通航橋梁防船撞智能監測預警系統設計

覃東明

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,內河航運事業發展迅速,內河航運交通變得十分繁忙。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,經常發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,經濟損失嚴重。為了應對船舶撞橋事件,目前常采用的防護手段有:安裝助航設施、警示標志、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,橋梁管養單位也無法掌握通行信息。因此,亟須提升橋梁防撞監測手段,建設主動、智能、實時監測的防船撞橋預警系統,以更好地保護橋梁和保障船舶通行安全。

1 系統設計業務需求

1.1 船舶超高監測與預警

所謂船舶超高,就是船舶的高度超出了橋梁的實際凈高。在船舶實際行駛的過程中,受水位的影響,橋梁的實際凈高是變化的,在傳統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確把握兩者之間的尺寸關系,容易造成船舶與梁的碰撞,造成較為嚴重的后果。因此需要運用智能化的技術手段,對船舶的高度進行監測,并對超高的異常情況進行預警,保障橋梁和船舶的安全[2]。

1.2 船舶偏航監測及預警

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域的一種行為,運用智能化手段,可對船舶航跡及所在航行區域進行監測,并對偏離正常航向和航道區域的異常情況進行預警,保障橋梁和船舶的安全。

1.3 橋區水位監測

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

1.4 安全警示與取證

前端監測系統在識別異常狀況后,需要對異常船舶進行警示。這不僅需要前端安裝聯動的警示裝置,而且監控中心的管理人員在收到預警信息后,能夠將警示信息傳達給橋梁附近的船舶,這就需要平臺側能夠滿足信息的下發功能,以充分發揮監測預警系統的作用。另外,對于偏航的船舶,在監測預警的同時,還需要進行拍照取證,以便后續進行針對性的管理[3]。

2 系統總體設計思路

(1)本系統的主要目的是實現主動防撞,在這樣一個目標下,需要做到前端數據的實時采集、平臺側的實時預警以及智能警示。通過信息化、智能化手段可以實現上述功能。整個信息化系統包括前端采集系統、傳輸系統和后端管控系統。

(2)船舶偏航監測核心是監測船舶的運行軌跡,通過與正確的運行方向和允許通航的范圍進行比對,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,因此本系統船舶偏航主要采用毫米波雷達進行監測。

(3)船舶超高監測思路就是主動設定一個安全高度,判斷船舶是否高于這個安全高度,以此判斷是否超高,可用激光雷達來實現。

(4)在進行了船舶偏航或超高監測之后,如有異常,可在平臺側進行預警,軟件上出現預警信息,提醒監控人員。同時,為了保證警示的效果,采取聲光電相結合的方式實現警示功能。其中聲光設備主要是近距離的警示,通過電磁波進行無線信息發送可實現遠距離的警示。

3 系統總體設計

3.1 系統架構

3.1.1 系統拓撲

橋梁防撞監測預警系統可分為三部分:前端子系統、傳輸子系統、后端管理子系統(見圖1)。前端子系統由超高監測單元、偏航監測單元、水位監測單元、無線告警單元、聲光警示單元五個部分組成;傳輸子系統通過光纖網絡實現前端系統與中心平臺互聯互通;后端管理子系統包括中心平臺、顯示大屏等設施。

3.1.2 系統組成

前端子系統:前端感知系統由超高監測單元、偏航監測單元、水位監測單元、無線告警單元、聲光警示單元五個部分組成構成,主要負責數據采集與取證,是整個系統的基礎支撐部分。

