《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》
桥梁防撞主动预警系统
汇报人：
梁 敏 15307722368
广州忘平信息科技有限公司
广州市越秀区中山一路57号 南方铁道大厦9F
一、系统建设目标
- 实现船舶超高预警检测，防止船舶超高碰撞桥梁。
- 实现船舶偏航预警监测，防止船舶偏航进入非通航区或禁航区碰撞桥墩。
- 实现后台管理远程多方式远程通知现场预警信息以及周边环境水文气象信息提醒，包含高频电台通知、现场大功率高音喇叭等通知。
- 通过获取现场实时水位高度、能见度等环境数据，有效助航，为通航桥梁安全通航提升服务质量。
- 有效降低船舶因违章航行造成航道碰撞桥梁的安全事故概率，提升桥梁通航安全保护。
- 通过预警信息联动应急指挥处置，实现对突发事件的应急处置管理，提升事件处置响应速度，有效减少事件对通航的影响，尽快恢复通航秩序。
- 桥梁主动防撞预警系统开发数据接口，预留接口保证系统可延展性。可接入相关地方海事局、航道局、应急厅、桥梁业主等相关船舶、航道、桥梁管理单位，为其他单位部门提供船舶通航流量交通信息与桥梁船舶预警数据信息等。
二、系统组成
2.1总体架构
系统总体采用的架构模式B/S模式。现场部署各类船舶检测设备及环境检测传感器接入到工控机单元，同时后台部署中心服务器，统一对现场所有工控机管控，达到“1个中心管控，N个桥梁”。工控机进行数据采集与数据处理，用户通过中心服务器进行管理多个桥梁现场船舶检测设备，处理船舶的预警信息，监控船舶通航状况等。
图示2-1.1 桥梁管理模式
图示2-1.2技术架构
防撞系统总体架构由三部分组成，前端数据采集、数据处理、业务应用管理。
数据采集层：视频监控单元、超高预警监测单元、偏航预警监测单元、船舶信息采集单元、无线预警通信单元、现场预警通知单元、水文气象监测单元、现场数据采集管控单元、后台管控单元组成，实现对现场实时预警数据采集，为上层数据处理层提供完整数据底座。
数据处理分析层：对前端设备采集数据进行统一处理与联动分析预警超高、通航偏航。提供统一数据接口，可与三方系统进行数据共享。
数据业务应用层：后台管理用户对桥梁统一查看管理船舶通航信息和设备状态等，发布实时违章预警信息以及现场水文气象信息提示通航船舶。同时根据告警信息联动突发应急事件处置管理流程。
2.2系统模块组成
桥梁主动防撞预警系统由多个现场单一桥梁管理模块和后台云中心管理共同组成，其中每个现场桥梁管理模块由多个监测单元组成。同时，每个桥梁部署各自部署独立的监测单元。
（1）偏航预警监测单元：通过激光雷达扫描检测通航航道区域中船舶航行位置，结合AIS与图像识别深度学习算法，测算判断船舶航行轨迹路线是否偏航。
（2）超高预警监测单元：采用激光交叉测量方式，实时监测过往船舶通航高度对进入辐射区（1公里范围）超高船舶发出危险警报。
（3）水位气象监测单元：环境传感器对桥梁周边环境进行实时监测风向、风速、水位高度状况，后台管理人员可以查看现场周边环境气象状况，辅助判断现场桥梁安全预警。
（4）视频监控单元：7×24 小时全天候监视桥梁附近航道的交通状况，对过往船舶航行进行抓拍录像。除了监控以外，结合深度学习算法与雷达协同检测偏航船舶，绘制虚拟航道辅助预警通知。
（5）无线预警通信单元：水岸甚高频通信电台与船载甚高频电台进行通信。将监测船舶预警信息与环境助航信息自动通知广播发送至船舶。
