桥区水域船舶管控主动预警系统研究

施永灿

摘 要：在桥区水域管理过程中，管理方需要对桥区水域中的船只信息进行监测，并进行反馈共享，广播船只信息，方便附近船只了解航道情况，避免发生意外。现有的防碰撞装置主要基于红外探测技术，监测效果一般，精度不高，所以本文提出一种桥区水域管理装置。该装置可有效监控桥区水域船舶通航情况，通过全面监测水上和水下通航物体，防止船只误入、危险驾驶，甚至碰撞。

关键词：桥区水域;船舶管控;主动预警

Abstract： In the process of water management in the bridge area， the management side needs to monitor the ship information in the water area of the bridge area， and carry out feedback sharing and broadcast the ship information to facilitate the nearby ships to understand the channel conditions and avoid accidents. The existing anti-collision device is mainly based on infrared detection technology， with general monitoring effect and low accuracy. Therefore， this paper proposed a water area management device in bridge area. The device can effectively monitor the navigation of ships in the water area of the bridge area， and prevent the ships from entering， dangerous driving and even collision by comprehensively monitoring the navigation objects on and under the water.

Keywords： bridge area waters;ship control;active warning

近年来，随着路网建设的发展和完善，沟通江河两岸的桥梁建设项目越来越多，大型跨河桥梁工程施工水域与航路相互交叠的情况大量出现，不仅改变了船舶习惯的航路，而且对大桥施工和管理的各个阶段产生了不同程度的影响。加之船舶发展不断趋于大型化，船舶驾驶员不能及时掌握桥区水域通航尺度，导致越来越多的船撞桥事故发生，桥区水域船舶安全事故已经成为水上交通事故的重要组成部分[1-5]。例如：2017年1月8日晚，一艘散货船途经洪奇沥水道时，触碰到南沙番中公路（省道S111）洪奇沥大桥南侧桥墩。事故导致桥墩凹陷、钢筋外露，所幸无人员伤亡，未造成水域污染。再如：2018年9月24日晚，一艘沙船（空船）失控撞到北环高速公路广清立交GF匝道桥桥墩和北环高速主线白坭河大桥桥墩，其中GF匝道桥桥墩被撞击后混凝土有较大面积剥落，主线白坭河大桥桥墩被撞击后，悬挂在桥墩北侧的直径约1.2 m的自来水管被撞裂，肇事船被水管卡在桥墩位不能移动。因此，研究最大程度上预防船舶碰撞桥梁事故的发生，合理地管控桥区水域船舶，构建桥区水域船舶管控预警系统，具有重要的经济价值和社会意义。

1 桥梁防撞设施现状

桥梁防撞措施大致包括两部分：主动桥梁防撞和被动桥梁防撞。主动桥梁防撞方法包括：船舶交通服务系统（Vessel Traffic Services，VTS）、船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）、船舶警戒系统、设置桥涵标、设置助航标志等。被动桥梁防撞方法包括：采用消能缓冲材质防撞、重力式防撞墩、人工防撞岛等[6-10]。

1.1 主动桥梁防撞

1.1.1 VTS系统。VTS系统是利用甚高频无线通信系統（Very High Frequency，VHF）和雷达无线感知识别的方式，结合AIS系统，对监管区域内航行的船舶进行实时的信息管控和船舶合理调度[11-13]。在目前的通信领域中，各种通信日新月异，特别是数字手机通信发展迅速。但是，由于水域管理情况特殊，VHF通信在水域管理中受行业管理要求，其地位和作用无可替代。同时，VTS的建设是由国家承担的政府公共服务之一，目前仅对海域及大型港区提供覆盖和公共服务。

1.1.2 AIS系统。AIS系统是采用自组织时分多址链接技术，在规定频段内连续自动地播发本船静态、动态、与航次相关信息及安全短消息，同时也能自动接收周围船舶发出的这些消息，并与岸基站台进行信息交换。《国际海上人命安全公约》（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）规定，从事非国际航运的500总吨及以上吨位的船舶以及不论尺度大小的客船，都必须安装AIS系统。目前，内河船舶100总吨以上船舶基本都安装了AIS系统。AIS系统是一个较好的防撞避碰系统[14-16]。

