通航橋梁防船撞智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃東明

(廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅速,內(nèi)河航運(yùn)交通變得十分繁忙。由于航道橋梁通航凈高有限,船舶駕駛員粗心大意、盲目自信,或由于天氣水文等因素的影響,經(jīng)常發(fā)生船舶碰撞橋梁事故。事故造成重大的社會影響與人員傷亡,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。為了應(yīng)對船舶撞橋事件,目前常采用的防護(hù)手段有:安裝助航設(shè)施、警示標(biāo)志、防撞墩、沙島、防撞套箱等[1]。這些防御方式無法主動提醒過往的船只,橋梁管養(yǎng)單位也無法掌握通行信息。因此,亟須提升橋梁防撞監(jiān)測手段,建設(shè)主動、智能、實(shí)時(shí)監(jiān)測的防船撞橋預(yù)警系統(tǒng),以更好地保護(hù)橋梁和保障船舶通行安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求

1.1 船舶超高監(jiān)測與預(yù)警

所謂船舶超高,就是船舶的高度超出了橋梁的實(shí)際凈高。在船舶實(shí)際行駛的過程中,受水位的影響,橋梁的實(shí)際凈高是變化的,在傳統(tǒng)依靠人工觀測為主的管理方式下,橋梁管理者以及船舶駕駛員都難以準(zhǔn)確把握兩者之間的尺寸關(guān)系,容易造成船舶與梁的碰撞,造成較為嚴(yán)重的后果。因此需要運(yùn)用智能化的技術(shù)手段,對船舶的高度進(jìn)行監(jiān)測,并對超高的異常情況進(jìn)行預(yù)警,保障橋梁和船舶的安全[2]。

1.2 船舶偏航監(jiān)測及預(yù)警

船撞橋事故的主要成因除了超高,還有偏航。偏航是人為因素或自然因素造成的船舶偏離正常航向以及允許通航區(qū)域的一種行為,運(yùn)用智能化手段,可對船舶航跡及所在航行區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測,并對偏離正常航向和航道區(qū)域的異常情況進(jìn)行預(yù)警,保障橋梁和船舶的安全。

1.3 橋區(qū)水位監(jiān)測

水位是影響船舶通行的關(guān)鍵因素,特別對于通航橋梁來說,橋下的實(shí)際凈高直接受水位的影響,因此需要對水位進(jìn)行監(jiān)測,作為船舶超高監(jiān)測的一個(gè)輔助參數(shù),提高超高監(jiān)測的精度。

1.4 安全警示與取證

前端監(jiān)測系統(tǒng)在識別異常狀況后,需要對異常船舶進(jìn)行警示。這不僅需要前端安裝聯(lián)動的警示裝置,而且監(jiān)控中心的管理人員在收到預(yù)警信息后,能夠?qū)⒕拘畔鬟_(dá)給橋梁附近的船舶,這就需要平臺側(cè)能夠滿足信息的下發(fā)功能,以充分發(fā)揮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的作用。另外,對于偏航的船舶,在監(jiān)測預(yù)警的同時(shí),還需要進(jìn)行拍照取證,以便后續(xù)進(jìn)行針對性的管理[3]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

(1)本系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)主動防撞,在這樣一個(gè)目標(biāo)下,需要做到前端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、平臺側(cè)的實(shí)時(shí)預(yù)警以及智能警示。通過信息化、智能化手段可以實(shí)現(xiàn)上述功能。整個(gè)信息化系統(tǒng)包括前端采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和后端管控系統(tǒng)。

(2)船舶偏航監(jiān)測核心是監(jiān)測船舶的運(yùn)行軌跡,通過與正確的運(yùn)行方向和允許通航的范圍進(jìn)行比對,以此判斷是否偏航。目前軌跡追蹤的主要手段是毫米波雷達(dá),因此本系統(tǒng)船舶偏航主要采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測。

(3)船舶超高監(jiān)測思路就是主動設(shè)定一個(gè)安全高度,判斷船舶是否高于這個(gè)安全高度,以此判斷是否超高,可用激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)。

(4)在進(jìn)行了船舶偏航或超高監(jiān)測之后,如有異常,可在平臺側(cè)進(jìn)行預(yù)警,軟件上出現(xiàn)預(yù)警信息,提醒監(jiān)控人員。同時(shí),為了保證警示的效果,采取聲光電相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)警示功能。其中聲光設(shè)備主要是近距離的警示,通過電磁波進(jìn)行無線信息發(fā)送可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的警示。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

