基于AIS的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用探究

馮澤玲

（廣深珠高速公路有限公司，廣東 東莞 523925）

由于水路同樣存在“交通環(huán)境”，大型船舶受到每日潮汐的影響，橋梁樁基并不明顯，如果船舶駕駛員又缺乏經(jīng)驗(yàn)，易導(dǎo)致船舶與橋梁樁基相碰撞的事故增加[1-2]。隨著水路運(yùn)輸與道路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，橋梁與船舶均無(wú)法被替代，因此，二者相撞的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[3]。基于此，本文在AIS視角下設(shè)計(jì)防止橋梁與船舶碰撞的預(yù)警系統(tǒng)。

一、硬件設(shè)計(jì)

（一）AIS數(shù)據(jù)處理芯片

本文利用AIS設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理芯片，融合了AIS自動(dòng)識(shí)別的功能之后，AIS數(shù)據(jù)處理芯片的數(shù)據(jù)處理效果更佳。考慮到橋梁實(shí)際情況，數(shù)據(jù)處理芯片設(shè)有采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的物理層、快速發(fā)送數(shù)據(jù)的鏈路層，以及高效處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層。

（二）TP1608P無(wú)線數(shù)據(jù)采集器

設(shè)計(jì)的TP1608P無(wú)線數(shù)據(jù)采集器尺寸為117.6mm×78.5mm，采集精準(zhǔn)度為0.02%。采集過(guò)程采用24bit高精度AD采樣模塊，精度可達(dá)到萬(wàn)分之五。通道類型支持熱電阻、熱電偶等信號(hào)任意切換。采集器的主要通訊方式為4G、Wi-Fi、RS485等。

二、軟件設(shè)計(jì)

（一）構(gòu)建防撞預(yù)警功能架構(gòu)

將防撞預(yù)警系統(tǒng)的功能架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、預(yù)警、顯示等方面，架構(gòu)的總體框架見(jiàn)圖1。

圖1 功能架構(gòu)總體結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)首先利用TP1608P采集數(shù)據(jù)并上傳系統(tǒng)，然后通過(guò)AIS芯片處理防撞預(yù)警數(shù)據(jù)，分別轉(zhuǎn)化將數(shù)字NRZI編碼與GMSK信號(hào)進(jìn)行正轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)更加適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。將采集到的數(shù)據(jù)與處理后的數(shù)據(jù)，均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)。最終，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類數(shù)據(jù)在終端顯示，使管理員牢牢把控橋梁與船舶之間的距離，防止二者碰撞。

（二）設(shè)計(jì)預(yù)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

將采集器采集與處理芯片處理的橋梁、船舶、其他物質(zhì)、波動(dòng)信號(hào)等相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，為預(yù)警系統(tǒng)提供更加真實(shí)的數(shù)據(jù)保障，如表1所示。點(diǎn)擊船舶數(shù)據(jù)與其他物質(zhì)數(shù)據(jù)后，分別得出了船舶運(yùn)行位置、與橋梁的距離、船舶平面編碼、其他障礙物與橋梁、船舶之間的距離等數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，減少了數(shù)據(jù)查找時(shí)間，能有效縮短預(yù)警時(shí)間。

表1 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

（三）實(shí)現(xiàn)橋梁防撞的快速預(yù)警

橋梁預(yù)警系統(tǒng)中不僅存儲(chǔ)了信號(hào)、編碼類數(shù)據(jù)，還存儲(chǔ)了圖像數(shù)據(jù)，用于分析橋梁與船舶之間的實(shí)際情況。而圖像數(shù)據(jù)中受到日光、風(fēng)力等影響，使圖像數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差。因此，本文將圖像數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)小塊，對(duì)其運(yùn)行矢量進(jìn)行分析，公式如下：

式（1-2）中，M(m,n)為m、n兩個(gè)圖像運(yùn)動(dòng)維數(shù)；A、B分別為圖像數(shù)據(jù)的矢量參數(shù)；a、b分別為A、B的對(duì)應(yīng)搜索參數(shù)；f(a,b)為a、b的灰度系數(shù)；f(a+m,b+n)為m、n的平面編碼值；g(m,n)為圖像處理幀數(shù)；a(m,n)為圖像匹配度；am+1(m,n)為圖像搜索范圍。圖像經(jīng)過(guò)處理之后，圖像像素幀出現(xiàn)了亮度恒定性約束，公式如下：

式（3）中，Y(m,n)為圖像亮度恒定性約束；Y為約束指數(shù)；△m、△n分別為m、n兩個(gè)圖像的絕對(duì)差值。經(jīng)過(guò)圖像處理之后，橋梁防撞的相關(guān)數(shù)據(jù)更加完整，預(yù)警效果得到了相應(yīng)提升。

三、系統(tǒng)測(cè)試

（一）測(cè)試過(guò)程

首先調(diào)試硬件部分，將AIS數(shù)據(jù)處理芯片與TP1608P無(wú)線數(shù)據(jù)采集器按照常規(guī)程序安裝完畢之后，AIS數(shù)據(jù)處理芯片綠色指示燈亮起，且無(wú)紅色指示燈亮起，芯片可以正常運(yùn)行。同時(shí)，在TP1608P無(wú)線數(shù)據(jù)采集器的各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)，放置電壓表，最高電壓未超過(guò)3.8V，電壓正常，采集器可以正常運(yùn)行。其次，調(diào)試軟件部分，軟件調(diào)試參數(shù)，如表2所示。軟件調(diào)試完后，進(jìn)入主系統(tǒng)登錄界面。

表2 軟件調(diào)試參數(shù)

在系統(tǒng)登錄界面，輸入正確的用戶名與密碼之后，成功登錄了系統(tǒng)內(nèi)部。最后，依次點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，均能得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。由此證明系統(tǒng)運(yùn)行良好。

（二）測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，隨機(jī)選取了黃沙瀝大橋、斗門(mén)大橋、西江九江大橋等橋梁，分別使用傳統(tǒng)橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)和該系統(tǒng)，將二者瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，具體測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間測(cè)試結(jié)果

如表3所示，在相同測(cè)試條件下，預(yù)警系統(tǒng)的最大瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間為3.5s，超出此時(shí)間，預(yù)警效果將會(huì)下降。傳統(tǒng)橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間較長(zhǎng)，在西江九江大橋上應(yīng)用時(shí)，瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間為5.3s，超出最大瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間；三洪奇大橋的瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間為4.3s，同樣超出了最大瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間。因此，使用傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)，在橋梁防撞方面，仍存在較多不確定因素，影響橋梁安全。而本文設(shè)計(jì)的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間較短，均在1s以內(nèi)，最長(zhǎng)的瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間在西江九江大橋中出現(xiàn)，預(yù)警時(shí)間為0.8s，仍低于最大瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間；最短的瞬時(shí)預(yù)警時(shí)間在黃沙瀝大橋中出現(xiàn)，預(yù)警時(shí)間為0.1s。因此，該預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警效果更佳。

四、結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于AIS的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)。利用采集器采集到橋梁與船舶的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與處理，使相關(guān)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。再根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)，將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，縮短數(shù)據(jù)查詢時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速預(yù)警。通過(guò)以上研究，旨在提高數(shù)據(jù)分析能力，提高預(yù)警效果，最大限度地保證橋梁與船舶的安全性。