1.1.3 桥涵标。桥涵标是桥梁业主单位建设落实的桥梁水域通航助航设施。桥涵标设置于桥梁上，一般位于通航孔或禁航孔正上方，是规范船舶航行的重要参考设备。目前，桥涵标的设置主要存在海区和内河水域混淆、标志不清晰、信息固化、在大雾等危险天气效能无法正常发挥等问题。

1.1.4 红外预警。目前在桥区水域管理过程中，部分业主单位采用了建立在红外基础上的主动预警装置，从技术上对桥区水域中的船只信息进行监测，并进行反馈共享，广播船只信息，方便附近船只了解航道情况，避免发生意外。但是，这种防碰撞装置主要基于红外探测技术，监测效果一般，精度不高，受水上条件影响较大，误报率极高。

1.2 被动桥梁防撞

被动桥梁防撞也称为结构防撞。传统桥梁结构防撞方式分为三种。第一种是在桥墩附近建设固定式防撞墩，船舶不慎偏离航道即将撞击桥墩时，会先撞击固定式防撞墩，卸去一部分的撞击力，同时撞击的异响会提醒船员发生了异常情况，不仅能保护桥梁自身完整，而且能保护周边传船只的安全。第二种是在桥墩上加装复合缓冲材质较好的缓冲墩，达到卸去撞击力的效果。复合缓冲材质一般采用纤维制成，可以有效将碰撞点的撞击力向四周扩散。第三种是采用复合材质的特殊结构的防撞设备，这种防撞设备首先在材质上可以将撞击力分散，其次在结构上也会有一定的缓冲作用，类似于大型弹簧[17-21]。

结构防撞装置目前被桥梁业主广泛接受。但是，从事故统计来看，目前发生的船舶撞桥事故中，结构防撞装置发挥的效能基本为零。主要原因是结构防撞对不同水域和不同船型的效果截然不同。此外，在桥区水域增设固定式防撞墩，造成桥区水域水流绕流，影响船舶操纵，同时造成涌水现象，抬高桥区水域水位。主管部门出于防洪考虑，一般不同意在内河水域桥区范围建设结构防撞装置。

2 桥区水域船舶管控主动预警系统

2.1 系统整体结构

为了能研究出有效的电子桥梁防碰撞机制，研究者对北环白坭河船碰桥事故进行了仔细分析。事故当晚，船舶顺流向南航行，航道弯曲，且当时正退潮，流速约2节。肇事船舶航行入白坭河桥时航速仍保持8.1节，未使用安全航速，离桥较近时才发现船舶失控，撞击白坭河桥桥墩时航速为6节左右，最后导致白坭河桥桥墩严重受损，桥上过桥水管因撞击而被损坏。通过调查可知，船舶投入运行后，舵系统发生多次故障，本次事故发生时，船舶左舵柄与舵连杆滑脱，导致船舶操舵时，左右两个舵的舵角无法保持一致，船舶操舵无法获取有效舵效，导致舵机失效。可见，事故的主要原因是船员未按安全航速通过桥梁，并且船员对桥区的水道情况不熟悉，以较快的航速通过弯曲的航道时，才发现船舶失控，最终未能在一定时间内采取有效的减速措施，导致事故发生[22-24]。

事故造成广州北环高速公路广清互通立交GF匝道白坭河大桥0-1、0-2#墩柱盖梁项部往广州方向新近位移约3～29 cm，且盖梁左侧系推算盖梁顶部相对泥面处的倾斜量约为26.8～28.5 cm（往收费站方向），大桥0-1、0-2#墩柱及桩基均有新鲜开裂，且桩基裂缝宽度较大，影响结构安全，大桥梁体暂无明显相关性病害。依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）对该桥进行评定，该桥受损后被评定为“5类桥”，处于危险状态，直接经济损失约为千万元。

