一种桥区船舶航行防撞预警系统的制作方法

本发明实施例涉及桥区船舶航行主动避碰技术领域，尤其涉及一种桥区船舶航行防撞预警系统。

背景技术：

桥梁建设与航运业发展一样，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。人们在享受桥梁建设为经济腾飞带来的巨大便利的同时，也不得不面对因桥梁的修建带来的种种困境。这些困境包括：因桥墩占用原有航道水域，导致船舶可航水域通航净宽、净高受限，从而直接或间接引发水上交通安全事故或造成安全隐患；因桥梁的修建改变原有水道的流场特征，从而导致船舶在桥梁水域航行困难，更进一步增加了船舶碰撞桥墩的风险性。船舶桥梁碰撞事故一旦发生，造成的损失将是无法估量。轻则造成船、桥损伤，重则造成船毁桥塌以及重大人员伤亡和环境污染事故。纵观相关文献和报道，人们不难发现，国内外重大船桥碰撞事故时有发生。

在国外，最为著名的国际航运会议常设协会第19工作小组通过对起发生在欧洲、曰本、美国等地的船撞桥事故资料进行统计分析，把船撞桥事故的原因归结为三大类：第一大类是人员失误，如疏忽、操纵失误等；第二大类是机械故障，如主机媳火、舵机失灵、船队断缆等；第三大类是恶劣的自然环境，如坏天气、大洪水等。该分析结果表明，由人员失误、机械故障以及恶劣自然环境造成的船一桥碰撞事故占事故总数的比例分别为80％，8％，12％。在国内，有人对四十年来发生在长江干线十余座长江大桥旳起船撞桥事故进行了统计分析，结果表明，由上述三大原因造成的船撞桥事故占事故总数的比例依次为78％，6％和16％。由此可见，无论是国外还是国内发生的船撞桥事故，人为因素都是造成事故的第一大原因。

桥梁的防撞措施一般可分为两种方式：主动防撞和被动防撞。被动防撞是通过桥墩自身的加强或防护措施来抵抗船舶的撞击威胁，或者是在桥梁上安装声光报警装置警示船舶航行安全。目前，国内外大量的学者在桥梁防撞领域做出了大量的研究和努力，但其研究重点集中在对桥梁墩身结构的加强及桥墩防护装置的研究设计、对船舶碰撞桥梁的风险概率研究以及碰撞事故发生后的致因分析上，这些研究均属于被动避碰的范畴。并未较好的关注船舶操纵人员本身的因素。比较而言，在碰撞未发生之前，通过有效的预警预控手段对船舶驾驶人员进行关键时刻船舶关键操作上的提示与指导以达到主动避碰的效果，则是更有意义的研究课题。

主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故的发生，主动防撞是积极的预防措施。现有的主动防撞措施归纳起来有两类：(1)设立桥涵标。通过视觉标志，如日间标牌、夜间灯光；音响信号，如雾号；雷达标志，如雷达反射器和雷达应答器等，引导过往船舶认清桥墩位置，选择正确航路，安全过桥。这种方法简单易行，但受气象条件影响大，能见度差时无效。虽然雷达标志不受气象、能见度的影响，但由于雷达标志自身存在的技术局限性，不能达到预期的效果。(2)建立安全监控系统。通过交通管制(vts)雷达监控、视频监控预警系统与甚高频电话配合，对大桥附近水域及驶进大桥的船舶实施24h的人工监控；及时提醒过桥船舶，及早采取措施。其特点是能实时监控过往船舶的航行态势，及早发现事故隐患。但成本高、自动化程度低，过往船舶高峰时难以监控。

目前国内外一些学者在桥梁主动防撞领域也做出了一些研究，要么单纯安装于桥梁上使用激光、红外或者可见光监测手段或者使用机器视觉图像处理技术实现避碰，其预警信息并未通知到驾驶室，预警效果有限；要么通过将设备安装于船舶上实现避碰，但其忽略了很重要一个问题，就是通过桥梁的船舶具有不可控性，内河船舶、国内外海船均有可能通过，无法做到将所有需要通过桥梁的船舶均安装避碰装置。此外，相关的海事部门均是在船舶发生事故才到现场搜集信息取证，事故调查取证时间长，不便于管理。

技术实现要素：

本发明提供一种桥区船舶航行防撞预警系统，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种桥区船舶航行防撞预警系统，包括桥基站、ais航标和桥区预警围栏；其中，

