内河限制性航道桥梁超高防撞智能预警监控及自动取证系统研究与设计
高早明 蒋勇
摘 要：船舶撞桥主要有两种情况，一是大多数发生在夜间，一些船主无视铁路桥梁净空较低的实际情况强行通过；二是由于夜间视野差，船只也有可能撞击桥墩立柱，从而对铁路运输安全构成威胁，给国家和人民生命财产造成损失。由于AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）以及电子海图技术的广泛应用，目前对于中大型船舶的管理以及避碰预警等都已经开始构建相对成熟的系统。研究人员结合AIS技术，创造性地提出了通过统筹水文、气象、船舶信息、桥梁信息等关键参数，联动船舶以及桥梁之间的信息，起到碰撞预警的作用，可以大大降低风险的发生概率。
关键词：船舶撞桥；AIS；避碰；碰撞预警
0 引 言
桥梁在为陆路交通运输提供便利，方便民众生活，促进区域经济发展的同时，也为水路交通运输的管理与服务带来了困扰：
（1）随着桥梁问题的日益突出，目前我国针对桥区范围航标的配置方法、桥区航标的信息化管理等研究才刚刚起步，有待进一步深化研究；
（2）桥区航标因其作用的不同，与普通浮标存在较大差别。对桥区航标的集控管理方法缺少统一平台，亟待规范；
（3）桥区水域一旦发生船桥碰撞，在给桥梁造成损失，切断路面交通的同时，也会阻断水面交通造成航道拥堵。但如何利用桥区航标，进行更加有效的助导航服务，国内还未见相关研究。
由于桥梁对区域经济的发展及其对航运的重要影响作用，一直以来，各海事主管机构都将桥区水域作为最重要的监管区域进行监管，尽管如此，桥区事故却仍然频发。因此，亟需一种能对桥区航行提供实时监控管理的方案。本次研究采用科技手段对接近桥梁的船舶进行实时提醒，对超高的船舶进行针对性的告警提醒，发出声光报警信号以及通过无线电台及AIS警告超高船舶，并且自动拍摄录像，并同步传送到管理部门的监控中心进行取证，以便采取进一步的管理措施。
1 船载AIS介绍
船舶自动识别系统（AIS）由舰船飞机之敌我识别器发展而成，工作在VHF（甚高频）航海频段，有两个VHF频率作为AIS工作频道，分别是161.975MHz（CH87B）和162.025MHz（CH88B），配合全球定位系统（GPS），将船舶实际位置、船速、改变航向率及航向等船舶动态，结合船名、呼号、吃水、船舶尺度及危险货物等船舶静态资料，由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，这些信息也可以由海事部门通过信息服务平台向公众开放。
2 系统原理
1）桥区综合助航服务信息的基础数据采集
通过桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统一期的建设，航务部门试点布置了多功能航标以采集桥区水域环境信息。现阶段已经可以通过自建和合作渠道获得重要的通航环境数据，具体包括：桥涵标状态信息（位置、工作状态）、气象信息（风速、湿度等气象环境参数）、水文信息（航道流速、流向等）、航道桥梁基本信息（通航孔位置、通航净宽、净空高度等）。
航务部门需要研究各类型桥梁通航安全所需要的重点水文与气象类信息，研究桥区多功能航标的传感器合理布设方法。同时，需要进一步整合多渠道获得的同源异构数据，包括整合通过AIS基站获取的船舶动态信息。
2）桥区综合助航服务的有效信息服务方法
桥区综合助航服务平台可获取各种重要的通航基础环境信息。通过研究不同类型和航行状态的船舶所需要的信息服务种类，进行差异化信息服务，切实帮助船舶安全航行。
3）桥区船舶微观安全预警方法研究
在所获取的海事大数据信息基础上，设计船舶安全预警算法，通过船舶航行信息，结合实时风、流等重要基础信息，建立针对单船的微观桥区船舶安全航行风险模型，挖掘船舶安全信息，进而帮助有效识别桥区航道内的高风险船舶，辅助船舶安全操纵，保障桥区航道通航安全。
4）效率最大化的多手段信息服务方法研究
桥区助航信息服务包括两方面的内容：首先是基础信息服务，包括水文、气象等基础通航环境信息需要实时推送给桥区航道内的航行船舶；其次是安全预警信息，通过对通航桥区的船舶微观安全预警方法建模，可以计算每条船舶在桥区内航行的实时航行风险，进而识别桥区水域内高风险航行船舶，进而对这类高风险航行船舶实现点对点的预警，保障船舶安全通航。基本信息发布系统的结构如图1所示。
3 系统组成
3.1 系统框架
系统功能的整体实现，需要由桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统（以下称“监控管理软件”）、桥基站、AIS航标、桥航标（标识牌和浮标）和航行船船协同完成。如图2所示。
3.2 系统组成
桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统为本项目研究的主体部分，为实现系统功能，需要同时在桥区现场布设配套的桥基站、AIS航标、桥航标（标识牌和浮标）等配套硬件设备，当航行船船进入助导航水域，桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统即开始运行，进行助导航工作。整个系统分为如下几个模块：
