基于多源信息融合的高等級航道橋梁主動防船撞系統(tǒng)

何侃

摘 要：隨著陸上交通基礎設施的不斷完善和水運工程的飛速發(fā)展，跨河橋梁的數量在逐漸增加，船舶與橋梁相撞的風險也相應提升。為消除船舶碰撞橋梁尤其是高等級航道橋梁的安全隱患，應建立對危險船舶進行甄別、預警及干預的主動防船撞系統(tǒng)。由于單一信息源的主動防船撞系統(tǒng)往往存在一定缺陷，本文旨在利用自動識別系統(tǒng)、甚高頻、船舶身份識別與軌跡傳感器等技術，構建基于多源信息融合的碰撞風險預警模塊，從而推動智能航道的發(fā)展。

關鍵詞：多源信息融合;高等級航道;橋梁;主動防船撞系統(tǒng)

中圖分類號：U611? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0081-03

1 引言

隨著交通基礎設施建設和水運行業(yè)發(fā)展的日益加快，跨越通航水域的橋梁在不斷增多，同時，航行船舶的數量及載重噸位也在迅速增加[1]。由于跨河橋梁的建設年代和設計標準不同，且下行船舶的噸位和通航要求不一，受到上述多種因素的影響，船舶與跨越通航水域的橋梁相碰撞的風險在日趨加大。在內河高等級航道中，可通航船舶的載重噸位大、通航要求高，船舶與跨河橋梁碰撞的危險性尤為突出。由此可見，對橋梁防船撞設施的研究具有一定的必要性，且對惠及民生的交通安全出行亦具有重要的意義。

在1847年至1975年期間，全球累計發(fā)生143例橋梁坍塌事件[2]。通過對事故原因的分析發(fā)現，因船舶碰撞橋梁而誘發(fā)橋梁垮塌的事件占比較高。在1980年，發(fā)生于美國佛羅里達州的陽光大橋橋墩被船舶撞塌的事件則成為船撞橋研究歷史進程中一個標志性的里程碑[3]。三年后，國際橋梁和結構工程協(xié)會（IABSE）以此為議題進行了研究和討論。1991年，美國道路工程師協(xié)會出臺了美國國家公路與運輸協(xié)會標準（AASHTO）《公路橋梁船撞設計指南》[4]。1995年，國際航海協(xié)會常務會議（PIANC）成立了相關的工作小組，該小組對世界各地的船撞橋事件進行了系統(tǒng)性的研究[5]。

在我國，船舶撞擊高等級航道橋梁的事故也屢見不鮮。南京長江大橋受到30余次船舶撞擊，武漢長江大橋累積受到多達70余次的船舶撞擊[6]。國內具有代表性的船撞橋事件是發(fā)生于2007年的廣東九江大橋“6·15”事件[2]，船舶碰撞橋梁并誘發(fā)近200米橋面的坍塌[7]。20世紀90年代，我國開始開展對船撞橋問題的研究[8]，結合具體的工程項目，對橋梁選址、橋梁跨度、通航凈空、船撞力、橋墩水域流場、橋梁防撞等進行了研究。

目前國內的橋梁防撞設施有多種，包括光電預警等主動防船撞設施，以及防撞護舷、消能防撞套箱、樁式防撞裝置等被動防船撞設施[2]。然而，橋梁主動防船撞領域還沒有統(tǒng)一標準，各橋梁采取的主動防船撞設施也不盡相同。

潤揚長江公路大橋[9]的主動防船撞系統(tǒng)是利用激光巡回測距系統(tǒng)對船舶進行照射及測距，從而發(fā)現通航水域內對橋梁安全構成威脅的目標船只。系統(tǒng)將發(fā)出預警信息，以便橋梁養(yǎng)護人員及時采取措施，對危險船只進行攔截，保證橋梁安全。由于激光測距系統(tǒng)可以保證晝夜全天時工作，從而形成對橋區(qū)通航水域內通行船只24小時連續(xù)不間斷的監(jiān)視，且測量精度高、定位準確、發(fā)現概率高，因此該系統(tǒng)可以有效避免危險船只對橋梁的撞擊事故。

蘇通長江大橋[10]的主動防船撞系統(tǒng)是基于自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）建立的無接觸防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動傳遞橋墩的位置給過往船舶，船舶通過雷達顯示器可以明確通航孔的位置。系統(tǒng)在船舶偏航時將及時發(fā)出警報，提醒采取措施避免碰撞。在能見度不高或夜晚航行的情況下，該系統(tǒng)可以協(xié)助船舶安全過橋。

東江鐵路大橋[11]采用激光結合AIS建立了主動超高報警系統(tǒng)。當系統(tǒng)前端激光檢測設備發(fā)現船舶高度超過預設標高時，便會立即發(fā)出報警指令。系統(tǒng)后臺會依據AIS及GIS給出的船舶信息，快速定位到超高船舶，并播放警示語音。此外，系統(tǒng)還配備有錄像設備，以便協(xié)助監(jiān)控人員看清現場情況并留存違章證據。

