内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统实现

桑凌志, 毛 喆, 张文娟, 严新平

(1. 武汉理工大学 智能交通系统研究中心， 武汉 430063； 2. 水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心， 武汉 430063； 3. 交通运输部长江航运技术行业研发中心 水上交通安全与防污染研发基地， 武汉 430063)

内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统实现

桑凌志1,2,3, 毛 喆1,2,3, 张文娟1,2,3, 严新平1,2,3

(1. 武汉理工大学 智能交通系统研究中心， 武汉 430063； 2. 水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心， 武汉 430063； 3. 交通运输部长江航运技术行业研发中心 水上交通安全与防污染研发基地， 武汉 430063)

为保障内河多桥梁水域通航安全,开发实时可靠的内河多桥梁水域船舶安全预警系统。结合现有的系统无法有效判断监管区域内船舶实时航行的态势、无法实时给出区域内高风险船舶的缺点，对内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统的功能需求进行分析，对系统的总体构架、系统功能、系统组成进行设计，结合内河船舶安全预警算法实现该系统。在武汉海事局进行系统应用示范，结果表明，该系统能够有效弥补现有监管系统的不足，提高内河多桥区水域的监管效率，保障水上人命财产安全。

水路运输； 内河； 多桥梁水域； 船舶； 预警； 系统

近年来，我国内河航运发展迅速，以长江干线为例，2012年货物通过量达18亿t，相当于20条以上京广铁路的运输量，已成为世界上运量最大的通航河流，同比增长8.4%[1]，稳居世界第一。2011年1月，国务院提出力争用10 a左右时间建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系[2]，这标志着加快长江等内河水运的发展已上升为国家战略，内河航运必将持续稳定、快速发展。

桥梁作为沟通河流两岸之间陆路交通运输的纽带，具有重要的地位和作用。但其在便利陆路交通的同时，也限制着内河通航尺度，并成为通航瓶颈。发生在桥区的船舶事故在给桥梁本身造成损坏的同时，也极易造成航道拥堵。一直以来，海事管理部门都将桥区作为最重要的监管区域进行监管。

虽然在加强桥区水域监管方面做了大量工作，但水上交通事故仍然频频发生，如2011年6月武汉长江大桥被撞、2013年5月南京长江大桥被撞、2013年8月椒江大桥被撞、2014年1月武汉长江大桥再次被碰等，桥区水域安全监管任务依然艰巨。

目前，桥梁随着我国交通运输事业的发展越建越多，越建越密，仅武汉市就有已建成跨江大桥7座、在建1座、规划建设3座。就发展趋势而言，随着桥梁不断增多，未来内河大量“桥区水域”将由点成线，形成“多桥梁水域”。基于此，多桥梁水域的安全问题将更加敏感，安全监管也将更加困难。因此，针对内河多桥梁水域特点，开发内河多桥梁水域船舶安全预警系统，具有极其重要的现实意义。

1 内河多桥梁水域安全监管现状

经过海事“十一五”信息化建设，目前已在内河水域初步构建成由船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services, VTS)、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)、闭路电视系统(Closed Circuit TeleVision, CCTV)和无线射频识别系统(Radio Frequency Identification Devices, RFID)等组成的针对船舶航行的立体化监管体系。[3]该监管系统在多内河、多桥梁水域的安全监管中发挥着重要作用。

1. VTS是由主管机关实施的，用于提高船舶交通安全和效率及提供保护环境的服务(该服务应能在其覆盖水域内与交通相互作用，并对交通形势变化做出反应)。[4]其主要功能是对船舶提供信息服务、助航服务和交通组织服务，并协助进行联合服务和应急服务等。[5-6]我国已建成并运行的内河VTS中心主要在长江沿线，具有一定局限性：跟踪精度、目标参数识别率低，恶劣天气下系统可靠性差、无法自动识别，系统封闭，受人为影响大[7-8]，在内河使用时盲区范围大、受地形特征影响大[9]。

2.AIS是一种集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术于一体的新型数字助航系统，采用自控时分多址技术，配合全球定位系统将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态信息和船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态信息通过甚高频(Very High Frequency, VHF)频道向附近水域船舶及岸台进行广播。随着AIS技术不断发展和普及，AIS在水上交通安全保障中发挥着越来越重要的作用。

