跨海大桥桥区航道智能助航系统研发*

陈明忠

(交通运输部东海航海保障中心福州航标处,福建 福州 350005)

跨海大桥桥区水域通航环境受限，风、流压与航道走向等因素对船舶操纵构成影响。该类水域航道又是船舶交通流汇集区，避让不慎等驾驶行为极易导致船桥碰撞或船船碰撞事故的发生[1]，国内外多起桥梁被撞损及船毁人亡案例表明桥区通航水域的船舶碰撞风险突出、损失重大[2]，因此开展桥区航道桥梁防碰撞技术研究具有重要的现实意义。目前，桥梁防碰撞技术主要有被动式和主动式两种防撞手段，其中被动式防撞设施建设和维护成本高，特别是对于大型船舶的防撞效果不佳；而主动式桥梁防撞，通过发现并跟踪桥区水域的船舶航迹，预测船舶碰撞风险，并触发声光告警设备[3-4]，可促使具有碰撞风险的船舶提前采取规避措施，防止陷入被动局面。本文分析桥区航道船舶航行风险，提出桥区船舶航行风险检测算法，进而设计桥区受限水域智能助航系统，实现向船舶播发助航信息和点对点的风险预警，达到自动化、智能化的主动防撞目的。

1 桥区航道通航风险检测

1.1 桥区航道船舶航行风险因素分析

船舶在航行过程中，可能遇到各种潜在的不安全因素而导致海损事故。航海保障部门的职责就是识别风险、预测风险，采取各种有效手段保证船舶安全快捷通行[5]。

为准确识别船舶航行安全态势，预测可能的通航风险，首先需要研究船舶在桥区航道航行过程中的潜在风险因素。风险因素包括水文气象环境因素、人工操控因素、通航秩序因素、航道条件因素等。针对桥区特定对象，从水文气象、桥墩分布、桥区驾驶特征等方面分别进行分析[6]。

1.1.1航道水文情况

跨海大桥桥区航道水文条件受潮汐、潮流影响明显，桥区航道的潮流变化是影响船舶安全航行的重要因素。不同跨海大桥桥区航道的潮流变化规律不完全相同，但是影响船舶安全航行的因素最终可归结为实时水深和潮流速度、方向、浪高及频率。为此可改造航道附近的助航用灯浮标，在浮标身上安装水文信息采集装置，并基于AIS(automatic identification system，船舶自动识别系统)信息通道向船舶提供水文信息[7]。

1.1.2航道气象情况

气温、雨、风、雪、雾等是描述气象信息的主要要素，但是对船舶航行安全造成重要影响的气象因素主要有雨、风、雾，而对应的数字化特征量是降雨量、风速、风向、能见度。以福建平潭大桥航道为例，常风向为东南偏南，强风向西北偏北；年平均风速5.3 m/s，最大风速27 m/s，3—8月东南风为主，频率达25%；9—10月以北风为主，频率15%；12月到次年2月，西北偏北风为主，频率18%；风力大于6级的年平均天数为68.4 d。

1.1.3航道特征及主要违章驾驶行为

引导船舶顺利通过大桥通航孔、防止船舶出现碰撞桥梁或误闯禁航孔等违反航行规则的驾驶行为，是保障船、桥安全的关键。桥区航道走向、桥墩分布、通航孔与禁航区设定及船舶交通流规律决定了桥区的驾驶规范。以福建平潭大桥为例，根据桥区水域通航规则，可按图1对该水域与桥区航道分区块并设定相应监测规则。

图1 福建平潭大桥水域监测区块

该大桥规定为双孔单向通航，经数据分析，桥区水域航道主要的船舶驾驶风险因素有：超速、逆行、在警戒区内侧进或侧出航道、船头对准桥墩且离桥墩距离过近等[8]。在船舶进入桥区航道后，应该由航道末端进入航道，过桥后，从航道前端驶出航道。进入航道后，从航道侧端驶出、从航道侧面插入航道都是不安全航行的危险因素。

1.2 桥区水域航道船舶航行风险检测方法

针对桥区水域航道风险因子，可以通过相关关键技术，构建风险模型实现桥区航道船舶航行中危险态势的自动识别和预测，在此基础上研制船舶航行助航服务系统进行主动干预，实现船桥、船船避碰。

1.2.1船舶进入桥区及穿越桥区航道检测方法

要防止船舶桥区航行出现碰撞险情，从船舶驾驶的角度就是要尽早纠正船舶航向，保持船舶在正确的过桥航道区域内航行，因此实时跟踪判断船位是否出现违规趋向是分析其是否存在风险的关键。大桥可通航孔与外围航道基本对接，非通航孔两侧多属禁航区及通航安全监管区，可按图1所示的水域划分法对其中的船舶进行AIS信号的筛选，船舶进入桥区水域预警区、警戒区、航道及穿越桥区航道重要边界的检测是自动辨识船舶在桥区航行中潜在风险的基础。

1)定义1：基本凹形线性区域。设P1、P2、P3为平面上3个点，L1、L2为由P1、P2和P2、P3确定的两条直线，满足下列条件：

(1)

(2)

由直线L1、L2围成图2所示的区域S1，称为基本凹形线性区域。

图2 基本凹形线性区域

2)定义2：凹形线性封闭区域。由多个基本凹形线性区域经平移、旋转后联合组成的封闭区域，称为凹形线性封闭区域。典型的凹形封闭区域见图3。

图3 典型的凹形封闭区域

凹形线性封闭区域是一类具有广泛代表性的线性区域，本文讨论的区域(预警区、警戒区、航道区)均属于由其边界线Li(P)构成的凹形线性封闭区域。应用原则1的结论，可以判断船舶是否进入指定区域。