（6）船舶信息采集单元：AIS接收桥梁周边船舶的静态数据（船名、呼号、船型、船长、吃水等）与动态数据（船位、航向、航速等）。
（7）现场预警通知单元：联动偏航和超高监测，一旦触发预警，桥梁预警屏自动播报偏航超高提示，同时声、光触发预警提示船舶通航存在危险航行。
（8）现场管控单元：桥梁预警数据采集与本地存储，可根据不同桥梁现场状况，设置匹配不同等级航道预警上报机制与数据采集频率。
（9）后台管理单元：桥梁数据汇总处理和算法模型训练下发至各个桥梁，持续更新迭代优化预警监测精度，提供对接数据接口对接其他三方平台。
图示2-2.1 平台单元关联
图示2-2.2现场桥梁设备图示
现场设备综合布线主要包括桥下线缆布线及桥上的线缆布线
（1）供电
向桥梁的桥梁专用专变电柜处取电；
（2）网络
办理运营商专线网络或者利旧业主单位现有网络；
图示2-2.3设备逻辑接线图示
三、关键技术原理
3.1偏航监测技术
目前大多数的船舶偏航监测均为AIS船舶自动识别系统获取船舶经纬度位置信息；激光雷达扫描监测或毫米波雷达探测、热成像或可见光图像分析识别，监测手段单一，各有优劣，监测精度参差不齐。
偏航监测技术对比
AIS 雷达 图像识别
原理 AIS无线电信号 反射微波探测 视频图像分析
检测字段 船名、船号、船速、船位、船迹、船长等 目标坐标、运动速度、方向、轨迹 图像可视化
环境影响 不受干扰 受干扰低 受干扰大
探测范围 10km 0.5-2km不等 0.5km
优点 大部分船舶都安装AIS、精度高、范围大、成本低、检测内容丰富 设备开发性强、检测范围能满足基本需求、精度高 可靠性高、分析算法可迭代更新、场景适用性匹配
缺点 时延高、无法监测关闭或无AIS船舶 技术复杂、成本较高、检测范围有限 受极端环境影响大、安装位置有一定要求、检测范围小
结合现阶段主流检测技术，高速非重复扫描激光雷达和图像分析深度学习技术叠加结合，通过高速非重复扫描技术和多线封装激光器，发射出点云，捕捉视场上船舶点云数据分布。视场中间区域扫描密度非常高，可近似达到300线激光雷达，其他非中心区域优于100线激光雷达的扫描覆盖率。下图为0.1s内发射点云分布图和0.2s内发射点云分布图
0.1s时间内点云分布图 0.2s时间内点云分布图
绿线为高速非重复扫描激光雷达视场覆盖率，当时间积分为0.1s时，视场覆盖率约为99%，视场率覆盖相比可达到128线激光雷达的探测水平，效果显著。
图3-1-1 视场覆盖率图
高速非重复扫描激光雷达结合现场的摄像机拍摄图像联动分析，图像分析是通过视觉深度特征学习，基于卷积运算的神经网络，训练船舶识别监测模型和航道偏航监测模型。
图3-1-2 雷达与图像分析结合效果图
设备安装位置推荐
桥梁上安装：，监控水面船只，且雷达安装在桥梁上。
雷达水平架设在桥梁上，且安装为桥梁/航道中央位置。
图示 3-1-3 雷达设备安装
AIS非通航区域检测
桥梁由主桥和引桥共同组成，对桥梁航道以外非通航同时采用AIS的船舶定位系统，对进入非通航区域绘制电子围栏，如果配备AIS船舶进入该非通航区域，将记录该船舶的AIS动态信息，并对其发出VHF预警通知。
图3-1-4 AIS绘制非通航区域
无人机航道绘制
根据现场桥梁水域航道情况，制定飞机计划，选定飞行区域，绘制出飞行路线计划。在水面近40-60m高空执行飞行任务，将飞行过程中获取的地理位置数据与图像数据结合并拼接成水域航道一张图。重制的高精度电子地图结合图像分析，可对航道中近距离船舶进行偏航检测分析。
