特大橋防船撞主動預警系統的應用

鐘仕興

（廣東飛達交通工程有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

船舶撞橋事故常造成嚴重的社會安全問題和巨大的經濟損失，主要原因大致歸納為以下三類：一是超高、偏航船舶造成橋梁的損壞及意外事故；二是惡劣的自然環境；三是人為操作失誤或機械故障，如主機熄火、舵機失靈、船隊斷纜等。其中，第三類事故的原因存在偶發性、不確定性，可以結合偏航和超高監測進行主動預警。

1 特大橋防船撞主動預警系統分析

1.1 需求分析

一是完成過往船舶的航道監測，對偏航（駛入禁航區）的船舶予以警告、提示并適時引導船舶駛入通航區；二是完成過往船舶的高度監測，對超高船舶予以警告，采取降高措施前禁止通行；三是全天時、全天候監測預警，特別是濃霧、大雨、暴雨、暴雪等極端天氣情況；四是對違法船舶的非法行為進行取證。

1.2 橋區船撞橋風險分析

船撞橋主要是指船舶撞擊橋墩或主梁，撞擊橋墩主要是船舶偏航、逆行導致，撞擊主梁則主要是船舶超高導致。當人為、船舶、自然等因素導致船舶偏航、逆行時，可能造成船舶撞擊橋墩事件的發生。船舶撞擊主梁主要是超高導致。隨著航運需求日益增長，內河貨運船舶大型化發展明顯，可能存在超高船舶撞擊主梁的風險。特大橋通常靠近大江及入海口交匯處，船舶很容易誤入特大橋所在的水域，發生船撞事故。

1.3 預警系統的功能應用

結合船撞風險分析，特大橋存在船舶偏航、逆行、超高等導致船撞橋事件的風險，為及時掌握特大橋的通航情況和運營狀態，對通航船舶的異常現象及時發現并報警，提高對突發事件的快速處置反應能力，并為今后調查取證與分析提供有力證據。

1.3.1 船舶航跡監測，船撞橋事件發生的主要原因是船舶偏航、逆行撞擊橋墩。在橋墩附近設置安全區域，當船舶進入該區域時進行預警，則能有效提醒船舶駕駛員，降低船撞橋事件發生的概率。因此，特大橋防船撞主動預警系統最主要、最基礎的功能是船舶航跡監測。

1.3.2 船舶超高監測，船撞橋事件發生的另一個主要原因是船舶超高撞擊主梁。隨著航運需求日益加大，內河貨運船舶大型化發展明顯，可能存在超高船舶撞擊主梁的風險，需對其超高情況進行監測，降低船撞橋事件發生的概率。

1.3.3 視頻監測，可實現橋梁現場的遠程可視化，及時發現橋區的異常現象。當出現異常事件時，利用攝像機對船舶進行錄像抓拍，可為后續調查取證、分析提供證據。

1.3.4 船撞監測，當船舶由于各種因素不可避免地撞擊橋墩時，需對撞橋事件進行報警，并獲得橋墩相應的動靜力響應，為橋梁結構整體和局部的評估提供依據。

1.3.5 助航信息發布，當船舶駕駛員不了解橋區現狀時，可能發生船撞橋事件。例如，珠海大橋就曾出現由于大霧天氣，能見度低，駕駛員對航道不熟悉導致剮擦事件。為使船舶駕駛員了解橋區現狀，對其發布橋區信息，使船舶駕駛員知曉橋區附近現狀，輔助其順利航行。綜合考慮經濟性，采用從航道等相關部門獲取橋區助航信息的方式[1]。

1.3.6 預警信息發布，針對橋梁現場情況及時向相關人員（船舶駕駛員、管理部門）發出預警是特大橋防船撞主動預警系統最重要的功能，可使相關人員（船舶駕駛員、管理部門）及時掌握橋梁的現場情況。

綜上所述，為降低船撞橋的概率，需對船舶偏航、逆行等情況進行監測。當過往船舶行駛正常時，對其發布橋區信息（助航信息、虛擬航標、電子圍欄等），使船舶駕駛員知曉橋區附近的現狀，輔助其順利航行；當出現過往船舶偏航、逆行等異常現象時，對其進行預警，并利用攝像機錄像抓拍，為今后調查取證、分析提供證據；當船舶由于各種因素不可避免地撞擊橋墩時，對船撞橋事件進行報警，并獲得橋墩相應的動靜力響應，為橋梁結構評估提供依據。因此，特大橋防船撞主動預警系統需具備船舶類型監測、警告、主動避險功能。

