一种基于AIS的江海大桥主动防撞系统的制作方法

本发明涉及一种桥梁工程防撞技术，尤其是一种基于AIS的江海大桥主动防撞系统。

背景技术：

随着国民经济和交通运输的迅速发展，一方面通过建造跨江跨海的大型桥梁,缓解交通压力、促进陆路交通；另一方面增加运输船舶的吨位和数量,以提高水上运输能力。对于水上运输船舶而言，桥梁成为人工障碍物。桥梁受船舶撞击事故时有发生，由此而诱发的桥梁跨塌事件日益增多。长江大桥、跨海大桥已成为我国陆上交通的主动脉,船撞桥问题尤其显得突出。

从国内外船撞桥事故记载资料中，分析船撞桥事故的原因，可归结为三大类：第一类是人为失误，如违反航行交通规则、操纵失误、错误地估计水流和风速等；第二类是恶劣的自然环境，如能见度不良、大洪水等；第三类是机械故障，如主机失灵，舵机失灵等。在所有事故原因中人为失误是最主要，其次是恶劣的自然环境，再次是机械故障。建立主动的防撞系统是避免人为失误造成船撞桥事故的重要措施，对江海大桥的安全运营具有重要意义。

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设施来抵抗船舶的撞击威胁。至目前为止，国内外对桥墩防撞领域的研究主要侧重于被动防撞措施，将桥梁保护系统直接安装在桥墩上，以防桥墩直接遭受船舶碰撞。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。可见主动防撞是积极的防预措施，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，但受环境气候影响大，能见度差时无效。虽然雷达标志不受气候、能见度的影响，但由于雷达标志自身存在的技术局限性，也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近大桥的船舶实施24小时的人工监控；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；为了避免因人为失误因素所造成的船撞桥的事故发生，极大地发挥大桥主动防撞系统的积极防御的优势，完成了本发明。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种成本低、自动化程度高的一种基于AIS的江海大桥主动防撞系统，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于AIS的江海大桥主动防撞系统，其创新点在于：包括与船舶和船舶交通管理系统可形成数据交换的通航信息处理单元、数据处理单元以及语音信号发送单元，数据处理单元分别与通航信息处理单元和语音信号发送单元可完成数据交换；

通航信息处理单元包括四台船舶自动识别系统，并平均安装在两个通航主桥墩上或；

数据处理单元为采用改进型哈佛体系结构的数字信号处理器；

语音信号发送单元为具有自动应答功能的甚高频无线电话，可将由独立的中文语音合成模块产生的语音信号发送给所述的船舶和船舶交通管理系统。

本技术方案的通航信息处理单元用于向船舶发送通航主桥墩信息、接收船舶信息并将其传输给所述的数据处理单元；数据处理单元根据收到的船舶信息进行运算，对船舶的态势进行分析，判断所述的船舶是否存在碰撞危险，如果存在碰撞危险则及时将语音警告发送给所述的语音信号发送单元，如果不存在碰撞危险则及时将语音提示发送给所述的语音信号发送单元；语音信号发送单元用于向船舶发送收到的语音警告或提示和向船舶交通管理系统发送收到的语音警告；

本技术方案的通航主桥墩信息包括桥墩位置、桥墩名、桥墩的航向和航速，其中，桥墩位置、航向和航速由数据处理单元产生；所述的船舶信息包括船舶名、船舶位置、海上移动识别码、船舶的航向和航速。

本技术方案的桥墩的航速为模拟航速，其速度大小设为0.3-0.5节。

在一些实施方式中，通航信息处理单元还可以与船舶交通管理系统安装在一起。

附图说明

图1为江海大桥主动防撞系统组成框图。

图2为基于AIS的江海大桥主动防撞系统的数据处理硬件接口框图。

图3为基于AIS的江海大桥主动防撞系统的安装前雷达上大桥的图像。

图4为基于AIS的江海大桥主动防撞系统的安装后雷达上大桥的图像。

图5为基于AIS的江海大桥主动防撞系统的数据处理软件流程图。

具体实施方式

如图1和图5所示的一种基于AIS的江海大桥主动防撞系统，包括与船舶和船舶交通管理系统可形成数据交换的通航信息处理单元、数据处理单元以及语音信号发送单元，数据处理单元分别与通航信息处理单元和语音信号发送单元可完成数据交换；通航信息处理单元包括四台船舶自动识别系统，并平均安装在两个通航主桥墩上或；数据处理单元为采用改进型哈佛体系结构的数字信号处理器；语音信号发送单元为具有自动应答功能的甚高频无线电话，可将由独立的中文语音合成模块产生的语音信号发送给所述的船舶和船舶交通管理系统。

本技术方案的通航信息处理单元用于向船舶发送通航主桥墩信息、接收船舶信息并将其传输给所述的数据处理单元；数据处理单元根据收到的船舶信息进行运算，对船舶的态势进行分析，判断所述的船舶是否存在碰撞危险，如果存在碰撞危险则及时将语音警告发送给所述的语音信号发送单元，如果不存在碰撞危险则及时将语音提示发送给所述的语音信号发送单元；语音信号发送单元用于向船舶发送收到的语音警告或提示和向船舶交通管理系统发送收到的语音警告。

本技术方案的通航主桥墩信息包括桥墩位置、桥墩名、桥墩的航向和航速，其中，桥墩位置、航向和航速由数据处理单元产生；所述的船舶信息包括船舶名、船舶位置、海上移动识别码、船舶的航向和航速。

