特大桥防船撞主动预警系统的应用

钟仕兴

（广东飞达交通工程有限公司，广东 广州 510663）

船舶撞桥事故常造成严重的社会安全问题和巨大的经济损失，主要原因大致归纳为以下三类：一是超高、偏航船舶造成桥梁的损坏及意外事故；
二是恶劣的自然环境；
三是人为操作失误或机械故障，如主机熄火、舵机失灵、船队断缆等。其中，第三类事故的原因存在偶发性、不确定性，可以结合偏航和超高监测进行主动预警。

1.1 需求分析

一是完成过往船舶的航道监测，对偏航（驶入禁航区）的船舶予以警告、提示并适时引导船舶驶入通航区；
二是完成过往船舶的高度监测，对超高船舶予以警告，采取降高措施前禁止通行；
三是全天时、全天候监测预警，特别是浓雾、大雨、暴雨、暴雪等极端天气情况；
四是对违法船舶的非法行为进行取证。

1.2 桥区船撞桥风险分析

船撞桥主要是指船舶撞击桥墩或主梁，撞击桥墩主要是船舶偏航、逆行导致，撞击主梁则主要是船舶超高导致。当人为、船舶、自然等因素导致船舶偏航、逆行时，可能造成船舶撞击桥墩事件的发生。船舶撞击主梁主要是超高导致。随着航运需求日益增长，内河货运船舶大型化发展明显，可能存在超高船舶撞击主梁的风险。特大桥通常靠近大江及入海口交汇处，船舶很容易误入特大桥所在的水域，发生船撞事故。

1.3 预警系统的功能应用

结合船撞风险分析，特大桥存在船舶偏航、逆行、超高等导致船撞桥事件的风险，为及时掌握特大桥的通航情况和运营状态，对通航船舶的异常现象及时发现并报警，提高对突发事件的快速处置反应能力，并为今后调查取证与分析提供有力证据。

1.3.1 船舶航迹监测，船撞桥事件发生的主要原因是船舶偏航、逆行撞击桥墩。在桥墩附近设置安全区域，当船舶进入该区域时进行预警，则能有效提醒船舶驾驶员，降低船撞桥事件发生的概率。因此，特大桥防船撞主动预警系统最主要、最基础的功能是船舶航迹监测。

1.3.2 船舶超高监测，船撞桥事件发生的另一个主要原因是船舶超高撞击主梁。随着航运需求日益加大，内河货运船舶大型化发展明显，可能存在超高船舶撞击主梁的风险，需对其超高情况进行监测，降低船撞桥事件发生的概率。

1.3.3 视频监测，可实现桥梁现场的远程可视化，及时发现桥区的异常现象。当出现异常事件时，利用摄像机对船舶进行录像抓拍，可为后续调查取证、分析提供证据。

1.3.4 船撞监测，当船舶由于各种因素不可避免地撞击桥墩时，需对撞桥事件进行报警，并获得桥墩相应的动静力响应，为桥梁结构整体和局部的评估提供依据。

1.3.5 助航信息发布，当船舶驾驶员不了解桥区现状时，可能发生船撞桥事件。例如，珠海大桥就曾出现由于大雾天气，能见度低，驾驶员对航道不熟悉导致剐擦事件。为使船舶驾驶员了解桥区现状，对其发布桥区信息，使船舶驾驶员知晓桥区附近现状，辅助其顺利航行。综合考虑经济性，采用从航道等相关部门获取桥区助航信息的方式[1]。

1.3.6 预警信息发布，针对桥梁现场情况及时向相关人员（船舶驾驶员、管理部门）发出预警是特大桥防船撞主动预警系统最重要的功能，可使相关人员（船舶驾驶员、管理部门）及时掌握桥梁的现场情况。

综上所述，为降低船撞桥的概率，需对船舶偏航、逆行等情况进行监测。当过往船舶行驶正常时，对其发布桥区信息（助航信息、虚拟航标、电子围栏等），使船舶驾驶员知晓桥区附近的现状，辅助其顺利航行；
当出现过往船舶偏航、逆行等异常现象时，对其进行预警，并利用摄像机录像抓拍，为今后调查取证、分析提供证据；
当船舶由于各种因素不可避免地撞击桥墩时，对船撞桥事件进行报警，并获得桥墩相应的动静力响应，为桥梁结构评估提供依据。因此，特大桥防船撞主动预警系统需具备船舶类型监测、警告、主动避险功能。