2 關鍵技術對比分析

2.1 船舶行駛監測技術對比分析

船舶行駛監測技術有多種，根據設計系統需求主要應用的技術有以下幾種。

2.1.1 AIS，將船舶信息由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，在靠近橋梁的船舶行駛到設定的電子圍欄區域后，進行警告主動避讓。附近的船舶收到AIS 信息，通過解碼得到橋梁附近船舶的位置信息，控制器根據橋梁以及船舶的位置判斷船舶是否偏航。AIS 接收器具有距離遠、不受天氣影響的優點，但是AIS 信息受到位置識別GPS、發送時間的限制，精度比較低，誤差大。

2.1.2 船舶探測微波雷達，船舶探測微波雷達通過發射天線向空中發射電磁波，電磁波遇到物體被反射回到接收天線，通過計算發射到接收之間的時間，便可以計算物體距離雷達的距離。發射天線以及接收天線在電機的帶動下360°不間斷發射以及接收電磁波，最終把雷達周圍所有反射回波的物體位置識別出來，具有全天時、全天候、全方位、主動探測的特點，能實現船舶的遠程監控。

2.1.3 多普勒微波雷達，多普勒微波雷達通過發出的電磁波與接收到的物體反射的電磁波的頻率變化，探測移動物體的距離。多普勒微波雷達只能探測移動的船舶，具有全天候、主動探測的特點。

2.1.4 調頻連續波（FMCW）雷達，調頻連續波雷達利用在時間上按某一調制規則改變發射信號的頻率，并測量接收信號相對于發射信號的頻率差fb的方法來測定目標距離、方位角及速度，具有全天候、主動探測的特點。

2.1.5 激光雷達，激光雷達利用機械旋轉裝置帶動激光測距儀不間斷測量周圍物體的距離，根據轉動的角度以及檢測到的距離識別物體的位置。

2.1.6 AI 圖像，利用智能光電監測設備搜索河道內的船舶，通過AI 圖像識別、測量船舶，并結合激光測距計算出船舶的位置及速度，具有安裝方便，精度高的特點。綜上所述，特大橋防船撞主動預警系統適合采用AIS、AI 圖像和FMCW 雷達監測結合的方案。

2.2 船舶高度監測技術對比

2.2.1 激光對射遮擋式檢測。激光對射遮擋式檢測的優點是靈敏度高、可靠性高。缺點是要在上下游建造與橋梁相當高度的激光傳感器支撐構造物，造價高，當河道跨度過大時，監測的靈敏度和準確度大大降低。

2.2.2 激光測距傳感器掃描測距檢測。激光測距傳感器掃描測距檢測是反射式測量，測量物的顏色、大小是影響測量的因素。另外，長距離激光測距傳感器的測量頻率普遍只有20 次/s 左右甚至更低，極容易造成漏報。長距離激光測距傳感器的發射頭壽命短，維護成本高。

2.2.3 固定式激光交叉式檢測。固定式激光交叉式檢測通過在通航孔的兩側超高預警高度安放一個固定的激光測距傳感器進行探測，原理、優缺點與激光測距傳感器掃描測距檢測基本相同，成本增加了1 倍，可靠性有所提高。

2.2.4 圖像識別檢測船舶超高。圖像識別檢測船舶超高通過在通航孔的上下游超高預警高度水平安放一個固定的攝像機，根據成像區域的中心線上方是否有移動的圖像，識別是否有超高物體。這種方法的優點是可靠性高，缺點是受雨霧天氣影響較大。

2.2.5 激光雷達掃描檢測。激光雷達掃描檢測通過在橋梁的上下游安裝激光雷達，向橋梁前方一定的范圍密集發送激光束并檢測反射光的時間，測量橋梁前方所有物體的點云數據，再通過計算機處理獲得船舶的外形、位置、速度等數據。此方案的有效作用距離近，分辨率低。

2.2.6 AI 三光吊艙監測。AI 三光吊艙監測選用紅外和可見光成像滿足全天時監控的要求，利用激光測距和船舶成像大小的幾何關系，計算出目標實物的大小，據此計算船舶的高度，提前對超高船舶警告，并對船舶取證。影響船舶超高判斷的因素為船舶成像的高度、精度及船舶與橋的距離測量精度。此方案的有效作用距離遠，精度高，超高、航跡監測結合，屬于智能預警系統[2]。

3 特大橋防船撞主動預警系統的總體架構

特大橋防船撞主動預警系統通過超高監測預警船舶的異常事件，針對異常的時間采取相應的響應預警處理策略。

特大橋防船撞主動預警系統利用智能光電監測等手段，對靠近橋梁的船舶進行實時監測，并和監控中心聯網，應用聲、光等技術發出報警信號。系統架構采用現場服務器-云服務器-用戶模式。現場服務器分布在各個監控點，通過光纖或5G 信號與云服務器傳輸信息、備份數據，現場服務器采用高檔工業控制計算機主機或專用服務器。云服務器根據需要可以架設在管理部門或橋梁業主單位或電信機房。操作者可以通過手機、電腦終端等各種方式對系統報警信息進行處理、指揮、應對。云服務器及現場服務器組成雙備份控制系統，任何一個損壞都不會影響系統的正常使用及數據安全。特大橋防船撞主動預警系統總體結構圖如圖1 所示。

