劉 淵

(汕頭市礐石大橋有限公司，廣東 汕頭 515000)

0 引言

汕頭礐石大橋南接廣汕公路濠江區(qū)路段，北跨汕頭港至老城區(qū)西堤路，與海灣大橋相距9km。礐石大橋的建成，方便了汕頭中西部的過(guò)海交通，大大提高了汕頭市區(qū)出口道路的通過(guò)能力，與海灣大橋共同形成汕頭港東西兩翼聯(lián)結(jié)粵東和珠三角的主要通道。該橋的地理位置如圖1所示。

圖1 礐石大橋地理位置

大橋全長(zhǎng)2 391m，主橋?yàn)?06m連續(xù)混合加勁梁斜拉橋，跨度布置為2×47m(PC箱梁)+100m+518m+100m(鋼箱梁)+2×47m(PC箱梁)，在距主塔98.5m處為鋼箱梁與PC梁的混合接頭，該連接構(gòu)造在我國(guó)大型橋梁中首次采用。大橋橋型布置如圖2所示。

圖2 礐石大橋橋型布置(單位：m)

1 現(xiàn)狀與需求分析

1.1 現(xiàn)狀

“十三五”以來(lái)，廣東航道建設(shè)取得較大成效，航道通行能力大幅提高，船舶流量增多，通航環(huán)境變得更加復(fù)雜，水上安全形勢(shì)也日益嚴(yán)峻。據(jù)2012年至2018年不完全統(tǒng)計(jì)，廣東省發(fā)生的較大的船舶撞橋事故27起，其中碰撞橋面事故14起，占撞橋事故的1/2左右[1]。

汕頭礐石大橋尚未安裝有效的通航安全監(jiān)控設(shè)施以及防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。橋該通航安全方面的主要問(wèn)題有：

(1)橋梁整體信息化程度不高；

(2)橋梁對(duì)過(guò)往船只獲取信息情況不足；

(3)橋梁管理人員對(duì)橋梁水域情況不明確；

(4)未建設(shè)過(guò)往船只對(duì)礐石大橋周邊水域發(fā)布情況。

1.2 需求

汕頭港的港區(qū)布局跨度大、范圍廣，各港區(qū)根據(jù)碼頭的建設(shè)規(guī)模，對(duì)應(yīng)建設(shè)了適合自身港區(qū)碼頭的進(jìn)港航道。

本工程位于汕頭港主航道的內(nèi)航道航段。該航道段目前是5 000t級(jí)乘潮通航航道，航道底標(biāo)高-8.0m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?，底寬120m。據(jù)《汕頭市港口管理局關(guān)于提供汕頭港主航道相關(guān)資料的函》，汕頭港內(nèi)航道遠(yuǎn)期規(guī)劃為3萬(wàn)t級(jí)乘潮通航航道，航道底標(biāo)高-11.0m，底寬150m。有關(guān)的船舶進(jìn)出港統(tǒng)計(jì)資料表明，最近三年，進(jìn)出港區(qū)水域的船舶交通量平均約210艘次/d,若加上過(guò)境的船舶、漁船等，本水域的交通量還會(huì)大些。

在以上分析的基礎(chǔ)上，對(duì)礐石大橋進(jìn)行橋梁防撞系統(tǒng)建設(shè)，向航行的來(lái)往船舶提供橋梁通航信息服務(wù)，以降低船舶安全航行風(fēng)險(xiǎn)，提高航道部門(mén)服務(wù)社會(huì)的能力，從而最大程度避免船舶撞擊橋梁事故的發(fā)生，切實(shí)有效地保障橋梁、船舶等自身安全和廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)橋區(qū)水域的管理需求和船舶動(dòng)態(tài)情況，結(jié)合“橋梁防碰撞智能預(yù)警系統(tǒng)”，可利用云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，圖3為預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖3 防撞預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)鋱D

汕頭礐石大橋防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由前端服務(wù)單元、熱成像儀、視頻監(jiān)控單元以及軟件功能組成。

