主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)在航道橋梁通航凈高應(yīng)用的研究

余錦源 岳瑋 廣東省中山航道事務(wù)中心中山航標(biāo)與測(cè)繪所

1.引言

橋梁建設(shè)時(shí)期跨度較大，“十三五”以來(lái)，航道建設(shè)取得很大成效，省內(nèi)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(shì)也日益嚴(yán)峻。航道提升等級(jí)、通航船舶噸級(jí)與所建設(shè)橋梁可通航凈空高度不匹配，此外在洪水期風(fēng)浪大、水位高，橋區(qū)航道不僅流態(tài)變化顯著，而且通航凈空降低，通航環(huán)境復(fù)雜，船舶操作難度加大，也易導(dǎo)致船舶撞橋事故發(fā)生。

港航企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)增長(zhǎng)，對(duì)船舶配載，航線計(jì)劃提出了新的要求，由此船舶駕駛員對(duì)航道實(shí)時(shí)的、持續(xù)性的水位和橋梁通航凈高信息服務(wù)的需求越來(lái)越迫切。橋梁通航凈高作為船舶航行的重要限制因素對(duì)水運(yùn)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)有著重要的影響。廣東省尤其是珠三角地區(qū)，河網(wǎng)特點(diǎn)明顯。橋梁實(shí)時(shí)凈高信息的提供將為船公司或船東在制定航線、規(guī)劃路徑及船舶配載時(shí)提供基礎(chǔ)支撐，達(dá)到節(jié)約運(yùn)輸成本、提高貨運(yùn)收入的經(jīng)濟(jì)效益。尤其當(dāng)凈高監(jiān)控顯示及推送服務(wù)形成規(guī)?；⑾到y(tǒng)性成果，并結(jié)合航道水位信息，可以為水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障環(huán)境，最大程度發(fā)揮航運(yùn)潛能。

圖1 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖

本項(xiàng)目的建設(shè)有效利用現(xiàn)有通航凈高顯示裝置，結(jié)合最新激光檢測(cè)裝置、CC T V 高清攝像與整體橋區(qū)數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，利用云平臺(tái)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)并誘導(dǎo)超高船舶安全行駛路線，及時(shí)進(jìn)行警示和錄像。其核心技術(shù)為航道凈高檢測(cè)數(shù)據(jù)+AIS數(shù)據(jù)+視頻分析技術(shù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，輔助技術(shù)為激光+聲光顯示系統(tǒng)：航道凈高檢測(cè)設(shè)備獲取當(dāng)前橋梁的實(shí)時(shí)凈空高度數(shù)據(jù)，A IS獲取進(jìn)入橋區(qū)范圍2000米以上船舶的船高及吃水（滿載/空載）數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻智能分析，當(dāng)有船舶高度超過(guò)設(shè)定好的高度時(shí)，提前對(duì)船舶提醒并通知監(jiān)控中心，可以在碰撞危險(xiǎn)發(fā)生的早期階段對(duì)船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行消除。船舶收到提醒后若繼續(xù)行進(jìn)，激光檢測(cè)設(shè)備輔助對(duì)該船舶校核高度并立即發(fā)出指令通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聲光預(yù)警警示船長(zhǎng)船舶超高，船長(zhǎng)處理船舶超高部分后方可通過(guò)，如果超高船舶繼續(xù)前進(jìn)，監(jiān)控人員可以從視頻錄像里看清現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過(guò)對(duì)講功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)船只進(jìn)行喊話通知，同時(shí)平臺(tái)可以幫助管理部門進(jìn)行事后違章取證。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備示意圖

2.可行性分析

集智能橋梁區(qū)域預(yù)警多方聯(lián)動(dòng)應(yīng)用、激光、CCT V、AIS管理于一體的橋梁區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)在電子地圖查看當(dāng)前橋梁橋區(qū)航行船舶的呼號(hào)、高度、位置、航速、船首向、船舶類型等，加上橋梁上安裝的水位檢測(cè)設(shè)備獲取的凈空高度數(shù)據(jù)，橋區(qū)實(shí)時(shí)通航情況一目了然。配合橋梁前端的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，直接查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景。對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)的橋區(qū)船舶通航情況，系統(tǒng)提供了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可方便地獲取某一段時(shí)間內(nèi)超高、偏航情況、水文氣象情況、船舶流量等數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)管理工作提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。

