基于多源信息融合的高等级航道桥梁主动防船撞系统

何侃

摘 要：随着陆上交通基础设施的不断完善和水运工程的飞速发展，跨河桥梁的数量在逐渐增加，船舶与桥梁相撞的风险也相应提升。为消除船舶碰撞桥梁尤其是高等级航道桥梁的安全隐患，应建立对危险船舶进行甄别、预警及干预的主动防船撞系统。由于单一信息源的主动防船撞系统往往存在一定缺陷，本文旨在利用自动识别系统、甚高频、船舶身份识别与轨迹传感器等技术，构建基于多源信息融合的碰撞风险预警模块，从而推动智能航道的发展。

关键词：多源信息融合;高等级航道;桥梁;主动防船撞系统

中图分类号：U611             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0081-03

1 引言

随着交通基础设施建设和水运行业发展的日益加快，跨越通航水域的桥梁在不断增多，同时，航行船舶的数量及载重吨位也在迅速增加[1]。由于跨河桥梁的建设年代和设计标准不同，且下行船舶的吨位和通航要求不一，受到上述多种因素的影响，船舶与跨越通航水域的桥梁相碰撞的风险在日趋加大。在内河高等级航道中，可通航船舶的载重吨位大、通航要求高，船舶与跨河桥梁碰撞的危险性尤为突出。由此可见，对桥梁防船撞设施的研究具有一定的必要性，且对惠及民生的交通安全出行亦具有重要的意义。

在1847年至1975年期間，全球累计发生143例桥梁坍塌事件[2]。通过对事故原因的分析发现，因船舶碰撞桥梁而诱发桥梁垮塌的事件占比较高。在1980年，发生于美国佛罗里达州的阳光大桥桥墩被船舶撞塌的事件则成为船撞桥研究历史进程中一个标志性的里程碑[3]。三年后，国际桥梁和结构工程协会（IABSE）以此为议题进行了研究和讨论。1991年，美国道路工程师协会出台了美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）《公路桥梁船撞设计指南》[4]。1995年，国际航海协会常务会议（PIANC）成立了相关的工作小组，该小组对世界各地的船撞桥事件进行了系统性的研究[5]。

在我国，船舶撞击高等级航道桥梁的事故也屡见不鲜。南京长江大桥受到30余次船舶撞击，武汉长江大桥累积受到多达70余次的船舶撞击[6]。国内具有代表性的船撞桥事件是发生于2007年的广东九江大桥“6·15”事件[2]，船舶碰撞桥梁并诱发近200米桥面的坍塌[7]。20世纪90年代，我国开始开展对船撞桥问题的研究[8]，结合具体的工程项目，对桥梁选址、桥梁跨度、通航净空、船撞力、桥墩水域流场、桥梁防撞等进行了研究。

目前国内的桥梁防撞设施有多种，包括光电预警等主动防船撞设施，以及防撞护舷、消能防撞套箱、桩式防撞装置等被动防船撞设施[2]。然而，桥梁主动防船撞领域还没有统一标准，各桥梁采取的主动防船撞设施也不尽相同。

润扬长江公路大桥[9]的主动防船撞系统是利用激光巡回测距系统对船舶进行照射及测距，从而发现通航水域内对桥梁安全构成威胁的目标船只。系统将发出预警信息，以便桥梁养护人员及时采取措施，对危险船只进行拦截，保证桥梁安全。由于激光测距系统可以保证昼夜全天时工作，从而形成对桥区通航水域内通行船只24小时连续不间断的监视，且测量精度高、定位准确、发现概率高，因此该系统可以有效避免危险船只对桥梁的撞击事故。

苏通长江大桥[10]的主动防船撞系统是基于自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）建立的无接触防撞系统。该系统自动传递桥墩的位置给过往船舶，船舶通过雷达显示器可以明确通航孔的位置。系统在船舶偏航时将及时发出警报，提醒采取措施避免碰撞。在能见度不高或夜晚航行的情况下，该系统可以协助船舶安全过桥。