3.海事CCTV系统具有实时、直观、远程的特点，可得到直观的图像信息，能弥补VTS雷达的局限，现已在各重要水域的实时监管中得到广泛应用，在实施船舶交通动态管理、加强执法力度、提高监管效率等方面起到了重要作用。[10]CCTV不仅能够有效提高海事监管水平，节约海事运行成本、船舶遇险救助的时间成本，提高救助效率及救助决策能力，还可以通过回放录像资料，为海事行政执法和处理水上交通事故提供有力证据。[11]

4.RFID设备具有非接触、多目标、可对高速移动物体进行识别等特点，已在江浙水网、南通、连云港、宁波等地的船舶管理中推广应用。[12]RFID识别技术可通过与船舶绑定的电子标签信息确认该船舶的准确“身份”，记录和更新船舶动态数据，以供管理部门随时查询。

针对内河船舶安全的信息化建设已基本完成，且重点已转变为多源数据的融合研究，包括VTS与AIS数据的融合[13-14]，AIS与CCTV的快速融合与联动[15]、RFID与CCTV的融合及更多源数据的融合[16]等。然而，这些信息化监管系统及现在的多源数据融合研究都以尽可能实时准确地获得船舶静态与动态信息为目的。就多桥梁水域而言，针对如何结合多桥梁水域通航环境的实际特点，更加有效地帮助海事监管人员对这类水域的通航安全形势进行判断，缺少实证研究和可用的预警系统。而结合现阶段各个信息化监管平台所获得的信息，如何针对内河多桥梁水域预知船舶的航行态势风险并及时提醒船舶驾驶员与现场监管人员更加有效地防范多桥梁水域交通事故，也缺少相关的数据处理方法与展示平台。

2 系统需求分析

多桥梁水域船舶安全航行预警系统用于对多桥梁水域船舶的航行状态进行实时监控，并对航行过程中的潜在风险进行预判别，实现对船舶航行风险的实时预警，为海事监管部门和船舶驾驶人员及时采取安全应对措施创造条件。系统应满足以下需求。

2.1目标水域的全方位监控

系统需要对所监控水域的通航条件、水文条件、气象条件及水域内的船舶进行监控。通航条件包括航标、航道、浅滩暗礁、桥梁及其他通航建筑物等信息；水文条件包括水位、流速、流向；气象条件包括能见度、风息、风向；水域内船舶信息包括船舶的静态信息、动态信息和航次信息。具体静态信息有船名、海上移动通信业务标识(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)、船长、船宽、型深等；动态信息包括船位、航速、航向、艏向等；航次信息包括始发港、目的港、货物种类、装载重量、吃水等。

2.2对目标水域的实时监控

为保证预警功能的及时性，需对连续桥区进行实时、不间断监控。因此,前端传感器应能实时、不间断地采集各种信息，能将其传输至岸基端并存储至数据库中。系统也需要对数据库中的数据进行实时分析处理。

2.3监控信息可视化

为便于管理人员了解多桥梁水域实时通航信息，需结合电子航道图，直观地反映监控所需的各种通航环境、水文、气象与船舶交通信息。

2.4船舶航行态势的实时预测

根据数据库中的实时水文、气象及所监控船舶的状态信息，预测船舶航行态势。通过船位的变化、航速航向变化以及风和流对船舶的致漂影响，预测船舶航迹，对其航行态势进行预判断。

2.5船舶事故风险的实时评估

要能根据预测的船舶航行态势，结合水文、气象信息，对船舶实时事故风险进行评估，并能将事故风险较高的船舶相关信息在电子航道图上显示出来，帮助管理人员筛选重点监控船舶，提高监管效率。

2.6船舶航迹回放

实现船舶历史航行状态(即历史航迹)的回放功能，以还原船舶航行场景，协助分析船舶交通流特征，协助水上交通事故的调查取证。

2.7预警信息管理

包括对当前预警信息和历史预警信息的管理，能够按照指定条件进行查询和查看，协助分析多桥梁水域事故与预警特征。

3 系统设计

多桥梁水域船舶安全航行预警系统基于电子航道图进行开发，通过实时接收多桥梁水域的船舶数据、水文数据、气象数据，结合电子航道图中的通航环境数据，对船舶航行态势进行预测，进而实现对船舶航行的实时风险评价，并根据评价结果进行预警。系统层次结构见图1。