2.1 船舶行驶监测技术对比分析

船舶行驶监测技术有多种，根据设计系统需求主要应用的技术有以下几种。

2.1.1 AIS，将船舶信息由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，在靠近桥梁的船舶行驶到设定的电子围栏区域后，进行警告主动避让。附近的船舶收到AIS 信息，通过解码得到桥梁附近船舶的位置信息，控制器根据桥梁以及船舶的位置判断船舶是否偏航。AIS 接收器具有距离远、不受天气影响的优点，但是AIS 信息受到位置识别GPS、发送时间的限制，精度比较低，误差大。

2.1.2 船舶探测微波雷达，船舶探测微波雷达通过发射天线向空中发射电磁波，电磁波遇到物体被反射回到接收天线，通过计算发射到接收之间的时间，便可以计算物体距离雷达的距离。发射天线以及接收天线在电机的带动下360°不间断发射以及接收电磁波，最终把雷达周围所有反射回波的物体位置识别出来，具有全天时、全天候、全方位、主动探测的特点，能实现船舶的远程监控。

2.1.3 多普勒微波雷达，多普勒微波雷达通过发出的电磁波与接收到的物体反射的电磁波的频率变化，探测移动物体的距离。多普勒微波雷达只能探测移动的船舶，具有全天候、主动探测的特点。

2.1.4 调频连续波（FMCW）雷达，调频连续波雷达利用在时间上按某一调制规则改变发射信号的频率，并测量接收信号相对于发射信号的频率差fb的方法来测定目标距离、方位角及速度，具有全天候、主动探测的特点。

2.1.5 激光雷达，激光雷达利用机械旋转装置带动激光测距仪不间断测量周围物体的距离，根据转动的角度以及检测到的距离识别物体的位置。

2.1.6 AI 图像，利用智能光电监测设备搜索河道内的船舶，通过AI 图像识别、测量船舶，并结合激光测距计算出船舶的位置及速度，具有安装方便，精度高的特点。综上所述，特大桥防船撞主动预警系统适合采用AIS、AI 图像和FMCW 雷达监测结合的方案。

2.2 船舶高度监测技术对比

2.2.1 激光对射遮挡式检测。激光对射遮挡式检测的优点是灵敏度高、可靠性高。缺点是要在上下游建造与桥梁相当高度的激光传感器支撑构造物，造价高，当河道跨度过大时，监测的灵敏度和准确度大大降低。

2.2.2 激光测距传感器扫描测距检测。激光测距传感器扫描测距检测是反射式测量，测量物的颜色、大小是影响测量的因素。另外，长距离激光测距传感器的测量频率普遍只有20 次/s 左右甚至更低，极容易造成漏报。长距离激光测距传感器的发射头寿命短，维护成本高。

2.2.3 固定式激光交叉式检测。固定式激光交叉式检测通过在通航孔的两侧超高预警高度安放一个固定的激光测距传感器进行探测，原理、优缺点与激光测距传感器扫描测距检测基本相同，成本增加了1 倍，可靠性有所提高。

2.2.4 图像识别检测船舶超高。图像识别检测船舶超高通过在通航孔的上下游超高预警高度水平安放一个固定的摄像机，根据成像区域的中心线上方是否有移动的图像，识别是否有超高物体。这种方法的优点是可靠性高，缺点是受雨雾天气影响较大。

2.2.5 激光雷达扫描检测。激光雷达扫描检测通过在桥梁的上下游安装激光雷达，向桥梁前方一定的范围密集发送激光束并检测反射光的时间，测量桥梁前方所有物体的点云数据，再通过计算机处理获得船舶的外形、位置、速度等数据。此方案的有效作用距离近，分辨率低。

2.2.6 AI 三光吊舱监测。AI 三光吊舱监测选用红外和可见光成像满足全天时监控的要求，利用激光测距和船舶成像大小的几何关系，计算出目标实物的大小，据此计算船舶的高度，提前对超高船舶警告，并对船舶取证。影响船舶超高判断的因素为船舶成像的高度、精度及船舶与桥的距离测量精度。此方案的有效作用距离远，精度高，超高、航迹监测结合，属于智能预警系统[2]。

特大桥防船撞主动预警系统通过超高监测预警船舶的异常事件，针对异常的时间采取相应的响应预警处理策略。

特大桥防船撞主动预警系统利用智能光电监测等手段，对靠近桥梁的船舶进行实时监测，并和监控中心联网，应用声、光等技术发出报警信号。系统架构采用现场服务器-云服务器-用户模式。现场服务器分布在各个监控点，通过光纤或5G 信号与云服务器传输信息、备份数据，现场服务器采用高档工业控制计算机主机或专用服务器。云服务器根据需要可以架设在管理部门或桥梁业主单位或电信机房。操作者可以通过手机、电脑终端等各种方式对系统报警信息进行处理、指挥、应对。云服务器及现场服务器组成双备份控制系统，任何一个损坏都不会影响系统的正常使用及数据安全。特大桥防船撞主动预警系统总体结构图如图1 所示。