（1）岸基端管理软件功能模块设计
包含电子海（江）图显示与操作模块，AIS船舶目标动态监控模块，通航环境信息监控模块，桥基站、桥涵标、浮标等助导航设备监测控制模块，桥區助导航信息管理模块，桥区助导航信息发布模块，综合信息查询服务，统计报表模块以及系统管理模块。
（2）桥基站功能模块设计
桥基站是桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统实现的重要配套硬件部分，用以帮助系统实现对船舶的助导航工作。
桥基站集成AIS基站、信息集成处理单元、海事VHF电台、渔业VHF电台、视频监控单元、4G通信设备（或有线专线）等。桥基站可以安装在桥附近的灯桩上，由交流岸电供电，同时内置UPS电源，以便在岸电丢失时保持基站正常运行至少2小时。通过处理水文、桥梁净高数据，存储AIS航标对外发送的水文气象信息，存储所接收的附近船舶AIS信息，存储视频单元采集的视频信息；存储时间3个月以上。
（3）AIS航标（浮标）功能设计
AIS浮标是桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统实现的另一重要配套硬件，用以采集桥区水域重要的通航环境信息，对外播发航标位置等。
浮标上安装有AIS终端、水文信息采集传感器等，采集的水文气象数据，集成后可通过浮标AIS向桥基站发送水文气象信息、航标灯动态信息（位置、灯状态、电流、电压）；通过浮标AIS向周围船舶广播浮标信息（名称、灯质、位置等）。
（4）桥涵标（标识牌和浮标）功能说明
桥涵标用于显示桥信息，通过装载的遥测遥控终端采集数据向监控中心上传有关信息。
4 系统特点
1）采用激光或红外线进行实时的船舶超高检测，灵敏度高，可靠性高，可以识别船舶行驶方向实现准确报警。
2）准确检测到经过检测点的船舶的MMSI及中文名称，AIS短信及VHF高频广播按中文名称告知。可准确可靠地检测超高船舶的行驶方向。
3）采用可靠的声光报警方式提醒超高船舶驾驶员采取避碰措施。
4）桥梁净高实时检测并且LED屏实时显示，有效的减少超高船舶与桥梁相撞事故障。
5）为了在第一时间得到船舶撞桥信息，系统可对船舶撞桥信息进行实时报警，防止因撞击严重没有及时发现所造成的严重后果。
6）安装桥涵灯（桥柱灯），正确显示桥梁轮廓，夜间发出灯光信号，指引船舶驾驶员确认桥梁通航孔位置，保障桥梁安全和船舶航行安全。
摘 要：船舶撞桥主要有两种情况，一是大多数发生在夜间，一些船主无视铁路桥梁净空较低的实际情况强行通过；二是由于夜间视野差，船只也有可能撞击桥墩立柱，从而对铁路运输安全构成威胁，给国家和人民生命财产造成损失。由于AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）以及电子海图技术的广泛应用，目前对于中大型船舶的管理以及避碰预警等都已经开始构建相对成熟的系统。研究人员结合AIS技术，创造性地提出了通过统筹水文、气象、船舶信息、桥梁信息等关键参数，联动船舶以及桥梁之间的信息，起到碰撞预警的作用，可以大大降低风险的发生概率。
关键词：船舶撞桥；AIS；避碰；碰撞预警
0 引 言
桥梁在为陆路交通运输提供便利，方便民众生活，促进区域经济发展的同时，也为水路交通运输的管理与服务带来了困扰：
（1）随着桥梁问题的日益突出，目前我国针对桥区范围航标的配置方法、桥区航标的信息化管理等研究才刚刚起步，有待进一步深化研究；
（2）桥区航标因其作用的不同，与普通浮标存在较大差别。对桥区航标的集控管理方法缺少统一平台，亟待规范；
（3）桥区水域一旦发生船桥碰撞，在给桥梁造成损失，切断路面交通的同时，也会阻断水面交通造成航道拥堵。但如何利用桥区航标，进行更加有效的助导航服务，国内还未见相关研究。
由于桥梁对区域经济的发展及其对航运的重要影响作用，一直以来，各海事主管机构都将桥区水域作为最重要的监管区域进行监管，尽管如此，桥区事故却仍然频发。因此，亟需一种能对桥区航行提供实时监控管理的方案。本次研究采用科技手段对接近桥梁的船舶进行实时提醒，对超高的船舶进行针对性的告警提醒，发出声光报警信号以及通过无线电台及AIS警告超高船舶，并且自动拍摄录像，并同步传送到管理部门的监控中心进行取证，以便采取进一步的管理措施。
1 船载AIS介绍
船舶自动识别系统（AIS）由舰船飞机之敌我识别器发展而成，工作在VHF（甚高频）航海频段，有两个VHF频率作为AIS工作频道，分别是161.975MHz（CH87B）和162.025MHz（CH88B），配合全球定位系统（GPS），将船舶实际位置、船速、改变航向率及航向等船舶动态，结合船名、呼号、吃水、船舶尺度及危险货物等船舶静态资料，由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，这些信息也可以由海事部门通过信息服务平台向公众开放。