2.1 技術(shù)可行性分析

系統(tǒng)采用的大數(shù)據(jù)融合算法分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、LED顯示技術(shù)、AIS船舶識(shí)別技術(shù)、VHF無(wú)線廣播技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、AI技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)日益成熟，設(shè)備選型采用先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，在技術(shù)上是可行的。

隨著水位檢測(cè)儀、激光、AIS、視頻AI監(jiān)控、視頻識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃畔⒓夹g(shù)的發(fā)展，除了傳統(tǒng)的水上巡航、流動(dòng)檢查等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)執(zhí)法模式，業(yè)內(nèi)正逐步在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，引入信息化設(shè)施預(yù)警功能。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

在多方的共同努力下，中山市航道事務(wù)中心已于2018年、2019年完成了包括東阜大橋、沙口大橋等10座橋梁的實(shí)時(shí)凈高顯示標(biāo)志的建設(shè)，原系統(tǒng)主要由航道前端的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、顯示設(shè)備和后臺(tái)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器組成。對(duì)于橋梁凈高顯示，航道前端的水位計(jì)采集水位數(shù)據(jù)，并通過(guò)通訊模塊換算為橋梁通航凈高數(shù)據(jù)，一方面通過(guò)LED顯示屏在航道外場(chǎng)進(jìn)行顯示，另一方面通過(guò)通訊模塊傳回后臺(tái)數(shù)據(jù)中心作監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析使用。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以需求為導(dǎo)向，整合最新的大數(shù)據(jù)云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，利用多設(shè)備融合式工作方向?yàn)槟繕?biāo)。項(xiàng)目的實(shí)施為有效降低船舶安全航行風(fēng)險(xiǎn)，提高航道部門服務(wù)社會(huì)的能力并保障大橋安全，同時(shí)，充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和信息資源，盡量避免重復(fù)開(kāi)發(fā)和建設(shè)，優(yōu)化利用資源，保障資金的合理使用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

（1）先進(jìn)性原則。設(shè)計(jì)的技術(shù)方案盡量采用目前較為先進(jìn)的技術(shù)、算法、軟件和硬件設(shè)備，生命周期。

（2）成熟性和實(shí)用性原則。緊密結(jié)合航道通航水域的特點(diǎn)和實(shí)際情況，最大限度地滿足現(xiàn)在和未來(lái)發(fā)展的需求，確保耐久使用，滿足水域監(jiān)控7＊24h不間斷持續(xù)運(yùn)行的需要。

（3）服務(wù)性和便利性原則。適應(yīng)多功能、外向型的需求，提供安全、方便的系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)功能強(qiáng)大、界面友好。軟件設(shè)計(jì)人性化，易于被用戶掌握和操作。

（4）有效性和可行性原則。整體系統(tǒng)的運(yùn)作必須具備可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)必須具備有效性、實(shí)施必須具備可行性。在系統(tǒng)架構(gòu)上采用集中管理技術(shù)和架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用諸多故障處理機(jī)制、容錯(cuò)機(jī)制、備份機(jī)制提高系統(tǒng)的可靠性。

（5）實(shí)時(shí)性原則。系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為發(fā)生問(wèn)題時(shí)作出正確的決策提供有效的判斷依據(jù)，工作及時(shí)有效推進(jìn)需要各個(gè)環(huán)節(jié)的信息實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確。

（6）開(kāi)放性和資源共享原則。系統(tǒng)建設(shè)滿足各相關(guān)單位、各應(yīng)用系統(tǒng)共享的需求，為資源數(shù)字化整合共享提供接口支持。在系統(tǒng)對(duì)接方面，考慮發(fā)展的需要，使系統(tǒng)設(shè)備具有互聯(lián)性與互操作性。

