)展明顯，可能存在超高船舶撞擊主梁的風(fēng)險(xiǎn)。特大橋通常靠近大江及入海口交匯處，船舶很容易誤入特大橋所在的水域，發(fā)生船撞事故。

1.3 預(yù)警系統(tǒng)的功能應(yīng)用

結(jié)合船撞風(fēng)險(xiǎn)分析，特大橋存在船舶偏航、逆行、超高等導(dǎo)致船撞橋事件的風(fēng)險(xiǎn)，為及時(shí)掌握特大橋的通航情況和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，對(duì)通航船舶的異常現(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，提高對(duì)突發(fā)事件的快速處置反應(yīng)能力，并為今后調(diào)查取證與分析提供有力證據(jù)。

1.3.1 船舶航跡監(jiān)測(cè)，船撞橋事件發(fā)生的主要原因是船舶偏航、逆行撞擊橋墩。在橋墩附近設(shè)置安全區(qū)域，當(dāng)船舶進(jìn)入該區(qū)域時(shí)進(jìn)行預(yù)警，則能有效提醒船舶駕駛員，降低船撞橋事件發(fā)生的概率。因此，特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)最主要、最基礎(chǔ)的功能是船舶航跡監(jiān)測(cè)。

1.3.2 船舶超高監(jiān)測(cè)，船撞橋事件發(fā)生的另一個(gè)主要原因是船舶超高撞擊主梁。隨著航運(yùn)需求日益加大，內(nèi)河貨運(yùn)船舶大型化發(fā)展明顯，可能存在超高船舶撞擊主梁的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)其超高情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，降低船撞橋事件發(fā)生的概率。

1.3.3 視頻監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)橋梁現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程可視化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋區(qū)的異常現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)異常事件時(shí)，利用攝像機(jī)對(duì)船舶進(jìn)行錄像抓拍，可為后續(xù)調(diào)查取證、分析提供證據(jù)。

1.3.4 船撞監(jiān)測(cè)，當(dāng)船舶由于各種因素不可避免地撞擊橋墩時(shí)，需對(duì)撞橋事件進(jìn)行報(bào)警，并獲得橋墩相應(yīng)的動(dòng)靜力響應(yīng)，為橋梁結(jié)構(gòu)整體和局部的評(píng)估提供依據(jù)。

1.3.5 助航信息發(fā)布，當(dāng)船舶駕駛員不了解橋區(qū)現(xiàn)狀時(shí)，可能發(fā)生船撞橋事件。例如，珠海大橋就曾出現(xiàn)由于大霧天氣，能見(jiàn)度低，駕駛員對(duì)航道不熟悉導(dǎo)致剮擦事件。為使船舶駕駛員了解橋區(qū)現(xiàn)狀，對(duì)其發(fā)布橋區(qū)信息，使船舶駕駛員知曉橋區(qū)附近現(xiàn)狀，輔助其順利航行。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，采用從航道等相關(guān)部門(mén)獲取橋區(qū)助航信息的方式[1]。

1.3.6 預(yù)警信息發(fā)布，針對(duì)橋梁現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)向相關(guān)人員（船舶駕駛員、管理部門(mén)）發(fā)出預(yù)警是特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)最重要的功能，可使相關(guān)人員（船舶駕駛員、管理部門(mén)）及時(shí)掌握橋梁的現(xiàn)場(chǎng)情況。

綜上所述，為降低船撞橋的概率，需對(duì)船舶偏航、逆行等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)過(guò)往船舶行駛正常時(shí)，對(duì)其發(fā)布橋區(qū)信息（助航信息、虛擬航標(biāo)、電子圍欄等），使船舶駕駛員知曉橋區(qū)附近的現(xiàn)狀，輔助其順利航行；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)往船舶偏航、逆行等異常現(xiàn)象時(shí)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)警，并利用攝像機(jī)錄像抓拍，為今后調(diào)查取證、分析提供證據(jù)；當(dāng)船舶由于各種因素不可避免地撞擊橋墩時(shí)，對(duì)船撞橋事件進(jìn)行報(bào)警，并獲得橋墩相應(yīng)的動(dòng)靜力響應(yīng)，為橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估提供依據(jù)。因此，特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)需具備船舶類(lèi)型監(jiān)測(cè)、警告、主動(dòng)避險(xiǎn)功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比分析