橋梁防撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可分為三部分:前端子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、后端管理子系統(tǒng)(見圖1)。前端子系統(tǒng)由超高監(jiān)測單元、偏航監(jiān)測單元、水位監(jiān)測單元、無線告警單元、聲光警示單元五個(gè)部分組成;傳輸子系統(tǒng)通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前端系統(tǒng)與中心平臺互聯(lián)互通;后端管理子系統(tǒng)包括中心平臺、顯示大屏等設(shè)施。

3.1.2 系統(tǒng)組成

前端子系統(tǒng):前端感知系統(tǒng)由超高監(jiān)測單元、偏航監(jiān)測單元、水位監(jiān)測單元、無線告警單元、聲光警示單元五個(gè)部分組成構(gòu)成,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與取證,是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐部分。

傳輸子系統(tǒng):網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備組成,如光纖、光纖收發(fā)器、網(wǎng)線等組成,負(fù)責(zé)系統(tǒng)組網(wǎng),完成數(shù)據(jù)、視頻、圖片的傳輸與交換。

后端管理子系統(tǒng):后端管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯聚、處理、存儲、應(yīng)用、管理與共享,由中心服務(wù)器、應(yīng)用軟件和顯示大屏等設(shè)施組成。

3.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

橋梁防撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來源于超高監(jiān)測單元、偏航監(jiān)測單元、水位監(jiān)測單元、無線警示單元、監(jiān)測平臺。超高監(jiān)測單元包括異常預(yù)警、船舶距離等數(shù)據(jù)。偏航監(jiān)測單元包括兩方面的數(shù)據(jù):(1)偏航監(jiān)測的異常預(yù)警、船舶的相對距離、角度、運(yùn)動方向等數(shù)據(jù);(2)取證相機(jī)獲得的視頻和圖片等數(shù)據(jù)。水位監(jiān)測單元主要橋區(qū)水域水位數(shù)據(jù)。超高監(jiān)測單元和偏航監(jiān)測單元監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線接入光纖收發(fā)器的發(fā)送端,然后通過光纖接入光纖收發(fā)器的接收端,繼而通過網(wǎng)線接入智能終端。水位監(jiān)測單元通過RS485總線接入智能終端。當(dāng)智能終端收到超高或偏航單元的異常報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí),就發(fā)送信息號給聲光報(bào)警控制器,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對聲光設(shè)備的控制。智能終端與聲光報(bào)警控制器之間通過RS485總線連接,聲光報(bào)警控制器與音柱之間通過網(wǎng)線連接,與報(bào)警燈之間通過電纜連接。

另外,無線警示單元(基站)內(nèi)置VHF電臺、AIS接收、AIS發(fā)射、漁業(yè)電臺、信息集成處理模塊、4G通信模塊、交換機(jī)等子單元?；九c平臺的數(shù)據(jù)對接有有線和無線兩種選擇,有線方式是通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)走光纖與后端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接,無線方式是通過4G通信模塊直接與平臺軟件連接。信息集成處理模塊與VHF電臺或漁業(yè)電臺之間存在兩方面的連接:(1)控制性的連接,采用RS485總線;(2)4線音頻的連接,采用4芯線纜。軟件平臺上可自定義AIS、VHF或漁業(yè)電臺信息(文字形式),數(shù)據(jù)傳輸?shù)交緝?nèi)的信息集成處理模塊,再通過RS485總線傳輸給AIS發(fā)射子單元、VHF電臺或漁業(yè)電臺,進(jìn)而通過天線以電磁波的形式發(fā)射出去。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

橋梁防撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)解決方案涉及基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)、解析、應(yīng)用等多個(gè)層面,提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)等能力(見圖2)。

應(yīng)用服務(wù)層:綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)、物聯(lián)等基礎(chǔ)服務(wù),構(gòu)建多種業(yè)務(wù)向的智能應(yīng)用,包括水文氣象信息展示、船舶偏航或超高預(yù)警及處置、警示信息下發(fā),服務(wù)于用戶的各種業(yè)務(wù)需求。