事故造成广州北环高速公路白坭河大桥L15-2#墩距盖梁底面往下1.2 m处混凝土破损，大桥L15-2#墩等相关结构物暂无明显相关性病害。

通过对北环白坭河桥案例及洪奇沥大桥案例进行分析，本系统需要从三个方向进行设计，即事故前、事故中、事故后。事故前，船员并不知道前方桥梁的具体情况，或者自身没有意识到前方有桥梁，等发现异常情况时，已经来不及采取防范措施;事故发生时，桥梁管理人员不能及时获取桥梁信息，也无法和船员进行通信，导致事故严重化或者复杂化;事故发生后，执法人员获取追责证据的周期较长，这主要是因为缺乏收集桥梁证据的方法，较难收取证据，不便对事故进行判罚。该系统是一套较全面的电子桥梁防碰撞系统，从事故前预防到事故中了解现况，最后到事故后执法追责，都要考虑在内。实现方法是开发一套可以收集单信息点有效数据的系统，把系统软硬件设备放在每一个监管信息点中。通过每个监管信息点收集的信息及反馈，数据中心采用大数据分析及算法处理，最后将各自通航桥梁的信息、预警信息及通航建议提供给传播用户、监管部门和执法部门。结合水上专用通信技术，研究并提出一种桥区水域的管理装置，可有效监控水域船舶通航情况，通过动力感应等全新技术，全面监测水上和水下通航物体，防止船只误入、危险驾驶，甚至碰撞。

该系统由桥梁电子预警监管信息点、数据处理中心、监控中心、移动终端和执法单位预警信息接入端。系统结构如图1所示。

2.2 桥梁电子预警监管信息点模块介绍

为了达到水上安全保障功能，系统融合多种水上专用技术，硬件设计如图2所示。

2.2.1 AIS识别模块。结合船上现有的设备开发船舶识别功能，采用AIS船舶识别技术识别接收预警区域内所有AIS船舶的信息，并指向性发送AIS预警短报文到指定船舶。AIS技术采用标准报文中规定的22种不同类型的帧，其中不仅包括传输船舶动态和静态信息，还包括与互通各模块或者网络层传输的信息。

经过后期开发解析，将该模块船舶信息叠加到电子海图中，以达到船舶信息实时更新的效果。为方便业主监管，系统AIS识别模块可根据业主需求，在电子海图中设置预警区域、虚拟航道、信号覆盖圈等定制化功能。在特定桥区，也可以在电子海图上显示来往船舶的通航轨迹，方便相关部门辅助执法。AIS识别模块覆盖范围相当广泛，AIS船台机也是船舶必备的安全设备。该模块可以让船舶第一时间接收到设备发送的桥梁信息，是该系统建立船桥通信的手段之一。结合北环白坭河桥的案例，假设船员在离桥安全距离内通过系统发送的预警AIS信息发现前方有桥梁，并且了解前方的桥梁实时信息，提高警惕，提前发现船舶自身的问题，那么将会有更长的应急时间处理突发问题，及时采取良好的对应措施。

2.2.2 甚高頻通信（VHF）模块。本系统的VHF采用技术加装，覆盖水域可调控，仅对桥区水域船舶进行指向性管理，避免VHF通信干扰。VHF主要应用在水上通信领域，主要工作频率为156～174 MHz，是重要的水上通信手段。其主要功能是实现与来往船舶的通信预警功能，当船舶进入预警桥区水域后，该模块可自动向船舶发送桥区情况，辅助船舶安全通航。为了解决监管部门与船舶通信的问题，目前开发了可将陆地上数字通信与水上无线电通信相融合的技术，实现系统与船舶之间的有效通信，是突发情况监管部门与船舶应急通信的重要工具。船舶需要根据海事部门规定使用VHF作为水上通信手段。

VHF无线电通信是船舶的通信方式，在船舶行驶过程中，必须24 h开着VHF无线电通信设备。利用甚高频通信（VHF）模块能更加有效地将桥梁信息或者预警信息告知给船员，使船员安全通航。即使船舶因疏忽没能及时留意AIS模块发送的信息，VHF通信模块也会将安全信息以语音的形式告知船员。

