橋梁防撞系統(tǒng)方案研究

唐廣花 朱顯紅

（1、廣東東軟學(xué)院，廣東 佛山528225 2、廣州中交宇科空間信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州510663）

1 概述

隨著我國公路、鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，修建了大量的跨江、跨海大橋。水運(yùn)目前是我國不可或缺且最為經(jīng)濟(jì)的物流運(yùn)輸方式，大量的貨運(yùn)、客運(yùn)船舶穿梭在我國的江河湖海，不可避免要從大橋底下通過。雖然橋梁在建設(shè)過程中對通航橋墩做了一定的防護(hù)措施，通航橋洞的設(shè)計也具備一定的偏航容錯能力，但是由于航道橋梁通航凈寬、凈高有限以及船舶駕駛員人為的因素，船舶撞橋事故還是時有發(fā)生，船撞橋事故不但威脅船舶通行的安全，且嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)營，還常常帶來巨大的人民生命和財產(chǎn)的損失，2007 年的廣東省九江大橋重大船舶撞橋事故造成橋面坍塌200 米，橋上4 輛汽車和2 名施工人員墜入江中，共造成8 人死亡，經(jīng)濟(jì)損失近5000 萬元，更帶來了極其嚴(yán)重的社會影響。因此橋梁防撞一直是一個亟待解決的問題。

多年來，橋梁的建設(shè)單位、管理單位及科研人員都在探索橋梁防撞的辦法，也取得了一定的成果，目前國內(nèi)橋梁防撞的方式總體來說有兩類：第一類是在橋墩周圍設(shè)置防撞防護(hù)設(shè)施，使船舶不能靠近橋墩，此類措施對于小型船舶能起到很好的防撞效果，卻很難防止重型船舶對橋墩的撞擊；[1]第二類是在橋梁上加裝激光雷達(dá)等感應(yīng)設(shè)備以及聲光預(yù)警設(shè)備，探測到船舶靠近橋梁且存在風(fēng)險時對其進(jìn)行聲光警示，提醒駕駛員及時采取措施，避免偏離航道而撞擊橋梁，這些方法起到了一定的效果。近年來，船撞橋事故在不斷減少，但還是時有發(fā)生，歸根結(jié)底，當(dāng)前的這些防撞手段太過于被動，預(yù)警的距離太短，臨近橋梁才能被感知，發(fā)現(xiàn)異常倉促預(yù)警，船舶的反應(yīng)時間不足，同時聲光預(yù)警對于疲勞駕駛的船舶駕駛員可能產(chǎn)生不了任何效果。

本系統(tǒng)通過多終端提前預(yù)警和多方聯(lián)動聯(lián)控，將駕駛員、船舶公司、橋梁管理單位、行業(yè)管理及執(zhí)法部門有機(jī)地聯(lián)合起來，多方協(xié)同防撞，可以更為有效地防止船撞橋事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 實現(xiàn)思路

系統(tǒng)的總體實現(xiàn)思路為依據(jù)精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括航道、橋梁等信息）和實時的船舶精確定位，實時分析船舶的偏航情況，發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患及時預(yù)警，通過網(wǎng)絡(luò)化多方聯(lián)合防控的手段最大可能地防止船舶撞橋事故的發(fā)生，實現(xiàn)思路如圖1。

2.1.1 建立全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建立航線、航道、沿線橋梁、船舶、船舶公司、橋梁管理單位、海事部門等精確的詳細(xì)數(shù)據(jù)，有了這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，才能精準(zhǔn)地分析船舶偏航及撞橋隱患，做到多方聯(lián)合防控，各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息如表1。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)思路示意圖

