基于互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)河橋梁主動(dòng)防船撞實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)?

陸 兵

（1.常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州 213164）（2.江蘇省橋梁防撞系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 常州 213164）

1 引言

由于航道水位變化和船舶偏航等原因，經(jīng)常發(fā)生船舶航行時(shí)碰撞橋梁的事故，其中最典型的是2007 年6 月15 日，一艘佛山籍運(yùn)沙船撞擊九江大橋橋墩，造成九江大橋約200m 橋面坍塌，4 輛汽車墜江，9人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億元人民幣。這些安全事故給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了巨大損失。為保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全，船橋碰撞及橋梁的防撞研究已成為具有廣泛意義的國(guó)際性課題，日益引起各國(guó)政府、學(xué)者、工程界的關(guān)注［1］。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁防船舶撞擊技術(shù)主要是基于被動(dòng)防船撞系統(tǒng)和船舶交通管理系統(tǒng)進(jìn)行工作的［2］。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了一些關(guān)于橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警技術(shù)的研究［3～6］，但這些研究成果主要集中在測(cè)量船舶凈高，而對(duì)船舶偏航檢測(cè)的研究則十分缺乏，也沒(méi)有構(gòu)建出一個(gè)全天候全方位的實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。

本文基于對(duì)整個(gè)橋梁安全的考量，研究將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于橋梁安全保障，構(gòu)建了一個(gè)全天候全方位的實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，“互聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)設(shè)施可以概括為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云存儲(chǔ)，應(yīng)用層四部分［7］?；ヂ?lián)網(wǎng)上部署有采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)警、Web和視頻等服務(wù)器。支持對(duì)多座橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，分布式控制。

系統(tǒng)架構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)——云服務(wù)——用戶模式（如圖1 所示），現(xiàn)場(chǎng)選用工業(yè)計(jì)算機(jī)，布置在各個(gè)橋梁控制點(diǎn)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)交流信息，云服務(wù)提供用戶賬號(hào)，使用者可以在任何地方訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，云服務(wù)承擔(dān)數(shù)據(jù)備份任務(wù)，當(dāng)云服務(wù)或互聯(lián)網(wǎng)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)能獨(dú)立控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。故障解除，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能自動(dòng)與云服務(wù)同步?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，云服務(wù)能檢測(cè)到故障信息并通知相關(guān)部門進(jìn)行處理［8］。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)方案

3.1 船舶超高檢測(cè)技術(shù)及方案設(shè)計(jì)

船舶超高檢測(cè)的重要任務(wù)之一是檢測(cè)船舶的高度。船舶高度檢測(cè)技術(shù)有激光對(duì)射式、激光掃描測(cè)距方式、激光交差測(cè)距方式和熱成像圖像分析識(shí)別方式［9］。綜合各種檢測(cè)技術(shù)的靈敏度準(zhǔn)確性、受環(huán)境影響度、河道寬度適應(yīng)范圍、有效預(yù)警距離、傳感器成本、傳感器壽命、傳感器功能、傳感器數(shù)量和精度等指標(biāo)，本系統(tǒng)采用熱成像攝像機(jī)采集進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的船舶并使用圖像識(shí)別技術(shù)計(jì)算出船舶最高點(diǎn)是否超高［10］。該技術(shù)具有透霧性強(qiáng)、不受天氣的影響、靈敏度高的特點(diǎn)。

在上下游橋頭各設(shè)一套熱成像超高檢測(cè)單元。分別安裝在橋墩的位置，高度與橋體預(yù)警高度一致，水平觀測(cè)航道，熱成像超高檢測(cè)單元的視角成交叉狀布置，使用熱成像攝像機(jī)配合圖像識(shí)別算法［11］，可以全天候?qū)崿F(xiàn)對(duì)河道船舶的超高檢測(cè)（如圖2所示）。

圖2 圖像識(shí)別測(cè)量船舶超高

3.2 船舶偏航檢測(cè)技術(shù)及方案設(shè)計(jì)

用于檢測(cè)船舶偏航的主要技術(shù)有基于AIS 的船舶位置識(shí)別技術(shù)及基于圖像識(shí)別的越界檢測(cè)技術(shù)，基于微波雷達(dá)的船舶位置識(shí)別技術(shù)。

AIS 全稱船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，由岸基設(shè)施和船載設(shè)備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備［12］。AIS 將從北斗系統(tǒng)獲得的船位、船速、改變航向率及航向等船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和船名、呼號(hào)、吃水及危險(xiǎn)貨物等船舶靜態(tài)資料通過(guò)甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺(tái)廣播，使鄰近船舶及岸臺(tái)能及時(shí)掌握附近水域所有船舶之動(dòng)靜態(tài)資訊，得以立刻互相通話協(xié)調(diào)，采取必要避讓行動(dòng)。