所述桥基站安装在桥梁的桥墩或者桥梁附近的建设物上，用于提前自动发布助航预警信息、船舶行驶态势判断、报警控制及信息发布、警情上报及系统自检告警；

所述桥区预警围栏为两个，两个所述桥区预警围栏设置在监控区最外围的两侧，用于进行船舶超高报警；

桥梁与两侧的所述桥区预警围栏之间的通航水道两边各有一个、两个或多个所述ais航标，所述ais航标用于进行船舶偏离航道报警。

进一步地，所述桥区船舶航行防撞预警系统中，所述桥基站包括信息集成处理单元、数据存储单元、ais终端、vhf电台、网络摄像机、4g通信模块、桥梁轮廓警示灯、声光报警器、水文气象雷达传感器、测高传感器、ups电源。

进一步地，所述桥区船舶航行防撞预警系统中，所述桥区预警围栏包括水位通航净高超高声光提示模组、激光超高监测模组、视频监控录像单元、4g无线通信模块、太阳能风能电源。

进一步地，所述桥区船舶航行防撞预警系统中，所述ais航标包括ais终端、航标灯状态监测传感器、信息采集控制单元、太阳能风能供电模组。

进一步地，所述桥区船舶航行防撞预警系统中，所述监控区域为桥梁上下游的500～1000米范围。

本发明实施例提供的一种桥区船舶航行防撞预警系统，通过桥基站提前自动发布助航预警信息，桥区预警围栏进行船舶超高报警，ais航标进行船舶偏离航道报警，以及整个系统提供给船舶的桥区通航信息和其他报警手段等共同作用提醒驾驶员安全驾驶保证船舶顺利通过桥区，避免船撞桥事故发生，具有自主运行，无需人工监控的特点，对避免桥区通行船舶碰撞桥梁具有十分重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种桥区船舶航行防撞预警系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中桥基站的结构示意图；

图3是本发明实施例中桥区预警围栏的结构示意图；

图4是本发明实施例中ais航标的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

请参考图1～4，本发明实施例提供一种桥区船舶航行防撞预警系统，包括桥基站、ais航标和桥区预警围栏；其中，

所述桥基站安装在桥梁的桥墩或者桥梁附近的建设物上，用于提前自动发布助航预警信息、船舶行驶态势判断、报警控制及信息发布、警情上报及系统自检告警；

具体的如接收船舶ais周期性发布的信息内容并经过处理后使用；在船舶进入预警围栏之前向其发布海情信息如如水位、流速、风速、能见度及桥梁净高；判断船舶是否越过两个航标连线的安全边界；接收ais航标信息判断其是否正常如果异常上报交管中心进行维修等等功能。

在本实施例中，所述桥基站包括信息集成处理单元、配电控制板、数据存储单元、ais终端、vhf电台、网络摄像机、4g通信模块、桥梁轮廓警示灯、声光报警器、水文气象雷达传感器、测高传感器、ups电源、vdr。

具体的，所述桥基站的基本组成及连接关系图如附图2所示。

信息集成处理单元是桥基站系统的核心部分，形式为自己开发的支持多种类型接口(如rs232、rs485、网口、usb等接口)有主控cpu的电路板。

由于船载ais设备在自主模式工作时，会周期性发布如下几类信息：(1)静态的：mmsi；imo号码；呼号和船名；船长和型宽；船舶类型；船上定位天线的位置；(2)动态的：具有精度指示和完整性状态的船位；utc时间；对地航速；航首向；航行状态；转向率；倾角；纵摇和横摇；(3)与航次有关的信息：船舶吃水；危险货物；目的港和预计到达时间；航线计划。桥基站ais会通过vhf电台接收到即将通过桥区船舶此类信息，同时将此类信息发送至ais本身预留串口发送给信息集成处理单元。信息集成处理单元接收到ais输出数据按照通信协议格式进行解析得到船舶信息内容。如使用得到的mmsi用于定向向该船发送预警信息，信息处理单元通过4g传输单元将船舶信息给到桥区预警围栏信息控制单元使用。

水文气象雷达传感器采集桥区通航孔附近水位、流速、风速、能见度等数据，测高传感器测得桥梁净高(主要是潮汐及各个桥梁顶部结构因素不同)，信息集成处理单元采集该类信息并在船舶行驶至桥区预警围栏外围(离桥梁2km处)通过ais系统自动向驶入桥区水域的船舶通过vhf海事频道发布语音提醒，如水位、流速、风速、能见度及桥梁净高。

vhf收发机由系统信息处理器控制，用vhfch87b(161.975mhz)、vhfch88b(162.025mhz)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控(gmsk)信号，已调信号中含有本船和他船航行信息，ais同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行的。

vdr主要用于存储通航船舶识别码、船名、呼号、船舶类型等静态信息，也可用于存储并处理对地航向、航速、转向率等动态信息，船舶吃水、危险货类、航线等与航行有关信息。以及在船舶通航过程中的各类预警信息和适时采集视频流。记录时较新数据抹去最陈旧数据，数据存储时间大于12h。

