內(nèi)河限制性航道橋梁超高防撞智能預(yù)警監(jiān)控及自動取證系統(tǒng)研究與設(shè)計

高早明 蔣勇

摘 要：船舶撞橋主要有兩種情況，一是大多數(shù)發(fā)生在夜間，一些船主無視鐵路橋梁凈空較低的實(shí)際情況強(qiáng)行通過；二是由于夜間視野差，船只也有可能撞擊橋墩立柱，從而對鐵路運(yùn)輸安全構(gòu)成威脅，給國家和人民生命財產(chǎn)造成損失。由于AIS（Automatic Identification System，船舶自動識別系統(tǒng)）以及電子海圖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前對于中大型船舶的管理以及避碰預(yù)警等都已經(jīng)開始構(gòu)建相對成熟的系統(tǒng)。研究人員結(jié)合AIS技術(shù)，創(chuàng)造性地提出了通過統(tǒng)籌水文、氣象、船舶信息、橋梁信息等關(guān)鍵參數(shù)，聯(lián)動船舶以及橋梁之間的信息，起到碰撞預(yù)警的作用，可以大大降低風(fēng)險的發(fā)生概率。

關(guān)鍵詞：船舶撞橋；AIS；避碰；碰撞預(yù)警

0 引 言

橋梁在為陸路交通運(yùn)輸提供便利，方便民眾生活，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也為水路交通運(yùn)輸?shù)墓芾砼c服務(wù)帶來了困擾：

（1）隨著橋梁問題的日益突出，目前我國針對橋區(qū)范圍航標(biāo)的配置方法、橋區(qū)航標(biāo)的信息化管理等研究才剛剛起步，有待進(jìn)一步深化研究；

（2）橋區(qū)航標(biāo)因其作用的不同，與普通浮標(biāo)存在較大差別。對橋區(qū)航標(biāo)的集控管理方法缺少統(tǒng)一平臺，亟待規(guī)范；

（3）橋區(qū)水域一旦發(fā)生船橋碰撞，在給橋梁造成損失，切斷路面交通的同時，也會阻斷水面交通造成航道擁堵。但如何利用橋區(qū)航標(biāo)，進(jìn)行更加有效的助導(dǎo)航服務(wù)，國內(nèi)還未見相關(guān)研究。

由于橋梁對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及其對航運(yùn)的重要影響作用，一直以來，各海事主管機(jī)構(gòu)都將橋區(qū)水域作為最重要的監(jiān)管區(qū)域進(jìn)行監(jiān)管，盡管如此，橋區(qū)事故卻仍然頻發(fā)。因此，亟需一種能對橋區(qū)航行提供實(shí)時監(jiān)控管理的方案。本次研究采用科技手段對接近橋梁的船舶進(jìn)行實(shí)時提醒，對超高的船舶進(jìn)行針對性的告警提醒，發(fā)出聲光報警信號以及通過無線電臺及AIS警告超高船舶，并且自動拍攝錄像，并同步傳送到管理部門的監(jiān)控中心進(jìn)行取證，以便采取進(jìn)一步的管理措施。

1 船載AIS介紹

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）由艦船飛機(jī)之?dāng)澄易R別器發(fā)展而成，工作在VHF（甚高頻）航海頻段，有兩個VHF頻率作為AIS工作頻道，分別是161.975MHz（CH87B）和162.025MHz（CH88B），配合全球定位系統(tǒng)（GPS），將船舶實(shí)際位置、船速、改變航向率及航向等船舶動態(tài)，結(jié)合船名、呼號、吃水、船舶尺度及危險貨物等船舶靜態(tài)資料，由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，這些信息也可以由海事部門通過信息服務(wù)平臺向公眾開放。

2 系統(tǒng)原理

1）橋區(qū)綜合助航服務(wù)信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

通過橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)一期的建設(shè)，航務(wù)部門試點(diǎn)布置了多功能航標(biāo)以采集橋區(qū)水域環(huán)境信息?，F(xiàn)階段已經(jīng)可以通過自建和合作渠道獲得重要的通航環(huán)境數(shù)據(jù)，具體包括：橋涵標(biāo)狀態(tài)信息（位置、工作狀態(tài)）、氣象信息（風(fēng)速、濕度等氣象環(huán)境參數(shù)）、水文信息（航道流速、流向等）、航道橋梁基本信息（通航孔位置、通航凈寬、凈空高度等）。

航務(wù)部門需要研究各類型橋梁通航安全所需要的重點(diǎn)水文與氣象類信息，研究橋區(qū)多功能航標(biāo)的傳感器合理布設(shè)方法。同時，需要進(jìn)一步整合多渠道獲得的同源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括整合通過AIS基站獲取的船舶動態(tài)信息。

2）橋區(qū)綜合助航服務(wù)的有效信息服務(wù)方法

橋區(qū)綜合助航服務(wù)平臺可獲取各種重要的通航基礎(chǔ)環(huán)境信息。通過研究不同類型和航行狀態(tài)的船舶所需要的信息服務(wù)種類，進(jìn)行差異化信息服務(wù)，切實(shí)幫助船舶安全航行。

