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橋梁防撞系統(tǒng)方案分析

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橋梁防撞系統(tǒng)方案分析

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(shí)時分析船舶的運(yùn)行態(tài)勢,提前發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患、提前預(yù)警,使橋梁防撞變得更加主動,防撞的反應(yīng)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(jī)地聯(lián)合起來,并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機(jī)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(hù)正常的交通運(yùn)輸秩序,保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞:橋梁防撞;船舶導(dǎo)航;精確定位;多方聯(lián)動

1概述

隨著我國公路、鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展,修建了大量的跨江、跨海大橋。水運(yùn)目前是我國不可或缺且最為經(jīng)濟(jì)的物流運(yùn)輸方式,大量的貨運(yùn)、客運(yùn)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(shè)過程中對通航橋墩做了一定的防護(hù)措施,通航橋洞的設(shè)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(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)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(jì)損失近5000萬元,更帶來了極其嚴(yán)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(shè)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(shè)置防撞防護(hù)設(shè)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(dá)等感應(yīng)設(shè)備以及聲光預(yù)警設(shè)備,探測到船舶靠近橋梁且存在風(fēng)險時對其進(jìn)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(jié)底,當(dāng)前的這些防撞手段太過于被動,預(yù)警的距離太短,臨近橋梁才能被感知,發(fā)現(xiàn)異常倉促預(yù)警,船舶的反應(yīng)時間不足,同時聲光預(yù)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(yù)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(jī)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(shè)計

2.1實(shí)現(xiàn)思路

系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)思路為依據(jù)精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(包括航道、橋梁等信息)和實(shí)時的船舶精確定位,實(shí)時分析船舶的偏航情況,發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患及時預(yù)警,通過網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)思路如圖1。

2.1.1建立全面的基礎(chǔ)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(xì)數(shù)據(jù),有了這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),才能精準(zhǔn)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(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息如表1。

2.1.2船舶精確定位實(shí)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(dá)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(shù),可以對船舶進(jìn)行精確定位,載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)(realtimekinematic)[2],建立在實(shí)時處理兩個基準(zhǔn)站的載波相位基礎(chǔ)上,由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時將其載波觀測量及站坐標(biāo)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(zhǔn)站的載波相位,并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理,通過差分計算處理能實(shí)時提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo),并達(dá)到厘米級的高精度定位結(jié)果。目前,也有提供區(qū)域范圍內(nèi)精確定位的第三方服務(wù),如千尋位置服務(wù),能夠提供厘米級、甚至毫米級的三維位置服務(wù),而且成本在逐年下降。

2.1.3實(shí)時監(jiān)測、智能分析預(yù)警提前預(yù)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(jìn)行預(yù)警提示。實(shí)時預(yù)警:實(shí)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(yù)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(yù)警信號到船舶的駕駛艙,通過導(dǎo)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(yīng),系統(tǒng)自動發(fā)送預(yù)警信息到船舶公司,由船舶公司聯(lián)系駕駛員進(jìn)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(yù)警信息到前方橋梁的管理單位或者水運(yùn)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(gòu)各層說明如圖2。

2.2.1基礎(chǔ)設(shè)施層基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、聲光報警設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等基礎(chǔ)硬件設(shè)備及配套的軟件等。

2.2.2支撐層包括應(yīng)用開發(fā)平臺、中間件(應(yīng)用服務(wù)器、消息中間件、WEB服務(wù)器)以及位置服務(wù)、地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)交互服務(wù)等。通過建設(shè)應(yīng)用支撐平臺,實(shí)現(xiàn)界面集成、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成及流程集成。

2.2.3業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)層,主要包括船舶精確定位、偏航撞橋分析、防撞預(yù)警、聯(lián)合防撞等業(yè)務(wù)模塊。

2.2.4用戶層(終端接入層)分為船載終端、移動應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)部署于云服務(wù)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(dǎo)航系統(tǒng)、聲光設(shè)備、監(jiān)控視頻,為船舶駕駛員提供導(dǎo)航和預(yù)警。橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng):運(yùn)行在pc端和手機(jī)端,系統(tǒng)與船舶終端通過服務(wù)器進(jìn)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(guān)負(fù)責(zé)人[3]。

3系統(tǒng)功能設(shè)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(shí)現(xiàn)船舶的實(shí)時導(dǎo)航、預(yù)警分析及預(yù)警響應(yīng)。由導(dǎo)航終端、定位設(shè)備、預(yù)警設(shè)備及視頻監(jiān)控等終端組成。定位設(shè)備:基于差分技術(shù)或者第三方服務(wù),實(shí)現(xiàn)船舶的實(shí)時精確定位。預(yù)警設(shè)備:由喇叭和警燈組成,接受導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)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(luò)的視頻監(jiān)控,pc端和手機(jī)端可以實(shí)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(jī)或者pc端查閱駕駛室情況。導(dǎo)航系統(tǒng):基于圖形化的窗口頁面,實(shí)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(jìn)行實(shí)時分析,發(fā)現(xiàn)隱患及時啟動隱患預(yù)警及監(jiān)測流程,首先發(fā)送指令給船舶的預(yù)警終端,通過船舶聲光設(shè)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(dǎo)航窗口的按鍵對預(yù)警進(jìn)行響應(yīng),可以通過語音或者文字進(jìn)行情況說明。如果駕駛員在設(shè)定的時間內(nèi)未作出響應(yīng),導(dǎo)航系統(tǒng)自動向服務(wù)器發(fā)送消息,啟動聯(lián)合防控預(yù)警流程。導(dǎo)航系統(tǒng)的具體功能設(shè)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(jìn)行預(yù)警提示,并提供符合通航要求的參考航線。