2.2.3 雷达识别模块。本系统采用定制化小目标精测雷达，雷达识别运用微波侦测技术，对预警区域进行精确扫描。当船舶进入雷达扫描范围时，雷达将扫描到的信息通过通信网络传送到数据中心。数据中心通过数学模型解析出目标的位置、距离、方位、速度等信息，将目标在电子海图上实时显示出来，并显示其运动轨迹。若发现异常情况，则发出报警信息至后台监管平台，同时在软件端发出报警，并联动桥区甚高频通信（VHF）模块、LED大屏等告警模块对异常船舶进行提醒。

2.2.4 检测模块。对于桥区水域自然环境动态数据检测模块，采用红外感知技术及水流感应技术等制作出净空测高模块及红外测高模块等数种高精密实时传感器，全天候采集桥区预警水域的桥区情况，如风速、流速及实时净空高度等。采集数据经处理后上传到数据中心进行保存与分析。

2.2.5 预警模块。系统采用高性能处理单元，将桥区的实时信息与数据中心桥区的信息进行匹配，进行判断并作出反馈。若输出异常信息，则要通过通信模块把指令下发给信息点、监管中心及执法部门，各信息点收到指令后执行告警操作。

2.2.6 CCTV监控模块。CCTV监控模块采用水上高精密红外夜视摄像设备，联动雷达识别模块，自动抓拍来往异常行为，并且实时将信息上传到数据处理中心。

2.2.7 外延装置模块。桥区水域管理装置包括设置在桥梁或岸/船基上的向过往船舶发送和接收信息的AIS模块，用于发送给过往船舶信息的VHF模块及设置在桥梁或岸/船基上的预警信息装置。其中，预警信息装置包括设置在桥梁或岸/船基一侧的控制箱，控制箱顶端一侧设有声光报警器和光电雷达。控制箱两侧均连接有无线信号装置，且两个无线信号装置与水上设置的不等距分布的浮标装置无线连接。浮标装置内部设置无线网络收发模块;顶部设有检测装置，且检测装置内部设置有AIS模块、VHF模块和检测传感器;浮标装置底部设有动力传感器。控制箱底部两边位置处均有倾斜设置的超声波速度传感器，控制箱一侧中间位置处设有高清摄像头，控制箱内设有微处理器以及与微处理器进行电性连接的供电模块，微处理器连接有无线网络收发模块，且微处理器通过无线网络收发模块与AIS模块和VHF模块进行通信连接，高清摄像头、超声波速度传感器和声光报警器均与微处理器形成电性连接。

使用时，将控制箱安装到桥梁或岸/船基的一边，保持高清摄像头处于水平状态。当船只靠近延伸的浮标装置时，检测传感器反馈信号，根据不同检测传感器反馈的信号实现对船只位置的定位;通过超声波速度传感器反馈船只的速度情况;通过高清摄像头采集船只照片，并与标准照片进行比对，结合光电雷达采集的信息，反馈船只是否有撞击桥梁或岸/船的危险，通过声光报警器进行预警，通过VHF模块和AIS模块传播船只信息。预警装置示意图如图3所示。

2.2.8 移动终端。移动终端或APP或小程序是系统不可或缺的重要组成部分。船舶使用者可以通过移动终端，实时输入船舶信息及方位，主动了解桥梁通航情况，以实现安全通航。若船舶在当前预警水域偏航或者超高，也可以通过AIS短报文或VHF两种方式接收来自系统的告警信息。结合北环白坭河桥的案例，如果船员收到了移动终端的智能提示，发现船舶偏航或者无法控制，可以立刻在移动终端上联系相关部门，相关部门第一时间收到求救或者紧急信息，及时调动系统信息定位船舶位置，从而进行救援;或者结合桥梁现场的设备及情况，告知船员有效的应对方法，避免事故发生。

2.3 数据处理中心

设备的信息处理及数据存储离不开计算服务器及数据存储设备，系统的运算能力取决于数据中心的整体综合计算能力。数据处理中心是系统的核心。因此，为了提高系统的安全性、冗余性及可拓展性，数据处理中心采用双处理中心——“云服务+本地服务中心”架构，主数据处理中心设置在本地中心机房，副数据处理中心设置在云上。遇到突发情况，硬件设备做到主备中心无间断切换，网络环境上做到自动计算最优路径，加快系统计算能力，保障系统的正常运行。