圖像識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)像的技術(shù)，在橋梁上架設(shè)攝像機(jī)，對(duì)橋區(qū)航道的圖像進(jìn)行識(shí)別處理，可以判斷是否有船舶進(jìn)入非航道區(qū)域。

微波雷達(dá)是裝在船上用于航行避讓、船舶定位、狹水道引航的雷達(dá)，亦稱船用雷達(dá)。雷達(dá)在能見(jiàn)度不良時(shí)為駕駛員提供了必需的觀察手段［13］。雷達(dá)識(shí)別船舶位置具有距離遠(yuǎn)、不受天氣影響的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行識(shí)別可以計(jì)算出船位、船速、改變航向率及航向等船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

綜合各種因素考慮，對(duì)300t 以上的船只，采用基于AIS 的船舶偏航檢測(cè)方案，該方案具有檢測(cè)范圍大、精度高、成本低、實(shí)施容易的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)無(wú)法識(shí)別甚高頻的船舶，采用近距微波雷達(dá)識(shí)別船舶航線軌跡的信號(hào)，并通過(guò)北斗信號(hào)定位，算法分析判斷是否進(jìn)入偏航預(yù)警區(qū)域。（如圖3 所示，白色區(qū)域表示電子圍欄預(yù)警區(qū)域）。

圖3 電子圍欄偏航預(yù)警區(qū)

3.3 預(yù)警與報(bào)警技術(shù)

將超高、偏航等預(yù)警信息通過(guò)船用電笛、自動(dòng)跟蹤探照燈、AIS 文字信息、LED 大屏幕、GSM 等多種（級(jí)）方法和手段及時(shí)告之船主（如圖4所示）。

圖4 三級(jí)防范措施

4 軟件設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)軟件功能分為管理和預(yù)警兩大部分。

4.1 主要管理功能

1）橋梁地圖信息

顯示橋梁GIS 信息，方便管理部門對(duì)橋區(qū)的查看。

2）視頻圖像信息

實(shí)現(xiàn)圖像瀏覽，圖像疊加監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱、時(shí)間、設(shè)備編號(hào)，可以按事件調(diào)取圖像信息。

3）預(yù)警信息查詢

查看設(shè)備發(fā)出的偏航、超高、超速、違規(guī)關(guān)閉AIS等預(yù)警信息記錄。

4）虛擬航標(biāo)設(shè)置

把航道上的實(shí)體航標(biāo)位置或航道上的航行控制點(diǎn)坐標(biāo)封裝成AIS 數(shù)據(jù)包向周圍發(fā)射，把這些點(diǎn)模擬成AIS航標(biāo)，以便被過(guò)往船舶駕駛員發(fā)現(xiàn)。

5）電子圍欄設(shè)置

把非通航區(qū)域繪制成矩形，可對(duì)電子圍欄查詢、添加、修改、刪除。如果有船舶進(jìn)入非通航區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將會(huì)發(fā)出AIS、VHF等手段通知船舶。

6）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)發(fā)布信息、船舶通航情況、超高信息、超速信息、違規(guī)關(guān)閉AIS 信息、重點(diǎn)監(jiān)控船舶信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.2 主要預(yù)警功能

1）船舶走向預(yù)測(cè)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備收集到的船舶速度、坐標(biāo)、航向等航行數(shù)據(jù)進(jìn)行二維模擬計(jì)算，推算出所有船舶走向，對(duì)可能偏航的船只發(fā)出警報(bào)。

2）船舶超高預(yù)測(cè)

程序接收到設(shè)備返回的超高信號(hào)后，分析信號(hào)來(lái)自上游或者下游的設(shè)備，抓取該區(qū)域所有向橋梁方向航行的船舶數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法篩向觸發(fā)超高點(diǎn)最近的一條船舶發(fā)出警報(bào)。

3）船舶違規(guī)關(guān)閉AIS

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)，對(duì)監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否存在船舶。如果發(fā)現(xiàn)有船舶在該區(qū)域但未發(fā)出AIS 信號(hào)，就認(rèn)為該船違規(guī)關(guān)閉AIS，系統(tǒng)對(duì)此船發(fā)出警告。

