主动防撞预警系统在航道桥梁通航净高应用的研究

余锦源 岳玮 广东省中山航道事务中心中山航标与测绘所

1.引言

桥梁建设时期跨度较大，“十三五”以来，航道建设取得很大成效，省内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。航道提升等级、通航船舶吨级与所建设桥梁可通航净空高度不匹配，此外在洪水期风浪大、水位高，桥区航道不仅流态变化显著，而且通航净空降低，通航环境复杂，船舶操作难度加大，也易导致船舶撞桥事故发生。

港航企业追求经济效益的指标增长，对船舶配载，航线计划提出了新的要求，由此船舶驾驶员对航道实时的、持续性的水位和桥梁通航净高信息服务的需求越来越迫切。桥梁通航净高作为船舶航行的重要限制因素对水运企业的生产经营活动有着重要的影响。广东省尤其是珠三角地区，河网特点明显。桥梁实时净高信息的提供将为船公司或船东在制定航线、规划路径及船舶配载时提供基础支撑，达到节约运输成本、提高货运收入的经济效益。尤其当净高监控显示及推送服务形成规模化、系统性成果，并结合航道水位信息，可以为水运经济发展提供基础保障环境，最大程度发挥航运潜能。

图1 系统联动示意图

本项目的建设有效利用现有通航净高显示装置，结合最新激光检测装置、CC T V 高清摄像与整体桥区数据获取设备，利用云平台通过大数据分析，发现并诱导超高船舶安全行驶路线，及时进行警示和录像。其核心技术为航道净高检测数据+AIS数据+视频分析技术的大数据平台，辅助技术为激光+声光显示系统：航道净高检测设备获取当前桥梁的实时净空高度数据，A IS获取进入桥区范围2000米以上船舶的船高及吃水（满载/空载）数据，结合视频智能分析，当有船舶高度超过设定好的高度时，提前对船舶提醒并通知监控中心，可以在碰撞危险发生的早期阶段对船桥碰撞风险进行消除。船舶收到提醒后若继续行进，激光检测设备辅助对该船舶校核高度并立即发出指令通过现场声光预警警示船长船舶超高，船长处理船舶超高部分后方可通过，如果超高船舶继续前进，监控人员可以从视频录像里看清现场情况，并通过对讲功能对现场船只进行喊话通知，同时平台可以帮助管理部门进行事后违章取证。

图2 系统设备示意图

2.可行性分析

集智能桥梁区域预警多方联动应用、激光、CCT V、AIS管理于一体的桥梁区域预警系统，可实时在电子地图查看当前桥梁桥区航行船舶的呼号、高度、位置、航速、船首向、船舶类型等，加上桥梁上安装的水位检测设备获取的净空高度数据，桥区实时通航情况一目了然。配合桥梁前端的监控摄像机，直接查看现场实景。对于一段时间内的桥区船舶通航情况，系统提供了详细的统计报表，可方便地获取某一段时间内超高、偏航情况、水文气象情况、船舶流量等数据，为业务管理工作提供基础支撑数据。

2.1 技术可行性分析

系统采用的大数据融合算法分析技术、物联网监测技术、LED显示技术、AIS船舶识别技术、VHF无线广播技术、移动通信技术、AI技术等关键技术日益成熟，设备选型采用先进、标准化产品，在技术上是可行的。

随着水位检测仪、激光、AIS、视频AI监控、视频识别、网络传输等信息技术的发展，除了传统的水上巡航、流动检查等现场检测执法模式，业内正逐步在现有的基础上，引入信息化设施预警功能。

2.2 经济可行性分析

在多方的共同努力下，中山市航道事务中心已于2018年、2019年完成了包括东阜大桥、沙口大桥等10座桥梁的实时净高显示标志的建设，原系统主要由航道前端的数据采集设备、显示设备和后台的数据中心服务器组成。对于桥梁净高显示，航道前端的水位计采集水位数据，并通过通讯模块换算为桥梁通航净高数据，一方面通过LED显示屏在航道外场进行显示，另一方面通过通讯模块传回后台数据中心作监测和统计分析使用。本项目的设计以需求为导向，整合最新的大数据云计算等先进技术，利用多设备融合式工作方向为目标。项目的实施为有效降低船舶安全航行风险，提高航道部门服务社会的能力并保障大桥安全，同时，充分利用现有基础设施和信息资源，尽量避免重复开发和建设，优化利用资源，保障资金的合理使用，实现经济效益和社会效益最大化。

