跨海大橋橋區(qū)航道智能助航系統(tǒng)研發(fā)*

陳明忠

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心福州航標(biāo)處,福建 福州 350005)

跨海大橋橋區(qū)水域通航環(huán)境受限，風(fēng)、流壓與航道走向等因素對(duì)船舶操縱構(gòu)成影響。該類水域航道又是船舶交通流匯集區(qū)，避讓不慎等駕駛行為極易導(dǎo)致船橋碰撞或船船碰撞事故的發(fā)生[1]，國(guó)內(nèi)外多起橋梁被撞損及船毀人亡案例表明橋區(qū)通航水域的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)突出、損失重大[2]，因此開展橋區(qū)航道橋梁防碰撞技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，橋梁防碰撞技術(shù)主要有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種防撞手段，其中被動(dòng)式防撞設(shè)施建設(shè)和維護(hù)成本高，特別是對(duì)于大型船舶的防撞效果不佳；而主動(dòng)式橋梁防撞，通過發(fā)現(xiàn)并跟蹤橋區(qū)水域的船舶航跡，預(yù)測(cè)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并觸發(fā)聲光告警設(shè)備[3-4]，可促使具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的船舶提前采取規(guī)避措施，防止陷入被動(dòng)局面。本文分析橋區(qū)航道船舶航行風(fēng)險(xiǎn)，提出橋區(qū)船舶航行風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)算法，進(jìn)而設(shè)計(jì)橋區(qū)受限水域智能助航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)向船舶播發(fā)助航信息和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，達(dá)到自動(dòng)化、智能化的主動(dòng)防撞目的。

1 橋區(qū)航道通航風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)

1.1 橋區(qū)航道船舶航行風(fēng)險(xiǎn)因素分析

船舶在航行過程中，可能遇到各種潛在的不安全因素而導(dǎo)致海損事故。航海保障部門的職責(zé)就是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，采取各種有效手段保證船舶安全快捷通行[5]。

為準(zhǔn)確識(shí)別船舶航行安全態(tài)勢(shì)，預(yù)測(cè)可能的通航風(fēng)險(xiǎn)，首先需要研究船舶在橋區(qū)航道航行過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。風(fēng)險(xiǎn)因素包括水文氣象環(huán)境因素、人工操控因素、通航秩序因素、航道條件因素等。針對(duì)橋區(qū)特定對(duì)象，從水文氣象、橋墩分布、橋區(qū)駕駛特征等方面分別進(jìn)行分析[6]。

1.1.1航道水文情況

跨海大橋橋區(qū)航道水文條件受潮汐、潮流影響明顯，橋區(qū)航道的潮流變化是影響船舶安全航行的重要因素。不同跨海大橋橋區(qū)航道的潮流變化規(guī)律不完全相同，但是影響船舶安全航行的因素最終可歸結(jié)為實(shí)時(shí)水深和潮流速度、方向、浪高及頻率。為此可改造航道附近的助航用燈浮標(biāo)，在浮標(biāo)身上安裝水文信息采集裝置，并基于AIS(automatic identification system，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))信息通道向船舶提供水文信息[7]。

1.1.2航道氣象情況

氣溫、雨、風(fēng)、雪、霧等是描述氣象信息的主要要素，但是對(duì)船舶航行安全造成重要影響的氣象因素主要有雨、風(fēng)、霧，而對(duì)應(yīng)的數(shù)字化特征量是降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度。以福建平潭大橋航道為例，常風(fēng)向?yàn)闁|南偏南，強(qiáng)風(fēng)向西北偏北；年平均風(fēng)速5.3 m/s，最大風(fēng)速27 m/s，3—8月東南風(fēng)為主，頻率達(dá)25%；9—10月以北風(fēng)為主，頻率15%；12月到次年2月，西北偏北風(fēng)為主，頻率18%；風(fēng)力大于6級(jí)的年平均天數(shù)為68.4 d。