所述桥区预警围栏为两个，两个所述桥区预警围栏设置在监控区最外围的两侧，用于进行船舶超高报警；

需要说明的是，所述监控区域为桥梁上下游的500～1000米范围；

在本实施例中，所述桥区预警围栏包括现场主控单元、水位通航净高超高声光提示模组、激光超高监测模组、视频监控录像单元、4g无线通信模块、太阳能风能电源。

具体的，所述桥区预警围栏的基本组成及连接关系图如附图3所示。

激光超高检测单元监测，主要是架设在河流两岸。采用双光束遮挡报警传感器检测船舶超高，激光传感器安装高度固定，其高度与桥梁顶部处于同一水平线(如此即可排除潮汐以及河流水位高低影响)，如果船舶超高，设置在警戒高度的激光束被遮挡，激光传感器被触发，现场主控单元开启声光报警单元发出声光报警，高音喇叭播放船舶超高信息，led显示屏显示超高数据。同时现场主控单元将报警信息通过4g无线传输送至桥基站信息集成处理单元，桥基站信息集成处理单元通过桥基站ais，vhf向超高船舶发出警告、提醒超高船舶驾驶员采取措施。同时现场主控单元控制网络摄像机录像取证。

桥梁与两侧的所述桥区预警围栏之间的通航水道两边各有一个、两个或多个所述ais航标，所述ais航标用于进行船舶偏离航道报警。所述ais航标的设置数量根据河道环境及实际需求而定。

在本实施例中，所述ais航标包括ais终端、航标灯状态监测传感器(如电压电流传感器)和信息采集控制单元。

具体的，所述ais航标的基本组成及连接关系如附图4所示。

所述ais航标主要用于采集监测航标灯信息(位置、灯状态、电流、电压)，同时向船载ais和桥基站ais广播浮标信息(名称、灯质、位置等)，用于船载ais显示航标灯位置，用于桥基站监测航标灯位置标识安全通航区域。航标灯位置信息通过ais终端vhf海事频道传送至桥基站ais继而转发至信息集成处理单元，信息集成处理单元以两个航标之间直线为安全线边界，若发现船载ais位置越过边界，即触发信息集成处理单元通过ais的vhf海事频道向船舶及发出语音报警，同时控制声光报警器报警，亦可在桥梁之上安装高音喇叭向船舶喊话报警，并控制网络摄像机录像取证。

为节省成本，ais终端可使用内置gnss接收机天线。同时信息采集控制单元采集并判断航标灯信息(位置、灯状态、电流、电压)是否有异常，如有异常即通过ais发送至桥基站ais，由桥基站信息集成处理单元经过处理通过ais发送至交管中心，通知其维修。

信息采集控制单元为支持多种类型接口(如rs232、rs485、网口、usb等接口)有主控cpu的电路模块。

在一种实施方式中，系统设置桥梁上下游的一定范围(一般是500-1000米)为监控区域，在监控区最外围设置有桥区预警围栏，包括led显示屏单元、声光报警单元及激光超高检测单元。桥区预警围栏与桥梁之间通航水道两侧间隔100m设置有一个、两个或多个ais航标(浮标)，在浮标上安装ais终端，ais航标向桥基站发送航标灯动态信息(位置、灯状态、电流、电压)；浮标ais终端可向周围船舶广播浮标信息(名称、灯质、位置等)。桥基站可安装在桥墩或者桥附近的建设物上，同时内置ups电源，以便在岸电丢失时保持基站正常运行。通过采集处理水文信息，计算桥梁净高数据，接收附近船舶ais信息，对通行船舶发送水文与气象信息，发送告警信息，存储所接收的附近船舶ais信息，存储视频单元采集的视频信息等。

当船舶即将接近桥区预警围栏，距离桥梁2km处，桥基站系统通过ais、vhf向进入监控区域的船舶自动发布通航预警信息、水位信息、水流信息、气象信息、并通过4g无线传输控制桥区预警围栏处所设置led显示屏动态显示实际允许通航净高(桥基站根据潮汐水位以及桥梁顶部形状如拱形综合计算)，提醒船舶注意安全航行。

船舶继续向前经过桥区预警围栏，该处安装激光超高检测单元监测，如果船舶超高(简单方法可设置激光发射器离地高度与桥梁顶部平齐)，设置在警戒高度的激光束被遮挡，激光传感器被触发，现场主控系统开启声光报警单元发出声光报警、同时将报警信息通过4g无线传输送至桥基站信息集成处理单元，桥基站信息集成处理单元通过桥基站ais，vhf向超高船舶发出警告、提醒超高船舶驾驶员采取措施。