2.1 船舶行駛監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

船舶行駛監(jiān)測(cè)技術(shù)有多種，根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求主要應(yīng)用的技術(shù)有以下幾種。

2.1.1 AIS，將船舶信息由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺(tái)廣播，在靠近橋梁的船舶行駛到設(shè)定的電子圍欄區(qū)域后，進(jìn)行警告主動(dòng)避讓。附近的船舶收到AIS 信息，通過(guò)解碼得到橋梁附近船舶的位置信息，控制器根據(jù)橋梁以及船舶的位置判斷船舶是否偏航。AIS 接收器具有距離遠(yuǎn)、不受天氣影響的優(yōu)點(diǎn)，但是AIS 信息受到位置識(shí)別GPS、發(fā)送時(shí)間的限制，精度比較低，誤差大。

2.1.2 船舶探測(cè)微波雷達(dá)，船舶探測(cè)微波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向空中發(fā)射電磁波，電磁波遇到物體被反射回到接收天線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算發(fā)射到接收之間的時(shí)間，便可以計(jì)算物體距離雷達(dá)的距離。發(fā)射天線(xiàn)以及接收天線(xiàn)在電機(jī)的帶動(dòng)下360°不間斷發(fā)射以及接收電磁波，最終把雷達(dá)周?chē)蟹瓷浠夭ǖ奈矬w位置識(shí)別出來(lái)，具有全天時(shí)、全天候、全方位、主動(dòng)探測(cè)的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1.3 多普勒微波雷達(dá)，多普勒微波雷達(dá)通過(guò)發(fā)出的電磁波與接收到的物體反射的電磁波的頻率變化，探測(cè)移動(dòng)物體的距離。多普勒微波雷達(dá)只能探測(cè)移動(dòng)的船舶，具有全天候、主動(dòng)探測(cè)的特點(diǎn)。

2.1.4 調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)利用在時(shí)間上按某一調(diào)制規(guī)則改變發(fā)射信號(hào)的頻率，并測(cè)量接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的頻率差fb的方法來(lái)測(cè)定目標(biāo)距離、方位角及速度，具有全天候、主動(dòng)探測(cè)的特點(diǎn)。

2.1.5 激光雷達(dá)，激光雷達(dá)利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)激光測(cè)距儀不間斷測(cè)量周?chē)矬w的距離，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及檢測(cè)到的距離識(shí)別物體的位置。

2.1.6 AI 圖像，利用智能光電監(jiān)測(cè)設(shè)備搜索河道內(nèi)的船舶，通過(guò)AI 圖像識(shí)別、測(cè)量船舶，并結(jié)合激光測(cè)距計(jì)算出船舶的位置及速度，具有安裝方便，精度高的特點(diǎn)。綜上所述，特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)適合采用AIS、AI 圖像和FMCW 雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)合的方案。

2.2 船舶高度監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

2.2.1 激光對(duì)射遮擋式檢測(cè)。激光對(duì)射遮擋式檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、可靠性高。缺點(diǎn)是要在上下游建造與橋梁相當(dāng)高度的激光傳感器支撐構(gòu)造物，造價(jià)高，當(dāng)河道跨度過(guò)大時(shí)，監(jiān)測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度大大降低。

2.2.2 激光測(cè)距傳感器掃描測(cè)距檢測(cè)。激光測(cè)距傳感器掃描測(cè)距檢測(cè)是反射式測(cè)量，測(cè)量物的顏色、大小是影響測(cè)量的因素。另外，長(zhǎng)距離激光測(cè)距傳感器的測(cè)量頻率普遍只有20 次/s 左右甚至更低，極容易造成漏報(bào)。長(zhǎng)距離激光測(cè)距傳感器的發(fā)射頭壽命短，維護(hù)成本高。

2.2.3 固定式激光交叉式檢測(cè)。固定式激光交叉式檢測(cè)通過(guò)在通航孔的兩側(cè)超高預(yù)警高度安放一個(gè)固定的激光測(cè)距傳感器進(jìn)行探測(cè)，原理、優(yōu)缺點(diǎn)與激光測(cè)距傳感器掃描測(cè)距檢測(cè)基本相同，成本增加了1 倍，可靠性有所提高。

2.2.4 圖像識(shí)別檢測(cè)船舶超高。圖像識(shí)別檢測(cè)船舶超高通過(guò)在通航孔的上下游超高預(yù)警高度水平安放一個(gè)固定的攝像機(jī)，根據(jù)成像區(qū)域的中心線(xiàn)上方是否有移動(dòng)的圖像，識(shí)別是否有超高物體。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是受雨霧天氣影響較大。

