智能電子龍門架概念及航道用途的關鍵技術探討

◎彭家喬 廣東省廣州航道事務中心番禺航標與測繪所

在當前新的科技革命以及產業變革不斷向經濟社會推進的前提下，各個行業發展的同時也刺激著現有技術的不斷創新。在現代智能技術、大數據、物聯網、云計算以及各種先進技術的支持下，航道管理水平也在先進技術支持下得到了全新的提升，目前行業發展趨勢主要是數字化與智能化。航道不同于公路道路，設置固定龍門架不僅難以抵擋萬噸巨輪，固定龍門架也會因為本身的凈空尺度成為新的航行障礙，因此智能電子龍門架概念對于航道上對防范船碰橋事故能起到關鍵性突破。

圖1 紫坭大橋電子圍欄區域圖

1.解讀智能電子龍門架概念

當前國際經濟復蘇，航運已經成為當前重要的國際交流手段，遠洋船舶到達大型港口將各類貨物轉運至內河船舶。我國內河七大水系中，以珠江水系水網情況最為復雜，珠江水系是我國南方最大河系，是一個由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河匯聚而成的復合水系，河道呈網狀，河汊縱橫互相溝通，在經過聯圍治理之后，現河網區水道總長仍達16000公里以上。在縱橫密布的珠江水系上，存在數量龐大的各類型跨河橋梁，特別是早期由于資金受限建設的橋梁高度跟不上航運發展，船舶如何安全通過各橋區水域成為社會各界關注的熱點。智能電子龍門架以陸運道路上物理凈空龍門架為構思，對橋梁周邊水域通航船舶進行監測和預警，通過不同預警方式及時通知過往船舶采取適當措施，減少因船舶超高或偏航導致觸碰橋梁事故。智能電子龍門架通過現代信息化與人工智能等先進技術和傳統發展相融合，達到安全、高效、可靠且經濟的目的。

2.智能電子龍門架特點

智能電子龍門架主要圍繞數字化、智能化發展，現階段的研究是通過優良的結構以及性能可靠的終端，以太陽能、風能或直接以電力為主要能源，以激光或雷達為探測手段，融合人工智能、傳感器設備打造智能一體化的凈空尺度預警系統，可同時采集數據信息對航道船舶流量或貨運能力進行智能管理。系統具備以AIS、VHF為主的主動防撞、預先探知功能,以實現對現場感知設備、水域通航環境進行全方位實時監控、監控中心為主的綜合值守監控系統，并能自動向過往船舶發送預警信息,通知過往船舶采取相應措施。基于處理后的數據，搭建橋梁主動防撞預警系統集成平臺，與地理信息（海圖）進行交互、展示與控制。智能電子龍門架同時根據現場使用環境和監測對象，可具有船舶定位、軌跡查詢功能；有船舶超高信息接入及預警功能；具有視頻追蹤功能并能滿足預警范圍抓拍功能；具有橋區水域管理功能，能實時檢測船舶違章錨泊、船舶橋區水域會遇、追越等違章行為。

同時智能電子龍門架概念可用于陸運道路上的隧道、道路橋梁、收費站等具有凈空尺度限制的場景。

3.智能電子龍門架關鍵技術

智能電子龍門架主要工作原理是利用橋區范圍船舶航行大數據分析，利用電子圍欄結合GIS空間算法、船舶基礎資料進行綜合判斷，通過前端感知設備和后臺人工值守實現橋梁主動防撞預警功能，主要有以下三種運算規則：

一是橋梁主動防撞預警的實現首先需要基于船舶在橋梁劃定的警戒區內的軌跡推算，對橋區水域船舶撞橋風險進行實時動態預測，構建船舶撞橋風險評價模型，量化船舶未來動態中可能存在的撞橋風險等級；

