內(nèi)河多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

桑凌志, 毛 喆, 張文娟, 嚴(yán)新平

(1. 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063； 2. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心， 武漢 430063； 3. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航運(yùn)技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心 水上交通安全與防污染研發(fā)基地， 武漢 430063)

內(nèi)河多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

桑凌志1,2,3, 毛 喆1,2,3, 張文娟1,2,3, 嚴(yán)新平1,2,3

(1. 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063； 2. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心， 武漢 430063； 3. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航運(yùn)技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心 水上交通安全與防污染研發(fā)基地， 武漢 430063)

為保障內(nèi)河多橋梁水域通航安全,開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)可靠的內(nèi)河多橋梁水域船舶安全預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)有的系統(tǒng)無(wú)法有效判斷監(jiān)管區(qū)域內(nèi)船舶實(shí)時(shí)航行的態(tài)勢(shì)、無(wú)法實(shí)時(shí)給出區(qū)域內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)船舶的缺點(diǎn)，對(duì)內(nèi)河多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的總體構(gòu)架、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合內(nèi)河船舶安全預(yù)警算法實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。在武漢海事局進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用示范，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)管系統(tǒng)的不足，提高內(nèi)河多橋區(qū)水域的監(jiān)管效率，保障水上人命財(cái)產(chǎn)安全。

水路運(yùn)輸； 內(nèi)河； 多橋梁水域； 船舶； 預(yù)警； 系統(tǒng)

近年來(lái)，我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展迅速，以長(zhǎng)江干線為例，2012年貨物通過(guò)量達(dá)18億t，相當(dāng)于20條以上京廣鐵路的運(yùn)輸量，已成為世界上運(yùn)量最大的通航河流，同比增長(zhǎng)8.4%[1]，穩(wěn)居世界第一。2011年1月，國(guó)務(wù)院提出力爭(zhēng)用10 a左右時(shí)間建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系[2]，這標(biāo)志著加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)的發(fā)展已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，內(nèi)河航運(yùn)必將持續(xù)穩(wěn)定、快速發(fā)展。

橋梁作為溝通河流兩岸之間陸路交通運(yùn)輸?shù)募~帶，具有重要的地位和作用。但其在便利陸路交通的同時(shí)，也限制著內(nèi)河通航尺度，并成為通航瓶頸。發(fā)生在橋區(qū)的船舶事故在給橋梁本身造成損壞的同時(shí)，也極易造成航道擁堵。一直以來(lái)，海事管理部門都將橋區(qū)作為最重要的監(jiān)管區(qū)域進(jìn)行監(jiān)管。

雖然在加強(qiáng)橋區(qū)水域監(jiān)管方面做了大量工作，但水上交通事故仍然頻頻發(fā)生，如2011年6月武漢長(zhǎng)江大橋被撞、2013年5月南京長(zhǎng)江大橋被撞、2013年8月椒江大橋被撞、2014年1月武漢長(zhǎng)江大橋再次被碰等，橋區(qū)水域安全監(jiān)管任務(wù)依然艱巨。

目前，橋梁隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展越建越多，越建越密，僅武漢市就有已建成跨江大橋7座、在建1座、規(guī)劃建設(shè)3座。就發(fā)展趨勢(shì)而言，隨著橋梁不斷增多，未來(lái)內(nèi)河大量“橋區(qū)水域”將由點(diǎn)成線，形成“多橋梁水域”?；诖?，多橋梁水域的安全問(wèn)題將更加敏感，安全監(jiān)管也將更加困難。因此，針對(duì)內(nèi)河多橋梁水域特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)內(nèi)河多橋梁水域船舶安全預(yù)警系統(tǒng)，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 內(nèi)河多橋梁水域安全監(jiān)管現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)海事“十一五”信息化建設(shè)，目前已在內(nèi)河水域初步構(gòu)建成由船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services, VTS)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)、閉路電視系統(tǒng)(Closed Circuit TeleVision, CCTV)和無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)(Radio Frequency Identification Devices, RFID)等組成的針對(duì)船舶航行的立體化監(jiān)管體系。[3]該監(jiān)管系統(tǒng)在多內(nèi)河、多橋梁水域的安全監(jiān)管中發(fā)揮著重要作用。

