1、桥梁防碰智能预警系统研究应用 陈国祥 上海海事大学物流工程学院 摘 要： 佛山海事局研究出集 AIS 助航、视频监控、激光限高检测、桥墩碰撞检测、甚高频无线电话自动播报、水位水速测量及声光报警等现代无线通信技术于一体的多功能桥梁防碰智能预警系统。该系统获得国家实用新型发明专利,已在业内铁路桥、公路桥推广应用。关键词： 桥梁防碰; 智能预警; 研究应用; 1 引言近年来,随着佛山市地方经济快速发展,交通基础设施建设进入快速发展期,跨越通航水域的桥梁不断增多。同时,由于江海直达航运经济发展,内河航道升级,船舶大型化,进江海船逐渐增多,原有桥梁设计通航标准(桥梁净空高度、净空宽度、航道桥墩布设等)不
2、适应现时船舶通航要求,导致桥梁水域通航环境日益复杂,船舶碰撞桥梁事故时有发生。此外,许多老旧桥梁的防碰撞能力薄弱(未安装防碰撞设施、涉水副通航孔桥墩的防撞设计能力低),船舶通航对桥梁安全形成较大隐患,桥梁安全不断受到威胁。据统计,2007-2016 年佛山辖区累计发生船舶碰撞桥梁事故 34 宗,其中 2007 年发生的“6.15”船撞九江大桥事故震惊全国。为预防和减少船舶碰撞桥梁事故,研究桥梁防碰智能预警系统很有必要。佛山海事局组织高校、软件设计单位专家、技术人员,于 2015 年成功研究出桥梁防碰智能预警系统,同年获得国家颁发实用新型专利证书。2 系统研究目前,大多数船舶已经安装辅助避碰和通
3、讯设备,主要包括:AIS、CCTV 视频、VHF 甚高频、电台语音通信、雷达等。这些设备长期用于船与船之间避碰,技术较为成熟。桥梁防碰智能预警系统正是基于现有成熟技术的扩展应用,增加 AIS助航单元、声光警示单元、水位水速测量单元、VHF 语音警示单元、视频监控单元、雷达应答器终端单元,研究出信息数据实时播发、自动识别预警、视频监控录取等多功能于一体的桥梁防碰智能预警系统。2.1 系统功能2.1.1 AIS 助航当系统接收到 AIS 信号,并检测到船舶驶入检测点航道时,通过 VHF 电台海事频道语音提醒驶入的船舶注意桥梁限高,为靠近桥梁的船舶提供辅助航行指引。可在上位机设置是否开启。2.1.2
4、 超高检测警告、取证当超高船舶驶入超高检测点,并遮挡测高激光束时,主控系统自动检测到船舶超高,开启声光警示系统发出声光报警信号,并通过无线电台及 AIS 系统警告超高船舶,提醒超高船舶采取措施。同时启动图像监控系统记录现场图像,通过网络向上位机发送监测到的报警数据。2.1.3 通航信息图像监控系统在航道的不同方向设计安装多台摄像头,用于实时监控通航情况。摄像头通过视频电缆集中连接到硬盘录像机。硬盘录像机配备的硬盘可以保存一个月的视频数据。这些数据可以随时被播放。管理人员在上位机的电脑屏幕可以通过键盘切换、观看任意一路现场图像信号,也可以控制云台及调焦,细致观看航道的通航情况。2.1.4 监控中
5、心数据管理系统保存每次报警的时间、录像数据。管理员可以根据需要对这些数据进行统计、打印。与完全版功能相比,少了 AIS 航标模拟功能、多部门网络管理功能及风光互补发电功能,可根据需要扩充模块增加相应的功能。2.2 系统特点采用双光束遮挡报警传感器检测船舶超高,灵敏、可靠,实验证明直径 10 厘米与速度为 60 公里每小时的障碍物通过,能有效被检测。可准确可靠地检测超高船舶的行驶方向。采用可靠的声光报警方式,提醒超高船舶驾驶员采取措施。采用 4G 信号传输数据,减少布线工程,降低系统成本。系统具备自检自测功能,确保系统可靠工作。2.3 系统构成2.3.1 系统模式及原理图系统架构采用现场监控系统
6、-服务器-用户模式,即 B(浏览器)/S(服务器),是当前监控系统非常主流方式。现场监控系统分布在各个监测点,通过 4G 信号与服务器交换信息。主机采用高档工业控制计算机主机或专用服务器。操作系统采用 WIN-DOWS-SERVER2007。服务器可以架设在海事管理部门或桥梁业主单位或电信机房。使用单位通过浏览器访问服务器数据或现场监控系统数据,可以对现场实施控制。如图 1。图 1 现场监控系统模式示意图 下载原图图 2 现场单元原理图 下载原图2.3.2 现场监控系统现场监控系统由主控单元、激光发射单元及声光警示单元组成。激光发射单元在规定的通航高度向对岸发射两束平行的可见激光束。主控单元由
