通航桥梁防船撞智能监测预警系统设计

覃东明

(广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司,广西 柳州 545005)

0 引言

随着我国经济的快速发展,内河航运事业发展迅速,内河航运交通变得十分繁忙。由于航道桥梁通航净高有限,船舶驾驶员粗心大意、盲目自信,或由于天气水文等因素的影响,经常发生船舶碰撞桥梁事故。事故造成重大的社会影响与人员伤亡,经济损失严重。为了应对船舶撞桥事件,目前常采用的防护手段有:安装助航设施、警示标志、防撞墩、沙岛、防撞套箱等[1]。这些防御方式无法主动提醒过往的船只,桥梁管养单位也无法掌握通行信息。因此,亟须提升桥梁防撞监测手段,建设主动、智能、实时监测的防船撞桥预警系统,以更好地保护桥梁和保障船舶通行安全。

1 系统设计业务需求

1.1 船舶超高监测与预警

所谓船舶超高,就是船舶的高度超出了桥梁的实际净高。在船舶实际行驶的过程中,受水位的影响,桥梁的实际净高是变化的,在传统依靠人工观测为主的管理方式下,桥梁管理者以及船舶驾驶员都难以准确把握两者之间的尺寸关系,容易造成船舶与梁的碰撞,造成较为严重的后果。因此需要运用智能化的技术手段,对船舶的高度进行监测,并对超高的异常情况进行预警,保障桥梁和船舶的安全[2]。

1.2 船舶偏航监测及预警

船撞桥事故的主要成因除了超高,还有偏航。偏航是人为因素或自然因素造成的船舶偏离正常航向以及允许通航区域的一种行为,运用智能化手段,可对船舶航迹及所在航行区域进行监测,并对偏离正常航向和航道区域的异常情况进行预警,保障桥梁和船舶的安全。

1.3 桥区水位监测

水位是影响船舶通行的关键因素,特别对于通航桥梁来说,桥下的实际净高直接受水位的影响,因此需要对水位进行监测,作为船舶超高监测的一个辅助参数,提高超高监测的精度。

1.4 安全警示与取证

前端监测系统在识别异常状况后,需要对异常船舶进行警示。这不仅需要前端安装联动的警示装置,而且监控中心的管理人员在收到预警信息后,能够将警示信息传达给桥梁附近的船舶,这就需要平台侧能够满足信息的下发功能,以充分发挥监测预警系统的作用。另外,对于偏航的船舶,在监测预警的同时,还需要进行拍照取证,以便后续进行针对性的管理[3]。

2 系统总体设计思路

(1)本系统的主要目的是实现主动防撞,在这样一个目标下,需要做到前端数据的实时采集、平台侧的实时预警以及智能警示。通过信息化、智能化手段可以实现上述功能。整个信息化系统包括前端采集系统、传输系统和后端管控系统。

(2)船舶偏航监测核心是监测船舶的运行轨迹,通过与正确的运行方向和允许通航的范围进行比对,以此判断是否偏航。目前轨迹追踪的主要手段是毫米波雷达,因此本系统船舶偏航主要采用毫米波雷达进行监测。

(3)船舶超高监测思路就是主动设定一个安全高度,判断船舶是否高于这个安全高度,以此判断是否超高,可用激光雷达来实现。

(4)在进行了船舶偏航或超高监测之后,如有异常,可在平台侧进行预警,软件上出现预警信息,提醒监控人员。同时,为了保证警示的效果,采取声光电相结合的方式实现警示功能。其中声光设备主要是近距离的警示,通过电磁波进行无线信息发送可实现远距离的警示。

3 系统总体设计

3.1 系统架构

3.1.1 系统拓扑

桥梁防撞监测预警系统可分为三部分:前端子系统、传输子系统、后端管理子系统(见图1)。前端子系统由超高监测单元、偏航监测单元、水位监测单元、无线告警单元、声光警示单元五个部分组成;传输子系统通过光纤网络实现前端系统与中心平台互联互通;后端管理子系统包括中心平台、显示大屏等设施。

3.1.2 系统组成

前端子系统:前端感知系统由超高监测单元、偏航监测单元、水位监测单元、无线告警单元、声光警示单元五个部分组成构成,主要负责数据采集与取证,是整个系统的基础支撑部分。