1.1.3航道特征及主要違章駕駛行為

引導(dǎo)船舶順利通過大橋通航孔、防止船舶出現(xiàn)碰撞橋梁或誤闖禁航孔等違反航行規(guī)則的駕駛行為，是保障船、橋安全的關(guān)鍵。橋區(qū)航道走向、橋墩分布、通航孔與禁航區(qū)設(shè)定及船舶交通流規(guī)律決定了橋區(qū)的駕駛規(guī)范。以福建平潭大橋?yàn)槔?，根?jù)橋區(qū)水域通航規(guī)則，可按圖1對(duì)該水域與橋區(qū)航道分區(qū)塊并設(shè)定相應(yīng)監(jiān)測(cè)規(guī)則。

圖1 福建平潭大橋水域監(jiān)測(cè)區(qū)塊

該大橋規(guī)定為雙孔單向通航，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，橋區(qū)水域航道主要的船舶駕駛風(fēng)險(xiǎn)因素有：超速、逆行、在警戒區(qū)內(nèi)側(cè)進(jìn)或側(cè)出航道、船頭對(duì)準(zhǔn)橋墩且離橋墩距離過近等[8]。在船舶進(jìn)入橋區(qū)航道后，應(yīng)該由航道末端進(jìn)入航道，過橋后，從航道前端駛出航道。進(jìn)入航道后，從航道側(cè)端駛出、從航道側(cè)面插入航道都是不安全航行的危險(xiǎn)因素。

1.2 橋區(qū)水域航道船舶航行風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)方法

針對(duì)橋區(qū)水域航道風(fēng)險(xiǎn)因子，可以通過相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)模型實(shí)現(xiàn)橋區(qū)航道船舶航行中危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)的自動(dòng)識(shí)別和預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上研制船舶航行助航服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)船橋、船船避碰。

1.2.1船舶進(jìn)入橋區(qū)及穿越橋區(qū)航道檢測(cè)方法

要防止船舶橋區(qū)航行出現(xiàn)碰撞險(xiǎn)情，從船舶駕駛的角度就是要盡早糾正船舶航向，保持船舶在正確的過橋航道區(qū)域內(nèi)航行，因此實(shí)時(shí)跟蹤判斷船位是否出現(xiàn)違規(guī)趨向是分析其是否存在風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。大橋可通航孔與外圍航道基本對(duì)接，非通航孔兩側(cè)多屬禁航區(qū)及通航安全監(jiān)管區(qū)，可按圖1所示的水域劃分法對(duì)其中的船舶進(jìn)行AIS信號(hào)的篩選，船舶進(jìn)入橋區(qū)水域預(yù)警區(qū)、警戒區(qū)、航道及穿越橋區(qū)航道重要邊界的檢測(cè)是自動(dòng)辨識(shí)船舶在橋區(qū)航行中潛在風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。

1)定義1：基本凹形線性區(qū)域。設(shè)P1、P2、P3為平面上3個(gè)點(diǎn)，L1、L2為由P1、P2和P2、P3確定的兩條直線，滿足下列條件：

(1)

(2)

由直線L1、L2圍成圖2所示的區(qū)域S1，稱為基本凹形線性區(qū)域。

圖2 基本凹形線性區(qū)域

2)定義2：凹形線性封閉區(qū)域。由多個(gè)基本凹形線性區(qū)域經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)后聯(lián)合組成的封閉區(qū)域，稱為凹形線性封閉區(qū)域。典型的凹形封閉區(qū)域見圖3。

圖3 典型的凹形封閉區(qū)域

凹形線性封閉區(qū)域是一類具有廣泛代表性的線性區(qū)域，本文討論的區(qū)域(預(yù)警區(qū)、警戒區(qū)、航道區(qū))均屬于由其邊界線Li(P)構(gòu)成的凹形線性封閉區(qū)域。應(yīng)用原則1的結(jié)論，可以判斷船舶是否進(jìn)入指定區(qū)域。

