橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警技術(shù)研究

李強(qiáng)明，王 彤

1.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210000

2.江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000

近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，目前我國公路橋梁數(shù)量已超過80萬座，大橋6萬多座，在建的長江大橋總量達(dá)到135座。隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，內(nèi)河航道水運(yùn)交通也變得十分繁忙，全國有通航橋梁5000座以上，近年來多個省市海事部門及交通運(yùn)輸部多次發(fā)文，未來幾年，橋梁防撞專項治理活動將促進(jìn)橋梁預(yù)警技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在橋梁建設(shè)過程中會侵占原有航道空間，橋梁通航凈高有限，在船舶駕駛員的人為影響因素與天氣水文因素的共同作用下，會增加船舶碰撞橋梁的風(fēng)險。現(xiàn)階段我國對施工中橋梁船舶防碰撞的預(yù)警設(shè)施并不完善，絕大部分施工中的橋梁沒有安裝防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，一旦發(fā)生事故會對社會造成重大影響，損失嚴(yán)重，給海事、交通路橋部門帶來繁重的管理工作[1]。

2012年國道105線中山沙口大橋舊橋中間跨主橋箱梁上游側(cè)面靠底部被船只撞擊，造成梁體損壞嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。2016年江西撫河采砂船撞上了正在施工中的東昌高速干港特大橋及項目施工便橋，致使項目施工受到影響。現(xiàn)有的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)多是基于激光雷達(dá)技術(shù)，由激光雷達(dá)、預(yù)警設(shè)備（生預(yù)警、光預(yù)警）、監(jiān)控平臺等幾部分組成[2]。通過激光雷達(dá)監(jiān)測進(jìn)入橋梁施工區(qū)域的船舶有無超高現(xiàn)象，利用水位傳感器獲取橋梁施工區(qū)域的水深信息，利用船舶自動識別系統(tǒng)獲取通行船只的名稱、尺寸、噸位、航速、位置、方向等信息[3]。通過水深數(shù)據(jù)和橋梁施工數(shù)據(jù)實時計算通航凈高，由監(jiān)控平臺根據(jù)實時采集的雷達(dá)信號判斷通航船只有無超高，經(jīng)船舶自動識別系統(tǒng)、預(yù)警設(shè)備及時對過往船只發(fā)布實時通航凈高信息以及船舶超高預(yù)警信息，但是該技術(shù)造價較高，維護(hù)復(fù)雜。在靠近居民生活區(qū)時，夜間會產(chǎn)生聲、光污染，擾亂生活秩序。

1 橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）適合性。數(shù)據(jù)安全為首要設(shè)計原則，體系結(jié)構(gòu)既滿足行業(yè)數(shù)據(jù)保密要求，同時又能滿足使用簡捷方便等功能性需求。

（2）穩(wěn)定性。系統(tǒng)保證全天候不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，操作界面設(shè)計，數(shù)據(jù)庫設(shè)計，模塊設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）經(jīng)濟(jì)性原則。在滿足系統(tǒng)功能的前提下，精簡系統(tǒng)設(shè)備，合理利用原有設(shè)備，盡可能以較低的投入取得較大的效益。

（4）人機(jī)界面友好原則。用戶能夠在較短的時間內(nèi)學(xué)會使用并掌握系統(tǒng)的全部功能，提高系統(tǒng)的實用性。

1.2 系統(tǒng)功能介紹

橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)可對橋梁施工區(qū)域過往船只進(jìn)行預(yù)警，可避免船只撞向橋梁施工區(qū)域而發(fā)生事故。該系統(tǒng)的核心為兩臺帶有夜視功能的高清攝像頭，安裝在圍堰或者橋梁特定位置和高度，利用監(jiān)控圖像AI識別技術(shù)對通航水域內(nèi)的高清視頻進(jìn)行掃描，對監(jiān)控水域的畫面信息進(jìn)行智能分析，在橋梁施工區(qū)域上下游1km范圍內(nèi)對構(gòu)成安全威脅的船只進(jìn)行識別（包括船只尺寸、位置、方向等），并將識別信息上傳中心服務(wù)器，由中心服務(wù)器自動控制甚高頻無線電廣播系統(tǒng)，通過海事船舶自動識別系統(tǒng)與過往船只進(jìn)行通信，播報語音預(yù)警，使船員提前知道前方存在施工區(qū)域，提高警惕，從而保證橋梁施工區(qū)域的交通安全。橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)示意圖

2 橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與原理

2.1 監(jiān)控圖像AI識別技術(shù)

監(jiān)控圖像AI識別技術(shù)是針對現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對其監(jiān)控畫面進(jìn)行智能識別，圖像識別的過程與人腦圖像識別的過程大致相同，主要包括以下步驟：