2.1.2 船舶精確定位

實時定位船舶的位置，確定船舶的方向、速度，以此作為判斷船舶偏航及撞橋隱患的依據(jù)，因此對船舶的精確定位非常重要，目前，一般的gps 定位精度為25 米左右，精度難以達(dá)到要求，通過在航道區(qū)域建立基站同通過載波相位差分gps 技術(shù)，可以對船舶進(jìn)行精確定位，載波相位差分技術(shù)又稱為RTK 技術(shù)（real time kinematic）[2]，建立在實時處理兩個基準(zhǔn)站的載波相位基礎(chǔ)上，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS 衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實時處理，通過差分計算處理能實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高精度定位結(jié)果。

目前，也有提供區(qū)域范圍內(nèi)精確定位的第三方服務(wù)，如千尋位置服務(wù)，能夠提供厘米級、甚至毫米級的三維位置服務(wù)，而且成本在逐年下降。

2.1.3 實時監(jiān)測、智能分析預(yù)警

提前預(yù)警：出發(fā)前根據(jù)船舶基本信息（高度、寬度）以及航線，自動分析能否通航，對存在限高限寬不滿足通航要求的橋梁進(jìn)行預(yù)警提示。

實時預(yù)警：實時根據(jù)船舶的精確定位信息和航道數(shù)據(jù)分析船舶的偏離航道行為，同時監(jiān)測前方2 公里內(nèi)的橋梁水域狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時預(yù)警。

2.1.4 多方聯(lián)動、聯(lián)合防撞

發(fā)現(xiàn)船舶偏離航道或者有撞橋等安全隱患后，首先發(fā)送預(yù)警信號到船舶的駕駛艙，通過導(dǎo)航顯示屏和語音提醒駕駛員，如果在規(guī)定時間內(nèi)駕駛員未做出處置或者回應(yīng)，系統(tǒng)自動發(fā)送預(yù)警信息到船舶公司，由船舶公司聯(lián)系駕駛員進(jìn)行處理。在規(guī)定時間內(nèi)仍未處置完成的，系統(tǒng)自動發(fā)送預(yù)警信息到前方橋梁的管理單位或者水運(yùn)執(zhí)法部門，由橋梁管理單位或者海事執(zhí)法部門組織攔截處置。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)關(guān)鍵元素表

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

各層說明如圖2。

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、聲光報警設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等基礎(chǔ)硬件設(shè)備及配套的軟件等。

2.2.2 支撐層

包括應(yīng)用開發(fā)平臺、中間件（應(yīng)用服務(wù)器、消息中間件、WEB服務(wù)器）以及位置服務(wù)、地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)交互服務(wù)等。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

通過建設(shè)應(yīng)用支撐平臺，實現(xiàn)界面集成、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成及流程集成。

2.2.3 業(yè)務(wù)實現(xiàn)層

系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)層，主要包括船舶精確定位、偏航撞橋分析、防撞預(yù)警、聯(lián)合防撞等業(yè)務(wù)模塊。

2.2.4 用戶層（終端接入層）

分為船載終端、移動應(yīng)用、PC 端等，用戶主要由船舶駕駛員、船舶公司、橋梁管理公司、海事管理部門組成。

2.3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)部署于云服務(wù)上，用戶端主要包括：船舶終端系統(tǒng)和橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)。（圖3）

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

船舶終端系統(tǒng)：安裝在船舶上，包括船舶導(dǎo)航系統(tǒng)、聲光設(shè)備、監(jiān)控視頻，為船舶駕駛員提供導(dǎo)航和預(yù)警。

橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)：運(yùn)行在pc 端和手機(jī)端，系統(tǒng)與船舶終端通過服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和交互，用戶包括船舶公司值班人員、橋梁管理單位值班人員和海事管理部門的值班人員及各單位相關(guān)負(fù)責(zé)人[3]。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要分為船舶終端系統(tǒng)和橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 船舶終端系統(tǒng)

舶終端系統(tǒng)主要實現(xiàn)船舶的實時導(dǎo)航、預(yù)警分析及預(yù)警響應(yīng)。由導(dǎo)航終端、定位設(shè)備、預(yù)警設(shè)備及視頻監(jiān)控等終端組成。