2.2.5 激光雷達(dá)掃描檢測(cè)。激光雷達(dá)掃描檢測(cè)通過(guò)在橋梁的上下游安裝激光雷達(dá)，向橋梁前方一定的范圍密集發(fā)送激光束并檢測(cè)反射光的時(shí)間，測(cè)量橋梁前方所有物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得船舶的外形、位置、速度等數(shù)據(jù)。此方案的有效作用距離近，分辨率低。

2.2.6 AI 三光吊艙監(jiān)測(cè)。AI 三光吊艙監(jiān)測(cè)選用紅外和可見(jiàn)光成像滿(mǎn)足全天時(shí)監(jiān)控的要求，利用激光測(cè)距和船舶成像大小的幾何關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)實(shí)物的大小，據(jù)此計(jì)算船舶的高度，提前對(duì)超高船舶警告，并對(duì)船舶取證。影響船舶超高判斷的因素為船舶成像的高度、精度及船舶與橋的距離測(cè)量精度。此方案的有效作用距離遠(yuǎn)，精度高，超高、航跡監(jiān)測(cè)結(jié)合，屬于智能預(yù)警系統(tǒng)[2]。

3 特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的總體架構(gòu)

特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)超高監(jiān)測(cè)預(yù)警船舶的異常事件，針對(duì)異常的時(shí)間采取相應(yīng)的響應(yīng)預(yù)警處理策略。

特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)利用智能光電監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)靠近橋梁的船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并和監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用聲、光等技術(shù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)架構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器-云服務(wù)器-用戶(hù)模式。現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器分布在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，通過(guò)光纖或5G 信號(hào)與云服務(wù)器傳輸信息、備份數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器采用高檔工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)或?qū)Ｓ梅?wù)器。云服務(wù)器根據(jù)需要可以架設(shè)在管理部門(mén)或橋梁業(yè)主單位或電信機(jī)房。操作者可以通過(guò)手機(jī)、電腦終端等各種方式對(duì)系統(tǒng)報(bào)警信息進(jìn)行處理、指揮、應(yīng)對(duì)。云服務(wù)器及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器組成雙備份控制系統(tǒng)，任何一個(gè)損壞都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常使用及數(shù)據(jù)安全。特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)安裝了現(xiàn)場(chǎng)主控單元、上/下游超高偏航監(jiān)測(cè)單元、上/下游聲光報(bào)警單元、碰撞檢測(cè)單元、水位檢測(cè)單元、視頻監(jiān)控及取證單元。在平臺(tái)軟件上彈出船舶撞擊警告并發(fā)出警告聲，同時(shí)發(fā)送短信給管理人員。

特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)擬定三級(jí)預(yù)警流程，對(duì)通航船舶采用“助航預(yù)報(bào)—預(yù)警—報(bào)警”三個(gè)層次進(jìn)行提示、提醒與預(yù)警，使系統(tǒng)發(fā)揮作用，保護(hù)橋梁通航安全，提高橋梁和航道的管理水平，提升對(duì)橋梁全時(shí)間段的保護(hù)及突發(fā)情況的及時(shí)響應(yīng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及后臺(tái)軟件，通航船舶進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域即觸發(fā)一級(jí)預(yù)警，通過(guò)AIS 系統(tǒng)識(shí)別船舶，向其發(fā)布助航信息，提醒船舶駕駛員按規(guī)安全行駛，并在平臺(tái)軟件預(yù)警信息模塊記錄助航信息。通航船舶出現(xiàn)偏航、逆行、超高即觸發(fā)二級(jí)預(yù)警，通過(guò)AIS 系統(tǒng)和智能光電監(jiān)測(cè)單元識(shí)別船舶，啟動(dòng)聲光報(bào)警單元，對(duì)通航船舶進(jìn)行預(yù)警，并利用攝像機(jī)進(jìn)行錄像抓拍，在平臺(tái)軟件預(yù)警信息模塊記錄偏航、逆行預(yù)警，且以紅字滾動(dòng)播放的形式提醒管理人員注意并及時(shí)處理。通航船舶撞擊或剮蹭橋墩即觸發(fā)三級(jí)預(yù)警，通過(guò)圖像和激光探測(cè)器監(jiān)測(cè)碰撞，并通過(guò)在橋墩上安裝加速度計(jì)對(duì)橋墩振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，對(duì)船撞橋事件進(jìn)行報(bào)警，利用橋墩振動(dòng)特性判定是否發(fā)生船撞，并記錄撞擊后的橋墩動(dòng)力響應(yīng)，為橋梁船撞后的評(píng)估提供依據(jù)。