（1）圖像獲取，通過高清攝像探頭，將圖像信號轉(zhuǎn)換成電信號，即獲取被識別對象的基本信息，并將其轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的信息。

（2）信息預(yù)處理，主要是指利用去噪、變換和平滑等操作對圖像進(jìn)行處理，在此基礎(chǔ)上對圖像的重要特征進(jìn)行放大。

（3）特征提取，主要指模式識別中圖像特征的提取與選擇。針對船只圖像的特點(diǎn)，對圖像特征進(jìn)行識別，提取船只特征值。

（4）分類決策，基于識別船只規(guī)則進(jìn)行分類器的訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)上得到船只的主要類型特征，從而不斷提高圖像識別的準(zhǔn)確率，然后通過特征識別對圖像進(jìn)行評價和確認(rèn)。

2.2 甚高頻通信技術(shù)（VHF）

甚高頻通信系統(tǒng)由四部分組成，分別為發(fā)射機(jī)、收信機(jī)、控制盒、天線。發(fā)射機(jī)將音頻信號調(diào)制到載波后，經(jīng)天線發(fā)射后由收信機(jī)接收，信號經(jīng)過一系列的變成音頻信號，傳輸至船舶駕駛艙。收發(fā)信機(jī)通信基本模型如圖2所示。

圖2 收發(fā)信機(jī)通信基本模型

甚高頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)一般由音頻放大器、振蕩器、調(diào)制器、前置放大器、高頻功率放大器等組成。音頻放大器將音頻電信號進(jìn)行放大，由混頻器將放大后的音頻信號加在高頻載波信號上面生成高頻信號，然后經(jīng)過振蕩器與調(diào)制器形成甚高頻載波信號，通過前置放大器和功率放大器把調(diào)制后的高頻信號放大，經(jīng)天線發(fā)射到空中。

甚高頻通信系統(tǒng)的收信機(jī)由高頻放大電路、混頻放大器、振蕩器、中頻放大器、檢波器、音頻放大器和音頻輸出等組成。高頻放大電路可放大接收信號電磁波，混頻器是利用振蕩器將接收的高頻電磁波生成中頻信號，經(jīng)中頻放大器進(jìn)行放大，然后通過檢波器分離聲音信號，最后經(jīng)音頻放大器輸出音頻

2.3 預(yù)警控制研究

橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)接受監(jiān)控圖像AI識別信號后，激發(fā)VHF系統(tǒng)，發(fā)送預(yù)警音頻。在橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信號完畢后，發(fā)射機(jī)停止發(fā)射，等待船只接收信號。收發(fā)信機(jī)平時都處于接收狀態(tài)，當(dāng)駕駛?cè)藛T接收到預(yù)警信息后，謹(jǐn)慎操作船只，避免發(fā)送碰撞。如監(jiān)控圖像AI識別到船只進(jìn)入橋墩施工危險區(qū)域，若在白天，控制平臺自動啟動喇叭，提醒施工人員注意安全，緊急撤離；若在夜晚，控制平臺自動啟動燈光驅(qū)離船只。

3 工程應(yīng)用

橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警技術(shù)在盱眙縣淮河大橋改造工程等江蘇省多個橋梁建設(shè)工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。盱眙縣淮河大橋改造工程依次跨越淮河主航道、二淮河航道、扁擔(dān)河等河道及河灘。其圍堰基坑的深度是內(nèi)河航道全國第一深，圍堰內(nèi)水頭落差最大深度為22m，對工程建設(shè)期間的安全要求較高。該工程利用橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)，采用無線廣播的形式對過往船只進(jìn)行安全提醒，提醒內(nèi)容為“盱眙海事處提醒，前方淮河大橋施工，請注意避讓。”播放頻道為盱眙海事處專用通道69頻道。累計預(yù)警已達(dá)141373次。通過提醒過往船只，注意避讓施工區(qū)域，既保護(hù)了船只安全，也保證了施工作業(yè)的正常進(jìn)行。工程應(yīng)用案例如圖3所示。

圖3 工程應(yīng)用案例

4 結(jié)束語

文章針對通航水域在建橋梁工程的安全，利用監(jiān)控圖像AI識別技術(shù)、甚高頻通信技術(shù)（VHF）、船舶自動識別系統(tǒng)等，研究了橋梁施工區(qū)域通航安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在施工區(qū)域1km范圍內(nèi)，精準(zhǔn)識別過往船只，通過海事船舶自動識別系統(tǒng)與過往船只進(jìn)行通信，播報語音預(yù)警，使船員提前獲知前方存在施工區(qū)域，提高航行警惕，減少交通隱患，保障橋梁施工區(qū)域的安全。