傳輸子系統:網絡傳輸系統主要由網絡傳輸設備組成,如光纖、光纖收發器、網線等組成,負責系統組網,完成數據、視頻、圖片的傳輸與交換。

后端管理子系統:后端管理系統負責數據的匯聚、處理、存儲、應用、管理與共享,由中心服務器、應用軟件和顯示大屏等設施組成。

3.2 數據架構

橋梁防撞監測預警系統的數據主要來源于超高監測單元、偏航監測單元、水位監測單元、無線警示單元、監測平臺。超高監測單元包括異常預警、船舶距離等數據。偏航監測單元包括兩方面的數據:(1)偏航監測的異常預警、船舶的相對距離、角度、運動方向等數據;(2)取證相機獲得的視頻和圖片等數據。水位監測單元主要橋區水域水位數據。超高監測單元和偏航監測單元監測的數據通過網線接入光纖收發器的發送端,然后通過光纖接入光纖收發器的接收端,繼而通過網線接入智能終端。水位監測單元通過RS485總線接入智能終端。當智能終端收到超高或偏航單元的異常報警數據時,就發送信息號給聲光報警控制器,進而實現對聲光設備的控制。智能終端與聲光報警控制器之間通過RS485總線連接,聲光報警控制器與音柱之間通過網線連接,與報警燈之間通過電纜連接。

另外,無線警示單元(基站)內置VHF電臺、AIS接收、AIS發射、漁業電臺、信息集成處理模塊、4G通信模塊、交換機等子單元。基站與平臺的數據對接有有線和無線兩種選擇,有線方式是通過網絡交換機走光纖與后端的網絡交換機連接,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或漁業電臺信息(文字形式),數據傳輸到基站內的信息集成處理模塊,再通過RS485總線傳輸給AIS發射子單元、VHF電臺或漁業電臺,進而通過天線以電磁波的形式發射出去。

3.3 技術架構

橋梁防撞監測預警系統解決方案涉及基礎設施、數據、解析、應用等多個層面,提供基礎服務、數據服務、平臺服務、應用服務等能力(見圖2)。

應用服務層:綜合運用數據、物聯等基礎服務,構建多種業務向的智能應用,包括水文氣象信息展示、船舶偏航或超高預警及處置、警示信息下發,服務于用戶的各種業務需求。

平臺服務層:平臺基礎能力提供數據分析服務、視頻基礎服務、通用服務,并封裝為標準的API網關,通過標準接口,為上層應用提供靈活調用。數據分析服務實現船舶超高和偏航研判等能力。視頻基礎服務包括視頻預覽、云臺控制、錄像下載。通用服務提供校時、地圖、權限、日志等服務。

數據服務層:主要匯聚感知數據和業務數據,對數據進行清洗、挖掘、分析、統計,為上層應用提供數據服務支撐。

基礎服務層:提供底層基礎服務,包括計算設備、存儲設備、物聯設備等基礎設施,為上層服務和應用建設采集和儲備資源。

圖2 技術架構圖

4 系統詳細設計

4.1 前端子系統

4.1.1超高監測單元

針對船舶超高監測,主要是在橋梁通航孔兩側的橋墩上的設定高度(限高高度)位置安裝點反射式的激光測距雷達,激光平行于水面交叉射出,當船只高于橋梁的限制高度,兩臺激光雷達至少有一臺會檢測到船只,進而系統輸出報警信號。這種點反射式的激光雷達,監測距離能達到2 km,能夠較好保障預警效果。

4.1.2 偏航監測單元

針對船舶偏航監測,利用毫米波雷達進行監測。通過毫米波雷達劃定航道邊界,同時識別船舶航行的位置、角度,以此判斷船舶是否偏航。

4.1.3 水位監測單元

水位監測單元采用雷達液位計,可以對橋區水域水位進行非接觸式的連續測量,空間分辨率高、穿透能力強,支持全天候環境下工作,不受雨、霧、大風、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基站,包括AIS接收發器、VHF天線、漁業電臺等,安裝在橋頭高位(最好選擇建筑物頂部)。AIS接收發器用于接收船舶發射的AIS信息,實現對船舶的識別和跟蹤,另外也可以從平臺端向船舶發送AIS短信,進行告警。VHF天線和漁業電臺可用于對橋區水域所有船舶進行語言喊話。AIS和VHF采用的是電磁波通信,可以覆蓋橋區水域較遠的距離,是保障預警效果的關鍵設備。