二是基于船舶航行軌跡的預測結果對船舶航行行為進行綜合評估，依據航行軌跡推算發生船舶碰撞橋梁的概率，然后依據撞橋概率進行風險預警，形成多場景的主動防撞預警模型；

三是根據船舶領域的概念劃定船舶周圍的安全水域范圍，從領域范圍侵犯的角度分析碰撞風險;協同考慮空間和時間碰撞危險度，實現對船舶撞橋風險等級的評價，并依據計算得到的預警分數采用不同等級的預警制度，并采取不同的預警措施。

智能電子龍門架采用使用場景所在水域近年船舶航行軌跡統計分析，通過大數據分析自動學習過往船舶不同船型、不同噸位、不同時段的航行特點。當船舶航行經過警戒區時，系統自動分析船舶實際航行線路和習慣航線，綜合判斷船舶是否有異常航行行為。系統根據船舶流量軌跡分析，通過設置電子圍欄的方式，根據橋區水域通航情況劃定預警水域和電子圍欄警戒區進行分級監護，實現對航經船舶的預警。

3.1 凈空監測技術

（1）凈高監測技術。根據使用場景實際現場勘察，選擇在橋梁上游至少2～3公里處位置河岸邊選址建設超高檢測設備終端，可采用設置三角立桿等方式，將檢測設備終端安裝在立桿上，檢測設備高度通過測量，使檢測激光光束或雷達波與紫坭大橋通航凈高保持相同，（本文采用激光檢測為例，下同）或者設置在每條航道首尾端，以最低橋梁的通航凈高保持相同。

當船舶從非橋區水域向橋梁行駛過程中，如果船舶超高，即會觸碰激光，觸發報警，系統根據點位數據比對，識別具體船舶信息，立即發出預警信息，現場VHF基站自動播報提前設置的預警內容。經測算，船舶從激光預警點如保持6節航速航行至橋梁所在位置需10分鐘左右，滿足船舶采取制動措施時間。

（2）凈寬監測技術。將檢測橋梁上、下游2～3公里范圍劃為整體的警戒區，根據船舶航跡線標繪出船舶習慣航路，用于船舶偏航提醒；根據《橋梁水域通航安全管理規定》劃定的橋區水域，監測船舶在此區域內錨泊、會遇以及追越等行為。

當船舶通過進入警戒區域，系統自動識別和跟蹤分析船舶航行軌跡，對船舶發出進入提醒；現場VHF基站自動播報提前設置的預警內容。當船舶在橋區水域內發生偏航、違規追越、大角度轉向、違章停泊等異常行為時，對船舶發出異常行為預警提醒，現場VHF基站自動播報提前設置的預警內容。

當V HF基站自動預警后，船舶如未及時糾正航線，系統自動提醒值班人員，同時通報海事、航道等相關部門進行人工介入。

3.2 船舶監測技術

智能電子龍門架系統船舶監測技術是基于視頻識別和AIS的船舶流量智能檢測統計系統，硬件設備借助橋梁防碰撞預警系統備，主要用于海事、航道等相關管理部門自動監測、統計船舶交通流量，對用戶設定的超限運輸船舶進行預警監控，可實時、穩定地監測船舶交通流量情況。其主要技術功能有：通過視頻抓拍識別或AIS監測航道斷面，采集船舶數據；對船舶數據進行分析處理，進一步判斷船舶形狀、方向和航速等；根據一定時間記錄，統計、分析、展示該航段船舶流量數據；按提前設定的條件（船舶超寬、超長、超高、超速等）進行實時提示；利用接入的視頻監控系統進行復核應用。智能電子龍門架上的前端攝像頭視頻可以實時在平臺軟件上顯示，便于觀測現場航道況。