图3-1-5 无人现场执行飞行计划
根据国家相关无人机飞行区域管理发文规定，对飞行区域进行划分飞行限制。根据查询桥梁位置是否处于飞行开放区域。
禁飞区：此区域在地图上显示为红色，飞行器将无法在此区域飞行。
限高区：此区域在地图上显示为灰色。飞行器在此区域飞行时，飞行高度将受到限制（120m高度内）
警示区：在警示区范围，用户会在飞行至该区域时收到警示。
加强警示区：当飞行于加强警示区时，您会实时接收到来自GEO的信息。
图3-1-6 无人机限飞行区信息
3.2超高监测技术
采用激光交叉测距检测方式，在桥梁上下游各安装2台激光超高检测设备，两台安装角度非平行形成一定的夹角，超高预警距离可达1km。当船舶超高，则在船舶行进过程中，必然会触碰其中一束激光，此时，激光测距仪将会依次收到反射信号，从而确认船舶超高；实时监测过往船舶通航高度对进入辐射区超高船舶发出危险警报。
图3-2 激光设备安装
四、主动预警通知
4.1预警通知方式
- 现场通知，通过现场LED预警屏、高音语音喇叭、通航预警灯进行现场通知，当主动防撞系统监测发现可能存在超高偏航违章通航时，系统联动设备发出预警通知。
图4-1现场通知设备组合
2) 平台通知，通过甚高频电台自动进行远程通知，发送语音到船舶高频电台，船员侦听到预警信息可立即停航检测船舶航行状况。如无发送违章通航时，甚高频同时也会自动定期发送现场通航环境状况（风速、风向、水位净高、能见度范围）。
3) 预警短信通知，将发生预警的桥梁，以短信的形式通知值班人员，通过短信信息，可了解现场预警桥梁名称、预警类型、预警时间等基本信息。
4.2预警监测通知流程
通过图像与雷达点云数据解析分析检测发现船舶，分别对通航船舶检测判断是否偏航、超高，自动联动触发预警通知模块通知船舶。
（1） vhf电台通过16ch海事紧急通信频段或该水域通信专用频段广播通知船舶，预警内容“MMSI为XXXXXXX的船舶，您的船舶违章（超高、偏航），请停止继续前进。”
（2） 监控图像自动抓拍水面船舶，取证数据储存记录30天。
（3） 现场led预警屏自动显示“偏航”、“超高”文案提示。
（4） 现场高音喇叭及语音播报预警内容，同时预警灯启动闪亮提示。
（5） 桥梁防撞预警平台生成预警记录，包含（抓拍图像、船舶轨迹、日志），结合值班人员现场判断具体状况，是否启动应急处置，跳转至应急处置一张图，通知人员现场处置危险预警。
图4-2 预警触发流程
五、平台软件功能
5.1平台登录
输入用户账号、密码登录桥梁防撞系统。
图示5-1 系统登录
5.2系统主页
管理地方桥梁，快速阅览桥梁基本状况以及预警状态信息。
图示5-2 主页
5.3预警管理
后台平台提供危险预警管理，实时可查看当前桥梁危险预警类型，预警时间，预警桥梁，处置预警，行船轨迹。针对预警信息启动应急处置，通知相关单位人员。
图示5-3 预警管理处置
5.4数据统计
船舶流量数据统计，可按年、月、日查看当前桥梁通航船舶流量变化情况。
船舶信息统计，当船舶进入AIS监测范围时，自动生成一条船舶信息明细记录。
偏航预警统计，可按年、月、日查看当前桥梁通航所有船舶偏航预警次数变化情况。
超高预警统计，可按年、月、日查看当前桥梁通航所有船舶超高预警次数变化情况。
水文气象信息统计，累计统计桥梁现场周边环境信息发送次数，包括水位高度、风速、风向、能见度范围。
图示5-4船舶流量数据统计
5.5实时监控