1. VTS是由主管機(jī)關(guān)實(shí)施的，用于提高船舶交通安全和效率及提供保護(hù)環(huán)境的服務(wù)(該服務(wù)應(yīng)能在其覆蓋水域內(nèi)與交通相互作用，并對(duì)交通形勢(shì)變化做出反應(yīng))。[4]其主要功能是對(duì)船舶提供信息服務(wù)、助航服務(wù)和交通組織服務(wù)，并協(xié)助進(jìn)行聯(lián)合服務(wù)和應(yīng)急服務(wù)等。[5-6]我國(guó)已建成并運(yùn)行的內(nèi)河VTS中心主要在長(zhǎng)江沿線，具有一定局限性：跟蹤精度、目標(biāo)參數(shù)識(shí)別率低，惡劣天氣下系統(tǒng)可靠性差、無(wú)法自動(dòng)識(shí)別，系統(tǒng)封閉，受人為影響大[7-8]，在內(nèi)河使用時(shí)盲區(qū)范圍大、受地形特征影響大[9]。

2.AIS是一種集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)于一體的新型數(shù)字助航系統(tǒng)，采用自控時(shí)分多址技術(shù)，配合全球定位系統(tǒng)將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動(dòng)態(tài)信息和船名、呼號(hào)、吃水及危險(xiǎn)貨物等船舶靜態(tài)信息通過(guò)甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻道向附近水域船舶及岸臺(tái)進(jìn)行廣播。隨著AIS技術(shù)不斷發(fā)展和普及，AIS在水上交通安全保障中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

3.海事CCTV系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、直觀、遠(yuǎn)程的特點(diǎn)，可得到直觀的圖像信息，能彌補(bǔ)VTS雷達(dá)的局限，現(xiàn)已在各重要水域的實(shí)時(shí)監(jiān)管中得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)施船舶交通動(dòng)態(tài)管理、加強(qiáng)執(zhí)法力度、提高監(jiān)管效率等方面起到了重要作用。[10]CCTV不僅能夠有效提高海事監(jiān)管水平，節(jié)約海事運(yùn)行成本、船舶遇險(xiǎn)救助的時(shí)間成本，提高救助效率及救助決策能力，還可以通過(guò)回放錄像資料，為海事行政執(zhí)法和處理水上交通事故提供有力證據(jù)。[11]

4.RFID設(shè)備具有非接觸、多目標(biāo)、可對(duì)高速移動(dòng)物體進(jìn)行識(shí)別等特點(diǎn)，已在江浙水網(wǎng)、南通、連云港、寧波等地的船舶管理中推廣應(yīng)用。[12]RFID識(shí)別技術(shù)可通過(guò)與船舶綁定的電子標(biāo)簽信息確認(rèn)該船舶的準(zhǔn)確“身份”，記錄和更新船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以供管理部門隨時(shí)查詢。

針對(duì)內(nèi)河船舶安全的信息化建設(shè)已基本完成，且重點(diǎn)已轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣磾?shù)據(jù)的融合研究，包括VTS與AIS數(shù)據(jù)的融合[13-14]，AIS與CCTV的快速融合與聯(lián)動(dòng)[15]、RFID與CCTV的融合及更多源數(shù)據(jù)的融合[16]等。然而，這些信息化監(jiān)管系統(tǒng)及現(xiàn)在的多源數(shù)據(jù)融合研究都以盡可能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得船舶靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息為目的。就多橋梁水域而言，針對(duì)如何結(jié)合多橋梁水域通航環(huán)境的實(shí)際特點(diǎn)，更加有效地幫助海事監(jiān)管人員對(duì)這類水域的通航安全形勢(shì)進(jìn)行判斷，缺少實(shí)證研究和可用的預(yù)警系統(tǒng)。而結(jié)合現(xiàn)階段各個(gè)信息化監(jiān)管平臺(tái)所獲得的信息，如何針對(duì)內(nèi)河多橋梁水域預(yù)知船舶的航行態(tài)勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)提醒船舶駕駛員與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管人員更加有效地防范多橋梁水域交通事故，也缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法與展示平臺(tái)。