2 系统原理
1）桥区综合助航服务信息的基础数据采集
通过桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统一期的建设，航务部门试点布置了多功能航标以采集桥区水域环境信息。现阶段已经可以通过自建和合作渠道获得重要的通航环境数据，具体包括：桥涵标状态信息（位置、工作状态）、气象信息（风速、湿度等气象环境参数）、水文信息（航道流速、流向等）、航道桥梁基本信息（通航孔位置、通航净宽、净空高度等）。
航务部门需要研究各类型桥梁通航安全所需要的重点水文与气象类信息，研究桥区多功能航标的传感器合理布设方法。同时，需要进一步整合多渠道获得的同源异构数据，包括整合通过AIS基站获取的船舶动态信息。
2）桥区综合助航服务的有效信息服务方法
桥区综合助航服务平台可获取各种重要的通航基础环境信息。通过研究不同类型和航行状态的船舶所需要的信息服务种类，进行差异化信息服务，切实帮助船舶安全航行。
3）桥区船舶微观安全预警方法研究
在所获取的海事大数据信息基础上，设计船舶安全预警算法，通过船舶航行信息，结合实时风、流等重要基础信息，建立针对单船的微观桥区船舶安全航行风险模型，挖掘船舶安全信息，进而帮助有效识别桥区航道内的高风险船舶，辅助船舶安全操纵，保障桥区航道通航安全。
4）效率最大化的多手段信息服务方法研究
桥区助航信息服务包括两方面的内容：首先是基础信息服务，包括水文、气象等基础通航环境信息需要实时推送给桥区航道内的航行船舶；其次是安全预警信息，通过对通航桥区的船舶微观安全预警方法建模，可以计算每条船舶在桥区内航行的实时航行风险，进而识别桥区水域内高风险航行船舶，进而对这类高风险航行船舶实现点对点的预警，保障船舶安全通航。基本信息发布系统的结构如图1所示。
3 系统组成
3.1 系统框架
系统功能的整体实现，需要由桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统（以下称“监控管理软件”）、桥基站、AIS航标、桥航标（标识牌和浮标）和航行船船协同完成。如图2所示。
3.2 系统组成
桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统为本项目研究的主体部分，为实现系统功能，需要同时在桥区现场布设配套的桥基站、AIS航标、桥航标（标识牌和浮标）等配套硬件设备，当航行船船进入助导航水域，桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统即开始运行，进行助导航工作。整个系统分为如下几个模块：
（1）岸基端管理软件功能模块设计
包含电子海（江）图显示与操作模块，AIS船舶目标动态监控模块，通航环境信息监控模块，桥基站、桥涵标、浮标等助导航设备监测控制模块，桥區助导航信息管理模块，桥区助导航信息发布模块，综合信息查询服务，统计报表模块以及系统管理模块。
（2）桥基站功能模块设计
桥基站是桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统实现的重要配套硬件部分，用以帮助系统实现对船舶的助导航工作。
桥基站集成AIS基站、信息集成处理单元、海事VHF电台、渔业VHF电台、视频监控单元、4G通信设备（或有线专线）等。桥基站可以安装在桥附近的灯桩上，由交流岸电供电，同时内置UPS电源，以便在岸电丢失时保持基站正常运行至少2小时。通过处理水文、桥梁净高数据，存储AIS航标对外发送的水文气象信息，存储所接收的附近船舶AIS信息，存储视频单元采集的视频信息；存储时间3个月以上。
（3）AIS航标（浮标）功能设计
AIS浮标是桥区航标集控管理与综合助航信息服务系统实现的另一重要配套硬件，用以采集桥区水域重要的通航环境信息，对外播发航标位置等。
浮标上安装有AIS终端、水文信息采集传感器等，采集的水文气象数据，集成后可通过浮标AIS向桥基站发送水文气象信息、航标灯动态信息（位置、灯状态、电流、电压）；通过浮标AIS向周围船舶广播浮标信息（名称、灯质、位置等）。
（4）桥涵标（标识牌和浮标）功能说明
桥涵标用于显示桥信息，通过装载的遥测遥控终端采集数据向监控中心上传有关信息。
4 系统特点
1）采用激光或红外线进行实时的船舶超高检测，灵敏度高，可靠性高，可以识别船舶行驶方向实现准确报警。
2）准确检测到经过检测点的船舶的MMSI及中文名称，AIS短信及VHF高频广播按中文名称告知。可准确可靠地检测超高船舶的行驶方向。
3）采用可靠的声光报警方式提醒超高船舶驾驶员采取避碰措施。
4）桥梁净高实时检测并且LED屏实时显示，有效的减少超高船舶与桥梁相撞事故障。
5）为了在第一时间得到船舶撞桥信息，系统可对船舶撞桥信息进行实时报警，防止因撞击严重没有及时发现所造成的严重后果。
6）安装桥涵灯（桥柱灯），正确显示桥梁轮廓，夜间发出灯光信号，指引船舶驾驶员确认桥梁通航孔位置，保障桥梁安全和船舶航行安全。
