基于互联网的内河桥梁主动防船撞实时预警系统∗

陆 兵

（1.常州轻工职业技术学院 常州 213164）（2.江苏省桥梁防撞系统工程技术研究中心 常州 213164）

1 引言

由于航道水位变化和船舶偏航等原因，经常发生船舶航行时碰撞桥梁的事故，其中最典型的是2007 年6 月15 日，一艘佛山籍运沙船撞击九江大桥桥墩，造成九江大桥约200m 桥面坍塌，4 辆汽车坠江，9人死亡，直接经济损失达3亿元人民币。这些安全事故给国家财产和人民生命造成了巨大损失。为保障桥梁运营安全，船桥碰撞及桥梁的防撞研究已成为具有广泛意义的国际性课题，日益引起各国政府、学者、工程界的关注［1］。

国内外现有的桥梁防船舶撞击技术主要是基于被动防船撞系统和船舶交通管理系统进行工作的［2］。虽然国内已经有了一些关于桥梁主动防撞预警技术的研究［3～6］，但这些研究成果主要集中在测量船舶净高，而对船舶偏航检测的研究则十分缺乏，也没有构建出一个全天候全方位的实时预警系统。

本文基于对整个桥梁安全的考量，研究将互联网技术应用于桥梁安全保障，构建了一个全天候全方位的实时预警系统。

2 系统总体结构

系统总体架构以互联网为基础，“互联网+”的基础设施可以概括为感知层、网络层、云存储，应用层四部分［7］。互联网上部署有采集、数据库、预警、Web和视频等服务器。支持对多座桥梁防船撞主动预警系统进行集中管理，分布式控制。

系统架构采用现场控制系统——云服务——用户模式（如图1 所示），现场选用工业计算机，布置在各个桥梁控制点，通过互联网与云服务交流信息，云服务提供用户账号，使用者可以在任何地方访问现场控制系统，查看现场设备采集的数据及运行状态，可以对现场设备实施控制。现场控制系统承担现场监控系统的设备控制及数据存储任务，云服务承担数据备份任务，当云服务或互联网故障时，现场控制系统能独立控制现场设备工作并储存数据。故障解除，现场控制系统的数据能自动与云服务同步。现场控制系统一旦发生故障，云服务能检测到故障信息并通知相关部门进行处理［8］。

图1 系统总体架构

3 关键技术及设计方案

3.1 船舶超高检测技术及方案设计

船舶超高检测的重要任务之一是检测船舶的高度。船舶高度检测技术有激光对射式、激光扫描测距方式、激光交差测距方式和热成像图像分析识别方式［9］。综合各种检测技术的灵敏度准确性、受环境影响度、河道宽度适应范围、有效预警距离、传感器成本、传感器寿命、传感器功能、传感器数量和精度等指标，本系统采用热成像摄像机采集进入检测区域的船舶并使用图像识别技术计算出船舶最高点是否超高［10］。该技术具有透雾性强、不受天气的影响、灵敏度高的特点。

在上下游桥头各设一套热成像超高检测单元。分别安装在桥墩的位置，高度与桥体预警高度一致，水平观测航道，热成像超高检测单元的视角成交叉状布置，使用热成像摄像机配合图像识别算法［11］，可以全天候实现对河道船舶的超高检测（如图2所示）。

图2 图像识别测量船舶超高

3.2 船舶偏航检测技术及方案设计

用于检测船舶偏航的主要技术有基于AIS 的船舶位置识别技术及基于图像识别的越界检测技术，基于微波雷达的船舶位置识别技术。

AIS 全称船舶自动识别系统，由岸基设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备［12］。AIS 将从北斗系统获得的船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态数据和船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料通过甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近水域所有船舶之动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动。

图像识别是利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对像的技术，在桥梁上架设摄像机，对桥区航道的图像进行识别处理，可以判断是否有船舶进入非航道区域。

微波雷达是装在船上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，亦称船用雷达。雷达在能见度不良时为驾驶员提供了必需的观察手段［13］。雷达识别船舶位置具有距离远、不受天气影响的优点。对雷达图像进行识别可以计算出船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态数据。

综合各种因素考虑，对300t 以上的船只，采用基于AIS 的船舶偏航检测方案，该方案具有检测范围大、精度高、成本低、实施容易的优点。对无法识别甚高频的船舶，采用近距微波雷达识别船舶航线轨迹的信号，并通过北斗信号定位，算法分析判断是否进入偏航预警区域。（如图3 所示，白色区域表示电子围栏预警区域）。