定位設(shè)備：基于差分技術(shù)或者第三方服務(wù)，實現(xiàn)船舶的實時精確定位。

預(yù)警設(shè)備：由喇叭和警燈組成，接受導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警指令，可以亮起警燈和響起警鈴。

視頻監(jiān)控：基于4G 網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控，pc 端和手機(jī)端可以實時調(diào)閱視頻信息，出現(xiàn)偏航或者撞橋隱患時，監(jiān)測人員可以通過手機(jī)或者pc 端查閱駕駛室情況。

導(dǎo)航系統(tǒng)：基于圖形化的窗口頁面，實時展示航道信息、船舶位置信息、前方橋梁信息。對船舶的偏航行為及撞橋隱患進(jìn)行實時分析，發(fā)現(xiàn)隱患及時啟動隱患預(yù)警及監(jiān)測流程，首先發(fā)送指令給船舶的預(yù)警終端，通過船舶聲光設(shè)備給船舶駕駛員發(fā)起警示，駕駛員調(diào)整船舶方向和速度，同時通過導(dǎo)航窗口的按鍵對預(yù)警進(jìn)行響應(yīng)，可以通過語音或者文字進(jìn)行情況說明。如果駕駛員在設(shè)定的時間內(nèi)未作出響應(yīng)，導(dǎo)航系統(tǒng)自動向服務(wù)器發(fā)送消息，啟動聯(lián)合防控預(yù)警流程。

導(dǎo)航系統(tǒng)的具體功能設(shè)計如下：

3.1.1 航線分析

根據(jù)船舶基本信息（高度、寬度），對比航線上所有橋梁的通航限高和限寬，對存在限高限寬不滿足通航要求的橋梁進(jìn)行預(yù)警提示，并提供符合通航要求的參考航線。

3.1.2 實時導(dǎo)航

基于GIS 技術(shù)，在地圖上實時顯示船舶的位置（用形象的圖標(biāo)模擬船舶）、方向、速度，以明顯的線條展示航道的邊線，根據(jù)船舶的動態(tài)位置實時刷新地圖，并預(yù)報前方2 公里內(nèi)橋梁情況。

3.1.3 偏航分析

系統(tǒng)根據(jù)船舶的定位點（如圖4C 點）和方向，在平面坐標(biāo)系中計算出船舶兩側(cè)和船頭船尾的6 個控制點（如圖4A1、A2、B1、B2、D1、D2）坐標(biāo)，當(dāng)任意控制點接近或者觸碰航道邊線時，系統(tǒng)發(fā)出偏航預(yù)警。

圖4 船舶位置控制點示意圖

3.1.4 預(yù)警與處置

系統(tǒng)根據(jù)橋梁信息、船舶信息以及偏航分析結(jié)果，綜合評估船舶的撞橋風(fēng)險，達(dá)到預(yù)警范圍時啟動預(yù)警，系統(tǒng)在導(dǎo)航界面彈出響應(yīng)對話框進(jìn)行提示并接收響應(yīng)，同時聯(lián)動聲光設(shè)備發(fā)出警報聲并亮起警示燈進(jìn)行警示。在船舶回歸正常航道或者駕駛員做出響應(yīng)（點擊導(dǎo)航上的預(yù)警處置按鈕）后關(guān)閉預(yù)警；當(dāng)船舶在規(guī)定時間內(nèi)沒有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進(jìn)行響應(yīng)時，系統(tǒng)自動啟動聯(lián)合防撞處置流程，向上一級發(fā)起預(yù)警。

3.2 橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)與船舶終端實時交換數(shù)據(jù)，主要實現(xiàn)船舶公司、橋梁業(yè)主單位、海事部門等單位對轄區(qū)內(nèi)水域通航安全狀況的實時監(jiān)測和管理，主要包括安全監(jiān)測系統(tǒng)和聯(lián)合預(yù)警處置系統(tǒng)。