1.2.2基于船舶動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法

船舶在航行過程中，可以定義一個(gè)安全領(lǐng)域，在其安全領(lǐng)域內(nèi)，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的船舶或靜態(tài)的橋墩、淺灘等障礙時(shí)，則船舶存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。與一般領(lǐng)域的概念不同，根據(jù)跨海大橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)因子分析，跨海大橋橋區(qū)船舶的安全領(lǐng)域依賴船舶的航向、航速、風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向、能見度及船舶類型和尺寸等因素。

2 橋區(qū)航道智能助航服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跨海大橋橋區(qū)航道船舶智能助航的整體功能實(shí)現(xiàn)，由橋區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的橋基站、虛擬AIS航標(biāo)、橋區(qū)航標(biāo)(橋涵標(biāo)和水文氣象浮標(biāo)、燈浮標(biāo))等配套硬件設(shè)備協(xié)同完成，當(dāng)航行船進(jìn)入助航水域航道，橋區(qū)船舶綜合助航信息系統(tǒng)即對(duì)其提供助航服務(wù)[9]，如圖4所示。其中，橋基站集成AIS基站、信息集成處理單元、海事VHF(very hiqh frequency，甚高頻)電臺(tái)、漁業(yè)VHF電臺(tái)、視頻監(jiān)控單元、4G通信設(shè)備(或有線專線)等。

圖4 橋區(qū)航道智能助航服務(wù)系統(tǒng)框架

2.1 橋基站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

橋基站硬件框圖見圖5、邏輯結(jié)構(gòu)見圖6。AIS模塊可接收半徑15 n mile范圍內(nèi)船舶AIS信號(hào)，發(fā)射功率2～5 W可調(diào)，報(bào)文發(fā)送距離3～10 n mile；VHF電臺(tái)模組發(fā)射功率1 W和25 W可選，語(yǔ)音發(fā)送距離3 n mile，選擇最大發(fā)射功率時(shí)可達(dá)25 n mile。從船舶接收到預(yù)警信息到及時(shí)糾正航向，對(duì)于5 000 GT以下海船而言，通常在距離碰撞點(diǎn)1 n mile范圍內(nèi)才是真正需要采取規(guī)避動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，更遠(yuǎn)距離的助航預(yù)警信息則使船舶有充分的時(shí)間關(guān)注到避讓問題。故此基站設(shè)備一般安裝在橋梁通航孔附近或者沿岸構(gòu)筑物上，只要保證AIS與VHF信號(hào)可覆蓋橋區(qū)檢測(cè)水域即可，在通航規(guī)則上橋梁非通航孔兩側(cè)水域常定義為禁航區(qū)，對(duì)于超出設(shè)備信號(hào)覆蓋距離的大型橋梁而言，如需對(duì)非通航水域進(jìn)行檢測(cè)，可以增加橋基站數(shù)量，使其信號(hào)范圍互相銜接。

圖5 硬件框圖

圖6 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)信息處理模塊。具體包括虛擬航標(biāo)信息管理、AIS數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)連接控制、上位機(jī)控制信號(hào)處理、本地語(yǔ)音存儲(chǔ)等模塊。

2)VHF電臺(tái)。具體包括DSC(digital selective calling ferminals，數(shù)字選擇性呼叫)、語(yǔ)音呼叫等功能模塊。

3)AIS模塊。具體包括接收橋基站附近海域的AIS目標(biāo)信息、虛擬航標(biāo)位置定期廣播、發(fā)送AIS廣播等模塊。

4)4G通信模塊。提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信與無(wú)線連接。

5)UPS(uninterruptible power system，不間斷電源)模塊。4組大容量電池組成，為系統(tǒng)提供不間斷電源。

2.2 綜合助航信息系統(tǒng)軟件開發(fā)

跨海大橋橋區(qū)航道綜合助航服務(wù)系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)見圖7。軟件系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果(無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn))，向橋基站發(fā)送指令，由橋基站播發(fā)不同類型的助航信息和預(yù)警，軟件工作流程見圖8。系統(tǒng)軟件界面情況見圖9、10。

