橋梁防撞系統(tǒng)方案分析

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摘要：本系統(tǒng)通過對橋梁的精確定位，并對比沿途的航道和橋梁的通航參數(shù)實時分析船舶的運行態(tài)勢，提前發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患、提前預警，使橋梁防撞變得更加主動，防撞的反應時間更長；通過多終端將駕駛員、船舶公司、橋梁管理單位、行業(yè)管理及執(zhí)法部門有機地聯(lián)合起來，并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機制，形成多方聯(lián)動、協(xié)同防撞，可以更為有效地防止船撞橋事故的發(fā)生，維護正常的交通運輸秩序，保護人民生命財產(chǎn)安全。

關鍵詞：橋梁防撞;船舶導航;精確定位;多方聯(lián)動

1概述

隨著我國公路、鐵路建設的蓬勃發(fā)展，修建了大量的跨江、跨海大橋。水運目前是我國不可或缺且最為經(jīng)濟的物流運輸方式，大量的貨運、客運船舶穿梭在我國的江河湖海，不可避免要從大橋底下通過。雖然橋梁在建設過程中對通航橋墩做了一定的防護措施，通航橋洞的設計也具備一定的偏航容錯能力，但是由于航道橋梁通航凈寬、凈高有限以及船舶駕駛員人為的因素，船舶撞橋事故還是時有發(fā)生，船撞橋事故不但威脅船舶通行的安全，且嚴重影響橋梁的安全運營，還常常帶來巨大的人民生命和財產(chǎn)的損失，2007年的廣東省九江大橋重大船舶撞橋事故造成橋面坍塌200米，橋上4輛汽車和2名施工人員墜入江中，共造成8人死亡，經(jīng)濟損失近5000萬元，更帶來了極其嚴重的社會影響。因此橋梁防撞一直是一個亟待解決的問題。多年來，橋梁的建設單位、管理單位及科研人員都在探索橋梁防撞的辦法，也取得了一定的成果，目前國內(nèi)橋梁防撞的方式總體來說有兩類：第一類是在橋墩周圍設置防撞防護設施，使船舶不能靠近橋墩，此類措施對于小型船舶能起到很好的防撞效果，卻很難防止重型船舶對橋墩的撞擊；[1]第二類是在橋梁上加裝激光雷達等感應設備以及聲光預警設備，探測到船舶靠近橋梁且存在風險時對其進行聲光警示，提醒駕駛員及時采取措施，避免偏離航道而撞擊橋梁，這些方法起到了一定的效果。近年來，船撞橋事故在不斷減少，但還是時有發(fā)生，歸根結底，當前的這些防撞手段太過于被動，預警的距離太短，臨近橋梁才能被感知，發(fā)現(xiàn)異常倉促預警，船舶的反應時間不足，同時聲光預警對于疲勞駕駛的船舶駕駛員可能產(chǎn)生不了任何效果。本系統(tǒng)通過多終端提前預警和多方聯(lián)動聯(lián)控，將駕駛員、船舶公司、橋梁管理單位、行業(yè)管理及執(zhí)法部門有機地聯(lián)合起來，多方協(xié)同防撞，可以更為有效地防止船撞橋事故的發(fā)生。

2系統(tǒng)方案設計

2.1實現(xiàn)思路

系統(tǒng)的總體實現(xiàn)思路為依據(jù)精確的基礎數(shù)據(jù)（包括航道、橋梁等信息）和實時的船舶精確定位，實時分析船舶的偏航情況，發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患及時預警，通過網(wǎng)絡化多方聯(lián)合防控的手段最大可能地防止船舶撞橋事故的發(fā)生，實現(xiàn)思路如圖1。

2.1.1建立全面的基礎數(shù)據(jù)建立航線、航道、沿線橋梁、船舶、船舶公司、橋梁管理單位、海事部門等精確的詳細數(shù)據(jù)，有了這些基礎數(shù)據(jù)，才能精準地分析船舶偏航及撞橋隱患，做到多方聯(lián)合防控，各類基礎數(shù)據(jù)的關鍵信息如表1。

2.1.2船舶精確定位實時定位船舶的位置，確定船舶的方向、速度，以此作為判斷船舶偏航及撞橋隱患的依據(jù)，因此對船舶的精確定位非常重要，目前，一般的gps定位精度為25米左右，精度難以達到要求，通過在航道區(qū)域建立基站同通過載波相位差分gps技術，可以對船舶進行精確定位，載波相位差分技術又稱為RTK技術（realtimekinematic）[2]，建立在實時處理兩個基準站的載波相位基礎上，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，通過差分計算處理能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度定位結果。目前，也有提供區(qū)域范圍內(nèi)精確定位的第三方服務，如千尋位置服務，能夠提供厘米級、甚至毫米級的三維位置服務，而且成本在逐年下降。