船舶继续行驶进入ais航标中间区域，系统检测到有船舶进入桥区，自动控制桥梁的轮廓照明闪亮，警示过往船舶注意安全，而船舶离开后自动关闭照明，达到节能环保的目的。如果船舶靠近桥梁而且偏离航道，桥基站信息集成处理单元通过读取桥基站ais采集的ais航标位置与船舶位置通过对比亦会自动识别而且通过桥基站ais与vhf警告越界船舶，同时将警告信息通过桥基站ais与vhf发送至航道交管局ais系统接收，并注明是对某mmsi船舶的警告信息。同时，安装于桥梁上的声光报警器闪烁报警。系统也会把船舶超高违章信息、抓拍的图像信息传输到数据存储单元记录保存，供桥梁管理部门及海事部门调查取证使用。

桥基站ais采用安全报文方式向船载ais发送通航预警信息、水位信息、水流信息、气象信息等信息。船载ais接收到安全信息后，全屏显示接收到安全信息提示框，并有声响提醒，若驾驶员不将安全信息打开或者取消，桥基站ais无法接收到船载ais的接收信息成功应答，等待一段时间后会桥基站ais会显示信息发送失败，此时信息集成处理单元可操作桥基站ais重复发送。

在一种实施方式中，本系统具有以下功能：

1、ais助航信息自动发布功能

整个系统为靠近桥梁的船舶提供辅助航行指引，在船舶距离桥梁2km处，系统桥基站ais自动向驶入桥区水域的船舶通过ais的vhf海事频道发布语音提醒，如水位、流速、风速、能见度及桥梁净高。

2、船舶超高报警

系统在桥梁的上下游大约1千米的位置各设置一对激光限高探测传感器用来检测船舶是否超高，系统如果检测到船舶超高，向船舶发出声光报警信号，并录像取证。同时桥基站ais将超高报警信息发送至交管中心。

3、船舶偏离航道报警

系统在桥梁区域设置红外线传感器识别探测或者根据ais航标判断船舶是否越界通航，系统如果探测到船舶越界航行，安装于桥梁上的声光报警装置向船舶发出声光报警信号，并录像取证。同时桥基站ais将越界报警信息发送至交管中心。

4、桥区超速航行报警

系统桥基站ais通过接收船舶的ais信号采集到进入桥区所有船舶的速度数据，一旦船舶超过设定的安全速度，系统桥基站ais自动向船舶发出告警信号。

5、船舶关闭ais报警

系统在桥基站安装雷达传感器，当检测到该水域有船舶进入，而系统在该区域没有接收到ais目标时，认为进入该水域的船舶违规关闭ais航行，系统自动向船舶发出声光告警信号。同时桥基站ais将船舶违规关闭ais航行信息发送至交管中心。

6、海事信息自动发布功能

由人工设置，系统桥基站ais自动向驶入桥区水域的船舶发布各种海事管制信息，桥梁施工、封航信息等。

7、图像监控及拍照取证

系统根据需要在监控范围安装各种类型的摄像机，全天候监控桥区的通航情况。摄像机主要安装于桥梁桥体以及桥区预警围栏处。摄像视频可以记录，记录时较新数据抹去最陈旧数据，数据存储时间大于12h。

8、桥梁轮廓自动照明示宽、示高功能

系统检测到有船舶进入桥区，自动控制桥梁的轮廓照明闪亮，警示过往船舶注意安全，而船舶离开后自动关闭照明，达到节能环保的目的。

9、数据查询及大数据统计功能

系统保存每次报警的时间、录像数据，过往船舶的数据，根据需要，管理人员可以随时对这些数据进行查阅、统计、打印。(该功能视实际使用情况可扩展)

10、无人自主运行功能

系统运行全自主化，无人为参与，系统故障检测方法可采用自检自测形成gsm短信上报负责人或者人为定期检查方式(是实际情况可增加)。

本发明实施例提供的一种桥区船舶航行防撞预警系统，通过桥基站提前自动发布助航预警信息，桥区预警围栏进行船舶超高报警，ais航标进行船舶偏离航道报警，以及整个系统提供给船舶的桥区通航信息和其他报警手段等共同作用提醒驾驶员安全驾驶保证船舶顺利通过桥区，避免船撞桥事故发生，具有自主运行，无需人工监控的特点，对避免桥区通行船舶碰撞桥梁具有十分重要的意义。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。