3.1系统总体构架

海事监管部门需要利用本系统对多桥梁水域内的所有航行船舶进行监控和预警。由于海事监管部门的指挥中心、执法大队及现场执法人员都需要访问该系统，远程访问用户量大，因此系统采用Browser/Server(B/S)架构。用户通过Web浏览器访问服务器端，Web服务器端在收到请求后，进行相应的反馈。其中，服务器端需要进行相应的数据处理运算，此过程需要与数据库交互。系统总体构架见图2。

图1 系统层次结构

图2 系统总体结构

当船舶进入多桥梁水域时，岸基设备主动(VTS系统)和被动(AIS系统)得到船舶信息，同时接收来自水文传感器和气象传感器的信息。所有接收到的数据都被存储到服务器的数据库中。

Web服务器根据数据库中的信息，结合电子航道图提供的通航环境信息,对船舶态势进行判断处理，并对船舶实时风险进行评估计算，得到预警信息。处理后的信息也同时保存到数据库中。

岸基监控端和其他远程访问客户端可利用电子航道图调用服务器中的数据，并将这些信息直观显示在电子航道图上。

3.2系统功能

根据实际需求，系统功能模块应包括：航道图显示模块、航道图操作模块、通航环境监控模块、航迹管理模块、事故预警模块、预警信息查询模块及系统管理模块(见图3)。

图3 系统功能模块

1) 航道图显示模块：用于管理航道图图库，并对其显示模式与情景进行设置。图库管理用于添加和删除系统图库；显示模式允许用户根据需要选择航道图上信息显示的详略情况，包括全部显示、标准显示和基本显示等3种模式；情景设置允许用户按白天、傍晚和黑夜等3种不同情景进行显示。

2) 航道图操作模块：主要有航道图的显示及放大、缩小、移动等基本操作功能。

3) 通航环境监控模块：用于控制监控的开启与关闭，并且允许用户根据不同的需求进行监控方式的设置。

4) 航迹管理模块：实现对船舶航迹的管理，包括船舶的预测、航迹的显示及历史航迹的回放。

5) 事故预警模块：根据船舶运动态势及船舶周边环境进行动态预警判断，如出现警情，系统界面报警灯闪烁，并发出报警声。

6) 预警信息查询模块：提供预警信息查询功能，可根据指定查询条件查询预警信息。历史预警信息包括预警类型、级别、报警时间、结束时间和预警时船舶位置。

7) 系统管理模块：提供系统升级功能及用户管理功能。

3.3系统组成

按照数据在系统中的流动过程，可将整个系统分为4部分：数据接入部分、数据存储部分、数据处理部分、数据展示部分(见图4)。其中，数据处理部分包括船舶航迹预测和航行预警2个关键部分。

3.3.1数据接入部分

(1) 船舶信息：通过VTS、雷达、AIS等现场传感器得到,并接入系统，船舶信息包括水域内所有船舶的静态信息、动态信息与航次信息。静态信息包括船名、MMSI、船长、船宽、型深等，动态信息包括船位、航速、航向，航次信息包括始发港、目的港、货物种类、吃水等；

图4 系统功能流程

(2) 水文信息：通过水文传感器得到，并接入系统，包括水位、流速和流向；

(3) 气象信息：通过气象传感器得到，并接入系统，包括能见度、风速和风向；

(4) 通航条件信息：主要指多桥梁水域的通航环境信息，可通过电子航道图得到，包括航标信息、航道宽度、航道最小水深、航道曲率半径、浅滩暗礁信息、桥梁信息及其他通航建筑物信息等。

3.3.2数据存储部分

数据存储部分就是系统的数据库，存储数据接入部分所接入的船舶信息、水文信息、气象信息和通航条件信息。

同时，数据处理部分也会将接入并经处理得到的船舶航迹预测信息、最近会遇距离(Distance to the Closed Point Approach, DCPA)、最近会遇时间(Time to the Closed Point Approach, TCPA)和航行预警信息存放到数据库中。