3.系统设计

3.1 设计原则

（1）先进性原则。设计的技术方案尽量采用目前较为先进的技术、算法、软件和硬件设备，生命周期。

（2）成熟性和实用性原则。紧密结合航道通航水域的特点和实际情况，最大限度地满足现在和未来发展的需求，确保耐久使用，满足水域监控7＊24h不间断持续运行的需要。

（3）服务性和便利性原则。适应多功能、外向型的需求，提供安全、方便的系统平台。系统功能强大、界面友好。软件设计人性化，易于被用户掌握和操作。

（4）有效性和可行性原则。整体系统的运作必须具备可扩展性、数据必须具备有效性、实施必须具备可行性。在系统架构上采用集中管理技术和架构进行设计，采用诸多故障处理机制、容错机制、备份机制提高系统的可靠性。

（5）实时性原则。系统推送数据的实时性可以提前发现问题，为发生问题时作出正确的决策提供有效的判断依据，工作及时有效推进需要各个环节的信息实时和准确。

（6）开放性和资源共享原则。系统建设满足各相关单位、各应用系统共享的需求，为资源数字化整合共享提供接口支持。在系统对接方面，考虑发展的需要，使系统设备具有互联性与互操作性。

（7）平滑过渡原则。项目建设期间，保障现有系统、设备的正常运行和平稳过渡。

图3 净高检测与激光联动示意图

图4 系统工作示意图

3.2 系统架构

依附现有航道通航净高检测设备，更新雷达水位检测仪，实时获取当前桥区水位数据和净空数据；AIS船舶自动识别单元，获取进入桥区船舶的呼号、高度、位置、航速、船首向、船舶类型信息；大数据平台通过算法解读比对后对超高船舶进行提醒并通知监控中心留意超高船舶。船舶继续行进，激光检测并匹配AI视频智能分析该船舶超高后联动现场声光警示船舶停止航行，同步通知业主、航道、海事等部门对超高船舶联动执法。

3.3 系统硬件

系统构成的核心设备主要包含：雷达水位检测仪、AIS船舶自动识别单元、VHF远程喊话单元、高清黑光摄像机、视频数据传输、大数据计算分析、控制管理系统、警示辅助声光设备等。

（1）雷达水位检测仪，实时获取水位涨、降幅信息桥梁净空高度变化状态以及供电状态，在系统中显示通航净高数据，同时能针对异常数据进行系统提醒；

（2）AIS船舶自动识别单元全天候对桥梁区域运动船舶目标进行实时探测，标绘运动轨迹，判定其威胁程度，对目标进行跟踪和识别。

（3）高清黑光摄像机24小时不间断录像，对桥梁周边区域进行监视、监管，同步AI视频智能分析区域船舶情况并把录像保存在本地及后台服务器端；

（4）大数据计算分析，对当前桥梁净空数据及AIS获取船舶高度数据进行算法解读比对，并实时上报后台，实现非现场智能化监管；通过云平台存储各类型监测数据，并保障各类数据的存储安全，云服务器具有足够大的存储容量来保障未来长时间的数据存储；

（5）建立中山航道事务中心辖区所有已安装净高显示设备的桥梁净高显示管理系统，实现中山航道事务中心对辖区航道所有净高显示设备、数据（含视频数据）的统一系统管理，满足中山航道事务中心综合业务管理平台的数据兼容和对接。

4.结语

本文通过对超高船舶碰撞桥梁问题进行分析，按照实际需求构建了一整套机制灵活、安全可靠的基于通航净高、A IS与智能视频分析技术的超高船舶分析系统，文中给出了系统的具体解决方案，充分利用现有设备资源，结合目前最新设备及先进技术对航道进行管理、对船舶进行提醒，有效进行资源整合，提出为超高船舶导致的碰撞桥梁问题并提供了解决途径，具有很好的应用价值。