东江铁路大桥[11]采用激光结合AIS建立了主动超高报警系统。当系统前端激光检测设备发现船舶高度超过预设标高时，便会立即发出报警指令。系统后台会依据AIS及GIS给出的船舶信息，快速定位到超高船舶，并播放警示语音。此外，系统还配备有录像设备，以便协助监控人员看清现场情况并留存违章证据。

总体而言，目前国内诸多桥梁都基于激光、AIS等设备，对船舶撞击桥梁进行主动预警及干预，但尚存在着系统不完善、手段单一、功能不全等缺陷。在此背景下，本文旨在采用多源信息融合的技术[12]，基于AIS、甚高频（Very High Frequency，简称VHF）电台模块[13]、船舶身份识别与轨迹传感器（Vessel Identification and Track Sensor，简称VITS）[14]等构建碰撞风险预警模块。首先，船舶偏航预警系统通过声、光、电等多种手段，对危险船舶进行识别、预警及干预，尽可能消除了船舶碰撞桥梁的安全隐患，保障了大桥的运营安全。其次，船舶碰撞报警系统可以24小时监测船撞桥事故的发生并为后期的桥梁管理和维护提供了依据。最后，桥区信息播报系统可以及时通报水位、流速、施工、天气等信息，为船舶的安全通航提供了保障。

2 船舶偏航预警系统

船舶偏航预警系统（见图1）由现场服务器单元、海事VHF对讲模块以及声光报警及LED显示屏单元三部分组成[13]。

现场服务器单元（见图2）是主动防船撞系统的核心单元，能将现场的数据信息传输到服务器供桥梁业主单位、海事管理部门和维护单位管理部门查询。

其中，AIS控制模块可以获取桥区通航水域内船舶的静态信息（例如名称、呼号、载重、所运货物等）以及动态信息（例如位置、速度、方向、改变航向率等）。通过将船舶位置与桥梁上下游虚拟航标灯内的虚拟航道进行比对，判断船舶是否偏航（见图3）[15]。VITS模块可以对船舶操纵性能进行辨识，继而预测船舶操纵后的运动过程，并按照目前的船舶运动状态，计算出最优避碰操纵方案。

一旦检测出有船舶偏移航道，海事VHF对讲模块（见图4）即可使用海事专用频道向偏航船舶发布语音对讲警告。

声光报警及LED显示屏单元（见图5）由水位显示与声光报警单元控制器、LED显示屏、高音电笛、高亮度频闪灯等组成。为降低建造成本和日常维护成本，LED显示屏可以选用固定字符的简单形式，提示内容为“船舶偏航”，且具备闪烁警示的功能。

3 船舶碰撞报警系统

船舶碰撞报警系统（见图6）主要由两大模块组成，船撞桥的数据采集系统以及数据分析系统。

数据采集系统又包括了三部分装置，一是撞击信号采集装置，24小时不间断采集大桥1号至N号桥墩的振动信号以及压力信号。其中，振动信号采集装置安装在桥墩顶部，压力信号采集装置则分别安装在防撞设备内部。一旦系统显示桥墩振动信号及压力信号出现异常，船舶碰撞报警系统将被启动，提醒桥梁现场监管人员确认是否发生撞桥。二是船只数据采集装置，与主动防撞系统结合，记录船只吨位及速度等信息。三是视频监控装置，对桥梁附近通航水域的情况进行全天候24小时的视频监控。

数据分析系统基于桥墩顶部振动信号、防撞设备内部压力信号和视频监控三方面的内容，综合判断是否发生船舶撞击。判断的指标不止信号幅值，也包括信号的相关性等，以减少误判。管理人员在收到撞桥警报后，可以调出视频监控确认是否撞桥，如果确定撞桥，则依据振动信号和压力信号、船只信息及相关视频，分析撞击程度及判断撞击影响，并将结果上报管理部门以便采取相应的响应措施。

