基于GIS平台的AIS&Radar在大桥防撞预警上的应用

■洪茂枝

(1.福建省交通科学技术研究所，福州 350004；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004)

1 引言

伴随我国桥梁建设及交通运输行业的高速发展，跨越通航江河、港区和海峡的大型桥梁数量逐渐增多。而与此同时，全世界船舶正向大型化、高速化发展，艘次、吨位和航速都不断增加，这使得桥梁和通行船舶之间的矛盾日趋突出，船舶撞击桥墩的事故亦不断增加。船撞桥事故不同于一般交通事故，一旦发生，往往会造成桥损船毁人亡、航道受阻、陆上交通中断和货物泄漏等严重后果，并且重建桥梁和疏通航道的费用十分惊人。

据统计，在1960～1993年的33年中，全世界因船撞桥而导致损毁的大型桥梁已达29座，其中美国15座，死亡人数为321人。统计表明1970～1974年间，美国内河上发生了811起船撞桥事件，造成损失2300多万美元。在通航的大型桥梁运营期间，约有10%的桥梁因船舶撞击而倒塌。我国内河船撞桥事故也数量众多，黄石大桥在1993至1994年短短两年就发生了19起船撞桥事故；武汉公铁两用长江大桥自1957年建成以来至少发生70余起船撞桥事故，造成直接经济损失超过百万的大事故超过10起；南京长江大桥建桥至今也至少发生了30余起船撞桥事故；重庆白沙陀大桥发生的船撞桥事故甚至达到了百余起之多。

本论文以赛岐大桥为依托工程，开展基于GIS平台的AIS&Radar(雷达)在大桥防撞预警上的应用技术研究。充分利用AIS、Radar(雷达)、视频监控、远程广播等特点，搭建一套多方位的桥区船舶实时监控平台，构建出一个实时、直观、联动、多角度、全局的桥区船舶航行动态图。

2 桥梁防撞研究现状

在1970至20世纪70年代，国外发生了多起恶性船撞桥事故，因此在20世纪70年代末期，国外开始了关于船撞桥的系统研究。例如：1978年，美国政府与马里兰大学共同签订了一项关于桥墩防撞保护系统的研究合同。

1980年，美国原阳光大桥发生严重船撞事故，由此引起了美国工程界对于船撞桥安全问题的重视。1983年，在丹麦的哥本哈根，国际桥梁与结构工程学会(IABSE，International Association of Bridge and Structura1 Engineering)召开了“船只与桥梁和近海结构的碰撞”国际学会研讨会。此次研讨会是在丹麦大带海峡的跨海工程背景下召开的，是这个课题的第一次研讨会，在会中提议建立一个船舶撞击桥梁安全事故的国际数据库。

1991年IABSE发表了《交通船只与桥梁结构的相互影响》(综述与指南)，同年美国土木工程协会(AASHTO)出版了《公路桥梁船撞设计指南》。之后欧洲一些国家也陆续针对船撞桥安全问题制定了相关规范。

1993年IABSE出版了“船舶碰撞桥梁”专册。

1995年国际海协会常务会议PLANC工作小组成立，共有包括美国、英国、德国、法国、西班牙、瑞典、荷兰、比利时、日本等9个成员国参加，专门研究船撞桥安全问题，并于2000年建立了一个船撞桥数据库，涵盖了发生在海峡、港口入口、内河航道的151起船撞引发的桥梁安全事故。

1997年欧洲统一规范(Eurocode)第一卷(Eurocode 1)第2.7分册开始试用，试用期为三年，此分册规定了冲击与爆炸事故设计荷载的确定方法。

我国针对船撞桥安全问题的研究始于20世纪80年代末期。当时正处于我国改革开放不断深入的黄金时期，我国经济建设快速发展，加大了对于交通运输的财政投入，我国桥梁建设也赢来了发展的高潮，跨河流和海峡的航道桥梁数目迅速增加。随着我国跨河流、海峡(湾)桥梁的数目增加，我国交通运输能力得到极大提升的同时，船撞桥安全事故的问题形势也日益严峻。

2007年6月九江大桥受到采砂船撞击发生坍塌近200米，共造成8人死亡，经济损失4500万元。这事故引起了我国各界广泛关注，船撞引发的桥梁安全问题更加受到了重视。

3 赛岐大桥水域及通航特点

赛岐大桥位于闽东赛岐，横贯赛江东西两岸，是福建省首座大跨连续梁桥。全长486米，宽12米 (主车道9米、人行道3米)，于1991年8月28日建成通车，日车流达千辆以上。近10年发生过两次船撞桥事故：

2009年2月23日500吨货轮脱锚受困赛岐大桥。上午8时许一艘抛锚在赛岐大桥下游的货轮在大风和潮汐的作用下忽然脱锚，并顺势往上游飘移了500米后卡在赛岐大桥下面。赛岐海事局、赛岐交警、海防等有关部门经过3个多小时的紧张大营救，货轮顺利脱险。