圖7 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

圖8 系統(tǒng)工作流程

圖9 橋區(qū)總覽界面

圖10 橋區(qū)與預(yù)警區(qū)域顯示界面

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)應(yīng)用于福建省平潭海峽大橋航道，為大橋水域的船舶提供主動(dòng)避碰與綜合助航信息服務(wù)。由于海事管理機(jī)構(gòu)對(duì)海船配備VHF對(duì)講機(jī)和AIS接收機(jī)有強(qiáng)制性規(guī)定，對(duì)于大多數(shù)海船來(lái)說無(wú)須額外安裝專用設(shè)備即可接收本系統(tǒng)信息。系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)入預(yù)警區(qū)的船舶AIS動(dòng)態(tài)，向船舶播發(fā)橋區(qū)實(shí)時(shí)的氣象、水流、橋梁凈空高度、航標(biāo)動(dòng)態(tài)等AIS報(bào)文，對(duì)符合橋區(qū)航道航行規(guī)則的船舶保持靜默，對(duì)進(jìn)入警戒區(qū)等違反通航規(guī)則的船舶啟動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的VHF語(yǔ)音提示，促使其盡早糾正船舶動(dòng)向，防止操縱延誤引發(fā)碰撞事故的發(fā)生。系統(tǒng)已運(yùn)行3年多，通過大橋水域航道的船舶主要為5 000 GT以下中小型貨船，截取2017年10月—2018年2月的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)顯示日均經(jīng)過大橋通航孔的船舶有53艘次，橋區(qū)水域航行耗時(shí)9～13 min，日均播發(fā)語(yǔ)音預(yù)警20次，每船每次違規(guī)行為平均重復(fù)呼叫2次，日均發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)船舶動(dòng)態(tài)11艘次。實(shí)船測(cè)試各項(xiàng)設(shè)定的預(yù)警條件，當(dāng)船舶觸碰預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別迅速，平均3～5 s預(yù)警信息即可傳達(dá)到船舶駕駛臺(tái)。根據(jù)福建省搜救中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平潭大橋橋區(qū)航道事故險(xiǎn)情見表1，成果應(yīng)用前后，橋區(qū)航道事故險(xiǎn)情數(shù)量由2013—2015年的35起下降為2016—2018年的13起，下降幅度達(dá)62.9%，明顯改善了橋區(qū)水域的安全形勢(shì)。

表1 平潭大橋橋區(qū)水域事故險(xiǎn)情

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于橋區(qū)船舶航行面對(duì)的主要風(fēng)險(xiǎn)，可利用航道附近水文氣象燈浮標(biāo)采集信息并向船舶提供重要的航行參考要素，設(shè)定凹形封閉線性區(qū)域可檢測(cè)船舶航行趨向。辨識(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是定義船舶動(dòng)態(tài)安全領(lǐng)域并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)值加權(quán)。

2)橋區(qū)航道智能助航服務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)整合了助航信息源和管理運(yùn)行檢測(cè)分析軟硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了智能感知船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)或船舶違規(guī)航行態(tài)勢(shì)，并向船舶提前發(fā)出預(yù)警報(bào)，促使駕駛?cè)藛T及時(shí)糾正駕駛行為以防控危險(xiǎn)局面的發(fā)生。該技術(shù)可轉(zhuǎn)換應(yīng)用于水上水下施工區(qū)、風(fēng)電場(chǎng)、狹水道、島礁區(qū)等類似受限水域，幫助提升水上工程設(shè)施、船舶航行的安全保障水平。

3)目前橋區(qū)航行的船舶態(tài)勢(shì)感知主要通過AIS手段獲取，感知精度與實(shí)時(shí)性還需要進(jìn)一步提升。未來(lái)研究中可融合岸基CCTV(closed circuit television，閉路電視)視頻、雷達(dá)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過圖像識(shí)別與深度學(xué)習(xí)方法，感知多種類型的船舶，使系統(tǒng)具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。