2 系統(tǒng)需求分析

多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)用于對(duì)多橋梁水域船舶的航行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)航行過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)警，為海事監(jiān)管部門和船舶駕駛?cè)藛T及時(shí)采取安全應(yīng)對(duì)措施創(chuàng)造條件。系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求。

2.1目標(biāo)水域的全方位監(jiān)控

系統(tǒng)需要對(duì)所監(jiān)控水域的通航條件、水文條件、氣象條件及水域內(nèi)的船舶進(jìn)行監(jiān)控。通航條件包括航標(biāo)、航道、淺灘暗礁、橋梁及其他通航建筑物等信息；水文條件包括水位、流速、流向；氣象條件包括能見(jiàn)度、風(fēng)息、風(fēng)向；水域內(nèi)船舶信息包括船舶的靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息和航次信息。具體靜態(tài)信息有船名、海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)、船長(zhǎng)、船寬、型深等；動(dòng)態(tài)信息包括船位、航速、航向、艏向等；航次信息包括始發(fā)港、目的港、貨物種類、裝載重量、吃水等。

2.2對(duì)目標(biāo)水域的實(shí)時(shí)監(jiān)控

為保證預(yù)警功能的及時(shí)性，需對(duì)連續(xù)橋區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)、不間斷監(jiān)控。因此,前端傳感器應(yīng)能實(shí)時(shí)、不間斷地采集各種信息，能將其傳輸至岸基端并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)也需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。

2.3監(jiān)控信息可視化

為便于管理人員了解多橋梁水域?qū)崟r(shí)通航信息，需結(jié)合電子航道圖，直觀地反映監(jiān)控所需的各種通航環(huán)境、水文、氣象與船舶交通信息。

2.4船舶航行態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)水文、氣象及所監(jiān)控船舶的狀態(tài)信息，預(yù)測(cè)船舶航行態(tài)勢(shì)。通過(guò)船位的變化、航速航向變化以及風(fēng)和流對(duì)船舶的致漂影響，預(yù)測(cè)船舶航跡，對(duì)其航行態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)判斷。

2.5船舶事故風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評(píng)估

要能根據(jù)預(yù)測(cè)的船舶航行態(tài)勢(shì)，結(jié)合水文、氣象信息，對(duì)船舶實(shí)時(shí)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并能將事故風(fēng)險(xiǎn)較高的船舶相關(guān)信息在電子航道圖上顯示出來(lái)，幫助管理人員篩選重點(diǎn)監(jiān)控船舶，提高監(jiān)管效率。

2.6船舶航跡回放

實(shí)現(xiàn)船舶歷史航行狀態(tài)(即歷史航跡)的回放功能，以還原船舶航行場(chǎng)景，協(xié)助分析船舶交通流特征，協(xié)助水上交通事故的調(diào)查取證。

2.7預(yù)警信息管理

包括對(duì)當(dāng)前預(yù)警信息和歷史預(yù)警信息的管理，能夠按照指定條件進(jìn)行查詢和查看，協(xié)助分析多橋梁水域事故與預(yù)警特征。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)基于電子航道圖進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)實(shí)時(shí)接收多橋梁水域的船舶數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合電子航道圖中的通航環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)船舶航行態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3.1系統(tǒng)總體構(gòu)架