2.1.3實時監(jiān)測、智能分析預警提前預警：出發(fā)前根據(jù)船舶基本信息（高度、寬度）以及航線，自動分析能否通航，對存在限高限寬不滿足通航要求的橋梁進行預警提示。實時預警：實時根據(jù)船舶的精確定位信息和航道數(shù)據(jù)分析船舶的偏離航道行為，同時監(jiān)測前方2公里內(nèi)的橋梁水域狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時預警。

2.1.4多方聯(lián)動、聯(lián)合防撞發(fā)現(xiàn)船舶偏離航道或者有撞橋等安全隱患后，首先發(fā)送預警信號到船舶的駕駛艙，通過導航顯示屏和語音提醒駕駛員，如果在規(guī)定時間內(nèi)駕駛員未做出處置或者回應，系統(tǒng)自動發(fā)送預警信息到船舶公司，由船舶公司聯(lián)系駕駛員進行處理。在規(guī)定時間內(nèi)仍未處置完成的，系統(tǒng)自動發(fā)送預警信息到前方橋梁的管理單位或者水運執(zhí)法部門，由橋梁管理單位或者海事執(zhí)法部門組織攔截處置。

2.2系統(tǒng)總體架構各層說明如圖2。

2.2.1基礎設施層基礎設施層主要包括服務器、網(wǎng)絡設備、安全設備、聲光報警設備、監(jiān)控設備等基礎硬件設備及配套的軟件等。

2.2.2支撐層包括應用開發(fā)平臺、中間件（應用服務器、消息中間件、WEB服務器）以及位置服務、地圖服務和數(shù)據(jù)交互服務等。通過建設應用支撐平臺，實現(xiàn)界面集成、應用集成、數(shù)據(jù)集成及流程集成。

2.2.3業(yè)務實現(xiàn)層系統(tǒng)的主要業(yè)務邏輯實現(xiàn)層，主要包括船舶精確定位、偏航撞橋分析、防撞預警、聯(lián)合防撞等業(yè)務模塊。

2.2.4用戶層（終端接入層）分為船載終端、移動應用、PC端等，用戶主要由船舶駕駛員、船舶公司、橋梁管理公司、海事管理部門組成。

2.3系統(tǒng)拓撲結構

系統(tǒng)基于B/S架構部署于云服務上，用戶端主要包括：船舶終端系統(tǒng)和橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)。（圖3）船舶終端系統(tǒng)：安裝在船舶上，包括船舶導航系統(tǒng)、聲光設備、監(jiān)控視頻，為船舶駕駛員提供導航和預警。橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)：運行在pc端和手機端，系統(tǒng)與船舶終端通過服務器進行數(shù)據(jù)交換和交互，用戶包括船舶公司值班人員、橋梁管理單位值班人員和海事管理部門的值班人員及各單位相關負責人[3]。

3系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)主要分為船舶終端系統(tǒng)和橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1船舶終端系統(tǒng)

舶終端系統(tǒng)主要實現(xiàn)船舶的實時導航、預警分析及預警響應。由導航終端、定位設備、預警設備及視頻監(jiān)控等終端組成。定位設備：基于差分技術或者第三方服務，實現(xiàn)船舶的實時精確定位。預警設備：由喇叭和警燈組成，接受導航系統(tǒng)發(fā)出的預警指令，可以亮起警燈和響起警鈴。視頻監(jiān)控：基于4G網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控，pc端和手機端可以實時調(diào)閱視頻信息，出現(xiàn)偏航或者撞橋隱患時，監(jiān)測人員可以通過手機或者pc端查閱駕駛室情況。導航系統(tǒng)：基于圖形化的窗口頁面，實時展示航道信息、船舶位置信息、前方橋梁信息。對船舶的偏航行為及撞橋隱患進行實時分析，發(fā)現(xiàn)隱患及時啟動隱患預警及監(jiān)測流程，首先發(fā)送指令給船舶的預警終端，通過船舶聲光設備給船舶駕駛員發(fā)起警示，駕駛員調(diào)整船舶方向和速度，同時通過導航窗口的按鍵對預警進行響應，可以通過語音或者文字進行情況說明。如果駕駛員在設定的時間內(nèi)未作出響應，導航系統(tǒng)自動向服務器發(fā)送消息，啟動聯(lián)合防控預警流程。導航系統(tǒng)的具體功能設計如下：

3.1.1航線分析根據(jù)船舶基本信息（高度、寬度），對比航線上所有橋梁的通航限高和限寬，對存在限高限寬不滿足通航要求的橋梁進行預警提示，并提供符合通航要求的參考航線。

3.1.2實時導航基于GIS技術，在地圖上實時顯示船舶的位置（用形象的圖標模擬船舶）、方向、速度，以明顯的線條展示航道的邊線，根據(jù)船舶的動態(tài)位置實時刷新地圖，并預報前方2公里內(nèi)橋梁情況。

3.1.3偏航分析系統(tǒng)根據(jù)船舶的定位點（如圖4C點）和方向，在平面坐標系中計算出船舶兩側和船頭船尾的6個控制點（如圖4A1、A2、B1、B2、D1、D2）坐標，當任意控制點接近或者觸碰航道邊線時，系統(tǒng)發(fā)出偏航預警。