3.3.3数据处理部分

数据处理部分主要实现对船舶航迹的预测，准确地推算船舶的DCPA、TCPA，并对船舶安全航行风险进行评估，根据评估结果进行预警。

(1) 根据数据库中的船舶信息、水文信息、气象信息和通航环境信息，实时预测船舶航迹；

(2) 通过船舶的航迹信息，实时判断船舶与目标物(包括他船、航标、桥墩、暗礁等)之间相对航行时的DCPA与TCPA；

(3) 根据船舶与目标物尺寸，结合实时DCPA与TCPA，对事故风险进行实时评估，并给出预警等级。

如何在实时评估计算事故风险后根据实时DCPA与TCPA给出预警等级，是系统实现的关键。

3.3.4数据展示部分

数据展示部分基于电子航道图完成，即所有的数据展示都可在电子航道图上进行。可展示的数据有：通航环境信息、水文信息、气象信息、船舶信息、船舶交通信息、航迹预测信息和航行预警信息。

4 船舶航行预警方法

要对船舶安全风险进行评价，需对船舶发生碰撞事故的可能性及其后果进行评估。利用所得到的DCPA值和TCPA值(即考虑空间和时间2方面的因素)评价船舶安全风险并进行航行预警。DCPA可表明是否存在碰撞危险，TCPA可表明危险的紧迫性。此时船舶的碰撞风险ρ可表示为

ρ=ρd×ρt×k

(1)

式(1)中：ρd为与DCPA相关的距离危险因子；ρt为与TCPA相关的时间危险因子；k为事故类型限定参数，取0或1。对于目标物为他船、航标、桥墩时的碰撞和触损事故，k=1；对于目标物为暗礁或浅滩的搁浅和触礁事故，需要根据浅滩和暗礁的深度、当前水位及船舶吃水情况判断是否搁浅或触礁，若是，k=1，否则无危险，k=0。

设船舶与碍航物的最小安全距离为D，由预测点得到的DCPA为d，则距离危险因子ρd为

(2)

当d≥D时，ρd=0，即船舶不会碰撞目标物，是安全的。其中，最小安全距离D通过对船员进行调研，取其经验值。

设船舶以最大转向角旋回90°所需要的时间为T，由预测点得到的最近会遇时间TCPA为t，则时间危险因子ρt为

(3)

当t≥T时，ρt=0，即船舶有足够的用于调整航向的时间，是安全的。此时船舶的碰撞风险ρ为

(4)

将船舶航行风险ρ作为具体的预警指标，通过专家咨询将船舶实时碰撞风险的取值范围[0,1]划分为若干区间，根据计算得到的实时船舶事故风险值即可实现对船舶事故风险的预警。

5 系统实现与应用

利用软件开发工具Visual C++和数据库管理系统Structured Query Language (SQL) Server 2005，对多桥梁水域船舶安全航行预警系统进行开发(见图5、图6)。

图5 系统登陆界面

图6 系统运行界面

多桥梁水域船舶安全航行预警系统实现后，在长江武汉段对其进行了示范应用。在武汉海事局辖区范围内，武汉市城区建设有白沙洲长江大桥、鹦鹉洲长江大桥、武汉长江大桥、武汉长江二桥、武汉二七长江大桥、天兴洲长江大桥6座大桥，分布密集，一旦出现事故，将造成巨大人命与财产损失，监管压力较大。

系统从2013年11月开始在武汉海事局试用，在半年多的试用期中，系统监控管理效果理想，多次协助发现船舶在该多桥区水域的高风险航行行为，包括2014年1月“力源2”轮刮碰武汉长江大桥事件，极大地减轻了桥区安全监管和安全预警的工作量。试用单位认为该系统的普及将有助于增强我国内河海事管理的智能化和自动化水平。

6 结 语

针对多桥梁水域的安全监管，对现阶段正在使用的各种安全监管系统进行了分析，认为这些系统都有无法有效判断监管区域内船舶实时航行的态势、无法实时给出区域内高风险的重点监管船舶信息的不足。在此基础上，对多桥梁水域船舶安全航行预警系统的需求进行了分析，综合考虑系统总体架构、系统功能、系统组成等，对系统进行了设计。