總體而言，目前國內諸多橋梁都基于激光、AIS等設備，對船舶撞擊橋梁進行主動預警及干預，但尚存在著系統(tǒng)不完善、手段單一、功能不全等缺陷。在此背景下，本文旨在采用多源信息融合的技術[12]，基于AIS、甚高頻（Very High Frequency，簡稱VHF）電臺模塊[13]、船舶身份識別與軌跡傳感器（Vessel Identification and Track Sensor，簡稱VITS）[14]等構建碰撞風險預警模塊。首先，船舶偏航預警系統(tǒng)通過聲、光、電等多種手段，對危險船舶進行識別、預警及干預，盡可能消除了船舶碰撞橋梁的安全隱患，保障了大橋的運營安全。其次，船舶碰撞報警系統(tǒng)可以24小時監(jiān)測船撞橋事故的發(fā)生并為后期的橋梁管理和維護提供了依據。最后，橋區(qū)信息播報系統(tǒng)可以及時通報水位、流速、施工、天氣等信息，為船舶的安全通航提供了保障。

2 船舶偏航預警系統(tǒng)

船舶偏航預警系統(tǒng)（見圖1）由現場服務器單元、海事VHF對講模塊以及聲光報警及LED顯示屏單元三部分組成[13]。

現場服務器單元（見圖2）是主動防船撞系統(tǒng)的核心單元，能將現場的數據信息傳輸到服務器供橋梁業(yè)主單位、海事管理部門和維護單位管理部門查詢。

其中，AIS控制模塊可以獲取橋區(qū)通航水域內船舶的靜態(tài)信息（例如名稱、呼號、載重、所運貨物等）以及動態(tài)信息（例如位置、速度、方向、改變航向率等）。通過將船舶位置與橋梁上下游虛擬航標燈內的虛擬航道進行比對，判斷船舶是否偏航（見圖3）[15]。VITS模塊可以對船舶操縱性能進行辨識，繼而預測船舶操縱后的運動過程，并按照目前的船舶運動狀態(tài)，計算出最優(yōu)避碰操縱方案。

一旦檢測出有船舶偏移航道，海事VHF對講模塊（見圖4）即可使用海事專用頻道向偏航船舶發(fā)布語音對講警告。

聲光報警及LED顯示屏單元（見圖5）由水位顯示與聲光報警單元控制器、LED顯示屏、高音電笛、高亮度頻閃燈等組成。為降低建造成本和日常維護成本，LED顯示屏可以選用固定字符的簡單形式，提示內容為“船舶偏航”，且具備閃爍警示的功能。

3 船舶碰撞報警系統(tǒng)

船舶碰撞報警系統(tǒng)（見圖6）主要由兩大模塊組成，船撞橋的數據采集系統(tǒng)以及數據分析系統(tǒng)。

數據采集系統(tǒng)又包括了三部分裝置，一是撞擊信號采集裝置，24小時不間斷采集大橋1號至N號橋墩的振動信號以及壓力信號。其中，振動信號采集裝置安裝在橋墩頂部，壓力信號采集裝置則分別安裝在防撞設備內部。一旦系統(tǒng)顯示橋墩振動信號及壓力信號出現異常，船舶碰撞報警系統(tǒng)將被啟動，提醒橋梁現場監(jiān)管人員確認是否發(fā)生撞橋。二是船只數據采集裝置，與主動防撞系統(tǒng)結合，記錄船只噸位及速度等信息。三是視頻監(jiān)控裝置，對橋梁附近通航水域的情況進行全天候24小時的視頻監(jiān)控。

數據分析系統(tǒng)基于橋墩頂部振動信號、防撞設備內部壓力信號和視頻監(jiān)控三方面的內容，綜合判斷是否發(fā)生船舶撞擊。判斷的指標不止信號幅值，也包括信號的相關性等，以減少誤判。管理人員在收到撞橋警報后，可以調出視頻監(jiān)控確認是否撞橋，如果確定撞橋，則依據振動信號和壓力信號、船只信息及相關視頻，分析撞擊程度及判斷撞擊影響，并將結果上報管理部門以便采取相應的響應措施。

4 橋區(qū)信息播報系統(tǒng)

橋區(qū)信息播報系統(tǒng)通過AIS系統(tǒng)自動向駛入橋區(qū)通航水域的船舶發(fā)布各種助航信息，如水位、流速、施工等。系統(tǒng)還可根據天氣信息，及時預警通航船舶。一旦橋區(qū)有臺風降臨，提前預警過往船舶;如果橋區(qū)風力超過8級，通知過往船舶小心行駛;若超過9級，通知船舶就近靠泊避風。除此之外，系統(tǒng)還將接收船舶的AIS信號并采集進入橋區(qū)所有船舶的信息，并會保存一定時間內船舶的通過時間、船舶信息、行駛速度等，管理人員可以根據需要通過云平臺查閱相關數據。

5 結論

本文對國內外船舶撞擊橋梁的事件進行了梳理，并對目前國內高等級航道橋梁的主動防船撞系統(tǒng)進行了調查。在此基礎上，構建了一種基于多數據源融合的主動防船撞系統(tǒng)。文章對系統(tǒng)裝置的構成、原理、關鍵技術、應用場景等進行了一定的基礎性研究工作。系統(tǒng)采用AIS、VHF、VITS等多種技術，并利用聲、光、電等多種手段，對船舶的行駛軌跡進行全程跟蹤及預判，對危險行駛船舶進行辨識、預警及干預，有效防范船舶碰撞高等級航道橋梁。本文搭建的主動防船撞系統(tǒng)，實現了對交通環(huán)境的智能感知和對危險物標的判斷，營造了數字化交通環(huán)境，推動了智能航道的發(fā)展，具有一定的技術前瞻性和廣泛的實用性。未來，將在江蘇省內多座高等級航道橋梁設置數據采集點，對橋區(qū)過往船舶進行跟蹤，結合智能算法進行進一步的研究。

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