摘要：本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁的精確定位，并對(duì)比沿途的航道和橋梁的通航參數(shù)實(shí)時(shí)分析船舶的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，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(dòng)，防撞的反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)；通過(guò)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(mén)有機(jī)地聯(lián)合起來(lái)，并建立起多方有序的聯(lián)合防撞機(jī)制，形成多方聯(lián)動(dòng)、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(cái)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(dòng)
1概述
隨著我國(guó)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(guó)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(guó)的江河湖海，不可避免要從大橋底下通過(guò)。雖然橋梁在建設(shè)過(guò)程中對(duì)通航橋墩做了一定的防護(hù)措施，通航橋洞的設(shè)計(jì)也具備一定的偏航容錯(cuò)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(shí)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(yíng)，還常常帶來(lái)巨大的人民生命和財(cái)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(chē)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(wàn)元，更帶來(lái)了極其嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此橋梁防撞一直是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。多年來(lái)，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(guó)內(nèi)橋梁防撞的方式總體來(lái)說(shuō)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是在橋墩周?chē)O(shè)置防撞防護(hù)設(shè)施，使船舶不能靠近橋墩，此類(lèi)措施對(duì)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(duì)橋墩的撞擊；[1]第二類(lèi)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(cè)到船舶靠近橋梁且存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)對(duì)其進(jìn)行聲光警示，提醒駕駛員及時(shí)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(lái)，船撞橋事故在不斷減少，但還是時(shí)有發(fā)生，歸根結(jié)底，當(dāng)前的這些防撞手段太過(guò)于被動(dòng)，預(yù)警的距離太短，臨近橋梁才能被感知，發(fā)現(xiàn)異常倉(cāng)促預(yù)警，船舶的反應(yīng)時(shí)間不足，同時(shí)聲光預(yù)警對(duì)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(guò)多終端提前預(yù)警和多方聯(lián)動(dòng)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(mén)有機(jī)地聯(lián)合起來(lái)，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(jì)
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(shí)的船舶精確定位，實(shí)時(shí)分析船舶的偏航情況，發(fā)現(xiàn)船舶撞橋隱患及時(shí)預(yù)警，通過(guò)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(mén)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(lèi)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(shí)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(duì)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(guò)在航道區(qū)域建立基站同通過(guò)載波相位差分gps技術(shù)，可以對(duì)船舶進(jìn)行精確定位，載波相位差分技術(shù)又稱(chēng)為rtk技術(shù)（realtimekinematic）[2]，建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)基準(zhǔn)站的載波相位基礎(chǔ)上，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)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(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)差分計(jì)算處理能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)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(jí)、甚至毫米級(jí)的三維位置服務(wù)，而且成本在逐年下降。
2.1.3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(dòng)分析能否通航，對(duì)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(shí)預(yù)警：實(shí)時(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)前方2公里內(nèi)的橋梁水域狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)預(yù)警。
2.1.4多方聯(lián)動(dòng)、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(hào)到船舶的駕駛艙，通過(guò)導(dǎo)航顯示屏和語(yǔ)音提醒駕駛員，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)駕駛員未做出處置或者回應(yīng)，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)間內(nèi)仍未處置完成的，系統(tǒng)自動(dòng)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(mén)，由橋梁管理單位或者海事執(zhí)法部門(mén)組織攔截處置。
2.2系統(tǒng)總體架構(gòu)各層說(shuō)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(bào)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(kāi)發(fā)平臺(tái)、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(guò)建設(shè)應(yīng)用支撐平臺(tái)，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(dòng)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(mén)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(guò)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(mén)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(jì)