3.1.4預警與處置系統(tǒng)根據(jù)橋梁信息、船舶信息以及偏航分析結果，綜合評估船舶的撞橋風險，達到預警范圍時啟動預警，系統(tǒng)在導航界面彈出響應對話框進行提示并接收響應，同時聯(lián)動聲光設備發(fā)出警報聲并亮起警示燈進行警示。在船舶回歸正常航道或者駕駛員做出響應（點擊導航上的預警處置按鈕）后關閉預警；當船舶在規(guī)定時間內(nèi)沒有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進行響應時，系統(tǒng)自動啟動聯(lián)合防撞處置流程，向上一級發(fā)起預警。

3.2橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)與船舶終端實時交換數(shù)據(jù)，主要實現(xiàn)船舶公司、橋梁業(yè)主單位、海事部門等單位對轄區(qū)內(nèi)水域通航安全狀況的實時監(jiān)測和管理，主要包括安全監(jiān)測系統(tǒng)和聯(lián)合預警處置系統(tǒng)。

3.2.1橋梁水域安全監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)主要應用在船舶公司、橋梁管理單位和海事部門的監(jiān)控中心，實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)橋梁水域的實時通航監(jiān)測，基于地圖以圖形化的界面直觀地展示各橋梁水域的船舶航行狀態(tài)，通過船舶的位置信息實時分析船舶的運行態(tài)勢，快速識別船舶的偏航情況和撞橋風險，以高亮、閃爍的顯眼方式展示問題船舶，系統(tǒng)自動聚焦問題船舶水域，自動跟隨問題船舶，通過點選問題船舶可以實現(xiàn)與船舶終端的實時通訊（語音通話、視頻監(jiān)控等）[4]。

3.2.2聯(lián)合預警處置系統(tǒng)通過導航系統(tǒng)分析存在撞橋風險后，導航系統(tǒng)向船舶駕駛員發(fā)出預警，當船舶在規(guī)定時間內(nèi)沒有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進行響應時，系統(tǒng)自動啟動聯(lián)合防撞處置流程，系統(tǒng)按照流程，先向船舶公司發(fā)出預警，預警信息自動發(fā)送到該公司監(jiān)測系統(tǒng)（手機與pc端），同時發(fā)送手機短信到該船舶公司聯(lián)系電話上。船舶公司值班人員收到預警信息后，可以通過監(jiān)測系統(tǒng)連線船舶的監(jiān)控視頻查閱駕駛室情況，并能通過系統(tǒng)聯(lián)動駕駛室的聲光設備再次預警或者給當班駕駛員打電話等方式進行相關的應急處置，處置后在系統(tǒng)中記錄處置情況；當船舶公司未在規(guī)定時間內(nèi)通過手機或者pc端響應并報告處置情況，系統(tǒng)自動啟動下一級預警，將預警信息發(fā)送到橋梁管理單位，如果橋梁管理單位未能及時響應，系統(tǒng)繼續(xù)啟動下一級預警，將預警信息發(fā)送至海事管理部門，由海事管理部門組織就近的水面執(zhí)法人員前往現(xiàn)場進行攔截等應急處置。

4方案難點分析

本系統(tǒng)最大的難點在于實施，船舶公司和橋梁業(yè)主單位誰來主導，保護橋梁的設備需要安裝在船舶上，另外橋梁單位眾多，如何分攤設備費用，誰該為設備買單是其中最大的問題。因此系統(tǒng)的推廣實施需要依靠管理部門（海事部門、運輸審批部門）牽頭，并制定相關的管理辦法，對船舶的軟硬件及日常運維進行規(guī)范，對船舶公司、橋梁單位、海事部門值班監(jiān)測事務進行規(guī)范等。

5展望

系統(tǒng)的實施能更早地發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患，使橋梁防撞變得更加主動，防撞的反應時間更長，并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機制，將大幅度降低船舶撞橋事故發(fā)生的概率，維護正常的交通運輸秩序，保護人民生命財產(chǎn)安全。系統(tǒng)獲取了船舶的精確定位及其速度、方向，可以進一步分析船舶的運行軌跡，分析船舶之間的位置變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)船舶相撞和追尾的風險，從而擴展船舶的防撞、防追尾預警功能，進一步提高水路交通安全。

參考文獻

[1]鐘鵬,豐火雷,周開發(fā).智能橋梁防撞系統(tǒng)研究[J].山東工業(yè)技術2019(14).

[2]張銳,周崟,李庚基,白鵬.GPS差分定位方法研究及其應用[J].山西電子技術,2017(1).

[3]王寧.橋梁防船撞保護系統(tǒng)[J].山西建筑，2009（4）：327-328.

[4]姜金輝，金允龍，潘溜溜，梁文娟.橋梁防撞研究技術與方法[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2008(1)：23-27，56.

作者：唐廣花 朱顯紅 單位：廣東東軟學院