（7）平滑過(guò)渡原則。項(xiàng)目建設(shè)期間，保障現(xiàn)有系統(tǒng)、設(shè)備的正常運(yùn)行和平穩(wěn)過(guò)渡。

圖3 凈高檢測(cè)與激光聯(lián)動(dòng)示意圖

圖4 系統(tǒng)工作示意圖

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

依附現(xiàn)有航道通航凈高檢測(cè)設(shè)備，更新雷達(dá)水位檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前橋區(qū)水位數(shù)據(jù)和凈空數(shù)據(jù)；AIS船舶自動(dòng)識(shí)別單元，獲取進(jìn)入橋區(qū)船舶的呼號(hào)、高度、位置、航速、船首向、船舶類型信息；大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)算法解讀比對(duì)后對(duì)超高船舶進(jìn)行提醒并通知監(jiān)控中心留意超高船舶。船舶繼續(xù)行進(jìn)，激光檢測(cè)并匹配AI視頻智能分析該船舶超高后聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聲光警示船舶停止航行，同步通知業(yè)主、航道、海事等部門對(duì)超高船舶聯(lián)動(dòng)執(zhí)法。

3.3 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)構(gòu)成的核心設(shè)備主要包含：雷達(dá)水位檢測(cè)儀、AIS船舶自動(dòng)識(shí)別單元、VHF遠(yuǎn)程喊話單元、高清黑光攝像機(jī)、視頻數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)計(jì)算分析、控制管理系統(tǒng)、警示輔助聲光設(shè)備等。

（1）雷達(dá)水位檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)獲取水位漲、降幅信息橋梁凈空高度變化狀態(tài)以及供電狀態(tài)，在系統(tǒng)中顯示通航凈高數(shù)據(jù)，同時(shí)能針對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)提醒；

（2）AIS船舶自動(dòng)識(shí)別單元全天候?qū)蛄簠^(qū)域運(yùn)動(dòng)船舶目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，標(biāo)繪運(yùn)動(dòng)軌跡，判定其威脅程度，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和識(shí)別。

（3）高清黑光攝像機(jī)24小時(shí)不間斷錄像，對(duì)橋梁周邊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)管，同步AI視頻智能分析區(qū)域船舶情況并把錄像保存在本地及后臺(tái)服務(wù)器端；

（4）大數(shù)據(jù)計(jì)算分析，對(duì)當(dāng)前橋梁凈空數(shù)據(jù)及AIS獲取船舶高度數(shù)據(jù)進(jìn)行算法解讀比對(duì)，并實(shí)時(shí)上報(bào)后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)場(chǎng)智能化監(jiān)管；通過(guò)云平臺(tái)存儲(chǔ)各類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并保障各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全，云服務(wù)器具有足夠大的存儲(chǔ)容量來(lái)保障未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

（5）建立中山航道事務(wù)中心轄區(qū)所有已安裝凈高顯示設(shè)備的橋梁凈高顯示管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中山航道事務(wù)中心對(duì)轄區(qū)航道所有凈高顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)（含視頻數(shù)據(jù)）的統(tǒng)一系統(tǒng)管理，滿足中山航道事務(wù)中心綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)兼容和對(duì)接。

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)超高船舶碰撞橋梁?jiǎn)栴}進(jìn)行分析，按照實(shí)際需求構(gòu)建了一整套機(jī)制靈活、安全可靠的基于通航凈高、A IS與智能視頻分析技術(shù)的超高船舶分析系統(tǒng)，文中給出了系統(tǒng)的具體解決方案，充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源，結(jié)合目前最新設(shè)備及先進(jìn)技術(shù)對(duì)航道進(jìn)行管理、對(duì)船舶進(jìn)行提醒，有效進(jìn)行資源整合，提出為超高船舶導(dǎo)致的碰撞橋梁?jiǎn)栴}并提供了解決途徑，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。