根据实时DCPA与TCPA，建立了多桥梁水域船舶安全风险的实时评价方法，并以此为根据实时判断、得到预警等级。

以电子航道图为基础，结合在航船舶实时信息、水文信息、气象信息，基于多桥梁水域船舶安全风险的实时评价方法，开发了内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统，并对其进行了示范应用。

运用内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统可以更好地对多桥区水域进行实时监控，通过预测船舶航迹判断航行态势，实现对水域船舶的实时风险分析与警示，帮助海事监管人员及时对多桥梁水域的水上交通事故进行预判断，具有实际应用意义。

[1] 长江航务管理局. 长江航运发展报告(2012)[R]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

[2] 国务院. 关于加快长江等内河水运发展的意见[R]. 国发〔2011〕2号.

[3] 交通运输部海事局. 海事信息系统顶层设计报告[R]. 2011.

[4] The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA). Vessel Traffic Services Manual (VTS MANUAL 2002)[R]. 2002.

[5] 刘人杰,柳晓明,索继东，等. 船舶交通管理电子信息系统[M]. 大连: 大连海事大学出版社,2006：4-8.

[6] 丁肖. 基于RFID技术的内河船舶监管系统研究[D]. 武汉：武汉理工大学, 2011.

[7] 黄健伟, 陆悦铭, 李义斌. AIS时代VTS面临的新课题[J]. 上海海事大学学报, 2007, 28(3): 19-23.

[8] 朱加高, 陈建华. VTS的效用及中国VTS管理现状[J]. 大连海事大学学报, 2008, 34(S1): 30-33.

[9] 丁鹭飞, 耿富录，陈健春. 雷达原理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社， 2002：167-176.

[10] 兰培真, 韩建平, 洪晶. 海事智能视频监控系统设计与实现[J]. 中国航海, 2008,31(1): 24-27.

[11] 王琪, 林永娟. 发挥CCTV视频系统优势 实现低碳化海事管理[J]. 航海技术, 2010(6): 62-63.

[12] 陈卓. 基于主动式RFID的内河船舶监控系统的开发研究[D]. 上海：上海海事大学， 2007.

[13] HARRE I. AIS Adding New Quality to VTS Systems[J]. Journal of Navigation, 2000, 53(3)： 527-539.

[14] LIU Chang, SHI Xiaofei. Study of Data Fusion of AIS and Radar[C]. International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition， 2009.

[15] 兰培真, 陶进. 海事闭路电视智能监管联动系统[J]. 中国航海, 2010, 33(4): 26-29.

[16] 王哲月. 基于RFID和CCTV的内河交通视频快速检索系统设计[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.

ImplementationofShipSafetyWarningSystemforInlandMulti-BridgeWaterways

SANGLingzhi1,2,3，MAOZhe1,2,3，ZHANGWenjuan1,2,3，YANXinping1,2,3

(1.Intelligent Transportation System of Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Engineering Research Center of Transportation Safety, Ministry of Education, Wuhan 430063, China; 3. Research and Development Base on Waterway Transportation Safety and Anti-Pollution of Changjiang Transportation Technology Industry Research and Development Center, Ministry of Transport, Wuhan 430063, China)

With the aim of developing a ship safety early warning system for inland multi-bridge waterways, which will work reliably and real-timely to assist in ensuring the navigation safety in these waterways, the function requirements for the new early warning system are defined based on the analysis of the function limitations of existing early warning systems, which are not able to effectively judge the navigational situation and can not real-timely determine the ships at high risk. The frame, functions, main compositions and structure of the system are designed and the algorithm for early warning of risky ship is developed. The proposed ship safety warning system for inland multi-bridge waterways is developed and installed for Wuhan Maritime Safety Administration. Field operation of the system shows that this system could overcome the shortages of existing supervisory systems, improve the efficiency of supervising and contribute to the safety of people and property in the inland multi-bridge waterways.

waterway transportation; inland; multi-bridge waterway; ship; early warning; system

2014-07-20

国家自然科学基金(51309187); 中央高校基本科研业务费专项资金(133244002)；交通运输部西部科技建设重大专项(201132821110)

桑凌志(1987—)，男，湖北荆州人，博士生，研究方向为桥区水上交通安全预警与事故分析。E-mail：sanglz@126.com

1000-4653(2014)04-0034-06

U676.1; U698

A