3.3 違法行為監測技術

圖2 紫坭大橋電子龍門架平面圖

（1）禁止錨泊預警。智能電子龍門架在使用場景范圍內，根據實際管理需求，可用于減少主觀和非主觀行為的減速、停航、拋錨等行為。系統持續跟蹤船舶軌跡、航速、航向等各項參數，監測到船舶非正常進入橋區水域禁停區，且降速到2節以下時，系統提醒后臺人員通過CCTV及監控平臺重點關注船舶動態。當船舶在禁停區停航且保留10分鐘時，系統通過后臺終端界面提醒后臺人員進行人工干預，窗口彈出闖入船舶的詳細信息，值守人員通過甚高頻（VHF）語音、值班電話等方式，現場干預闖入禁區的船舶，或協調周圍船舶和應急搶險隊伍力量現場阻止作業船舶或者提醒船舶盡快駛離橋區水域。具體措施包括：船舶靠近橋區水域區域附近時提醒船舶注意，禁止停航拋錨；船舶在橋區水域線附近作業時，提醒船舶，避免觸碰橋梁；對違規船舶進行視頻監控錄像取證，船舶歷史軌跡取證，為事后打擊違法違規行為提供依據。

（2）會遇、追越、超速等行為預警。智能電子龍門架可根據實際需要需采取相關預警措施對船舶在橋區水域存在會遇風險、船舶逆向行駛、違規追越航行等行為發出預警。當船舶進入提前劃定的警戒區后，系統自動持續跟蹤船舶軌跡、航速、航向等各項參數；并根據上下游船舶動態，系統以橋區水域為嚴禁會遇區域為原則，自動演算船舶軌跡進行分析，如發現船舶偏航或是上下行船舶存在橋區水域會遇的情形，系統會自動發出VHF預警，提醒船舶注意。如有緊急情況，系統自動發出VHF預警，同時提醒后臺人員注意通過CCTV及監控平臺重點關注相關船舶動態。后臺人員可通過甚高頻（VHF）語音、現場警報報警信息、值班電話等方式緊急干預報警船舶，可根據實際情況安排上下行船舶適當調整自身航向航速，尋求合適時間和地點進行會遇通過，避免船舶在橋區水域內發生交叉會遇等緊迫局面。

4.航道用途案例分析

紫坭河位于廣州市番禺區轄區，全長約4.6千米，上游與陳村水道連接，下游通往沙灣水道。紫坭大橋是紫坭河兩岸居民通行的重要通道，紫坭大橋距陳村水道口約1500米，距離下游口門約3千米。紫坭大橋下游200米位置為S39東新高速過河橋梁，該橋通航凈高、凈寬均優于紫坭大橋，但不在紫坭大橋橋區水域范圍之內。目前，紫坭河受紫坭大橋通航凈高的限制，目前通航船舶主要以噸位較小船舶為主，噸位較大船舶前往沙灣水道一般選擇通過陳村水道行駛。

紫坭大橋通航凈高為6米，按規范要求僅能滿足500總噸以下船舶通航要求。根據《廣東省橋梁水域通航安全管理規定》將紫坭大橋上游400米、下游200米水域范圍劃定為橋區水域，禁止船舶在此區域內錨泊、會遇以及追越等行為。因此，應加強紫坭大橋橋區水域的通航安全管理，通過技術手段檢測和發現超高船舶，同時通過設定一定規則，防范大噸位船舶誤入紫坭河水道。

紫坭大橋電子龍門架在南岸紫坭村設置系統終端點位，為最大限度提前預警并告知超限船舶，終端設備向陳村水道方向發射激光，在一定程度上能為超限船舶多爭取約5分鐘的操作反應時間；同時雷達設備掃描紫坭大橋上下游通航區域，提前告知過往船舶即將行駛至紫坭大橋橋區水域。

5.結語

綜上，對于航運業綜合安全與發展而言，迫切需要依托如大數據、物聯網以及云計算等先進技術不斷進步，促進航道信息化、智能化的高速發展。航道與智能技術的結合，促進了航道安全暢通與船舶通航安全領域的創新發展，同時融合綠色技術、新能源技術促進發展創新。目前智能電子龍門架在實際運用過程中還存在一定不足，如部分使用場景的現場終端存在一定維護難度等問題，需要根據實際使用環境，結合航運業態發展情況適當創新技術，促進行業的安全、健康發展。