3.1.2實(shí)時導(dǎo)航基于GIS技術(shù),在地圖上實(shí)時顯示船舶的位置(用形象的圖標(biāo)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(shí)時刷新地圖,并預(yù)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(diǎn)(如圖4C點(diǎn))和方向,在平面坐標(biāo)系中計算出船舶兩側(cè)和船頭船尾的6個控制點(diǎn)(如圖4A1、A2、B1、B2、D1、D2)坐標(biāo),當(dāng)任意控制點(diǎn)接近或者觸碰航道邊線時,系統(tǒng)發(fā)出偏航預(yù)警。

3.1.4預(yù)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(jié)果,綜合評估船舶的撞橋風(fēng)險,達(dá)到預(yù)警范圍時啟動預(yù)警,系統(tǒng)在導(dǎo)航界面彈出響應(yīng)對話框進(jìn)行提示并接收響應(yīng),同時聯(lián)動聲光設(shè)備發(fā)出警報聲并亮起警示燈進(jìn)行警示。在船舶回歸正常航道或者駕駛員做出響應(yīng)(點(diǎn)擊導(dǎo)航上的預(yù)警處置按鈕)后關(guān)閉預(yù)警;當(dāng)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(jìn)行響應(yīng)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(yù)警。

3.2橋梁防撞監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)與船舶終端實(shí)時交換數(shù)據(jù),主要實(shí)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(shí)時監(jiān)測和管理,主要包括安全監(jiān)測系統(tǒng)和聯(lián)合預(yù)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(yīng)用在船舶公司、橋梁管理單位和海事部門的監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)橋梁水域的實(shí)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(shí)時分析船舶的運(yùn)行態(tài)勢,快速識別船舶的偏航情況和撞橋風(fēng)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(diǎn)選問題船舶可以實(shí)現(xiàn)與船舶終端的實(shí)時通訊(語音通話、視頻監(jiān)控等)[4]。

3.2.2聯(lián)合預(yù)警處置系統(tǒng)通過導(dǎo)航系統(tǒng)分析存在撞橋風(fēng)險后,導(dǎo)航系統(tǒng)向船舶駕駛員發(fā)出預(yù)警,當(dāng)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(jìn)行響應(yīng)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(yù)警,預(yù)警信息自動發(fā)送到該公司監(jiān)測系統(tǒng)(手機(jī)與pc端),同時發(fā)送手機(jī)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(yù)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(shè)備再次預(yù)警或者給當(dāng)班駕駛員打電話等方式進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急處置,處置后在系統(tǒng)中記錄處置情況;當(dāng)船舶公司未在規(guī)定時間內(nèi)通過手機(jī)或者pc端響應(yīng)并報告處置情況,系統(tǒng)自動啟動下一級預(yù)警,將預(yù)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(yīng),系統(tǒng)繼續(xù)啟動下一級預(yù)警,將預(yù)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(jìn)行攔截等應(yīng)急處置。

4方案難點(diǎn)分析

本系統(tǒng)最大的難點(diǎn)在于實(shí)施,船舶公司和橋梁業(yè)主單位誰來主導(dǎo),保護(hù)橋梁的設(shè)備需要安裝在船舶上,另外橋梁單位眾多,如何分?jǐn)傇O(shè)備費(fèi)用,誰該為設(shè)備買單是其中最大的問題。因此系統(tǒng)的推廣實(shí)施需要依靠管理部門(海事部門、運(yùn)輸審批部門)牽頭,并制定相關(guān)的管理辦法,對船舶的軟硬件及日常運(yùn)維進(jìn)行規(guī)范,對船舶公司、橋梁單位、海事部門值班監(jiān)測事務(wù)進(jìn)行規(guī)范等。

5展望

系統(tǒng)的實(shí)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(yīng)時間更長,并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機(jī)制,將大幅度降低船舶撞橋事故發(fā)生的概率,維護(hù)正常的交通運(yùn)輸秩序,保護(hù)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(jìn)一步分析船舶的運(yùn)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(fēng)險,從而擴(kuò)展船舶的防撞、防追尾預(yù)警功能,進(jìn)一步提高水路交通安全。

參考文獻(xiàn)

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作者:唐廣花 朱顯紅 單位:廣東東軟學(xué)院

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