平臺服務(wù)層:平臺基礎(chǔ)能力提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)、視頻基礎(chǔ)服務(wù)、通用服務(wù),并封裝為標(biāo)準(zhǔn)的API網(wǎng)關(guān),通過標(biāo)準(zhǔn)接口,為上層應(yīng)用提供靈活調(diào)用。數(shù)據(jù)分析服務(wù)實(shí)現(xiàn)船舶超高和偏航研判等能力。視頻基礎(chǔ)服務(wù)包括視頻預(yù)覽、云臺控制、錄像下載。通用服務(wù)提供校時(shí)、地圖、權(quán)限、日志等服務(wù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)層:主要匯聚感知數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、挖掘、分析、統(tǒng)計(jì),為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

基礎(chǔ)服務(wù)層:提供底層基礎(chǔ)服務(wù),包括計(jì)算設(shè)備、存儲設(shè)備、物聯(lián)設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施,為上層服務(wù)和應(yīng)用建設(shè)采集和儲備資源。

圖2 技術(shù)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 前端子系統(tǒng)

4.1.1超高監(jiān)測單元

針對船舶超高監(jiān)測,主要是在橋梁通航孔兩側(cè)的橋墩上的設(shè)定高度(限高高度)位置安裝點(diǎn)反射式的激光測距雷達(dá),激光平行于水面交叉射出,當(dāng)船只高于橋梁的限制高度,兩臺激光雷達(dá)至少有一臺會檢測到船只,進(jìn)而系統(tǒng)輸出報(bào)警信號。這種點(diǎn)反射式的激光雷達(dá),監(jiān)測距離能達(dá)到2 km,能夠較好保障預(yù)警效果。

4.1.2 偏航監(jiān)測單元

針對船舶偏航監(jiān)測,利用毫米波雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測。通過毫米波雷達(dá)劃定航道邊界,同時(shí)識別船舶航行的位置、角度,以此判斷船舶是否偏航。

4.1.3 水位監(jiān)測單元

水位監(jiān)測單元采用雷達(dá)液位計(jì),可以對橋區(qū)水域水位進(jìn)行非接觸式的連續(xù)測量,空間分辨率高、穿透能力強(qiáng),支持全天候環(huán)境下工作,不受雨、霧、大風(fēng)、灰塵、光照等影響。

4.1.4 無線告警單元

無線告警單元主要是一個(gè)基站,包括AIS接收發(fā)器、VHF天線、漁業(yè)電臺等,安裝在橋頭高位(最好選擇建筑物頂部)。AIS接收發(fā)器用于接收船舶發(fā)射的AIS信息,實(shí)現(xiàn)對船舶的識別和跟蹤,另外也可以從平臺端向船舶發(fā)送AIS短信,進(jìn)行告警。VHF天線和漁業(yè)電臺可用于對橋區(qū)水域所有船舶進(jìn)行語言喊話。AIS和VHF采用的是電磁波通信,可以覆蓋橋區(qū)水域較遠(yuǎn)的距離,是保障預(yù)警效果的關(guān)鍵設(shè)備。

4.1.5 聲光警示單元

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)超高或偏航監(jiān)測的同時(shí),還需對異常船舶進(jìn)行安全警示,安全警示核心是AIS和VHF無線通信。除此以外,還需安裝聲光警示設(shè)備,進(jìn)行近距離(500 m以內(nèi))告警。這樣遠(yuǎn)近結(jié)合,對異常船舶進(jìn)行不間斷的提示,提高了預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。聲光警示設(shè)備分別采用定向音柱和紅藍(lán)雙色報(bào)警燈,其中音柱布設(shè)方式類似激光雷達(dá),在通航孔兩側(cè)橋墩上平行水面交叉布設(shè)。聲光警示單元在高配方案皆采用,在低配方案中只采用報(bào)警燈。

4.1.6 總體設(shè)計(jì)

橋梁防撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括前端局域網(wǎng)絡(luò)、前端-后端端骨干網(wǎng)絡(luò)、后端局域網(wǎng)絡(luò)三個(gè)組成部分,總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備直接或經(jīng)次級設(shè)備連接到中央設(shè)備(平臺軟件)。本系統(tǒng)主要涉及前端局域網(wǎng)絡(luò)配置,其他的由傳輸工程配套解決。