本技术方案的桥墩的航速为模拟航速，其速度大小设为0.3-0.5节。

通航信息处理单元还可以与船舶交通管理系统安装在一起。

由于数字信号处理器DSP是一种采用改进型哈佛体系结构的嵌入式微处理器，使其运算速度更快，并具有丰富的硬件资源。现已广泛应用于数据处理、通信、语音合成和图像处理等领域。本系统采用TI公司生产的TMS320LF2407DSP芯片作数据处理单元,由其组成的系统如图2。

DSP系统单元将给AIS产生三种动态数据：位置信号、航向信号和航速信号。如果在主桥墩上安放AIS不仅影响大桥的美观，而且日后的维护与保养也有不便，因此主动防撞系统AIS不要求安放两桥墩上，两桥墩的上下游位置信号由DSP产生模拟信号通过AIS的GPS信号接口输入，这样不仅省去四台DGPS接收机，同时AIS可以安放在任何方便管理的地方，最好与VTS安装在一起。为了使船舶雷达图像桥墩位置的三角形上矢量指向与航道一致，DSP要产生四个航向信号分别提供给AIS1-AIS4的航向输入接口。DSP产生一个模拟的航速信号，航速选择在0.3～0.5节，这是因为船舶在锚泊状态时AIS的动态数据将是3分钟发送一次，为了提高动态信息发送频率，提供一个航速信号后使北南岸AIS1-4在每12秒就可发送一次，保证过往船舶的雷达图像可较高的刷新频率。

DSP系统单元通过AIS1-AIS4中的任意一台数据输出接口接收AIS数据，这里是AIS4，然后从AIS数据中提取船名、经纬度、航向、航速及海上移动识别码(MMSI)等相关信息。当来船进入警戒区域后，DSP经过运算后对来船的态势进行分析，并通过VHF-DSC进行选择性呼叫，在后续的VHFCH12频道上向来船用语音作提醒。若来船对桥墩存在碰撞危险，DSP立即发出报警，一方面提示VTS管理员，采取应急措施，另一方面向船方提出警告，必须立即采用避碰措施，并主动向VTS报告。

语音模拟合成单元采用独立的中文语音合成模块FX-S4240产生语音信号。

AIS1-AIS4选用ClassA类的设备。将VHF-DSC的发送功率设为1W，设置自动应答方式，并将后续的无线电通信频道设为VHF Ch12频道上。

数据处理与程序设计

各数据接口均采用国际电工委员会(IEC)制订了IEC61162通信协议(与美国航海电子协会的NMEA0183标准兼容)。

DSP系统从AIS1-4中的任一个输出接口获取过往船舶的经纬度和航向，经过计算如果过往船舶进入警戒区：大桥上游A号灯浮至大桥下游B号灯浮间(视大桥具体情况定)，DSP开始跟踪该船舶，并以固定的时间间隔对过往船的运动态势进行分析，依据安全距离d_safe判断存在碰撞危险。当d_B＜d_safe或d_A＜d_safe时则说明存在碰撞桥墩的危险，DSP向VHF-DSC发送该船的海上移动识别码(MMSI)在CH70频道上呼叫船舶，并在后续的电话通信中，将语音警告通知船舶，采取有效的防撞避碰措施。同时从扬声器发出报警，通知VTS值班人员对该船的采取措施。对进入警戒区无碰撞危险的船舶，系统也会发出一个语音信息，提醒船舶加强警戒，以现在航向安全通过大桥。

数据处理与程序设计

各数据接口均采用国际电工委员会(IEC)制订了IEC61162通信协议(与美国航海电子协会的NMEA0183标准兼容)。

DSP系统从AIS1-4中的任一个输出接口获取过往船舶的经纬度和航向，经过计算如果过往船舶进入警戒区：大桥上游A号灯浮至大桥下游B号灯浮间(视大桥具体情况定)，DSP开始跟踪该船舶，并以固定的时间间隔对过往船的运动态势进行分析，依据安全距离d_safe判断存在碰撞危险。当d_B＜d_safe或d_A＜d_safe时则说明存在碰撞桥墩的危险，DSP向VHF-DSC发送该船的海上移动识别码(MMSI)在CH70频道上呼叫船舶，并在后续的电话通信中，将语音警告通知船舶，采取有效的防撞避碰措施。同时从扬声器发出报警，通知VTS值班人员对该船的采取措施。对进入警戒区无碰撞危险的船舶，系统也会发出一个语音信息，提醒船舶加强警戒，以现在航向安全通过大桥。

主动防撞系统安装前后仅对船舶雷达上显示大桥图像效果比较

以苏通大桥为例，主动防撞系统安装前，大桥在雷达上显示的图像如图3所示，仅从雷达图像上无法确定大桥的主桥墩位置和主通航孔间距，船舶通过大桥时驾驶人员只能依靠肉眼来鉴定和辨别主桥墩位置，在能见度不良或夜间时，辨别主桥墩困难，存在船撞桥的安全隐患。

在图4中AIS数据与雷达图像相结合指示了大桥主桥墩的位置(图中的三角形)，明确了主通航孔，加上必要的VHF无线电话的语音提示或警告，有险情时系统还提醒VTS，VTS加强对船舶的监管，使船舶驾驶人员能及早采取措施，安全通过大桥。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。