汕頭礐石大橋防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

劉 淵

(汕頭市礐石大橋有限公司，廣東 汕頭 515000)

0 引言

汕頭礐石大橋南接廣汕公路濠江區(qū)路段，北跨汕頭港至老城區(qū)西堤路，與海灣大橋相距9km。礐石大橋的建成，方便了汕頭中西部的過海交通，大大提高了汕頭市區(qū)出口道路的通過能力，與海灣大橋共同形成汕頭港東西兩翼聯(lián)結(jié)粵東和珠三角的主要通道。該橋的地理位置如圖1所示。

圖1 礐石大橋地理位置

大橋全長2 391m，主橋為906m連續(xù)混合加勁梁斜拉橋，跨度布置為2×47m(PC箱梁)+100m+518m+100m(鋼箱梁)+2×47m(PC箱梁)，在距主塔98.5m處為鋼箱梁與PC梁的混合接頭，該連接構(gòu)造在我國大型橋梁中首次采用。大橋橋型布置如圖2所示。

圖2 礐石大橋橋型布置(單位：m)

1 現(xiàn)狀與需求分析

1.1 現(xiàn)狀

“十三五”以來，廣東航道建設(shè)取得較大成效，航道通行能力大幅提高，船舶流量增多，通航環(huán)境變得更加復(fù)雜，水上安全形勢也日益嚴(yán)峻。據(jù)2012年至2018年不完全統(tǒng)計，廣東省發(fā)生的較大的船舶撞橋事故27起，其中碰撞橋面事故14起，占撞橋事故的1/2左右[1]。

汕頭礐石大橋尚未安裝有效的通航安全監(jiān)控設(shè)施以及防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。橋該通航安全方面的主要問題有：

(1)橋梁整體信息化程度不高；

(2)橋梁對過往船只獲取信息情況不足；

(3)橋梁管理人員對橋梁水域情況不明確；

(4)未建設(shè)過往船只對礐石大橋周邊水域發(fā)布情況。

1.2 需求

汕頭港的港區(qū)布局跨度大、范圍廣，各港區(qū)根據(jù)碼頭的建設(shè)規(guī)模，對應(yīng)建設(shè)了適合自身港區(qū)碼頭的進港航道。

本工程位于汕頭港主航道的內(nèi)航道航段。該航道段目前是5 000t級乘潮通航航道，航道底標(biāo)高-8.0m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?，底寬120m。據(jù)《汕頭市港口管理局關(guān)于提供汕頭港主航道相關(guān)資料的函》，汕頭港內(nèi)航道遠期規(guī)劃為3萬t級乘潮通航航道，航道底標(biāo)高-11.0m，底寬150m。有關(guān)的船舶進出港統(tǒng)計資料表明，最近三年，進出港區(qū)水域的船舶交通量平均約210艘次/d,若加上過境的船舶、漁船等，本水域的交通量還會大些。

在以上分析的基礎(chǔ)上，對礐石大橋進行橋梁防撞系統(tǒng)建設(shè)，向航行的來往船舶提供橋梁通航信息服務(wù)，以降低船舶安全航行風(fēng)險，提高航道部門服務(wù)社會的能力，從而最大程度避免船舶撞擊橋梁事故的發(fā)生，切實有效地保障橋梁、船舶等自身安全和廣大群眾的生命財產(chǎn)安全。

2 防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)橋區(qū)水域的管理需求和船舶動態(tài)情況，結(jié)合“橋梁防碰撞智能預(yù)警系統(tǒng)”，可利用云平臺數(shù)據(jù)存儲或本地數(shù)據(jù)存儲技術(shù)對橋梁進行監(jiān)測預(yù)警，圖3為預(yù)警系統(tǒng)拓撲圖。

圖3 防撞預(yù)警系統(tǒng)拓撲圖

汕頭礐石大橋防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由前端服務(wù)單元、熱成像儀、視頻監(jiān)控單元以及軟件功能組成。