3.2.1 橋梁水域安全監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)主要應(yīng)用在船舶公司、橋梁管理單位和海事部門的監(jiān)控中心，實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)橋梁水域的實時通航監(jiān)測，基于地圖以圖形化的界面直觀地展示各橋梁水域的船舶航行狀態(tài)，通過船舶的位置信息實時分析船舶的運(yùn)行態(tài)勢，快速識別船舶的偏航情況和撞橋風(fēng)險，以高亮、閃爍的顯眼方式展示問題船舶，系統(tǒng)自動聚焦問題船舶水域，自動跟隨問題船舶，通過點選問題船舶可以實現(xiàn)與船舶終端的實時通訊（語音通話、視頻監(jiān)控等）[4]。

3.2.2 聯(lián)合預(yù)警處置系統(tǒng)

通過導(dǎo)航系統(tǒng)分析存在撞橋風(fēng)險后，導(dǎo)航系統(tǒng)向船舶駕駛員發(fā)出預(yù)警，當(dāng)船舶在規(guī)定時間內(nèi)沒有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進(jìn)行響應(yīng)時，系統(tǒng)自動啟動聯(lián)合防撞處置流程，系統(tǒng)按照流程，先向船舶公司發(fā)出預(yù)警，預(yù)警信息自動發(fā)送到該公司監(jiān)測系統(tǒng)（手機(jī)與pc 端），同時發(fā)送手機(jī)短信到該船舶公司聯(lián)系電話上。船舶公司值班人員收到預(yù)警信息后，可以通過監(jiān)測系統(tǒng)連線船舶的監(jiān)控視頻查閱駕駛室情況，并能通過系統(tǒng)聯(lián)動駕駛室的聲光設(shè)備再次預(yù)警或者給當(dāng)班駕駛員打電話等方式進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急處置，處置后在系統(tǒng)中記錄處置情況；當(dāng)船舶公司未在規(guī)定時間內(nèi)通過手機(jī)或者pc 端響應(yīng)并報告處置情況，系統(tǒng)自動啟動下一級預(yù)警，將預(yù)警信息發(fā)送到橋梁管理單位，如果橋梁管理單位未能及時響應(yīng)，系統(tǒng)繼續(xù)啟動下一級預(yù)警，將預(yù)警信息發(fā)送至海事管理部門，由海事管理部門組織就近的水面執(zhí)法人員前往現(xiàn)場進(jìn)行攔截等應(yīng)急處置。

4 方案難點分析

本系統(tǒng)最大的難點在于實施，船舶公司和橋梁業(yè)主單位誰來主導(dǎo)，保護(hù)橋梁的設(shè)備需要安裝在船舶上，另外橋梁單位眾多，如何分?jǐn)傇O(shè)備費(fèi)用，誰該為設(shè)備買單是其中最大的問題。因此系統(tǒng)的推廣實施需要依靠管理部門（海事部門、運(yùn)輸審批部門）牽頭，并制定相關(guān)的管理辦法，對船舶的軟硬件及日常運(yùn)維進(jìn)行規(guī)范，對船舶公司、橋梁單位、海事部門值班監(jiān)測事務(wù)進(jìn)行規(guī)范等。

5 展望

系統(tǒng)的實施能更早地發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患，使橋梁防撞變得更加主動，防撞的反應(yīng)時間更長，并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機(jī)制，將大幅度降低船舶撞橋事故發(fā)生的概率，維護(hù)正常的交通運(yùn)輸秩序，保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全。

系統(tǒng)獲取了船舶的精確定位及其速度、方向，可以進(jìn)一步分析船舶的運(yùn)行軌跡，分析船舶之間的位置變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)船舶相撞和追尾的風(fēng)險，從而擴(kuò)展船舶的防撞、防追尾預(yù)警功能，進(jìn)一步提高水路交通安全。