2.1 前端服務(wù)單元

前端服務(wù)單元一般安裝在橋梁現(xiàn)場(chǎng)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、終端軟件、控制模塊、AIS控制模塊、水位傳感器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、硬盤(pán)錄像機(jī)等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)軟件通過(guò)AIS接收到的船舶編號(hào)、位置、速度等信息參數(shù)，通過(guò)水位傳感器獲取當(dāng)前水文參數(shù)，通過(guò)其它單元傳回來(lái)的各種條件參數(shù)，協(xié)調(diào)各單元相互運(yùn)作，發(fā)出各項(xiàng)相應(yīng)指令。前端服務(wù)單元是該橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)的核心單元，能把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，供業(yè)主單位或海事部門(mén)查詢(xún)控制，可以選配各種功能模塊實(shí)現(xiàn)需要的功能，如圖4所示。

圖4 前端服務(wù)單元功能模塊

2.2 熱成像儀

該系統(tǒng)中的熱成像儀主要指用于超高監(jiān)測(cè)的熱成像雙光譜中載云臺(tái)攝像機(jī)和用于偏航監(jiān)測(cè)的熱成像雙光譜網(wǎng)絡(luò)智能球型攝像機(jī)，用于監(jiān)測(cè)通航船舶的超高和偏航信息。

2.3 視頻監(jiān)控單元

視頻監(jiān)控模塊由1臺(tái)硬盤(pán)錄像機(jī)、4個(gè)高速球型攝像機(jī)組成。攝像機(jī)分別指向上、下游航道的中央?yún)^(qū)域，主航道通行及非航道區(qū)域，24h監(jiān)控航道的通航情況，拍攝方向可以任意控制。所有攝像頭通過(guò)室外防水網(wǎng)線將內(nèi)容傳到硬盤(pán)錄像機(jī)，硬盤(pán)錄像機(jī)配備的硬盤(pán)可以保存一個(gè)月的視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可隨時(shí)播放。管理人員在上位機(jī)的電腦屏幕可通過(guò)鍵盤(pán)切換，觀看任意一路現(xiàn)場(chǎng)圖像信號(hào)，也可以控制云臺(tái)及調(diào)焦，細(xì)致觀看航道的通航情況。

2.4 軟件功能

(1)服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)各種算法運(yùn)行及數(shù)據(jù)的分析保存，用戶(hù)查看的關(guān)系權(quán)限等處理，及對(duì)前端服務(wù)單元的數(shù)據(jù)交換。

(2)前端服務(wù)單元軟件程序負(fù)責(zé)各傳感器的協(xié)議解析，數(shù)據(jù)加密，服務(wù)器數(shù)據(jù)加密傳輸，數(shù)據(jù)上報(bào)，接收指令控制前端設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，調(diào)解出來(lái)的AIS數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器運(yùn)算保存。

3 防撞預(yù)警系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 通航凈高測(cè)量

通過(guò)安裝在橋梁下的水位計(jì)監(jiān)測(cè)到水位值，結(jié)合橋梁的技術(shù)參數(shù)換算得到橋梁的凈高值，并通過(guò)有線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻舾唢@示牌，顯示實(shí)時(shí)凈高信息。

橋梁水位計(jì)算公式[2]：

w=w′-(L-D)

(1)

式中：w′表示橋墩上的已知高度參考點(diǎn)高程值；L表示參考點(diǎn)到水位探頭的距離；D表示水位計(jì)到水面的距離。

實(shí)時(shí)凈高計(jì)算公式[2]：

h=H+W-w

(2)

其中：H表示設(shè)計(jì)凈高；W表示橋梁的設(shè)計(jì)最高通航水位值。

圖5 橋梁凈高系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.2 超高監(jiān)測(cè)預(yù)警

在航道兩邊緣分別選擇一個(gè)橋墩安裝熱成像儀(受環(huán)境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對(duì)準(zhǔn)上、下游雙向航道照射，兩部熱成像分別同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)通航道，對(duì)過(guò)往船舶進(jìn)行超高檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)航道超高預(yù)警功能。

3.3 船舶偏離航道預(yù)警

在電子海圖上，標(biāo)注船舶的航道信息。根據(jù)AIS子系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤船舶的位置信息，如發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生越界通航，系統(tǒng)向船舶發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并錄像取證。