4 特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題及解決方法

特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)在應(yīng)用中，遇到了一些實(shí)際問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，提高了系統(tǒng)在應(yīng)用場(chǎng)景下的適應(yīng)能力。一是超高偏航監(jiān)測(cè)為遠(yuǎn)程、高精度測(cè)量，設(shè)備需要穩(wěn)固無(wú)晃動(dòng)且安裝在監(jiān)測(cè)視場(chǎng)無(wú)遮擋的平臺(tái)上；受到主塔上結(jié)構(gòu)造型的限制，兩座主塔之間的檢修車(chē)往復(fù)移動(dòng)遮擋了有利的設(shè)備安裝區(qū)域。解決方法是采用兩軸高精度陀螺穩(wěn)像平臺(tái)的光電監(jiān)測(cè)設(shè)備，將設(shè)備安裝在橋面外側(cè)，確保設(shè)備的監(jiān)測(cè)視場(chǎng)，并穩(wěn)定跟蹤監(jiān)測(cè)，也便于維護(hù)。二是橋區(qū)水域軸向?qū)挾燃s為6km、涉水橋墩多達(dá)17～80 個(gè)，船碰撞或剮蹭橋墩的風(fēng)險(xiǎn)較高；偏航、超速預(yù)警等監(jiān)測(cè)范圍完全可以覆蓋，但目前的超高監(jiān)測(cè)距離達(dá)不到6km。解決方法是將核心設(shè)備安裝在通航孔上方，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)通航孔區(qū)域、上下游各2km 范圍內(nèi)的水域，對(duì)于誤進(jìn)入橋區(qū)附近的、非通航區(qū)域的船舶，通過(guò)偏航預(yù)警監(jiān)督其糾正航向，回歸通航區(qū)域，尤其是對(duì)于船舶偏航有超速的高風(fēng)險(xiǎn)狀況。三是兩座主塔橋墩均離岸邊較遠(yuǎn)且比較高，傳統(tǒng)的水位傳感器施工難度較大，維護(hù)不便且容易在低水位時(shí)無(wú)法正常探測(cè)水位。解決方法是采用大量程、無(wú)接觸式測(cè)量的微波雷達(dá)水位計(jì)，直接安裝在橋面外側(cè)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特大橋的水位信息，便于安裝維護(hù)，精度高，數(shù)據(jù)更新率可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。四是通航孔橋面跨度較大，橋面碰撞的監(jiān)測(cè)范圍大，如果采用振動(dòng)傳感器檢測(cè)的方式，需要在橋面底部安裝較多的傳感器，成本較高，且容易受斜拉索橋面晃動(dòng)的干擾。解決方法是采用遠(yuǎn)程激光對(duì)射探測(cè)的方案，只需要在橋墩平臺(tái)上安裝兩組設(shè)備，就能實(shí)時(shí)探測(cè)通航孔處的橋面碰撞。五是特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)涉及特大橋安全，且設(shè)備之間的交互通信量大，不適合完全開(kāi)放于網(wǎng)絡(luò)中。解決方法是特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部的局域網(wǎng)自成一體，形成千兆環(huán)網(wǎng)，保證高效、可靠的通信，再通過(guò)接口調(diào)用將事件數(shù)據(jù)、設(shè)備信息等實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，避免設(shè)備受到非法訪(fǎng)問(wèn)或控制。

5 結(jié)語(yǔ)

采用特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)能夠有效地對(duì)過(guò)往船舶進(jìn)行預(yù)警，降低船撞橋的發(fā)生概率。針對(duì)特大橋現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜，供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境比較惡劣的情況，特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)有利于提升特大橋管理單位的工作效率，減小巡查工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短對(duì)橋底的安全巡查時(shí)間，降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用和額外的保護(hù)設(shè)施費(fèi)用支出，進(jìn)而節(jié)省正常運(yùn)營(yíng)的成本，保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程的安全，因此，要不斷推動(dòng)國(guó)內(nèi)特大橋防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)逐步發(fā)展，走向成熟。