2012年8月18日，赛江涨潮，一艘原本靠泊在大桥附近码头的空载货轮，疑锚机故障，固定船只的绳索断开，货轮失去控制，随水流朝赛岐大桥漂去，结果撞向大桥一侧。大桥桥体有一段10米长的人行道路面开裂，桥梁部分翼元板受损明显，不过桥梁主梁体暂未发现异常情况。

从上面的两起事故，不难看出都是因潮汐作用引起的。赛岐大桥设计的主通航孔高16.9米，宽45米。然而赛江潮汐落差竟达7、8米之多，最高水位的时候，主通航孔剩余 4、5米的高度，参见图 1～2：

赛岐大桥过往船舶基本都是小船(人工划船)、小快艇等，根据近1个月的视频监控记录来看，超过10米左右的船舶往来次数为12次，最长船舶不超过50米。根据近3个月的AIS记录来看，没有一条AIS船舶经过赛岐大桥，最多只达到下游的码头。根据当地一名引航员介绍，不会有引航任务达到上游，最多只达到下游码头，而且少之又少，2012年因为船撞桥事故，他们才到上游配合抢险。

4 大桥防撞系统设计

图1 涨潮时的水位(12点31分)

图2 未完全落潮时的水位(16点10分)

本论文主要应用AIS、Radar(雷达)、视频监控、远程广播四种手段对赛岐大桥进行船舶通航监控 (虽然在赛岐大桥桥区没有AIS船舶，但AIS在桥梁主动防撞措施中作用还是很大的)。同时借助电子海图平台实时展示AIS、雷达目标数据，实现对桥区船舶进行实时监控，直观地展示桥区船舶的航行状态，有效预防船舶碰撞大桥，能够及时作出应急处置，为大桥管理部门及相关职能部门提供监控支撑。

4.1 系统集成设计

系统由四个部分组成(如图3所示)：

（1）数据采集，数据采集有三部分：雷达、AIS、视频监控。雷达安装在赛岐大桥附近，便于扫测过往船舶；AIS用于接收大桥附件船舶AIS数据；视频监控用于采集过往大桥船舶。

（2）数据传输，由于雷达、AIS、视频三者数据比较大，现场采用的是光纤宽带传输；雷达、AIS需要通过转换器才能够通过网络传输给监控中心；视频可以直接通过网络进行传输和查看；远程广播也可以直接通过网络进行播放。

（3）数据解析与存储，监控中心服务器接到雷达、AIS数据，需要解析后才能存储到数据库当中，供监控中心调用。

图3 系统结构图

(4)数据展示，监控中心通过访问服务器，在电子海图平台上实时展示雷达目标、AIS数据，同时可以直接通过网络调用视频监控录像、控制远程播放。

4.2 主要功能实现

(1)系统主界面

软件系统主界面如图4～6所示。

图4 软件系统主界面

图5 AIS实时信息框

图6 雷达目标实时信息框

在系统主界面的GIS平台 (配有三种地图：电子海图、街道图、卫星图)上显示桥区雷达目标、AIS实时信息、位置、轨迹，以及实时视频录像，当船舶发生偏航或进入桥区进行报警或提示。

(2)雷达目标、AIS轨迹回放

雷达目标、AIS的轨迹回放有三种模式：单条回放、多条回放及区域回放，可以查看每个轨迹点具体信息。通过轨迹回放可以查看和分析桥区船舶航行情况，包括：船舶流量、时间段流量等。如图7～10所示。

图7 AIS单条轨迹回放

图8 雷达单条轨迹回放

图9 AIS区域轨迹回放(12天)

(3)雷达目标、AIS偏航报警

当雷达目标、AIS在预设航道上航行时，如果偏离或即将偏离预设航道，则系统进行报警提示(会朗读报警信息)，同时调用远程广播接口，在现场室外广播报警信息。

(4)视频监控

系统支持PC和手机端24小时实时监控、视频回放及下载，同时当雷达目标或AIS经过视频监控范围，还可以调用视频监控，用于辅助船舶监控。如图12～15所示。

图10 雷达目标区域轨迹回放(12天)

图11 偏航报警

图12 视频监控

5 结语

研究表明，通过应用AIS、雷达、视频监控是可以及时有效地掌握桥区船舶航行动态，提高桥梁通航安全，减少生命财产损失，降低船舶碰撞几率，延长大桥的使用年限。但由于经费所限，在设备选型、项目设计及实施上存在一些不足点：

图13 实时的雷达目标轨迹

图14 实时的雷达图像

图15 调用该区域的实时视频监控

(1)只采购一台船用小型雷达，无法兼顾赛岐大桥两侧扫测。基于现场安装条件，雷达安置于赛岐大桥上游靠岸桥下。

(2)船用小雷达跟真正的岸基雷达无法比拟，包括：功率、性能、算法(雷达目标捕捉)、雷达目标数量、寿命等；无法做到远程开关机，24小时不间断运行，对船用小雷达的寿命影响极大。

(3)未采购船高监测设备，因此无法判断过往桥区船舶是否超高。

(4)由于广播安置在赛岐大桥靠岸桥下，然而桥下紧挨着居民区，同时桥对面就是商品房，因此声音提示或报警，都会造成扰民(特别是夜晚)。