桥梁主动防撞预警系统实现形式

船舶位置检测 前用于检测船舶偏航的主要技术有基于AIS的船舶位置识别技术及基于图像识别的越界检测 技术、基于微波雷达的船舶位置识别技术。 AIS 系统：船舶自动识别系统（Automatic Identification System, 简称 AIS 系统）由岸基（基 站）设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信 息显示技术为一体的数字助航系统和设备。 AIS 消息提供三类数据，其中包含： 1、船舶静态数据，包含船名、呼号、MMSI、IMO、船舶类型、船长、船宽等； 2、船舶动态数据，包含经度、纬度、船首向、航迹向、航速等； 3、船舶航程数据，包含船舶状态，吃水，目的地、ETA 等。 利用船舶 AIS 提供的位置信息对船舶行驶位置进行判断其是否偏航。具有距离远、数据准确、 不受天气影响的优点。但当船舶未安装 AIS 或者 AIS 关闭时，AIS 将无法捕捉到船舶的任何信息。 图像识别：是指利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对 像的技术，在桥梁上架设摄像机，对桥区航道的图像进行识别处理，可以判断是否有船舶进入非 航道区域，对于珠海市内大桥，如果采用图像识别方案判断船舶偏航，需要在大桥上架设很多摄 像机，工程量庞大，而且这种方案受天气影响，晚上不能识别。 航海雷达（Marine radar）是装在船上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，亦称船 用雷达。航海雷达在能见度不良时为航海人员提供了必需的观察手段。使用雷达检测船舶位置的方法在现代船舶上被普遍使用，雷达识别船舶位置具有距离远、不受天气影响的优点，但是目前 使用的船用雷达一般适用于目视判断，要使用计算机对雷达扫描的图像进行识别判断，目前技术 成熟，性价比较高。 偏航检测作为防撞预警检测的第一步，在防撞预警监测中举足轻重，基于现有的 VTS 雷达覆 盖网络及数据接口，可对大桥预警线内的所有船舶进行监测，现在绝大部分雷达都可兼容 AIS 系 统，雷达软件可自动完成地理坐标转换工作，将雷达回波数据和 AIS 数据的融合结果显示在海事 地图上，可以更加准确的判断回波目标属性，并可辅助判断船舶是否关闭了 AIS 系统，在获取船 舶的速度与航向矢量后，可判断船舶是否偏航，部分雷达还具有自动目标获取功能，当该功能打 开时，距离雷达站点 3nm 范围内正在靠近的目标，会通过多普勒计算予以标记。 偏航识别常用的方法和对比：本系统设计中，考虑到对实际现场的分析和使用要求，主要使用 VTS 系统和 AIS 系统数据 融合，注意到 AIS 信号采集频率低且船舶未开 AIS 则无法跟踪的缺陷，在桥区设置激光雷达基站， 判断预警区域内船舶的位置，并将信息经过智能算法加工处理判断船舶是否偏航，若船舶已经发 生偏航，并且未及时做出航向纠正相应，则会发生船桥碰撞事件。这里选择多线激光雷达设备， 可以获取船舶的实时位置、坐标、尺寸等值。2）船舶超高监测模块 超高监测是避免船舶正向撞击桥体的有效手段，本项目通航孔尺寸小，然而通航船舶尺寸大， 载重高，危害性大，因此预警范围需设计足够广泛，以覆盖桥区所有区域，超高监测的难点的难 点在于如何选择一种适合现场气象环境和满足现场预警距离的监测方式，现有常用的船舶超高监 测方式有激光对射式传感器、激光测距传感器、激光雷达传感器、图形传感器等，这些检测方式 各有优缺点，我们应该根据具体情况选用合适的超高监测传感器。超高监测距离测算一般采用紧急停船距离经验估算法：从主机倒车后的船速随时间变化关系 看，可近似认为是一个匀减速过程，如图所示。紧急停船距离的大小就是速度曲线与时间轴围成 的面积。即其中：C 为紧急停船距离系数，一般货船去 0.25~0.27，大型油船取 0.27~0.29；S 为基金停船 距离（m）；Ta 为倒车使用使用（s）；Vk 为倒车时船速（Kn）。使用该公式时，可以不考虑主 机种类和吃水状态。 我们的设计方案为：采用图像识别的方式，同时配合激光超高检测方案，在可见度较好的情 况下，激光交叉式超高检测更加可靠，并且测高精度更高。夜间或不良气象条件下，当激光监测 可靠性降低时，可利用热成像图像识别，进行船舶的水线以上高度测量。 3）船舶超速监测 限速检测是保证不同种类的船舶在警戒海域内不同航道按照不同的航速进行行驶，需要使用 AIS 系统对船舶类型进行识别，区分高速客船和其他船舶，还需要使用 VTS 对船舶的航向和航速 参数进行分析，最后判断船舶所处航道，按照下表对船舶航速进行限速操作。对于未按照限速要 求操作的船舶，则启用应急响应子程序。 