汕头礐石大桥防撞预警系统设计

刘 渊

(汕头市礐石大桥有限公司，广东 汕头 515000)

0 引言

汕头礐石大桥南接广汕公路濠江区路段，北跨汕头港至老城区西堤路，与海湾大桥相距9km。礐石大桥的建成，方便了汕头中西部的过海交通，大大提高了汕头市区出口道路的通过能力，与海湾大桥共同形成汕头港东西两翼联结粤东和珠三角的主要通道。该桥的地理位置如图1所示。

图1 礐石大桥地理位置

大桥全长2 391m，主桥为906m连续混合加劲梁斜拉桥，跨度布置为2×47m(PC箱梁)+100m+518m+100m(钢箱梁)+2×47m(PC箱梁)，在距主塔98.5m处为钢箱梁与PC梁的混合接头，该连接构造在我国大型桥梁中首次采用。大桥桥型布置如图2所示。

图2 礐石大桥桥型布置(单位：m)

1 现状与需求分析

1.1 现状

“十三五”以来，广东航道建设取得较大成效，航道通行能力大幅提高，船舶流量增多，通航环境变得更加复杂，水上安全形势也日益严峻。据2012年至2018年不完全统计，广东省发生的较大的船舶撞桥事故27起，其中碰撞桥面事故14起，占撞桥事故的1/2左右[1]。

汕头礐石大桥尚未安装有效的通航安全监控设施以及防碰撞预警系统。桥该通航安全方面的主要问题有：

(1)桥梁整体信息化程度不高；

(2)桥梁对过往船只获取信息情况不足；

(3)桥梁管理人员对桥梁水域情况不明确；

(4)未建设过往船只对礐石大桥周边水域发布情况。

1.2 需求

汕头港的港区布局跨度大、范围广，各港区根据码头的建设规模，对应建设了适合自身港区码头的进港航道。

本工程位于汕头港主航道的内航道航段。该航道段目前是5 000t级乘潮通航航道，航道底标高-8.0m(当地理论最低潮面起算)，底宽120m。据《汕头市港口管理局关于提供汕头港主航道相关资料的函》，汕头港内航道远期规划为3万t级乘潮通航航道，航道底标高-11.0m，底宽150m。有关的船舶进出港统计资料表明，最近三年，进出港区水域的船舶交通量平均约210艘次/d,若加上过境的船舶、渔船等，本水域的交通量还会大些。

在以上分析的基础上，对礐石大桥进行桥梁防撞系统建设，向航行的来往船舶提供桥梁通航信息服务，以降低船舶安全航行风险，提高航道部门服务社会的能力，从而最大程度避免船舶撞击桥梁事故的发生，切实有效地保障桥梁、船舶等自身安全和广大群众的生命财产安全。

2 防撞预警系统设计

根据桥区水域的管理需求和船舶动态情况，结合“桥梁防碰撞智能预警系统”，可利用云平台数据存储或本地数据存储技术对桥梁进行监测预警，图3为预警系统拓扑图。

图3 防撞预警系统拓扑图

汕头礐石大桥防撞预警系统主要由前端服务单元、热成像仪、视频监控单元以及软件功能组成。

2.1 前端服务单元

前端服务单元一般安装在桥梁现场，由工业控制计算机、终端软件、控制模块、AIS控制模块、水位传感器、网络交换机、硬盘录像机等模块构成。系统软件通过AIS接收到的船舶编号、位置、速度等信息参数，通过水位传感器获取当前水文参数，通过其它单元传回来的各种条件参数，协调各单元相互运作，发出各项相应指令。前端服务单元是该桥梁防撞预警系统的核心单元，能把现场的数据传输到服务器，供业主单位或海事部门查询控制，可以选配各种功能模块实现需要的功能，如图4所示。

图4 前端服务单元功能模块

2.2 热成像仪

该系统中的热成像仪主要指用于超高监测的热成像双光谱中载云台摄像机和用于偏航监测的热成像双光谱网络智能球型摄像机，用于监测通航船舶的超高和偏航信息。

2.3 视频监控单元

视频监控模块由1台硬盘录像机、4个高速球型摄像机组成。摄像机分别指向上、下游航道的中央区域，主航道通行及非航道区域，24h监控航道的通航情况，拍摄方向可以任意控制。所有摄像头通过室外防水网线将内容传到硬盘录像机，硬盘录像机配备的硬盘可以保存一个月的视频数据，这些数据可随时播放。管理人员在上位机的电脑屏幕可通过键盘切换，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。