前端局域網(wǎng)絡(luò):前端局域網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)獨(dú)立的部分。(1)以智能終端為中心的局域網(wǎng)絡(luò)。在該局域網(wǎng)絡(luò)中,超高監(jiān)測、偏航監(jiān)測設(shè)備經(jīng)光纖收發(fā)器連接到智能終端,聲光報(bào)警和水位監(jiān)測設(shè)備通過RS485總線與智能終端連接,智能終端再通過網(wǎng)線與前端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接。(2)基站中信息集成處理模塊為中心的局域網(wǎng)絡(luò)。在該局域網(wǎng)絡(luò)中,VHF電臺、AIS接收和發(fā)射模塊以及漁業(yè)電臺都通過RS485總線與信息集成處理模塊連接。信息集成處理模塊可通過網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接或通過RS232總線與4G通信模塊連接,具體是接交換機(jī)還是接4G通信模塊,根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場條件和用戶需求來選擇。

前端-后端骨干網(wǎng)絡(luò):對應(yīng)前端的兩個(gè)局域網(wǎng)設(shè)計(jì)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)。前端以智能終端為中心的局域網(wǎng)絡(luò)由前端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過光纖與后端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接。前端是以基站中信息集成處理模塊為中心的局域網(wǎng)絡(luò),與后端的連接可有兩種方式:(1)通過基站自帶的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)走光纖與后端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接;(2)通過4G通信模塊,走運(yùn)營商專網(wǎng)直接與平臺軟件連接。

后端局域網(wǎng):后端的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過網(wǎng)線連接到中心服務(wù)器,中心服務(wù)器再通過網(wǎng)線與安裝有平臺軟件的應(yīng)用服務(wù)器連接。

4.2 后端管理子系統(tǒng)

4.2.1 后端管理子系統(tǒng)組成

后端管理系統(tǒng)由監(jiān)控中心、顯示及控制設(shè)備、服務(wù)器、軟件平臺等部分組成(見圖3)。后端管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的匯聚,并對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行分析和應(yīng)用,完成橋梁預(yù)警信息展示和警示信息下發(fā)。高清大屏展現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

4.2.2 軟件平臺總體架構(gòu)

橋梁防撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件平臺以組件的形式嵌入公路網(wǎng)智能監(jiān)控平臺。公路網(wǎng)智能監(jiān)控平臺采用統(tǒng)一技術(shù)體系,由基礎(chǔ)服務(wù)組件、通用服務(wù)組件、共性業(yè)務(wù)組件和行業(yè)業(yè)務(wù)組件組成。

4.2.3 平臺功能說明

平臺功能如后頁表1所示。

5 系統(tǒng)亮點(diǎn)與價(jià)值

5.1 實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)超高及偏航監(jiān)測分別采用激光雷達(dá)和電磁波雷達(dá),不受白天黑夜的影響,能夠適應(yīng)高溫、低溫以及風(fēng)雪雨霧等各種天氣狀況,可實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警,實(shí)現(xiàn)全天不間斷工作。

表1 平臺功能列表

5.2 船舶異常警示

本系統(tǒng)采取音柱、報(bào)警燈、AIS信息、VHF語音四種方式相結(jié)合對異常船舶進(jìn)行警示。音柱和報(bào)警燈主要警示近距離(500 m內(nèi))船舶,AIS信息發(fā)送和VHF語音播報(bào)能夠在較遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)對船舶的警示。這樣遠(yuǎn)近結(jié)合的多重的警示系統(tǒng),能夠較好地起到警示的作用。

5.3 中心便捷管控

平臺端與前端智能終端采用光纖連接,能夠及時(shí)接收前端發(fā)來的預(yù)警信息,并實(shí)時(shí)展示。在高配方案中,平臺通過AIS和VHF進(jìn)行警示信息的推送,推送信息的內(nèi)容和方式可以在平臺系統(tǒng)進(jìn)行自定義,非常方便。另外可以在平臺端首頁等頁面快速查看系統(tǒng)的關(guān)鍵信息,為管控決策提供支撐。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于毫米波雷達(dá)、智能圖像識別的橋梁智能防碰撞預(yù)警系統(tǒng),解決了當(dāng)前橋梁防船撞不實(shí)時(shí)、無法提前預(yù)警等問題,系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步完善和擴(kuò)展。