3）橋區(qū)船舶微觀安全預(yù)警方法研究

在所獲取的海事大數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，設(shè)計船舶安全預(yù)警算法，通過船舶航行信息，結(jié)合實(shí)時風(fēng)、流等重要基礎(chǔ)信息，建立針對單船的微觀橋區(qū)船舶安全航行風(fēng)險模型，挖掘船舶安全信息，進(jìn)而幫助有效識別橋區(qū)航道內(nèi)的高風(fēng)險船舶，輔助船舶安全操縱，保障橋區(qū)航道通航安全。

4）效率最大化的多手段信息服務(wù)方法研究

橋區(qū)助航信息服務(wù)包括兩方面的內(nèi)容：首先是基礎(chǔ)信息服務(wù)，包括水文、氣象等基礎(chǔ)通航環(huán)境信息需要實(shí)時推送給橋區(qū)航道內(nèi)的航行船舶；其次是安全預(yù)警信息，通過對通航橋區(qū)的船舶微觀安全預(yù)警方法建模，可以計算每條船舶在橋區(qū)內(nèi)航行的實(shí)時航行風(fēng)險，進(jìn)而識別橋區(qū)水域內(nèi)高風(fēng)險航行船舶，進(jìn)而對這類高風(fēng)險航行船舶實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的預(yù)警，保障船舶安全通航?；拘畔l(fā)布系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)功能的整體實(shí)現(xiàn)，需要由橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)（以下稱“監(jiān)控管理軟件”）、橋基站、AIS航標(biāo)、橋航標(biāo)（標(biāo)識牌和浮標(biāo)）和航行船船協(xié)同完成。如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)組成

橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)為本項目研究的主體部分，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要同時在橋區(qū)現(xiàn)場布設(shè)配套的橋基站、AIS航標(biāo)、橋航標(biāo)（標(biāo)識牌和浮標(biāo)）等配套硬件設(shè)備，當(dāng)航行船船進(jìn)入助導(dǎo)航水域，橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)即開始運(yùn)行，進(jìn)行助導(dǎo)航工作。整個系統(tǒng)分為如下幾個模塊：

（1）岸基端管理軟件功能模塊設(shè)計

包含電子海（江）圖顯示與操作模塊，AIS船舶目標(biāo)動態(tài)監(jiān)控模塊，通航環(huán)境信息監(jiān)控模塊，橋基站、橋涵標(biāo)、浮標(biāo)等助導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)測控制模塊，橋區(qū)助導(dǎo)航信息管理模塊，橋區(qū)助導(dǎo)航信息發(fā)布模塊，綜合信息查詢服務(wù)，統(tǒng)計報表模塊以及系統(tǒng)管理模塊。

（2）橋基站功能模塊設(shè)計

橋基站是橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要配套硬件部分，用以幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對船舶的助導(dǎo)航工作。

橋基站集成AIS基站、信息集成處理單元、海事VHF電臺、漁業(yè)VHF電臺、視頻監(jiān)控單元、4G通信設(shè)備（或有線專線）等。橋基站可以安裝在橋附近的燈樁上，由交流岸電供電，同時內(nèi)置UPS電源，以便在岸電丟失時保持基站正常運(yùn)行至少2小時。通過處理水文、橋梁凈高數(shù)據(jù)，存儲AIS航標(biāo)對外發(fā)送的水文氣象信息，存儲所接收的附近船舶AIS信息，存儲視頻單元采集的視頻信息；存儲時間3個月以上。

（3）AIS航標(biāo)（浮標(biāo)）功能設(shè)計

AIS浮標(biāo)是橋區(qū)航標(biāo)集控管理與綜合助航信息服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一重要配套硬件，用以采集橋區(qū)水域重要的通航環(huán)境信息，對外播發(fā)航標(biāo)位置等。

浮標(biāo)上安裝有AIS終端、水文信息采集傳感器等，采集的水文氣象數(shù)據(jù)，集成后可通過浮標(biāo)AIS向橋基站發(fā)送水文氣象信息、航標(biāo)燈動態(tài)信息（位置、燈狀態(tài)、電流、電壓）；通過浮標(biāo)AIS向周圍船舶廣播浮標(biāo)信息（名稱、燈質(zhì)、位置等）。

（4）橋涵標(biāo)（標(biāo)識牌和浮標(biāo)）功能說明

橋涵標(biāo)用于顯示橋信息，通過裝載的遙測遙控終端采集數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心上傳有關(guān)信息。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）采用激光或紅外線進(jìn)行實(shí)時的船舶超高檢測，靈敏度高，可靠性高，可以識別船舶行駛方向?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確報警。

2）準(zhǔn)確檢測到經(jīng)過檢測點(diǎn)的船舶的MMSI及中文名稱，AIS短信及VHF高頻廣播按中文名稱告知?？蓽?zhǔn)確可靠地檢測超高船舶的行駛方向。

3）采用可靠的聲光報警方式提醒超高船舶駕駛員采取避碰措施。

4）橋梁凈高實(shí)時檢測并且LED屏實(shí)時顯示，有效的減少超高船舶與橋梁相撞事故障。

5）為了在第一時間得到船舶撞橋信息，系統(tǒng)可對船舶撞橋信息進(jìn)行實(shí)時報警，防止因撞擊嚴(yán)重沒有及時發(fā)現(xiàn)所造成的嚴(yán)重后果。

6）安裝橋涵燈（橋柱燈），正確顯示橋梁輪廓，夜間發(fā)出燈光信號，指引船舶駕駛員確認(rèn)橋梁通航孔位置，保障橋梁安全和船舶航行安全。