海事監(jiān)管部門需要利用本系統(tǒng)對(duì)多橋梁水域內(nèi)的所有航行船舶進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。由于海事監(jiān)管部門的指揮中心、執(zhí)法大隊(duì)及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法人員都需要訪問(wèn)該系統(tǒng)，遠(yuǎn)程訪問(wèn)用戶量大，因此系統(tǒng)采用Browser/Server(B/S)架構(gòu)。用戶通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器端，Web服務(wù)器端在收到請(qǐng)求后，進(jìn)行相應(yīng)的反饋。其中，服務(wù)器端需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，此過(guò)程需要與數(shù)據(jù)庫(kù)交互。系統(tǒng)總體構(gòu)架見(jiàn)圖2。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)船舶進(jìn)入多橋梁水域時(shí)，岸基設(shè)備主動(dòng)(VTS系統(tǒng))和被動(dòng)(AIS系統(tǒng))得到船舶信息，同時(shí)接收來(lái)自水文傳感器和氣象傳感器的信息。所有接收到的數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

Web服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，結(jié)合電子航道圖提供的通航環(huán)境信息,對(duì)船舶態(tài)勢(shì)進(jìn)行判斷處理，并對(duì)船舶實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，得到預(yù)警信息。處理后的信息也同時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

岸基監(jiān)控端和其他遠(yuǎn)程訪問(wèn)客戶端可利用電子航道圖調(diào)用服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并將這些信息直觀顯示在電子航道圖上。

3.2系統(tǒng)功能

根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)功能模塊應(yīng)包括：航道圖顯示模塊、航道圖操作模塊、通航環(huán)境監(jiān)控模塊、航跡管理模塊、事故預(yù)警模塊、預(yù)警信息查詢模塊及系統(tǒng)管理模塊(見(jiàn)圖3)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

1) 航道圖顯示模塊：用于管理航道圖圖庫(kù)，并對(duì)其顯示模式與情景進(jìn)行設(shè)置。圖庫(kù)管理用于添加和刪除系統(tǒng)圖庫(kù)；顯示模式允許用戶根據(jù)需要選擇航道圖上信息顯示的詳略情況，包括全部顯示、標(biāo)準(zhǔn)顯示和基本顯示等3種模式；情景設(shè)置允許用戶按白天、傍晚和黑夜等3種不同情景進(jìn)行顯示。

2) 航道圖操作模塊：主要有航道圖的顯示及放大、縮小、移動(dòng)等基本操作功能。

3) 通航環(huán)境監(jiān)控模塊：用于控制監(jiān)控的開(kāi)啟與關(guān)閉，并且允許用戶根據(jù)不同的需求進(jìn)行監(jiān)控方式的設(shè)置。

4) 航跡管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航跡的管理，包括船舶的預(yù)測(cè)、航跡的顯示及歷史航跡的回放。

5) 事故預(yù)警模塊：根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)及船舶周邊環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警判斷，如出現(xiàn)警情，系統(tǒng)界面報(bào)警燈閃爍，并發(fā)出報(bào)警聲。

6) 預(yù)警信息查詢模塊：提供預(yù)警信息查詢功能，可根據(jù)指定查詢條件查詢預(yù)警信息。歷史預(yù)警信息包括預(yù)警類型、級(jí)別、報(bào)警時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和預(yù)警時(shí)船舶位置。

7) 系統(tǒng)管理模塊：提供系統(tǒng)升級(jí)功能及用戶管理功能。

3.3系統(tǒng)組成

按照數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)程，可將整個(gè)系統(tǒng)分為4部分：數(shù)據(jù)接入部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)展示部分(見(jiàn)圖4)。其中，數(shù)據(jù)處理部分包括船舶航跡預(yù)測(cè)和航行預(yù)警2個(gè)關(guān)鍵部分。