系统与数据中心的用户接口设计成B/S架构。B/S架构的全称为Browser/Server，即浏览器/服务器结构。Browser指的是Web浏览器，极少数事务逻辑在前端实现，但主要事务逻辑在服务器端实现。B/S架构的系统无须特别安装，只有Web浏览器即可。

B/S架构的优点：客户端无须安装，有Web浏览器即可。B/S架构可以直接放在广域网上，通过一定的权限控制实现多客户访问的目的，交互性较强。B/S架构无须升级多个客户端，升级服务器即可。可以随时更新版本，而无须用户重新下载更新。

2.4 桥区水域船舶管控主动预警系统内嵌人工智能

从微观角度来看，每一个桥梁监控信息点都是拥有独立计算能力的桥梁电子防撞系统，根据预警区域的实时情况，将本地桥梁及船舶情况反馈给桥梁监管部门或者船舶驾驶员。从宏观的角度，每一个桥梁水域监控信息点可以理解成一个局部的“感知器”。这些“感知器”将接收到的信息传达给数据中心，数据中心经过长时间的智能学习、分析、演算后，形成范围内拥有人工智能預警能力的桥区水域船舶管控主动预警系统。

对于复杂的桥区水域通航环境，船舶多数会凭借经验通过桥梁水域。但是，船舶碰撞桥梁事故往往都是由于经验不足或经验太充分导致罔顾安全而导致的。桥区水域船舶管控主动预警系统可以从两方面达到预警船舶避碰的功能：第一，通过AIS、VHF通信模块，将桥梁的实时通航情况通过AIS短报文及VHF语音播报在规定的无线电频道传达给来往船舶;第二，船舶驾驶者可通过移动终端实时输入自己船舶的信息及方位，主动了解桥梁通航情况，以实现安全通航。若船舶在当前预警水域偏航或者超高，也可以通过AIS、VHF接收到来自系统的告警信息。

系统后台可记录各桥梁的实时信息，包括实时净空高度、船舶信息、实时水域监控视频、异常通告等。要为监管部门提供可视化的操作后台，方便监管部门了解各地桥梁的情况。一旦收到某桥区的异常告警，监管部门可通过软件或者Web界面告知执法部门异常情况，对异常情况进行紧急处理。对于桥梁管理方或者船舶驾驶者来说，事前预警，哪怕只是一个温馨提示，都可以在事故发生前的关键时刻发挥关键作用，其价值往往不可限量。

3 系统设计实施场景

3.1 实施场景A

将外延装置安装在桥区水域两岸，也可以安装在桥区水域浮标系统中，该模块的作用是扩大预警防撞的预警范围。本文以外延浮标装置为例进行说明。浮标装置包括顶部设置的航标灯，航标灯连接有浮标体，且浮标体底部卡接有中空半球罩，浮标装置之间通过无线网络连接。

本装置可更精准反馈水上和水下通航物体位置、型宽、水线以上高度等数据，测量水流流速、水位等情况，能有效管理水域，预防船只碰撞。

通过设置的浮标装置，结合设置的各种检测传感器、声呐式液位传感器，可以更加精准地反馈船只位置及水位情况，精度更高，能更加有效地预防船只碰撞;结合设置的速度传感器，方便检测船只速度;结合设置的声光报警器，方便即时预警，避免船只与桥梁或岸/船发生碰撞;结合设置的电机和叶轮，方便调整浮标的位置，操作简单。

3.2 实施场景B

將各个浮标装置设置在水下利用导线连接，将浮标装置与控制箱实行有线电连接，这样既可以实现无线信号的连接，又可以实现有线控制。其余装置的连接方法、设置方法和功能原理与实施例1相同。

4 结语

本文设计的桥梁水域主动管控系统，能让船舶驾驶员提前了解当地桥梁的现状，使管理人员清楚当地得桥梁及水域实时情况，也可使执法部门通过有效的视频、音频等证据，追究相应人员的责任。同时，该系统实现了“互联网+大数据+人工智能”，在一定程度上保障了水上航运及陆上桥梁交通的协同发展，对未来实现智慧交通具有一定的参考作用。

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