2.1 前端服務(wù)單元

前端服務(wù)單元一般安裝在橋梁現(xiàn)場，由工業(yè)控制計算機、終端軟件、控制模塊、AIS控制模塊、水位傳感器、網(wǎng)絡(luò)交換機、硬盤錄像機等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)軟件通過AIS接收到的船舶編號、位置、速度等信息參數(shù)，通過水位傳感器獲取當(dāng)前水文參數(shù)，通過其它單元傳回來的各種條件參數(shù)，協(xié)調(diào)各單元相互運作，發(fā)出各項相應(yīng)指令。前端服務(wù)單元是該橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)的核心單元，能把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，供業(yè)主單位或海事部門查詢控制，可以選配各種功能模塊實現(xiàn)需要的功能，如圖4所示。

圖4 前端服務(wù)單元功能模塊

2.2 熱成像儀

該系統(tǒng)中的熱成像儀主要指用于超高監(jiān)測的熱成像雙光譜中載云臺攝像機和用于偏航監(jiān)測的熱成像雙光譜網(wǎng)絡(luò)智能球型攝像機，用于監(jiān)測通航船舶的超高和偏航信息。

2.3 視頻監(jiān)控單元

視頻監(jiān)控模塊由1臺硬盤錄像機、4個高速球型攝像機組成。攝像機分別指向上、下游航道的中央?yún)^(qū)域，主航道通行及非航道區(qū)域，24h監(jiān)控航道的通航情況，拍攝方向可以任意控制。所有攝像頭通過室外防水網(wǎng)線將內(nèi)容傳到硬盤錄像機，硬盤錄像機配備的硬盤可以保存一個月的視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可隨時播放。管理人員在上位機的電腦屏幕可通過鍵盤切換，觀看任意一路現(xiàn)場圖像信號，也可以控制云臺及調(diào)焦，細致觀看航道的通航情況。

2.4 軟件功能

(1)服務(wù)器軟件負責(zé)各種算法運行及數(shù)據(jù)的分析保存，用戶查看的關(guān)系權(quán)限等處理，及對前端服務(wù)單元的數(shù)據(jù)交換。

(2)前端服務(wù)單元軟件程序負責(zé)各傳感器的協(xié)議解析，數(shù)據(jù)加密，服務(wù)器數(shù)據(jù)加密傳輸，數(shù)據(jù)上報，接收指令控制前端設(shè)備，對現(xiàn)場AIS數(shù)據(jù)進行解碼，調(diào)解出來的AIS數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器運算保存。

3 防撞預(yù)警系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

3.1 通航凈高測量

通過安裝在橋梁下的水位計監(jiān)測到水位值，結(jié)合橋梁的技術(shù)參數(shù)換算得到橋梁的凈高值，并通過有線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻舾唢@示牌，顯示實時凈高信息。

橋梁水位計算公式[2]：

w=w′-(L-D)

(1)

式中：w′表示橋墩上的已知高度參考點高程值；L表示參考點到水位探頭的距離；D表示水位計到水面的距離。

實時凈高計算公式[2]：

h=H+W-w

(2)

其中：H表示設(shè)計凈高；W表示橋梁的設(shè)計最高通航水位值。

圖5 橋梁凈高系統(tǒng)拓撲圖

3.2 超高監(jiān)測預(yù)警

在航道兩邊緣分別選擇一個橋墩安裝熱成像儀(受環(huán)境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對準(zhǔn)上、下游雙向航道照射，兩部熱成像分別同時檢測兩個通航道，對過往船舶進行超高檢測，實現(xiàn)航道超高預(yù)警功能。

3.3 船舶偏離航道預(yù)警

在電子海圖上，標(biāo)注船舶的航道信息。根據(jù)AIS子系統(tǒng)實時跟蹤船舶的位置信息，如發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生越界通航，系統(tǒng)向船舶發(fā)出報警信號，并錄像取證。