3.3.1數(shù)據(jù)接入部分

(1) 船舶信息：通過(guò)VTS、雷達(dá)、AIS等現(xiàn)場(chǎng)傳感器得到,并接入系統(tǒng)，船舶信息包括水域內(nèi)所有船舶的靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息與航次信息。靜態(tài)信息包括船名、MMSI、船長(zhǎng)、船寬、型深等，動(dòng)態(tài)信息包括船位、航速、航向，航次信息包括始發(fā)港、目的港、貨物種類、吃水等；

圖4 系統(tǒng)功能流程

(2) 水文信息：通過(guò)水文傳感器得到，并接入系統(tǒng)，包括水位、流速和流向；

(3) 氣象信息：通過(guò)氣象傳感器得到，并接入系統(tǒng)，包括能見(jiàn)度、風(fēng)速和風(fēng)向；

(4) 通航條件信息：主要指多橋梁水域的通航環(huán)境信息，可通過(guò)電子航道圖得到，包括航標(biāo)信息、航道寬度、航道最小水深、航道曲率半徑、淺灘暗礁信息、橋梁信息及其他通航建筑物信息等。

3.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分就是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)接入部分所接入的船舶信息、水文信息、氣象信息和通航條件信息。

同時(shí)，數(shù)據(jù)處理部分也會(huì)將接入并經(jīng)處理得到的船舶航跡預(yù)測(cè)信息、最近會(huì)遇距離(Distance to the Closed Point Approach, DCPA)、最近會(huì)遇時(shí)間(Time to the Closed Point Approach, TCPA)和航行預(yù)警信息存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.3.3數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航跡的預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確地推算船舶的DCPA、TCPA，并對(duì)船舶安全航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。

(1) 根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的船舶信息、水文信息、氣象信息和通航環(huán)境信息，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)船舶航跡；

(2) 通過(guò)船舶的航跡信息，實(shí)時(shí)判斷船舶與目標(biāo)物(包括他船、航標(biāo)、橋墩、暗礁等)之間相對(duì)航行時(shí)的DCPA與TCPA；

(3) 根據(jù)船舶與目標(biāo)物尺寸，結(jié)合實(shí)時(shí)DCPA與TCPA，對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，并給出預(yù)警等級(jí)。

如何在實(shí)時(shí)評(píng)估計(jì)算事故風(fēng)險(xiǎn)后根據(jù)實(shí)時(shí)DCPA與TCPA給出預(yù)警等級(jí)，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

3.3.4數(shù)據(jù)展示部分

數(shù)據(jù)展示部分基于電子航道圖完成，即所有的數(shù)據(jù)展示都可在電子航道圖上進(jìn)行?？烧故镜臄?shù)據(jù)有：通航環(huán)境信息、水文信息、氣象信息、船舶信息、船舶交通信息、航跡預(yù)測(cè)信息和航行預(yù)警信息。

4 船舶航行預(yù)警方法

要對(duì)船舶安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需對(duì)船舶發(fā)生碰撞事故的可能性及其后果進(jìn)行評(píng)估。利用所得到的DCPA值和TCPA值(即考慮空間和時(shí)間2方面的因素)評(píng)價(jià)船舶安全風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行航行預(yù)警。DCPA可表明是否存在碰撞危險(xiǎn)，TCPA可表明危險(xiǎn)的緊迫性。此時(shí)船舶的碰撞風(fēng)險(xiǎn)ρ可表示為

ρ=ρd×ρt×k

(1)

式(1)中：ρd為與DCPA相關(guān)的距離危險(xiǎn)因子；ρt為與TCPA相關(guān)的時(shí)間危險(xiǎn)因子；k為事故類型限定參數(shù)，取0或1。對(duì)于目標(biāo)物為他船、航標(biāo)、橋墩時(shí)的碰撞和觸損事故，k=1；對(duì)于目標(biāo)物為暗礁或淺灘的擱淺和觸礁事故，需要根據(jù)淺灘和暗礁的深度、當(dāng)前水位及船舶吃水情況判斷是否擱淺或觸礁，若是，k=1，否則無(wú)危險(xiǎn)，k=0。