图3 电子围栏偏航预警区

3.3 预警与报警技术

将超高、偏航等预警信息通过船用电笛、自动跟踪探照灯、AIS 文字信息、LED 大屏幕、GSM 等多种（级）方法和手段及时告之船主（如图4所示）。

图4 三级防范措施

4 软件设计

将系统软件功能分为管理和预警两大部分。

4.1 主要管理功能

1）桥梁地图信息

显示桥梁GIS 信息，方便管理部门对桥区的查看。

2）视频图像信息

实现图像浏览，图像叠加监测点名称、时间、设备编号，可以按事件调取图像信息。

3）预警信息查询

查看设备发出的偏航、超高、超速、违规关闭AIS等预警信息记录。

4）虚拟航标设置

把航道上的实体航标位置或航道上的航行控制点坐标封装成AIS 数据包向周围发射，把这些点模拟成AIS航标，以便被过往船舶驾驶员发现。

5）电子围栏设置

把非通航区域绘制成矩形，可对电子围栏查询、添加、修改、删除。如果有船舶进入非通航区域，现场设备将会发出AIS、VHF等手段通知船舶。

6）大数据统计

对发布信息、船舶通航情况、超高信息、超速信息、违规关闭AIS 信息、重点监控船舶信息进行统计。

4.2 主要预警功能

1）船舶走向预测

对现场设备收集到的船舶速度、坐标、航向等航行数据进行二维模拟计算，推算出所有船舶走向，对可能偏航的船只发出警报。

2）船舶超高预测

程序接收到设备返回的超高信号后，分析信号来自上游或者下游的设备，抓取该区域所有向桥梁方向航行的船舶数据，经过算法筛向触发超高点最近的一条船舶发出警报。

3）船舶违规关闭AIS

根据现场设备的检测信号，对监控区域的数据进行分析，判断是否存在船舶。如果发现有船舶在该区域但未发出AIS 信号，就认为该船违规关闭AIS，系统对此船发出警告。

4）船舶助航预警提示

当船舶向桥的方向前进并进入指定的检测范围内，对该船下发如前方施工、雾霾严重和当前的通航净高水位等提醒信息。

5 现场监控系统硬件设计

现场监控系统由现场服务器单元、AIS 模块单元、VHF 模块单元、水位检测单元、视频监控单元、船舶超高检测单元、声光报警单元、桥轮廓照明单元、船撞监测单元组成（如图5 所示）。根据其功能安装在桥梁不同部位，对过往船舶的高度、位置以及桥区水位进行检测，一旦检测到超高或偏航，现场服务器通过各种模块单元发出报警信号，同时启动录像抓拍功能，拍摄违规航行船舶图像，把报警信息及图像信息传送到中心服务器。管理人员在监控电脑屏幕可以通过键盘切换、观看任意一路现场图像信号，也可以控制云台及调焦，细致观看航道的通航情况。

1）总控单元

主要用于现场设备控制及数据等采集传输，选用嵌入式免风扇工业控制计算机，有利于减少体积，降低功耗，提高系统稳定性。

图5 现场监控系统组成

2）AIS模块单元

AIS 单元主要由AIS 模块组成，通过232 或485与现场服务器连接，其主要功能是接收桥梁周围一定范围内的船舶发出的AIS 信号，经过解码后发送到现场服务器，也可以接收现场服务器的指令，向桥梁周围船舶发AIS 预警短信、发布虚拟航标、虚拟船舶等数据。

3）VHF电台单元

VHF 电台模块的主要功能是主机检测到有超高船舶驶入后，电台单元使用海事专用频道发出警示音频。该模块必须符合海事电台使用规定；具备能被单片机控制的接口；具备外部音频输入接口［14］。

4）水位检测单元

水位传感器实时采集水位，通过远程模块发送给服务器［15］，实现24 小时全自动水位监测，保存记录，保证预警信息的通航净高准确。

5）视频监控单元

采用200 万网络高清球机和枪机全天候监控河道以及桥面通行情况，与超高、偏航事件联动。定时录像、事件录像、移动侦测录像、报警录像、动测或报警录像、动测且报警录像和回放。

6）超高检测单元

采用热成像摄像机仪，该设备能够探测极微小温差，将温差转换成实时热轮廊视频图像。

7）声光报警单元

现场总控单元判断有超高船舶则开启船用喇叭，启动云跟踪探照灯警示超高船舶。

8）桥轮廓照明单元

在通航孔轮廓顶部边缘安装LED照明模组，当有船舶驶入桥梁区域时，照明控制箱控制LED照明模组闪亮提醒过往船舶注意航行安全，船舶离开控制熄灭，达到节能环保的目的，闪亮频率为每秒0.5次。

9）云台探照灯

检测到船舶违规时，系统按避碰规定控制云台探照灯指向违规船舶进行提醒。

6 结语

本文用科技化、信息化手段在互联网基础上构建了集红外超高探测，微波雷达偏航探测、AIS 船舶身份识别预警通知、VHF通知、视频监控录像、无线数据传输，声光报警等于一体的多功能全方位内河桥梁主动防船碰撞实时预警系统。试运行期间共发出警告125 次，成功劝返超高船舶25 船次，预防准确率100% 。通过主动预警系统的示范带动作用，为桥梁科学化运营管养水平的提升提供重要支撑。