在航道兩邊緣分別選擇一個橋墩安裝熱成像儀(受環(huán)境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對準(zhǔn)上、下游雙向航道照射。上、下游航道中橋墩設(shè)置4個熱成像儀以及LED聲光預(yù)警顯示屏，兩部分熱成像儀同時檢測兩個航道，實現(xiàn)航道偏航全覆蓋。同時系統(tǒng)設(shè)置電子圍欄及虛擬航標(biāo)，通過熱成像偏航設(shè)備監(jiān)測航道與非航道之間的情況。

與傳統(tǒng)的橋梁區(qū)域搭建“紅外線圖像識別”探測船舶是否越界通航相比，該方案更具有靈活性。當(dāng)航道發(fā)生變化時，無需移動紅外線攝像頭的位置信息，只需要在電子海圖上重新標(biāo)注航道位置信息即可。

3.4 橋區(qū)超速航行報警

通過AIS基站接收船舶的AIS信號，可得到橋區(qū)所有船舶的速度數(shù)據(jù)，一旦超過系統(tǒng)設(shè)定的安全速度，系統(tǒng)將自動向船舶發(fā)出告警信號。每座橋梁可設(shè)置不同的安全速度。

3.5 船舶關(guān)閉AIS報警

通過CCTV系統(tǒng)，當(dāng)檢測到該水域有船舶進入，而系統(tǒng)在該區(qū)域沒有接收到AIS目標(biāo)時，認(rèn)為進入該水域的船舶違規(guī)關(guān)閉AIS航行或未安裝AIS系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過VHF或聲光報警向船舶發(fā)出告警信號。

3.6 信息發(fā)布

(1)在橋區(qū)醒目位置建設(shè)LED大屏顯示系統(tǒng)，實時顯示各種通航信息及報警信息。系統(tǒng)檢測到有船舶進入橋區(qū)，自動控制橋梁的輪廓照明閃亮，警示過往船舶注意安全，并以定向的聲光報警方式進行警示。

(2)系統(tǒng)為靠近橋梁的船舶提供輔助航行指引，自動向駛?cè)霕騾^(qū)水域的船舶通過VHF海事頻道發(fā)布語音提醒，如水位、流速、風(fēng)速、能見度及橋梁凈高等；發(fā)布各種海事管制信息，如橋梁施工、封航信息等。

圖6 設(shè)備安裝

3.7 數(shù)據(jù)查詢、回放及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能

系統(tǒng)保存每次報警的時間、錄像數(shù)據(jù)和過往船舶的數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要，隨時對歷史數(shù)據(jù)進行查閱、統(tǒng)計、打印。并可對特定時間段橋區(qū)水域的通航情況，在電子海圖上進行歷史回放。

3.8 虛擬航標(biāo)

將橋梁的墩臺及危險地點在電子海圖上標(biāo)繪，通過AIS基站向附近船舶發(fā)布虛擬航標(biāo)信息。經(jīng)過的船舶靠近虛擬航標(biāo)點時船載AIS裝置會自動發(fā)出告警信息，以提醒船舶駕駛員注意安全航行。

4 結(jié)語

礐石大橋主動防撞系統(tǒng)充分利用海事部門已建的VTS、AIS、VHF、CCTV等系統(tǒng)的信息資源，實現(xiàn)了設(shè)備間的優(yōu)勢互補和整體協(xié)調(diào)聯(lián)動。通過圖

像、語音、短信消息等多種信息傳遞手段，提示船舶駕駛?cè)藛T，克服了人為因素造成船撞橋的風(fēng)險。在岸基系統(tǒng)中雷達的運用加強了系統(tǒng)監(jiān)控力度，提高了系統(tǒng)的智能化和自動化程度，確保在礐石大橋重要水域內(nèi)對管理對象的連續(xù)監(jiān)控，實現(xiàn)船舶動態(tài)監(jiān)管一體化。