2.4 软件功能

(1)服务器软件负责各种算法运行及数据的分析保存，用户查看的关系权限等处理，及对前端服务单元的数据交换。

(2)前端服务单元软件程序负责各传感器的协议解析，数据加密，服务器数据加密传输，数据上报，接收指令控制前端设备，对现场AIS数据进行解码，调解出来的AIS数据上传到服务器运算保存。

3 防撞预警系统功能的实现

3.1 通航净高测量

通过安装在桥梁下的水位计监测到水位值，结合桥梁的技术参数换算得到桥梁的净高值，并通过有线方式将数据传输到净高显示牌，显示实时净高信息。

桥梁水位计算公式[2]：

w=w′-(L-D)

(1)

式中：w′表示桥墩上的已知高度参考点高程值；L表示参考点到水位探头的距离；D表示水位计到水面的距离。

实时净高计算公式[2]：

h=H+W-w

(2)

其中：H表示设计净高；W表示桥梁的设计最高通航水位值。

图5 桥梁净高系统拓扑图

3.2 超高监测预警

在航道两边缘分别选择一个桥墩安装热成像仪(受环境因素影响小，比如下雨及夜间)，分别对准上、下游双向航道照射，两部热成像分别同时检测两个通航道，对过往船舶进行超高检测，实现航道超高预警功能。

3.3 船舶偏离航道预警

在电子海图上，标注船舶的航道信息。根据AIS子系统实时跟踪船舶的位置信息，如发生或将要发生越界通航，系统向船舶发出报警信号，并录像取证。

在航道两边缘分别选择一个桥墩安装热成像仪(受环境因素影响小，比如下雨及夜间)，分别对准上、下游双向航道照射。上、下游航道中桥墩设置4个热成像仪以及LED声光预警显示屏，两部分热成像仪同时检测两个航道，实现航道偏航全覆盖。同时系统设置电子围栏及虚拟航标，通过热成像偏航设备监测航道与非航道之间的情况。

与传统的桥梁区域搭建“红外线图像识别”探测船舶是否越界通航相比，该方案更具有灵活性。当航道发生变化时，无需移动红外线摄像头的位置信息，只需要在电子海图上重新标注航道位置信息即可。

3.4 桥区超速航行报警

通过AIS基站接收船舶的AIS信号，可得到桥区所有船舶的速度数据，一旦超过系统设定的安全速度，系统将自动向船舶发出告警信号。每座桥梁可设置不同的安全速度。

3.5 船舶关闭AIS报警

通过CCTV系统，当检测到该水域有船舶进入，而系统在该区域没有接收到AIS目标时，认为进入该水域的船舶违规关闭AIS航行或未安装AIS系统，系统可通过VHF或声光报警向船舶发出告警信号。

3.6 信息发布

(1)在桥区醒目位置建设LED大屏显示系统，实时显示各种通航信息及报警信息。系统检测到有船舶进入桥区，自动控制桥梁的轮廓照明闪亮，警示过往船舶注意安全，并以定向的声光报警方式进行警示。

(2)系统为靠近桥梁的船舶提供辅助航行指引，自动向驶入桥区水域的船舶通过VHF海事频道发布语音提醒，如水位、流速、风速、能见度及桥梁净高等；发布各种海事管制信息，如桥梁施工、封航信息等。

图6 设备安装

3.7 数据查询、回放及大数据统计功能

系统保存每次报警的时间、录像数据和过往船舶的数据，可根据需要，随时对历史数据进行查阅、统计、打印。并可对特定时间段桥区水域的通航情况，在电子海图上进行历史回放。

3.8 虚拟航标

将桥梁的墩台及危险地点在电子海图上标绘，通过AIS基站向附近船舶发布虚拟航标信息。经过的船舶靠近虚拟航标点时船载AIS装置会自动发出告警信息，以提醒船舶驾驶员注意安全航行。

4 结语

礐石大桥主动防撞系统充分利用海事部门已建的VTS、AIS、VHF、CCTV等系统的信息资源，实现了设备间的优势互补和整体协调联动。通过图

像、语音、短信消息等多种信息传递手段，提示船舶驾驶人员，克服了人为因素造成船撞桥的风险。在岸基系统中雷达的运用加强了系统监控力度，提高了系统的智能化和自动化程度，确保在礐石大桥重要水域内对管理对象的连续监控，实现船舶动态监管一体化。