后台用户可在系统页面上查看桥梁上安装的摄像头拍摄的实时画面，支持多画面同时播放、放大、缩小画面。可以支持切换不同桥梁的摄像头画面进行查看。视频录像存储有效时间不低于30天。
图示5-5实时监控
5.6航道管理
管理用户可自定义管理桥梁通航区，基于监控图像对现场通航航道绘制通航航道线，可根据现场环境制定忽略区，降低环境其他因素干扰，船舶偏离航道时自动触发偏航预警提示。
图示5-6 虚拟航道绘制
5.7信息发布
高频电台可支持海事16个频道，频率范围136Mhz-174Mhz，后台管理用户对不同桥梁发布高频电台管制信息与助航信息，远程通知现场船舶。
5.8设备管理
后台管理用户对桥梁上的设备进行管理，包括绑定，解除绑定，查看、修改设备信息等。
5.9数据配置
通过数据配置，对桥梁信息、经纬度、航速、管理人员进行信息的修改等操作。
图示5-9 数据配置
5.10应急处置
通过桥梁主动防御监测，对监测到的告警信息进行提醒，由管理员根据情况快速启动应急响应、资源总览、调集人员快速处置，包括应急处置一张图等功能。
应急事件信息，平台检测桥梁通航违章预警时，自动记录上报桥梁当前预警类型、预警时间、违章船舶基本信息、桥梁水文环境信息、现场图像抓拍明细。
应急启动，下发通知组织相关应急人员，对应急事件桥梁快速定位及周边应急资源信息查看。显示人员基本信息，包括单位部门、联系方式，可供管理人员快速进行人员调配。
应急处置，人工指挥处置应急事件，根据现场桥梁不同的预警类型，进行分类处理。事故前，主动监测的预警信息，进行预先处理，制定预处理方案，在应急指挥一张图中进行查看。事故后，可以根据事件处置情况对既有的救援处置方案进行优化修改。
结束应急响应，在完成预警信息或应急处置后，解除预警提醒，恢复航道正常同行。
图示5-10应急处置
5.11 系统管理
预警设置：
① 禁航预警设置（禁航预警）
② 超高预警设置（超高预警）
③ 偏航预警设置（偏航预警）
④ 超速预警设置（超速预警）
⑤ 预警音效设置（预警音效）
监控设置：
① 风速数据设置（风速监控）
② 风向数据设置（风向监控）
③ 能见度数据设置（能见度监控）
④ 净高数据设置（净高监控）
⑤ 数据统计设置（流量统计周期、水文数据统计周期）
六、信息资源共享平台
6.1信息资源共享平台对接
江门谭江特大桥防船撞预警系统不仅能与桥梁业主管养的系统数据接口对接，也能与桥梁云大数据平台整合在一起，同时也可以与海事、航道、地方政务信息资源共享平台对接。
6.2 主动防撞预警接口设计
桥梁主动防撞预警系统数据的对接，采用两种方式混合实现：
（1） 标准SOAP服务接口方式：该方式桥梁主动防撞预警系统通过主动调用标准SOAP服务接口接入防撞预警数据同步至桥梁防船撞预警系统。
（2） 共享批量结构化数据方式：该方式通过在共享服务器上部署中间库，桥梁主动防撞预警系统定时传入共享数据至中间库，桥梁系统实时读取数据。
6.3 桥梁云大数据整合
在大数据时代的背景下，各桥梁信息化系统相对独立，每座桥梁的系统都互相隔离， 形成信息孤岛。桥梁云大数据整合统一平台，提供整合桥梁各系统及数据的解决方案。
总体架构设计满足两方面的扩展需求：
（1） 既有各系统的后续改造形成的兼容性扩展需求；即统一接入既有桥梁系统，形成统一管理平台，解决系统数据资源的分散，系统形式混乱问题。
（2）另一方面是新建系统的接入性扩展需求；即新桥梁系统无需再做接入整合，直接通过中间件技术接入平台。
综合平台总体架构方案如图所示：
图示6-3数据融合方案
谢谢观看