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(shí)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(shí)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(shí)調(diào)閱視頻信息，出現(xiàn)偏航或者撞橋隱患時(shí)，監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)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(yè)面，實(shí)時(shí)展示航道信息、船舶位置信息、前方橋梁信息。對(duì)船舶的偏航行為及撞橋隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)啟動(dòng)隱患預(yù)警及監(jiān)測(cè)流程，首先發(fā)送指令給船舶的預(yù)警終端，通過(guò)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(shí)通過(guò)導(dǎo)航窗口的按鍵對(duì)預(yù)警進(jìn)行響應(yīng)，可以通過(guò)語(yǔ)音或者文字進(jìn)行情況說(shuō)明。如果駕駛員在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未作出響應(yīng)，導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送消息，啟動(dòng)聯(lián)合防控預(yù)警流程。導(dǎo)航系統(tǒng)的具體功能設(shè)計(jì)如下：
3.1.1航線分析根據(jù)船舶基本信息（高度、寬度），對(duì)比航線上所有橋梁的通航限高和限寬，對(duì)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(shí)導(dǎo)航基于gis技術(shù)，在地圖上實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)位置實(shí)時(shí)刷新地圖，并預(yù)報(bào)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(jì)算出船舶兩側(cè)和船頭船尾的6個(gè)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(shí)，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(píng)估船舶的撞橋風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到預(yù)警范圍時(shí)啟動(dòng)預(yù)警，系統(tǒng)在導(dǎo)航界面彈出響應(yīng)對(duì)話框進(jìn)行提示并接收響應(yīng)，同時(shí)聯(lián)動(dòng)聲光設(shè)備發(fā)出警報(bào)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(shí)間內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)合防撞處置流程，向上一級(jí)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(shí)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(mén)等單位對(duì)轄區(qū)內(nèi)水域通航安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，主要包括安全監(jiān)測(cè)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(cè)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(mén)的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)橋梁水域的實(shí)時(shí)通航監(jiān)測(cè)，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(guò)船舶的位置信息實(shí)時(shí)分析船舶的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，快速識(shí)別船舶的偏航情況和撞橋風(fēng)險(xiǎn)，以高亮、閃爍的顯眼方式展示問(wèn)題船舶，系統(tǒng)自動(dòng)聚焦問(wèn)題船舶水域，自動(dòng)跟隨問(wèn)題船舶，通過(guò)點(diǎn)選問(wèn)題船舶可以實(shí)現(xiàn)與船舶終端的實(shí)時(shí)通訊（語(yǔ)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(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)分析存在撞橋風(fēng)險(xiǎn)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(shí)間內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)向回歸正常航道，且駕駛員未進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)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(dòng)發(fā)送到該公司監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（手機(jī)與pc端），同時(shí)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(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連線船舶的監(jiān)控視頻查閱駕駛室情況，并能通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(shí)間內(nèi)通過(guò)手機(jī)或者pc端響應(yīng)并報(bào)告處置情況，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)下一級(jí)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(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)繼續(xù)啟動(dòng)下一級(jí)預(yù)警，將預(yù)警信息發(fā)送至海事管理部門(mén)，由海事管理部門(mén)組織就近的水面執(zhí)法人員前往現(xiàn)場(chǎng)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(shuí)來(lái)主導(dǎo)，保護(hù)橋梁的設(shè)備需要安裝在船舶上，另外橋梁?jiǎn)挝槐姸啵绾畏謹(jǐn)傇O(shè)備費(fèi)用，誰(shuí)該為設(shè)備買(mǎi)單是其中最大的問(wèn)題。因此系統(tǒng)的推廣實(shí)施需要依靠管理部門(mén)（海事部門(mén)、運(yùn)輸審批部門(mén)）牽頭，并制定相關(guān)的管理辦法，對(duì)船舶的軟硬件及日常運(yùn)維進(jìn)行規(guī)范，對(duì)船舶公司、橋梁?jiǎn)挝?、海事部門(mén)值班監(jiān)測(cè)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(dòng)，防撞的反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，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(cái)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(shì)，提前發(fā)現(xiàn)船舶相撞和追尾的風(fēng)險(xiǎn)，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。