7、激光检测模块、4G 通信模块组成。如果有超高船舶遮挡激光束,主控单元根据遮挡的先后顺序判断船舶的行驶方向。如果驶入船舶超高,控制声光报警单元自动发出声光报警信号。同时启动录像抓拍功能,拍摄超高船舶图像,把报警信息及图像信息传送到上位机服务器。管理人员在上位机的电脑屏幕可以通过键盘切换、观看任意一路现场图像信号,也可以控制云台及调焦,细致观看航道的通航情况。如图 2、图 3、图 4。图 3 现场监控系统平面布置图 下载原图图 4 现场监控系统立面布置图 下载原图2.3.3 支撑单元支撑单元主要用来支撑激光发射器、设备箱、风力发电机及太阳能板。系统使用中激光发射,接收端不能有过大的位移,否则会造成
8、发射的激光束偏离接收传感器而造成误报。为此,要求支撑激光发射器的支撑杆要有足够的机械强度,保证 12 级台风情况下系统能正常使用,保证由于车辆或船舶经过时引起的震动也不会对激光的检测造成影响,安装后的高度稍高于航道限高标准。2.4 现场监控系统主控单元设计现场监控系统主控单元由控制板、风光互补发电模块、激光超高检测模块、视频监控模块、通信网络模块及警示输出模块组成。控制板采用 8 位高性能微处理器自主研发制作。激光超高检测传感器检测到有物体遮挡激光束,向控制板发出激光被遮挡信号。控制板根据 2 个激光传感器被遮挡的顺序,判断船舶的行驶方向。如果驶入船舶超高,控制声光报警单元发出声光报警信号,控
9、制 VHF 对讲系统发出语音警示。同时启动录像抓拍功能,拍摄超高船舶图像,把报警信息及图像信息传送到上位机服务器。管理人员在上位机的电脑屏幕可以通过键盘切换、观看任意一路现场图像信号,也可以控制云台及调焦,细致观看航道的通航情况。系统及电池全部安装在一个铁箱内,固定于铁塔离地面 3 米高以上,不容易被破坏的位置。如图 5。图 5 主控单元原理图 下载原图2.4.1 控制板控制板选用高性能 8 位 CPU 自行开发制作,控制板应该具备多串口、多 IO 输入输出口,以便与其他模块连接。2.4.2 激光检测模块激光检测模块安装在与发射模块同一水平高度的铁塔上,水平分布,距离相隔0.8-1 米,选用遮
10、挡报警的激光检测模块。为了保证检测到较小的超高遮挡物体,要求激光检测模块具备较高的灵敏度。2.4.3 视频监控模块本视频监控模块由一个硬盘录像机、3 个枪式摄像机及一个球型摄像机组成。3个枪式摄像机分别固定指向航道的对岸、上游及下游,24 小时监控航道的通航情况。1 个球型摄像机固定在铁塔顶部,拍摄方向可以任意控制。摄像头通过视频电缆集中连接到硬盘录像机。硬盘录像机配备的硬盘可以保存一个月的视频数据。这些数据可以随时被播放。管理人员在上位机的电脑屏幕可以通过键盘切换、观看任意一路现场图像信号,也可以控制云台及调焦,细致观看航道的通航情况。2.4.4 AIS 模块AIS 模块的主要功能是把桥梁的
11、墩台或墩台之前一定距离的某一点作为虚拟的AIS 目标,通过 AIS 设备向附近海域发出 AIS 信号,附近驶入船舶的 AIS 系统能显示该虚拟目标离船舶的位置及距离,这样可以提醒船舶驾驶员采取正确的驾驶措施。AIS 模块接收附近的船舶发出的 AIS 信号,保存离监控目标一定距离范围的船舶的信息。当有船舶超高报警发生时,把这些船舶的信息上传到服务器,供服务器判断超高船舶。当有超高报警发生时,向附近海域发出超高报警信息。2.4.5 海事 VHF 电台模块海事 VHF 电台模块的主要功能是主控板检测到有超高船舶驶入后,使用海事专用频道发出警示音频。该模块要求是符合海事电台使用规定,有被单片机控制的接