設(shè)船舶與礙航物的最小安全距離為D，由預(yù)測(cè)點(diǎn)得到的DCPA為d，則距離危險(xiǎn)因子ρd為

(2)

當(dāng)d≥D時(shí)，ρd=0，即船舶不會(huì)碰撞目標(biāo)物，是安全的。其中，最小安全距離D通過(guò)對(duì)船員進(jìn)行調(diào)研，取其經(jīng)驗(yàn)值。

設(shè)船舶以最大轉(zhuǎn)向角旋回90°所需要的時(shí)間為T，由預(yù)測(cè)點(diǎn)得到的最近會(huì)遇時(shí)間TCPA為t，則時(shí)間危險(xiǎn)因子ρt為

(3)

當(dāng)t≥T時(shí)，ρt=0，即船舶有足夠的用于調(diào)整航向的時(shí)間，是安全的。此時(shí)船舶的碰撞風(fēng)險(xiǎn)ρ為

(4)

將船舶航行風(fēng)險(xiǎn)ρ作為具體的預(yù)警指標(biāo)，通過(guò)專家咨詢將船舶實(shí)時(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的取值范圍[0,1]劃分為若干區(qū)間，根據(jù)計(jì)算得到的實(shí)時(shí)船舶事故風(fēng)險(xiǎn)值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶事故風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

利用軟件開(kāi)發(fā)工具Visual C++和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Structured Query Language (SQL) Server 2005，對(duì)多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 系統(tǒng)登陸界面

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面

多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，在長(zhǎng)江武漢段對(duì)其進(jìn)行了示范應(yīng)用。在武漢海事局轄區(qū)范圍內(nèi)，武漢市城區(qū)建設(shè)有白沙洲長(zhǎng)江大橋、鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江二橋、武漢二七長(zhǎng)江大橋、天興洲長(zhǎng)江大橋6座大橋，分布密集，一旦出現(xiàn)事故，將造成巨大人命與財(cái)產(chǎn)損失，監(jiān)管壓力較大。

系統(tǒng)從2013年11月開(kāi)始在武漢海事局試用，在半年多的試用期中，系統(tǒng)監(jiān)控管理效果理想，多次協(xié)助發(fā)現(xiàn)船舶在該多橋區(qū)水域的高風(fēng)險(xiǎn)航行行為，包括2014年1月“力源2”輪刮碰武漢長(zhǎng)江大橋事件，極大地減輕了橋區(qū)安全監(jiān)管和安全預(yù)警的工作量。試用單位認(rèn)為該系統(tǒng)的普及將有助于增強(qiáng)我國(guó)內(nèi)河海事管理的智能化和自動(dòng)化水平。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)多橋梁水域的安全監(jiān)管，對(duì)現(xiàn)階段正在使用的各種安全監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為這些系統(tǒng)都有無(wú)法有效判斷監(jiān)管區(qū)域內(nèi)船舶實(shí)時(shí)航行的態(tài)勢(shì)、無(wú)法實(shí)時(shí)給出區(qū)域內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)監(jiān)管船舶信息的不足。在此基礎(chǔ)上，對(duì)多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)的需求進(jìn)行了分析，綜合考慮系統(tǒng)總體架構(gòu)、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成等，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)時(shí)DCPA與TCPA，建立了多橋梁水域船舶安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)方法，并以此為根據(jù)實(shí)時(shí)判斷、得到預(yù)警等級(jí)。

以電子航道圖為基礎(chǔ)，結(jié)合在航船舶實(shí)時(shí)信息、水文信息、氣象信息，基于多橋梁水域船舶安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)方法，開(kāi)發(fā)了內(nèi)河多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了示范應(yīng)用。

運(yùn)用內(nèi)河多橋梁水域船舶安全航行預(yù)警系統(tǒng)可以更好地對(duì)多橋區(qū)水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)預(yù)測(cè)船舶航跡判斷航行態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域船舶的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分析與警示，幫助海事監(jiān)管人員及時(shí)對(duì)多橋梁水域的水上交通事故進(jìn)行預(yù)判斷，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

[1] 長(zhǎng)江航務(wù)管理局. 長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展報(bào)告(2012)[R]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

[2] 國(guó)務(wù)院. 關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見(jiàn)[R]. 國(guó)發(fā)〔2011〕2號(hào).