4 桥区信息播报系统

桥区信息播报系统通过AIS系统自动向驶入桥区通航水域的船舶发布各种助航信息，如水位、流速、施工等。系统还可根据天气信息，及时预警通航船舶。一旦桥区有台风降临，提前预警过往船舶;如果桥区风力超过8级，通知过往船舶小心行驶;若超过9级，通知船舶就近靠泊避风。除此之外，系统还将接收船舶的AIS信号并采集进入桥区所有船舶的信息，并会保存一定时间内船舶的通过时间、船舶信息、行驶速度等，管理人员可以根据需要通过云平台查阅相关数据。

5 结论

本文对国内外船舶撞击桥梁的事件进行了梳理，并对目前国内高等级航道桥梁的主动防船撞系统进行了调查。在此基础上，构建了一种基于多数据源融合的主動防船撞系统。文章对系统装置的构成、原理、关键技术、应用场景等进行了一定的基础性研究工作。系统采用AIS、VHF、VITS等多种技术，并利用声、光、电等多种手段，对船舶的行驶轨迹进行全程跟踪及预判，对危险行驶船舶进行辨识、预警及干预，有效防范船舶碰撞高等级航道桥梁。本文搭建的主动防船撞系统，实现了对交通环境的智能感知和对危险物标的判断，营造了数字化交通环境，推动了智能航道的发展，具有一定的技术前瞻性和广泛的实用性。未来，将在江苏省内多座高等级航道桥梁设置数据采集点，对桥区过往船舶进行跟踪，结合智能算法进行进一步的研究。

参考文献：

[1]陈明栋， 黄世连. 通航河流桥梁主动防船撞措施探讨[J]. 水道港口， 2013（02）： 157-162.

[2]沈自力. 桥梁防船撞措施研究进展综述[J]. 交通科技， 2015， 000（003）： 73-76.

[3]陈式亮. 桶型帘式桥墩防护措施[J]. 中国船检， 2004， 000（010）： 60-62.

[4]李金华， 李德建. 基于我国规范及美国规范桥墩防撞安全性评价[J]. 大众科技， 2009（12）： 87-89.

[5]王艳锋. 基于SVM的桥区水域失控船舶航迹对比分析[D]. 武汉理工大学， 2010.

[6]项海帆， 范立础， 王君杰. 船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2002， 30（004）： 386-392.

[7]欧子骥. 严格履行安全事故处理条例 及时启动启急预案——广东省科学，迅速，高效处置"6·15"断桥事件[J]. 广东安全生产， 2007（7）： 20-21.

[8]朱海涛， 陈国虞， 倪步友. 我国桥梁防船撞的回顾和展望[C]. 中国公路学会桥梁和结构工程分会年会暨全国桥梁学术会议.

[9]刘伟庆， 方海， 祝露， 等. 润扬长江公路大桥船撞数值模拟与复合材料防撞系统设计[J]. 玻璃钢/复合材料， 2014， 000（012）： 5-12.

[10]刘明俊， 方建华. 苏通大桥防船撞预控技术研究[M]. 武汉理工大学出版社， 2009.

[11]邵斌， 贺立新， 宋雷， 等. 东江特大桥桥墩抗撞计算分析及防撞措施[J]. 桥梁建设， 2011（02）： 63-65+74.

[12]王淑， 任慧， 云霄， 等. 通航桥梁主动防船撞系统及其性能分析[J]. 中国公路学报， 2012（06）： 98-104.

[13]陆兵. 基于互联网的内河桥梁主动防船撞实时预警系统[J]. 计算机与数字工程， 2019， 47（007）： 1708-1712.

[14]张卫中. 基于VITS和AIS融合数据的水上交通安全监管功能设计与应用[J]. 中国水运（下半月）， 2019， 019（007）： 82-83.

[15]刘畅， 周曙， 张彩云. 一种新型的桥梁主动防船撞监测预警系统[J]. 价值工程， 2018， 037（011）： 187-189.