传输子系统:网络传输系统主要由网络传输设备组成,如光纤、光纤收发器、网线等组成,负责系统组网,完成数据、视频、图片的传输与交换。

后端管理子系统:后端管理系统负责数据的汇聚、处理、存储、应用、管理与共享,由中心服务器、应用软件和显示大屏等设施组成。

3.2 数据架构

桥梁防撞监测预警系统的数据主要来源于超高监测单元、偏航监测单元、水位监测单元、无线警示单元、监测平台。超高监测单元包括异常预警、船舶距离等数据。偏航监测单元包括两方面的数据:(1)偏航监测的异常预警、船舶的相对距离、角度、运动方向等数据;(2)取证相机获得的视频和图片等数据。水位监测单元主要桥区水域水位数据。超高监测单元和偏航监测单元监测的数据通过网线接入光纤收发器的发送端,然后通过光纤接入光纤收发器的接收端,继而通过网线接入智能终端。水位监测单元通过RS485总线接入智能终端。当智能终端收到超高或偏航单元的异常报警数据时,就发送信息号给声光报警控制器,进而实现对声光设备的控制。智能终端与声光报警控制器之间通过RS485总线连接,声光报警控制器与音柱之间通过网线连接,与报警灯之间通过电缆连接。

另外,无线警示单元(基站)内置VHF电台、AIS接收、AIS发射、渔业电台、信息集成处理模块、4G通信模块、交换机等子单元。基站与平台的数据对接有有线和无线两种选择,有线方式是通过网络交换机走光纤与后端的网络交换机连接,无线方式是通过4G通信模块直接与平台软件连接。信息集成处理模块与VHF电台或渔业电台之间存在两方面的连接:(1)控制性的连接,采用RS485总线;(2)4线音频的连接,采用4芯线缆。软件平台上可自定义AIS、VHF或渔业电台信息(文字形式),数据传输到基站内的信息集成处理模块,再通过RS485总线传输给AIS发射子单元、VHF电台或渔业电台,进而通过天线以电磁波的形式发射出去。

3.3 技术架构

桥梁防撞监测预警系统解决方案涉及基础设施、数据、解析、应用等多个层面,提供基础服务、数据服务、平台服务、应用服务等能力(见图2)。

应用服务层:综合运用数据、物联等基础服务,构建多种业务向的智能应用,包括水文气象信息展示、船舶偏航或超高预警及处置、警示信息下发,服务于用户的各种业务需求。

平台服务层:平台基础能力提供数据分析服务、视频基础服务、通用服务,并封装为标准的API网关,通过标准接口,为上层应用提供灵活调用。数据分析服务实现船舶超高和偏航研判等能力。视频基础服务包括视频预览、云台控制、录像下载。通用服务提供校时、地图、权限、日志等服务。

数据服务层:主要汇聚感知数据和业务数据,对数据进行清洗、挖掘、分析、统计,为上层应用提供数据服务支撑。

基础服务层:提供底层基础服务,包括计算设备、存储设备、物联设备等基础设施,为上层服务和应用建设采集和储备资源。

图2 技术架构图

4 系统详细设计

4.1 前端子系统

4.1.1超高监测单元

针对船舶超高监测,主要是在桥梁通航孔两侧的桥墩上的设定高度(限高高度)位置安装点反射式的激光测距雷达,激光平行于水面交叉射出,当船只高于桥梁的限制高度,两台激光雷达至少有一台会检测到船只,进而系统输出报警信号。这种点反射式的激光雷达,监测距离能达到2 km,能够较好保障预警效果。

4.1.2 偏航监测单元

针对船舶偏航监测,利用毫米波雷达进行监测。通过毫米波雷达划定航道边界,同时识别船舶航行的位置、角度,以此判断船舶是否偏航。

4.1.3 水位监测单元

水位监测单元采用雷达液位计,可以对桥区水域水位进行非接触式的连续测量,空间分辨率高、穿透能力强,支持全天候环境下工作,不受雨、雾、大风、灰尘、光照等影响。

4.1.4 无线告警单元

无线告警单元主要是一个基站,包括AIS接收发器、VHF天线、渔业电台等,安装在桥头高位(最好选择建筑物顶部)。AIS接收发器用于接收船舶发射的AIS信息,实现对船舶的识别和跟踪,另外也可以从平台端向船舶发送AIS短信,进行告警。VHF天线和渔业电台可用于对桥区水域所有船舶进行语言喊话。AIS和VHF采用的是电磁波通信,可以覆盖桥区水域较远的距离,是保障预警效果的关键设备。