[3] 交通運(yùn)輸部海事局. 海事信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 2011.

[4] The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA). Vessel Traffic Services Manual (VTS MANUAL 2002)[R]. 2002.

[5] 劉人杰,柳曉明,索繼東，等. 船舶交通管理電子信息系統(tǒng)[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社,2006：4-8.

[6] 丁肖. 基于RFID技術(shù)的內(nèi)河船舶監(jiān)管系統(tǒng)研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2011.

[7] 黃健偉, 陸悅銘, 李義斌. AIS時(shí)代VTS面臨的新課題[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(3): 19-23.

[8] 朱加高, 陳建華. VTS的效用及中國(guó)VTS管理現(xiàn)狀[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34(S1): 30-33.

[9] 丁鷺飛, 耿富錄，陳健春. 雷達(dá)原理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社， 2002：167-176.

[10] 蘭培真, 韓建平, 洪晶. 海事智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)航海, 2008,31(1): 24-27.

[11] 王琪, 林永娟. 發(fā)揮CCTV視頻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 實(shí)現(xiàn)低碳化海事管理[J]. 航海技術(shù), 2010(6): 62-63.

[12] 陳卓. 基于主動(dòng)式RFID的內(nèi)河船舶監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[D]. 上海：上海海事大學(xué)， 2007.

[13] HARRE I. AIS Adding New Quality to VTS Systems[J]. Journal of Navigation, 2000, 53(3)： 527-539.

[14] LIU Chang, SHI Xiaofei. Study of Data Fusion of AIS and Radar[C]. International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition， 2009.

[15] 蘭培真, 陶進(jìn). 海事閉路電視智能監(jiān)管聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)航海, 2010, 33(4): 26-29.

[16] 王哲月. 基于RFID和CCTV的內(nèi)河交通視頻快速檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012.

ImplementationofShipSafetyWarningSystemforInlandMulti-BridgeWaterways

SANGLingzhi1,2,3，MAOZhe1,2,3，ZHANGWenjuan1,2,3，YANXinping1,2,3

(1.Intelligent Transportation System of Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Engineering Research Center of Transportation Safety, Ministry of Education, Wuhan 430063, China; 3. Research and Development Base on Waterway Transportation Safety and Anti-Pollution of Changjiang Transportation Technology Industry Research and Development Center, Ministry of Transport, Wuhan 430063, China)

With the aim of developing a ship safety early warning system for inland multi-bridge waterways, which will work reliably and real-timely to assist in ensuring the navigation safety in these waterways, the function requirements for the new early warning system are defined based on the analysis of the function limitations of existing early warning systems, which are not able to effectively judge the navigational situation and can not real-timely determine the ships at high risk. The frame, functions, main compositions and structure of the system are designed and the algorithm for early warning of risky ship is developed. The proposed ship safety warning system for inland multi-bridge waterways is developed and installed for Wuhan Maritime Safety Administration. Field operation of the system shows that this system could overcome the shortages of existing supervisory systems, improve the efficiency of supervising and contribute to the safety of people and property in the inland multi-bridge waterways.

waterway transportation; inland; multi-bridge waterway; ship; early warning; system

2014-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309187); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(133244002)；交通運(yùn)輸部西部科技建設(shè)重大專項(xiàng)(201132821110)

桑凌志(1987—)，男，湖北荊州人，博士生，研究方向?yàn)闃騾^(qū)水上交通安全預(yù)警與事故分析。E-mail：sanglz@126.com

1000-4653(2014)04-0034-06

U676.1; U698

A