4.1.5 聲光警示單元

系統在實現超高或偏航監測的同時,還需對異常船舶進行安全警示,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備,進行近距離(500 m以內)告警。這樣遠近結合,對異常船舶進行不間斷的提示,提高了預警系統的可靠性。聲光警示設備分別采用定向音柱和紅藍雙色報警燈,其中音柱布設方式類似激光雷達,在通航孔兩側橋墩上平行水面交叉布設。聲光警示單元在高配方案皆采用,在低配方案中只采用報警燈。

4.1.6 總體設計

橋梁防撞監測預警系統傳輸網絡包括前端局域網絡、前端-后端端骨干網絡、后端局域網絡三個組成部分,總體網絡結構采用樹形結構,網絡中所有節點設備直接或經次級設備連接到中央設備(平臺軟件)。本系統主要涉及前端局域網絡配置,其他的由傳輸工程配套解決。

前端局域網絡:前端局域網絡包括兩個獨立的部分。(1)以智能終端為中心的局域網絡。在該局域網絡中,超高監測、偏航監測設備經光纖收發器連接到智能終端,聲光報警和水位監測設備通過RS485總線與智能終端連接,智能終端再通過網線與前端的網絡交換機連接。(2)基站中信息集成處理模塊為中心的局域網絡。在該局域網絡中,VHF電臺、AIS接收和發射模塊以及漁業電臺都通過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線與網絡交換機連接或通過RS232總線與4G通信模塊連接,具體是接交換機還是接4G通信模塊,根據項目現場條件和用戶需求來選擇。

前端-后端骨干網絡:對應前端的兩個局域網設計骨干傳輸網絡。前端以智能終端為中心的局域網絡由前端的網絡交換機通過光纖與后端的網絡交換機連接。前端是以基站中信息集成處理模塊為中心的局域網絡,與后端的連接可有兩種方式:(1)通過基站自帶的網絡交換機走光纖與后端的網絡交換機連接;(2)通過4G通信模塊,走運營商專網直接與平臺軟件連接。

后端局域網:后端的網絡交換機通過網線連接到中心服務器,中心服務器再通過網線與安裝有平臺軟件的應用服務器連接。

4.2 后端管理子系統

4.2.1 后端管理子系統組成

后端管理系統由監控中心、顯示及控制設備、服務器、軟件平臺等部分組成(見圖3)。后端管理系統可實現數據資源的匯聚,并對數據資源進行分析和應用,完成橋梁預警信息展示和警示信息下發。高清大屏展現業務數據和實時監控畫面。

4.2.2 軟件平臺總體架構

橋梁防撞監測預警系統軟件平臺以組件的形式嵌入公路網智能監控平臺。公路網智能監控平臺采用統一技術體系,由基礎服務組件、通用服務組件、共性業務組件和行業業務組件組成。

4.2.3 平臺功能說明

平臺功能如后頁表1所示。

5 系統亮點與價值

5.1 實時動態監測

系統超高及偏航監測分別采用激光雷達和電磁波雷達,不受白天黑夜的影響,能夠適應高溫、低溫以及風雪雨霧等各種天氣狀況,可實時監測、實時預警,實現全天不間斷工作。

表1 平臺功能列表

5.2 船舶異常警示

本系統采取音柱、報警燈、AIS信息、VHF語音四種方式相結合對異常船舶進行警示。音柱和報警燈主要警示近距離(500 m內)船舶,AIS信息發送和VHF語音播報能夠在較遠距離實現對船舶的警示。這樣遠近結合的多重的警示系統,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,能夠及時接收前端發來的預警信息,并實時展示。在高配方案中,平臺通過AIS和VHF進行警示信息的推送,推送信息的內容和方式可以在平臺系統進行自定義,非常方便。另外可以在平臺端首頁等頁面快速查看系統的關鍵信息,為管控決策提供支撐。

6 結語

本文介紹了一種基于毫米波雷達、智能圖像識別的橋梁智能防碰撞預警系統,解決了當前橋梁防船撞不實時、無法提前預警等問題,系統在實際應用中還需進一步完善和擴展。