在航道兩邊緣分別選擇一個(gè)橋墩安裝熱成像儀(受環(huán)境因素影響小，比如下雨及夜間)，分別對(duì)準(zhǔn)上、下游雙向航道照射。上、下游航道中橋墩設(shè)置4個(gè)熱成像儀以及LED聲光預(yù)警顯示屏，兩部分熱成像儀同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)航道，實(shí)現(xiàn)航道偏航全覆蓋。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置電子圍欄及虛擬航標(biāo)，通過(guò)熱成像偏航設(shè)備監(jiān)測(cè)航道與非航道之間的情況。

與傳統(tǒng)的橋梁區(qū)域搭建“紅外線圖像識(shí)別”探測(cè)船舶是否越界通航相比，該方案更具有靈活性。當(dāng)航道發(fā)生變化時(shí)，無(wú)需移動(dòng)紅外線攝像頭的位置信息，只需要在電子海圖上重新標(biāo)注航道位置信息即可。

3.4 橋區(qū)超速航行報(bào)警

通過(guò)AIS基站接收船舶的AIS信號(hào)，可得到橋區(qū)所有船舶的速度數(shù)據(jù)，一旦超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的安全速度，系統(tǒng)將自動(dòng)向船舶發(fā)出告警信號(hào)。每座橋梁可設(shè)置不同的安全速度。

3.5 船舶關(guān)閉AIS報(bào)警

通過(guò)CCTV系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到該水域有船舶進(jìn)入，而系統(tǒng)在該區(qū)域沒(méi)有接收到AIS目標(biāo)時(shí)，認(rèn)為進(jìn)入該水域的船舶違規(guī)關(guān)閉AIS航行或未安裝AIS系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過(guò)VHF或聲光報(bào)警向船舶發(fā)出告警信號(hào)。

3.6 信息發(fā)布

(1)在橋區(qū)醒目位置建設(shè)LED大屏顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各種通航信息及報(bào)警信息。系統(tǒng)檢測(cè)到有船舶進(jìn)入橋區(qū)，自動(dòng)控制橋梁的輪廓照明閃亮，警示過(guò)往船舶注意安全，并以定向的聲光報(bào)警方式進(jìn)行警示。

(2)系統(tǒng)為靠近橋梁的船舶提供輔助航行指引，自動(dòng)向駛?cè)霕騾^(qū)水域的船舶通過(guò)VHF海事頻道發(fā)布語(yǔ)音提醒，如水位、流速、風(fēng)速、能見(jiàn)度及橋梁凈高等；發(fā)布各種海事管制信息，如橋梁施工、封航信息等。

圖6 設(shè)備安裝

3.7 數(shù)據(jù)查詢(xún)、回放及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

系統(tǒng)保存每次報(bào)警的時(shí)間、錄像數(shù)據(jù)和過(guò)往船舶的數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要，隨時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱、統(tǒng)計(jì)、打印。并可對(duì)特定時(shí)間段橋區(qū)水域的通航情況，在電子海圖上進(jìn)行歷史回放。

3.8 虛擬航標(biāo)

將橋梁的墩臺(tái)及危險(xiǎn)地點(diǎn)在電子海圖上標(biāo)繪，通過(guò)AIS基站向附近船舶發(fā)布虛擬航標(biāo)信息。經(jīng)過(guò)的船舶靠近虛擬航標(biāo)點(diǎn)時(shí)船載AIS裝置會(huì)自動(dòng)發(fā)出告警信息，以提醒船舶駕駛員注意安全航行。

4 結(jié)語(yǔ)

礐石大橋主動(dòng)防撞系統(tǒng)充分利用海事部門(mén)已建的VTS、AIS、VHF、CCTV等系統(tǒng)的信息資源，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和整體協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。通過(guò)圖

像、語(yǔ)音、短信消息等多種信息傳遞手段，提示船舶駕駛?cè)藛T，克服了人為因素造成船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)。在岸基系統(tǒng)中雷達(dá)的運(yùn)用加強(qiáng)了系統(tǒng)監(jiān)控力度，提高了系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化程度，確保在礐石大橋重要水域內(nèi)對(duì)管理對(duì)象的連續(xù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管一體化。