一种基于实时几何测距的船桥主动防撞方法

左佳，王耀武

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海，200120）

0 概述

一直以来，船舶碰撞都是重大水上交通事故，特别是大型船舶的船船相撞与船桥相撞，更是一场灾难。进入经济快速发展时代，随着船舶数量的剧增以及桥梁规模的扩大，船舶碰撞几率也大幅增加，碰撞风险与日俱增。如何有效规避船舶碰撞、最大程度降低碰撞风险，一直都是科研人员探索的重点。

早期的船舶防撞研究，探索出了很多方法。如安装AIS系统，增加船舶、船岸方面的通信与紧急援救；开发了船舶防撞的主动防御和被动防御方法，从概率论、方法学、风险管理等维度，全方位减小船舶碰撞的概率、降低碰撞的损失等。尽管如此，但船舶碰撞事件仍然时有发生，究其原因，不是前期的方法不科学，而是需要对船舶进行一定的改造，船主怕麻烦或投资而拒绝采用。如何不增加船舶负担而能起到较好的避撞效果，成了当前时不我待的研究课题。

结合多年在船岸协同、智慧交通等领域的研究，本文提出了一种主动防撞方法，该方法基于实时几何测距，对船舶的改造量甚微。船舶只需维护2张距离矩阵或告警逻辑矩阵，即可实时掌握船舶的航行情况，可取到很好的船舶避撞效果。

1 基于实时几何测距的主动船桥防撞

1.1 坐标轴的建立

坐标轴的建立，可以有多种方法。本文基于欧洲规范船舶碰撞概率计算模型，按照如下方法建立船舶航行的坐标轴（如图1所示）：

图1 坐标系的建立

（1）X轴：以河流的方向为X轴，原点O点为桥的中心点。

（2）Y轴：与河流方向垂直、桥梁的中心线。

总体而已，X轴，即为河流水流的方向，严格意义上讲，应为船的行驶方向；Y轴即为桥梁的方向，相当于是对船的行驶方法逆时针旋转90°。

1.2 船舶与桥墩的定位取点

在坐标体系建立后，接着是对船舶和桥墩的定位取点。船舶和桥墩的定位取点，既要具有代表性，充分实施对船的定位；又要尽量减少因为距离计算给服务器带来的计算开销。

在本文所提出的主动防撞方法中，船舶和桥墩的定位取点方法如下：

（1）船舶：仿造钟表的模式，取12个点，既充分实施了对船的全景定位，又方便舵手对水手的指挥，比如舵手通知“1点钟测距告警，需水手现场查看，实时反馈”等。

（2）桥墩：鉴于桥墩大多是“四四方方”的可以当作矩阵处理，故而桥墩取4个点。同时，4点定位法，也适合圆形桥墩（四点分别为90°、180°、270°、360°所在位置）。

1.3 船舶与桥墩的几何测距

在船舶和桥墩取点确定后，即可展开船舶与桥墩的几何测距。

对于船C，一共 12个点：C01、C02、C03……C12，每个点与桥墩D1的距离如下：

基于此，船的每个点到桥墩的距离，是一个1×4的距离矩阵；船到桥墩的距离，是一个12×4的距离矩阵，船C到桥墩D1的距离矩阵如（式4）所示。同样的道理，船C到桥墩D2的具体也可以表示成相应的矩阵，如（5）所示。

1.4 预警距离的说明

按照红橙黄蓝绿五种颜色对应告警等级的不同，船与桥墩的距离，可以分为如下五类：

（1）安全距离（Green Distance，GD）：船与桥墩的距离足够长，此时桥墩未对船（或者说船未对桥墩）构成任何威胁，当前尚未发现危机，报警系统无需启动，默认情况下，GD可设置为500m。

（2）四级预警距离（Blue Distance，BD）：船与桥墩的距离为可视距离，船舵手有足够的时间来应对危机，但如果处置不当，或船舵手放任事件的发生，船与桥墩碰撞的几率会大幅增加。进入四级预警距离后，预警系统启动，提示船舵手和水手注意。默认情况下，BD可设置为200m。

（3）三级预警距离（Yellow Distance，YD）：船与桥墩的距离为可视距离，船舵手清晰地了解船的航行情况，或者说，船的航行情况均处于可控情形内。但如果处置不当，或船舵手放任事件的发生，船与桥墩碰撞的几率会进一步加大。进入三级预警距离后，预警系统启动，通知船舵手和关键岗位的水手注意。默认情况下，YD可设置为50m。

（4）二级预警距离（OrangeDistance，OD）：船与桥墩的距离为可视距离，桥墩就在船的正前方。此时，船的航行情况均处于可控情形内。但如果处置不当，或船舵手放任事件的发生，船与桥墩碰撞的几率会持续增大。进入二级预警距离后，预警系统持续运行中，告知船舵手和所有水手注意，时刻戒备中。默认情况下，OD可设置为10m。

（5）一级预警距离（RedDistance，RD）：一般情况下，正常的话，船通过桥梁，到二级预警级别后，会相继取消二级预警、三级预警、四级预警等所有预警。但不排除特殊情况，船与桥墩的距离越来越近，如果处置不当，或船舵手放任事件的发生，船会大概率撞上桥墩。此时船舶会进入到一级预警，船舵手和所有水手各就各位，各司其职。默认情况下，RD可设置为2m。

1.5 安全预警的逻辑设置

在船通过桥梁的过程中，船的计算系统，通过获取传感器（包括高清摄像头、激光雷达或毫米波雷达等）反馈的信息提取出距离信息，维持船到周边两个桥墩的距离矩阵。为了与船舶告警系统匹配，方便船舵手或其他岗位船员的操作，本方法中，对距离矩阵进行调整，改变成为相应的逻辑告警矩阵（A（C->D2）和 A（C->D2）），原则如下 ：

（1）当距离矩阵中的某一距离大于四级预警距离BD时，逻辑告警矩阵则将该距离标识为GD，底色为绿色；

（2）当距离矩阵中的某一距离大于三级预警距离YD时，逻辑告警矩阵则将该距离标识为BD，底色为蓝色；

（3）当距离矩阵中的某一距离大于二级预警距离OD时，逻辑告警矩阵则将该距离标识为YD，底色为黄色；

（4）当距离矩阵中的某一距离大于一级预警距离RD时，逻辑告警矩阵则将该距离标识为OD，底色为橙色；

（5）当距离矩阵中的某一距离小于等于一级预警距离RD时，逻辑告警矩阵则将该距离标识为RD，底色为红色。

图2为一种逻辑告警矩阵示例。从图2可知，此时船正在通过桥梁，9点钟点位C09与桥墩D2的一侧（D23、D24）距离最近，已处于危险距离。8点钟点位C08和10点钟点位C10的具体可以作为辅助证明。此时，需要将船远离桥墩D2。

图2 某一时刻船C到桥墩D2的逻辑告警矩阵

2 结束语

船舶相撞是水上交通的重大事故之一，不仅会给责任双方带来重大的经济损失，也会造成恶劣的社会影响。本着“最小化改造船舶、不给船主增加代价”的原则，本文提出了一种基于实时几何测距的船桥主动防撞方法。后期，将主要从两个方面开展工作。一方面，对本文提出的防撞预警方法，进行改良，在不影响效果的情况下如何减少定位点进而减少计算工作量；另一方面，开发更多的船舶防撞方法，力争让更多的船舶受益。