12、口,有外部音频输入接口。2.4.6 4G 无线通信模块无线通信模块包括工业 4G 路由器及交换机。这个模块的主要功能是利用 4G 网络信号沟通现场监控系统与上位机之间的通信,节省大量铺设光纤的以及租用光纤的费用。现有 4G 信号的带宽满足视频监控使用,平时监控数据保存在现场监控系统,报警触发及上位机需要查看现场监控图像时才消耗流量。这种模式下利用 4G 的使用费比租用光纤便宜。2.4.7 无线发射模块无线收发模块的主要功能是用于主控单元与声光报警之间传输数据,选型上主要考虑发射功率与距离的因素。同时考虑模块使用的通信频率,选用符合国家允许自由使用的频段和发射功率的收发模块。2.4.8 水位水速
13、测量模块桥面下方固定安装,实时采集桥梁的净空高度、流速信息。配合 AIS 助航模块单元使用,向船舶播发水文信息,使周围船舶可实时掌握桥梁周围的水文信息,为船舶安全行驶提供一定的预报信息。2.4.9 系统自检装置系统设置一个自测电机带动一个遮挡物激光检测传感器,以测试系统的工作情况,实现自检目的。这种方法简单可靠,可以确保系统长期可靠工作,防止传感器失灵造成系统失灵。2.5 发射单元设计发射单元由设备箱、太阳能发电模块、激光发射模块组成。激光发射单元的主要功能是在规定的通航高度向对岸发射两束平行的可见激光束,用于检测过往船舶是否超高。如图 6。图 6 发射单元原理框图 下载原图图 7 声光警示系
14、统框图 下载原图2.5.1 激光发射单元激光发射单元由 2 个激光发射器组成。2 个激光发射器水平安装在航道限高标高位置。2 束激光束水平间隔 0.8-1 米,这样布局的目的可以检测船舶经过的方向,可以排除是否飞鸟遮挡造成的干扰。2.5.2 太阳能供电模块太阳能供电模块为激光发射器提供电能,由太阳能板、充电控制器及蓄电池组成。为保证 10 天没太阳光的情况下系统能正常供电,理论计算需要电池容量。2.5.3 设备箱设备箱用于安装系统的硬件元件,使得各元件能可靠地工作。同时起到防水、防尘、防盗的作用。选用的设备箱除了能放置所有的模块外,箱体还应结实牢固、密封防水。2.6 声光警示单元设计声光警示单
15、元由太阳能供电模块、无线电接收模块、CPU 控制模块、LED 显示屏及船用电笛及强光频闪灯组成。主要功能是通过无线接收模块,接收主控单元的指令,按船舶避让信号标准发出电笛声音,警示超高船舶。同时控制 LED 显示屏闪烁显示“超高警示”的字样。太阳能板安装于桥梁上,确保阳光照射不被遮挡。设备箱、电笛、LED 显示屏安装在桥梁桥墩、桥梁上,保证最高洪水位不被淹没。如图 7。2.6.1 控制板单元CPU 控制模块的主要功能是通过无线模块,接收岸上单元的指令,控制 LED 显示屏或船用电笛工作。CPU 控制板选用带看门狗的高性能 8 位 CPU 自行研制,确保长期稳定运行。2.6.2 LED 显示屏因
16、为本系统需要显示的信息内容比较简单,所以拟选用类似广告招牌形式的固定内容的 LED 显示屏,目的是提高可靠性,降低建设成本及日后维护成本。固定字内容可以根据海事部门提议定造。2.6.3 船用电笛船用电笛受主控板的控制,当主控单元检测到有船舶超高信号后,控制船用电笛发出向驶入船舶发出避让信号。2.6.4 强光频闪灯强光频闪灯的主要功能是当系统检测到船舶超高时,用强光束频闪灯照射超高船舶,提醒驾驶员采取措施。2.6.5 无线数传模块选用与主控单元配对使用的无线数传模块。2.6.6 太阳能供电模块太阳能供电模块为激光发射器提供电能,由太阳能板,充电控制器及蓄电池组成。为保证 10 天没太阳光的情况下
17、系统能正常供电,理论计算需要电池容量。3 系统应用近期,佛山市有关职能部门对辖区跨越主要通航水域的 148 座桥梁进行了全面风险排查,发现 81 座桥梁存在较高船碰桥风险。其中,船舶碰撞桥墩风险较大的桥梁 46 座,船舶碰撞桥面风险较大的桥梁 7 座,既存在碰桥墩又存在碰桥面风险的28 座桥梁。目前,地方各级交通运输主管部门和桥梁业主单位已意识到桥梁防碰撞的必要性、紧迫性,充分应用桥梁防碰智能预警系统研究技术成果。2016 年,佛山市南海区交通、海事部门率先在东平水道五斗大桥、旧佛陈大桥安装了桥梁智能防撞预警系统。经过一年的运行评估,认为该系统对防止船舶碰撞桥梁具有较好的防范作用。2017 年,佛山市交通运输局计划在 13 座铁路桥、公路桥推广应用,佛山市路桥公司也在设计研究中。