我们获取 AIS、雷达和图像监测中的数据，根据相关算法可以判断出船舶的实时速度，如存 在超速现象，启用应急响应子系统，并进行预报警。4）船舶流量及违章行为预警 系统可根据各采集元件的数据，分析得到船舶的船名、速度、航向、水线以上高度。从而可 发现船舶1）是否存在掉头逆行、违规抛锚、失舵漂浮等现象，进行预警和提示。也可对船舶日流量、 月流量、通过船舶类型等进行归类统计，对桥区的日常管理有着积极的意义。 5）恶劣气象预警及水位监测 水文气象设备一般包括气温计、气压计、风速仪、风向仪、能见度仪，流速，流向等，这些 信息与船舶通航及船舶通航安全密切相关。为了实时掌握辖区的气象情况，为船舶提供信息服务， 有必要根据需求对桥区域内的气象信息进行收集。对于突发的恶劣气象环境，可通过 AIS、VHF 等通讯手段进行及时预警，助航提示。水位传感器可采集当前水位高度，并根据桥梁的设计高度计算出桥梁的实际通航净高并告知 通过桥梁的船舶，提示其注意安全，水位传感器一般有投入式水位传感器和反射式超声波水位传 感器，系统一般选取超声波式水位传感器作为采集元件，这种传感器有安装简单、不受环境影响 等优点。根据夔门大桥的高低水位差及安装高度等特征，此处宜选择超声波水位传感器。 6）CCTV 视频监控模块 视频监控是有效的管理手段之一，方便事故监管、事故取证等，项目实施过程中，我们需要 对目前的监控盲区、重点监测部位等，对现有的视频传感元器件进行调整和增加，以期可以对全 桥所有重点区域实现监控覆盖。视频监控使用视频监控单元，其实现 7×24 小时全天候监视桥梁的工作状态，一旦发生船舶 碰撞事故，视频监控资料作为一个重要的取证资料，及时掌握大桥的性能和运营状态，及时发现 桥面、桥下空间、桥梁控制区、河道控制区范围危及桥梁安全的路政违法违规行为，及时发现构 件异常现象，做出判断并找出原因，及早发现安全隐患；当桥梁出现安全状况时，进行实时预警， 并给出处置措施。实时监测系统具有数据储备功能，可以对指定时间内桥区的通航情况进行回看， 记录调取，有助于桥区的全方位管理，建立智能桥区管理机制。 为更好的检测到来船方向状况，分别在每个桥墩上安装两台球机，作用于监测航道上的船舶， 并若有发生偏航事件，通过设置预置点，监看桥墩，随时监控可能发生碰撞事故的船舶，以达到 取证的功能。球机成交叉监控，可监看非通航区域，实行全河道的可视化监控。7）声光预警模块 采用声、光、文字等方式全方位全体系的预警模式，在设计时结合桥区特征，针对大桥的通 航条件、过往船只、来往车辆等情况，专门进行设计，大体状况描述如下：当超速、偏航船舶驶 入该桥区水域监测范围内时，岸边电子屏会显示“超高禁止通行”或“您已偏航”等字样，同时 触发电笛或高音设备及激光束闪烁，针对不同的违规事件，光束会有不同的闪烁动作，以提示船 员及时纠正自己的驾驶行为；当桥区遇到大雾、强降雨等天气时，激光束进入常亮状态，警示几 公里外的船舶注意即将驶入桥区，提醒船员减缓速度通过；对行驶至危险区域内还未意识到已偏 航或超速的船舶，会触发高音警报及激光束定向直射；当该桥区附近发生事故、水面漂浮障碍物或桥区施工等情况，根据检测捕捉到的影像进行数据分析处理，在桥梁上下游处的 LED 电子屏 会播放相关讯息，警示船舶停驶或小心通过，如“前方施工，请小心行驶。”“附近发生事故， 禁止通过”等文字；正常情况下，LED 电子屏可显示当前风速风力、气象温度、能见度等信息， 辅助船员安全驾驶。8）海事助航信息自动播报和提示 系统可关联当地还是管理部门的相关数据（在管理部门允许的情况下），从而自动向驶入桥 区水域的船舶发布各种海事管制信息，如施工信息、水位信息、通航净高、能见度等，这些信息 帮助船舶驾驶员更好地了解航道通航情况。 9）数据查询及大数据统计功能 系统需收集的前端采集设备的数据包括两类：1）AIS 定位船舶数据、船舶超高数据、船舶偏 航数据，以及其它相关的电气参数等；2）超高、偏航预警数据、违章船舶抓拍预警数据、高清 现场视频数据。为确保在意外情况下（如断电或网络受损），前端采集的数据不丢失，需在前端 配备存储设备，本项目设计的前端存储设备为硬盘录像机。 系统保存每次报警的时间、录像数据，过往船舶的数据，数据的保存时长可根据业主的需求 设定。对系统中的发布信息、船舶通航情况、超高信息、雷达偏航信息、违规关闭 AIS 信息、重 点监控船舶信息进行统计。同时，根据需要，管理人员可以通过管理云平台随时对数据进行查阅、 统计、打印。 10）模拟航标和电子围栏 系统把桥梁的墩台及危险地点通过 AIS 系统向附近船舶发布虚拟航标信息，经过的船舶靠近 虚拟标点时船载 AIS 装置会自动发出预警信息提醒船舶驾驶员注意安全航行。 在防撞管理平台对桥梁附近水域设置电子地图进行规划，形成电子围栏区域，如果船舶进入电子围栏区域，系统将自动向进入围栏的船舶发出警告，确保大桥的安全。