圖1 特大橋防船撞主動預警系統總體結構圖

特大橋防船撞主動預警系統安裝了現場主控單元、上/下游超高偏航監測單元、上/下游聲光報警單元、碰撞檢測單元、水位檢測單元、視頻監控及取證單元。在平臺軟件上彈出船舶撞擊警告并發出警告聲，同時發送短信給管理人員。

特大橋防船撞主動預警系統擬定三級預警流程，對通航船舶采用“助航預報—預警—報警”三個層次進行提示、提醒與預警，使系統發揮作用，保護橋梁通航安全，提高橋梁和航道的管理水平，提升對橋梁全時間段的保護及突發情況的及時響應。結合現場設備及后臺軟件，通航船舶進入監視區域即觸發一級預警，通過AIS 系統識別船舶，向其發布助航信息，提醒船舶駕駛員按規安全行駛，并在平臺軟件預警信息模塊記錄助航信息。通航船舶出現偏航、逆行、超高即觸發二級預警，通過AIS 系統和智能光電監測單元識別船舶，啟動聲光報警單元，對通航船舶進行預警，并利用攝像機進行錄像抓拍，在平臺軟件預警信息模塊記錄偏航、逆行預警，且以紅字滾動播放的形式提醒管理人員注意并及時處理。通航船舶撞擊或剮蹭橋墩即觸發三級預警，通過圖像和激光探測器監測碰撞，并通過在橋墩上安裝加速度計對橋墩振動進行監測記錄，對船撞橋事件進行報警，利用橋墩振動特性判定是否發生船撞，并記錄撞擊后的橋墩動力響應，為橋梁船撞后的評估提供依據。

4 特大橋防船撞主動預警系統應用中遇到的問題及解決方法

特大橋防船撞主動預警系統在應用中，遇到了一些實際問題，在解決問題的過程中，提高了系統在應用場景下的適應能力。一是超高偏航監測為遠程、高精度測量，設備需要穩固無晃動且安裝在監測視場無遮擋的平臺上；受到主塔上結構造型的限制，兩座主塔之間的檢修車往復移動遮擋了有利的設備安裝區域。解決方法是采用兩軸高精度陀螺穩像平臺的光電監測設備，將設備安裝在橋面外側，確保設備的監測視場，并穩定跟蹤監測，也便于維護。二是橋區水域軸向寬度約為6km、涉水橋墩多達17～80 個，船碰撞或剮蹭橋墩的風險較高；偏航、超速預警等監測范圍完全可以覆蓋，但目前的超高監測距離達不到6km。解決方法是將核心設備安裝在通航孔上方，重點監測通航孔區域、上下游各2km 范圍內的水域，對于誤進入橋區附近的、非通航區域的船舶，通過偏航預警監督其糾正航向，回歸通航區域，尤其是對于船舶偏航有超速的高風險狀況。三是兩座主塔橋墩均離岸邊較遠且比較高，傳統的水位傳感器施工難度較大，維護不便且容易在低水位時無法正常探測水位。解決方法是采用大量程、無接觸式測量的微波雷達水位計，直接安裝在橋面外側，準確實時監測特大橋的水位信息，便于安裝維護，精度高，數據更新率可根據實際需求調整。四是通航孔橋面跨度較大，橋面碰撞的監測范圍大，如果采用振動傳感器檢測的方式，需要在橋面底部安裝較多的傳感器，成本較高，且容易受斜拉索橋面晃動的干擾。解決方法是采用遠程激光對射探測的方案，只需要在橋墩平臺上安裝兩組設備，就能實時探測通航孔處的橋面碰撞。五是特大橋防船撞主動預警系統涉及特大橋安全，且設備之間的交互通信量大，不適合完全開放于網絡中。解決方法是特大橋防船撞主動預警系統通過內部的局域網自成一體，形成千兆環網，保證高效、可靠的通信，再通過接口調用將事件數據、設備信息等實時發送至遠程管理平臺，避免設備受到非法訪問或控制。

5 結語

采用特大橋防船撞主動預警系統能夠有效地對過往船舶進行預警，降低船撞橋的發生概率。針對特大橋現場管理復雜，供電、網絡傳輸環境比較惡劣的情況，特大橋防船撞主動預警系統有利于提升特大橋管理單位的工作效率，減小巡查工作人員的勞動強度，縮短對橋底的安全巡查時間，降低維護保養費用和額外的保護設施費用支出，進而節省正常運營的成本，保證運營過程的安全，因此，要不斷推動國內特大橋防船撞主動預警系統的應用技術逐步發展，走向成熟。