桥梁施工区域通航安全预警技术研究

李强明，王 彤

1.江苏省交通运输厅公路事业发展中心，江苏 南京 210000

2.江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210000

近年来，交通基础设施建设日趋完善，目前我国公路桥梁数量已超过80万座，大桥6万多座，在建的长江大桥总量达到135座。随着交通运输业的迅猛发展，内河航道水运交通也变得十分繁忙，全国有通航桥梁5000座以上，近年来多个省市海事部门及交通运输部多次发文，未来几年，桥梁防撞专项治理活动将促进桥梁预警技术的进一步发展。在桥梁建设过程中会侵占原有航道空间，桥梁通航净高有限，在船舶驾驶员的人为影响因素与天气水文因素的共同作用下，会增加船舶碰撞桥梁的风险。现阶段我国对施工中桥梁船舶防碰撞的预警设施并不完善，绝大部分施工中的桥梁没有安装防碰撞预警系统，一旦发生事故会对社会造成重大影响，损失严重，给海事、交通路桥部门带来繁重的管理工作[1]。

2012年国道105线中山沙口大桥旧桥中间跨主桥箱梁上游侧面靠底部被船只撞击，造成梁体损坏严重影响施工进度。2016年江西抚河采砂船撞上了正在施工中的东昌高速干港特大桥及项目施工便桥，致使项目施工受到影响。现有的桥梁防撞预警系统多是基于激光雷达技术，由激光雷达、预警设备（生预警、光预警）、监控平台等几部分组成[2]。通过激光雷达监测进入桥梁施工区域的船舶有无超高现象，利用水位传感器获取桥梁施工区域的水深信息，利用船舶自动识别系统获取通行船只的名称、尺寸、吨位、航速、位置、方向等信息[3]。通过水深数据和桥梁施工数据实时计算通航净高，由监控平台根据实时采集的雷达信号判断通航船只有无超高，经船舶自动识别系统、预警设备及时对过往船只发布实时通航净高信息以及船舶超高预警信息，但是该技术造价较高，维护复杂。在靠近居民生活区时，夜间会产生声、光污染，扰乱生活秩序。

1 桥梁施工区域通航安全预警系统介绍

1.1 系统设计原则

（1）适合性。数据安全为首要设计原则，体系结构既满足行业数据保密要求，同时又能满足使用简捷方便等功能性需求。

（2）稳定性。系统保证全天候不间断稳定运行，操作界面设计，数据库设计，模块设计，数据结构设计充分考虑系统稳定性。

（3）经济性原则。在满足系统功能的前提下，精简系统设备，合理利用原有设备，尽可能以较低的投入取得较大的效益。

（4）人机界面友好原则。用户能够在较短的时间内学会使用并掌握系统的全部功能，提高系统的实用性。

1.2 系统功能介绍

桥梁施工区域通航安全预警系统可对桥梁施工区域过往船只进行预警，可避免船只撞向桥梁施工区域而发生事故。该系统的核心为两台带有夜视功能的高清摄像头，安装在围堰或者桥梁特定位置和高度，利用监控图像AI识别技术对通航水域内的高清视频进行扫描，对监控水域的画面信息进行智能分析，在桥梁施工区域上下游1km范围内对构成安全威胁的船只进行识别（包括船只尺寸、位置、方向等），并将识别信息上传中心服务器，由中心服务器自动控制甚高频无线电广播系统，通过海事船舶自动识别系统与过往船只进行通信，播报语音预警，使船员提前知道前方存在施工区域，提高警惕，从而保证桥梁施工区域的交通安全。桥梁施工区域通航安全预警系统示意图如图1所示。

图1 桥梁施工区域通航安全预警系统示意图

2 桥梁施工区域通航安全预警关键技术与原理

2.1 监控图像AI识别技术

监控图像AI识别技术是针对现有的视频监控系统，对其监控画面进行智能识别，图像识别的过程与人脑图像识别的过程大致相同，主要包括以下步骤：

（1）图像获取，通过高清摄像探头，将图像信号转换成电信号，即获取被识别对象的基本信息，并将其转换为计算机可以识别的信息。

（2）信息预处理，主要是指利用去噪、变换和平滑等操作对图像进行处理，在此基础上对图像的重要特征进行放大。

（3）特征提取，主要指模式识别中图像特征的提取与选择。针对船只图像的特点，对图像特征进行识别，提取船只特征值。

（4）分类决策，基于识别船只规则进行分类器的训练，在此基础上得到船只的主要类型特征，从而不断提高图像识别的准确率，然后通过特征识别对图像进行评价和确认。

2.2 甚高频通信技术（VHF）

甚高频通信系统由四部分组成，分别为发射机、收信机、控制盒、天线。发射机将音频信号调制到载波后，经天线发射后由收信机接收，信号经过一系列的变成音频信号，传输至船舶驾驶舱。收发信机通信基本模型如图2所示。

图2 收发信机通信基本模型

甚高频通信系统的发射机一般由音频放大器、振荡器、调制器、前置放大器、高频功率放大器等组成。音频放大器将音频电信号进行放大，由混频器将放大后的音频信号加在高频载波信号上面生成高频信号，然后经过振荡器与调制器形成甚高频载波信号，通过前置放大器和功率放大器把调制后的高频信号放大，经天线发射到空中。

甚高频通信系统的收信机由高频放大电路、混频放大器、振荡器、中频放大器、检波器、音频放大器和音频输出等组成。高频放大电路可放大接收信号电磁波，混频器是利用振荡器将接收的高频电磁波生成中频信号，经中频放大器进行放大，然后通过检波器分离声音信号，最后经音频放大器输出音频

2.3 预警控制研究

桥梁施工区域通航安全预警系统接受监控图像AI识别信号后，激发VHF系统，发送预警音频。在桥梁施工区域通航安全预警系统发送预警信号完毕后，发射机停止发射，等待船只接收信号。收发信机平时都处于接收状态，当驾驶人员接收到预警信息后，谨慎操作船只，避免发送碰撞。如监控图像AI识别到船只进入桥墩施工危险区域，若在白天，控制平台自动启动喇叭，提醒施工人员注意安全，紧急撤离；若在夜晚，控制平台自动启动灯光驱离船只。

3 工程应用

桥梁施工区域通航安全预警技术在盱眙县淮河大桥改造工程等江苏省多个桥梁建设工程中得到了应用，取得了良好的应用效果。盱眙县淮河大桥改造工程依次跨越淮河主航道、二淮河航道、扁担河等河道及河滩。其围堰基坑的深度是内河航道全国第一深，围堰内水头落差最大深度为22m，对工程建设期间的安全要求较高。该工程利用桥梁施工区域通航安全预警系统，采用无线广播的形式对过往船只进行安全提醒，提醒内容为“盱眙海事处提醒，前方淮河大桥施工，请注意避让。”播放频道为盱眙海事处专用通道69频道。累计预警已达141373次。通过提醒过往船只，注意避让施工区域，既保护了船只安全，也保证了施工作业的正常进行。工程应用案例如图3所示。

图3 工程应用案例

4 结束语

文章针对通航水域在建桥梁工程的安全，利用监控图像AI识别技术、甚高频通信技术（VHF）、船舶自动识别系统等，研究了桥梁施工区域通航安全预警系统，该系统可在施工区域1km范围内，精准识别过往船只，通过海事船舶自动识别系统与过往船只进行通信，播报语音预警，使船员提前获知前方存在施工区域，提高航行警惕，减少交通隐患，保障桥梁施工区域的安全。