1.2.2基于船舶动态领域的船桥碰撞风险识别方法

船舶在航行过程中，可以定义一个安全领域，在其安全领域内，出现动态的船舶或静态的桥墩、浅滩等障碍时，则船舶存在一定的安全风险。与一般领域的概念不同，根据跨海大桥桥区风险因子分析，跨海大桥桥区船舶的安全领域依赖船舶的航向、航速、风速、风向、流速、流向、能见度及船舶类型和尺寸等因素。

2 桥区航道智能助航服务系统设计

跨海大桥桥区航道船舶智能助航的整体功能实现，由桥区现场的桥基站、虚拟AIS航标、桥区航标(桥涵标和水文气象浮标、灯浮标)等配套硬件设备协同完成，当航行船进入助航水域航道，桥区船舶综合助航信息系统即对其提供助航服务[9]，如图4所示。其中，桥基站集成AIS基站、信息集成处理单元、海事VHF(very hiqh frequency，甚高频)电台、渔业VHF电台、视频监控单元、4G通信设备(或有线专线)等。

图4 桥区航道智能助航服务系统框架

2.1 桥基站设计与实现

桥基站硬件框图见图5、逻辑结构见图6。AIS模块可接收半径15 n mile范围内船舶AIS信号，发射功率2～5 W可调，报文发送距离3～10 n mile；VHF电台模组发射功率1 W和25 W可选，语音发送距离3 n mile，选择最大发射功率时可达25 n mile。从船舶接收到预警信息到及时纠正航向，对于5 000 GT以下海船而言，通常在距离碰撞点1 n mile范围内才是真正需要采取规避动作的风险区间，更远距离的助航预警信息则使船舶有充分的时间关注到避让问题。故此基站设备一般安装在桥梁通航孔附近或者沿岸构筑物上，只要保证AIS与VHF信号可覆盖桥区检测水域即可，在通航规则上桥梁非通航孔两侧水域常定义为禁航区，对于超出设备信号覆盖距离的大型桥梁而言，如需对非通航水域进行检测，可以增加桥基站数量，使其信号范围互相衔接。

图5 硬件框图

图6 逻辑结构设计

1)信息处理模块。具体包括虚拟航标信息管理、AIS数据处理、网络连接控制、上位机控制信号处理、本地语音存储等模块。

2)VHF电台。具体包括DSC(digital selective calling ferminals，数字选择性呼叫)、语音呼叫等功能模块。

3)AIS模块。具体包括接收桥基站附近海域的AIS目标信息、虚拟航标位置定期广播、发送AIS广播等模块。

4)4G通信模块。提供稳定的网络通信与无线连接。

5)UPS(uninterruptible power system，不间断电源)模块。4组大容量电池组成，为系统提供不间断电源。

2.2 综合助航信息系统软件开发

跨海大桥桥区航道综合助航服务系统功能总体结构见图7。软件系统根据风险评估结果(无风险、低风险、高风险)，向桥基站发送指令，由桥基站播发不同类型的助航信息和预警，软件工作流程见图8。系统软件界面情况见图9、10。

图7 系统总体功能结构

图8 系统工作流程

图9 桥区总览界面

图10 桥区与预警区域显示界面

3 系统应用

本系统应用于福建省平潭海峡大桥航道，为大桥水域的船舶提供主动避碰与综合助航信息服务。由于海事管理机构对海船配备VHF对讲机和AIS接收机有强制性规定，对于大多数海船来说无须额外安装专用设备即可接收本系统信息。系统自动监测进入预警区的船舶AIS动态，向船舶播发桥区实时的气象、水流、桥梁净空高度、航标动态等AIS报文，对符合桥区航道航行规则的船舶保持静默，对进入警戒区等违反通航规则的船舶启动点对点的VHF语音提示，促使其尽早纠正船舶动向，防止操纵延误引发碰撞事故的发生。系统已运行3年多，通过大桥水域航道的船舶主要为5 000 GT以下中小型货船，截取2017年10月—2018年2月的计算机数据，统计显示日均经过大桥通航孔的船舶有53艘次，桥区水域航行耗时9～13 min，日均播发语音预警20次，每船每次违规行为平均重复呼叫2次，日均发现高风险船舶动态11艘次。实船测试各项设定的预警条件，当船舶触碰预警值时，系统识别迅速，平均3～5 s预警信息即可传达到船舶驾驶台。根据福建省搜救中心统计数据，平潭大桥桥区航道事故险情见表1，成果应用前后，桥区航道事故险情数量由2013—2015年的35起下降为2016—2018年的13起，下降幅度达62.9%，明显改善了桥区水域的安全形势。

表1 平潭大桥桥区水域事故险情

4 结语

1)对于桥区船舶航行面对的主要风险，可利用航道附近水文气象灯浮标采集信息并向船舶提供重要的航行参考要素，设定凹形封闭线性区域可检测船舶航行趋向。辨识碰撞风险的关键技术是定义船舶动态安全领域并结合专家经验值加权。

2)桥区航道智能助航服务系统自动整合了助航信息源和管理运行检测分析软硬件设施，实现了智能感知船桥碰撞风险或船舶违规航行态势，并向船舶提前发出预警报，促使驾驶人员及时纠正驾驶行为以防控危险局面的发生。该技术可转换应用于水上水下施工区、风电场、狭水道、岛礁区等类似受限水域，帮助提升水上工程设施、船舶航行的安全保障水平。

3)目前桥区航行的船舶态势感知主要通过AIS手段获取，感知精度与实时性还需要进一步提升。未来研究中可融合岸基CCTV(closed circuit television，闭路电视)视频、雷达等系统数据，通过图像识别与深度学习方法，感知多种类型的船舶，使系统具有更广泛的应用价值。