图1 特大桥防船撞主动预警系统总体结构图

特大桥防船撞主动预警系统安装了现场主控单元、上/下游超高偏航监测单元、上/下游声光报警单元、碰撞检测单元、水位检测单元、视频监控及取证单元。在平台软件上弹出船舶撞击警告并发出警告声，同时发送短信给管理人员。

特大桥防船撞主动预警系统拟定三级预警流程，对通航船舶采用“助航预报—预警—报警”三个层次进行提示、提醒与预警，使系统发挥作用，保护桥梁通航安全，提高桥梁和航道的管理水平，提升对桥梁全时间段的保护及突发情况的及时响应。结合现场设备及后台软件，通航船舶进入监视区域即触发一级预警，通过AIS 系统识别船舶，向其发布助航信息，提醒船舶驾驶员按规安全行驶，并在平台软件预警信息模块记录助航信息。通航船舶出现偏航、逆行、超高即触发二级预警，通过AIS 系统和智能光电监测单元识别船舶，启动声光报警单元，对通航船舶进行预警，并利用摄像机进行录像抓拍，在平台软件预警信息模块记录偏航、逆行预警，且以红字滚动播放的形式提醒管理人员注意并及时处理。通航船舶撞击或剐蹭桥墩即触发三级预警，通过图像和激光探测器监测碰撞，并通过在桥墩上安装加速度计对桥墩振动进行监测记录，对船撞桥事件进行报警，利用桥墩振动特性判定是否发生船撞，并记录撞击后的桥墩动力响应，为桥梁船撞后的评估提供依据。

特大桥防船撞主动预警系统在应用中，遇到了一些实际问题，在解决问题的过程中，提高了系统在应用场景下的适应能力。一是超高偏航监测为远程、高精度测量，设备需要稳固无晃动且安装在监测视场无遮挡的平台上；
受到主塔上结构造型的限制，两座主塔之间的检修车往复移动遮挡了有利的设备安装区域。解决方法是采用两轴高精度陀螺稳像平台的光电监测设备，将设备安装在桥面外侧，确保设备的监测视场，并稳定跟踪监测，也便于维护。二是桥区水域轴向宽度约为6km、涉水桥墩多达17～80 个，船碰撞或剐蹭桥墩的风险较高；
偏航、超速预警等监测范围完全可以覆盖，但目前的超高监测距离达不到6km。解决方法是将核心设备安装在通航孔上方，重点监测通航孔区域、上下游各2km 范围内的水域，对于误进入桥区附近的、非通航区域的船舶，通过偏航预警监督其纠正航向，回归通航区域，尤其是对于船舶偏航有超速的高风险状况。三是两座主塔桥墩均离岸边较远且比较高，传统的水位传感器施工难度较大，维护不便且容易在低水位时无法正常探测水位。解决方法是采用大量程、无接触式测量的微波雷达水位计，直接安装在桥面外侧，准确实时监测特大桥的水位信息，便于安装维护，精度高，数据更新率可根据实际需求调整。四是通航孔桥面跨度较大，桥面碰撞的监测范围大，如果采用振动传感器检测的方式，需要在桥面底部安装较多的传感器，成本较高，且容易受斜拉索桥面晃动的干扰。解决方法是采用远程激光对射探测的方案，只需要在桥墩平台上安装两组设备，就能实时探测通航孔处的桥面碰撞。五是特大桥防船撞主动预警系统涉及特大桥安全，且设备之间的交互通信量大，不适合完全开放于网络中。解决方法是特大桥防船撞主动预警系统通过内部的局域网自成一体，形成千兆环网，保证高效、可靠的通信，再通过接口调用将事件数据、设备信息等实时发送至远程管理平台，避免设备受到非法访问或控制。

采用特大桥防船撞主动预警系统能够有效地对过往船舶进行预警，降低船撞桥的发生概率。针对特大桥现场管理复杂，供电、网络传输环境比较恶劣的情况，特大桥防船撞主动预警系统有利于提升特大桥管理单位的工作效率，减小巡查工作人员的劳动强度，缩短对桥底的安全巡查时间，降低维护保养费用和额外的保护设施费用支出，进而节省正常运营的成本，保证运营过程的安全，因此，要不断推动国内特大桥防船撞主动预警系统的应用技术逐步发展，走向成熟。