4）船舶助航預(yù)警提示

當(dāng)船舶向橋的方向前進(jìn)并進(jìn)入指定的檢測(cè)范圍內(nèi)，對(duì)該船下發(fā)如前方施工、霧霾嚴(yán)重和當(dāng)前的通航凈高水位等提醒信息。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器單元、AIS 模塊單元、VHF 模塊單元、水位檢測(cè)單元、視頻監(jiān)控單元、船舶超高檢測(cè)單元、聲光報(bào)警單元、橋輪廓照明單元、船撞監(jiān)測(cè)單元組成（如圖5 所示）。根據(jù)其功能安裝在橋梁不同部位，對(duì)過(guò)往船舶的高度、位置以及橋區(qū)水位進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到超高或偏航，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器通過(guò)各種模塊單元發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)錄像抓拍功能，拍攝違規(guī)航行船舶圖像，把報(bào)警信息及圖像信息傳送到中心服務(wù)器。管理人員在監(jiān)控電腦屏幕可以通過(guò)鍵盤(pán)切換、觀看任意一路現(xiàn)場(chǎng)圖像信號(hào)，也可以控制云臺(tái)及調(diào)焦，細(xì)致觀看航道的通航情況。

1）總控單元

主要用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及數(shù)據(jù)等采集傳輸，選用嵌入式免風(fēng)扇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，有利于減少體積，降低功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組成

2）AIS模塊單元

AIS 單元主要由AIS 模塊組成，通過(guò)232 或485與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器連接，其主要功能是接收橋梁周圍一定范圍內(nèi)的船舶發(fā)出的AIS 信號(hào)，經(jīng)過(guò)解碼后發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，也可以接收現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器的指令，向橋梁周圍船舶發(fā)AIS 預(yù)警短信、發(fā)布虛擬航標(biāo)、虛擬船舶等數(shù)據(jù)。

3）VHF電臺(tái)單元

VHF 電臺(tái)模塊的主要功能是主機(jī)檢測(cè)到有超高船舶駛?cè)牒?，電臺(tái)單元使用海事專用頻道發(fā)出警示音頻。該模塊必須符合海事電臺(tái)使用規(guī)定；具備能被單片機(jī)控制的接口；具備外部音頻輸入接口［14］。

4）水位檢測(cè)單元

水位傳感器實(shí)時(shí)采集水位，通過(guò)遠(yuǎn)程模塊發(fā)送給服務(wù)器［15］，實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)全自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)，保存記錄，保證預(yù)警信息的通航凈高準(zhǔn)確。

5）視頻監(jiān)控單元

采用200 萬(wàn)網(wǎng)絡(luò)高清球機(jī)和槍機(jī)全天候監(jiān)控河道以及橋面通行情況，與超高、偏航事件聯(lián)動(dòng)。定時(shí)錄像、事件錄像、移動(dòng)偵測(cè)錄像、報(bào)警錄像、動(dòng)測(cè)或報(bào)警錄像、動(dòng)測(cè)且報(bào)警錄像和回放。

6）超高檢測(cè)單元

采用熱成像攝像機(jī)儀，該設(shè)備能夠探測(cè)極微小溫差，將溫差轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)熱輪廊視頻圖像。

7）聲光報(bào)警單元

現(xiàn)場(chǎng)總控單元判斷有超高船舶則開(kāi)啟船用喇叭，啟動(dòng)云跟蹤探照燈警示超高船舶。

8）橋輪廓照明單元

在通航孔輪廓頂部邊緣安裝LED照明模組，當(dāng)有船舶駛?cè)霕蛄簠^(qū)域時(shí)，照明控制箱控制LED照明模組閃亮提醒過(guò)往船舶注意航行安全，船舶離開(kāi)控制熄滅，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，閃亮頻率為每秒0.5次。

9）云臺(tái)探照燈

檢測(cè)到船舶違規(guī)時(shí)，系統(tǒng)按避碰規(guī)定控制云臺(tái)探照燈指向違規(guī)船舶進(jìn)行提醒。

6 結(jié)語(yǔ)

本文用科技化、信息化手段在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建了集紅外超高探測(cè)，微波雷達(dá)偏航探測(cè)、AIS 船舶身份識(shí)別預(yù)警通知、VHF通知、視頻監(jiān)控錄像、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，聲光報(bào)警等于一體的多功能全方位內(nèi)河橋梁主動(dòng)防船碰撞實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。試運(yùn)行期間共發(fā)出警告125 次，成功勸返超高船舶25 船次，預(yù)防準(zhǔn)確率100% 。通過(guò)主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的示范帶動(dòng)作用，為橋梁科學(xué)化運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)水平的提升提供重要支撐。