4.1.5 声光警示单元

系统在实现超高或偏航监测的同时,还需对异常船舶进行安全警示,安全警示核心是AIS和VHF无线通信。除此以外,还需安装声光警示设备,进行近距离(500 m以内)告警。这样远近结合,对异常船舶进行不间断的提示,提高了预警系统的可靠性。声光警示设备分别采用定向音柱和红蓝双色报警灯,其中音柱布设方式类似激光雷达,在通航孔两侧桥墩上平行水面交叉布设。声光警示单元在高配方案皆采用,在低配方案中只采用报警灯。

4.1.6 总体设计

桥梁防撞监测预警系统传输网络包括前端局域网络、前端-后端端骨干网络、后端局域网络三个组成部分,总体网络结构采用树形结构,网络中所有节点设备直接或经次级设备连接到中央设备(平台软件)。本系统主要涉及前端局域网络配置,其他的由传输工程配套解决。

前端局域网络:前端局域网络包括两个独立的部分。(1)以智能终端为中心的局域网络。在该局域网络中,超高监测、偏航监测设备经光纤收发器连接到智能终端,声光报警和水位监测设备通过RS485总线与智能终端连接,智能终端再通过网线与前端的网络交换机连接。(2)基站中信息集成处理模块为中心的局域网络。在该局域网络中,VHF电台、AIS接收和发射模块以及渔业电台都通过RS485总线与信息集成处理模块连接。信息集成处理模块可通过网线与网络交换机连接或通过RS232总线与4G通信模块连接,具体是接交换机还是接4G通信模块,根据项目现场条件和用户需求来选择。

前端-后端骨干网络:对应前端的两个局域网设计骨干传输网络。前端以智能终端为中心的局域网络由前端的网络交换机通过光纤与后端的网络交换机连接。前端是以基站中信息集成处理模块为中心的局域网络,与后端的连接可有两种方式:(1)通过基站自带的网络交换机走光纤与后端的网络交换机连接;(2)通过4G通信模块,走运营商专网直接与平台软件连接。

后端局域网:后端的网络交换机通过网线连接到中心服务器,中心服务器再通过网线与安装有平台软件的应用服务器连接。

4.2 后端管理子系统

4.2.1 后端管理子系统组成

后端管理系统由监控中心、显示及控制设备、服务器、软件平台等部分组成(见图3)。后端管理系统可实现数据资源的汇聚,并对数据资源进行分析和应用,完成桥梁预警信息展示和警示信息下发。高清大屏展现业务数据和实时监控画面。

4.2.2 软件平台总体架构

桥梁防撞监测预警系统软件平台以组件的形式嵌入公路网智能监控平台。公路网智能监控平台采用统一技术体系,由基础服务组件、通用服务组件、共性业务组件和行业业务组件组成。

4.2.3 平台功能说明

平台功能如后页表1所示。

5 系统亮点与价值

5.1 实时动态监测

系统超高及偏航监测分别采用激光雷达和电磁波雷达,不受白天黑夜的影响,能够适应高温、低温以及风雪雨雾等各种天气状况,可实时监测、实时预警,实现全天不间断工作。

表1 平台功能列表

5.2 船舶异常警示

本系统采取音柱、报警灯、AIS信息、VHF语音四种方式相结合对异常船舶进行警示。音柱和报警灯主要警示近距离(500 m内)船舶,AIS信息发送和VHF语音播报能够在较远距离实现对船舶的警示。这样远近结合的多重的警示系统,能够较好地起到警示的作用。

5.3 中心便捷管控

平台端与前端智能终端采用光纤连接,能够及时接收前端发来的预警信息,并实时展示。在高配方案中,平台通过AIS和VHF进行警示信息的推送,推送信息的内容和方式可以在平台系统进行自定义,非常方便。另外可以在平台端首页等页面快速查看系统的关键信息,为管控决策提供支撑。

6 结语

本文介绍了一种基于毫米波雷达、智能图像识别的桥梁智能防碰撞预警系统,解决了当前桥梁防船撞不实时、无法提前预警等问题,系统在实际应用中还需进一步完善和扩展。