关键词：桥梁防撞;船舶导航;精确定位;多方联动
1概述
随着我国公路、铁路建设的蓬勃发展，修建了大量的跨江、跨海大桥。水运目前是我国不可或缺且最为经济的物流运输方式，大量的货运、客运船舶穿梭在我国的江河湖海，不可避免要从大桥底下通过。虽然桥梁在建设过程中对通航桥墩做了一定的防护措施，通航桥洞的设计也具备一定的偏航容错能力，但是由于航道桥梁通航净宽、净高有限以及船舶驾驶员人为的因素，船舶撞桥事故还是时有发生，船撞桥事故不但威胁船舶通行的安全，且严重影响桥梁的安全运营，还常常带来巨大的人民生命和财产的损失，2007年的广东省九江大桥重大船舶撞桥事故造成桥面坍塌200米，桥上4辆汽车和2名施工人员坠入江中，共造成8人死亡，经济损失近5000万元，更带来了极其严重的社会影响。因此桥梁防撞一直是一个亟待解决的问题。多年来，桥梁的建设单位、管理单位及科研人员都在探索桥梁防撞的办法，也取得了一定的成果，目前国内桥梁防撞的方式总体来说有两类：第一类是在桥墩周围设置防撞防护设施，使船舶不能靠近桥墩，此类措施对于小型船舶能起到很好的防撞效果，却很难防止重型船舶对桥墩的撞击；[1]第二类是在桥梁上加装激光雷达等感应设备以及声光预警设备，探测到船舶靠近桥梁且存在风险时对其进行声光警示，提醒驾驶员及时采取措施，避免偏离航道而撞击桥梁，这些方法起到了一定的效果。近年来，船撞桥事故在不断减少，但还是时有发生，归根结底，当前的这些防撞手段太过于被动，预警的距离太短，临近桥梁才能被感知，发现异常仓促预警，船舶的反应时间不足，同时声光预警对于疲劳驾驶的船舶驾驶员可能产生不了任何效果。本系统通过多终端提前预警和多方联动联控，将驾驶员、船舶公司、桥梁管理单位、行业管理及执法部门有机地联合起来，多方协同防撞，可以更为有效地防止船撞桥事故的发生。
2系统方案设计
2.1实现思路
系统的总体实现思路为依据精确的基础数据（包括航道、桥梁等信息）和实时的船舶精确定位，实时分析船舶的偏航情况，发现船舶撞桥隐患及时预警，通过网络化多方联合防控的手段最大可能地防止船舶撞桥事故的发生，实现思路如图1。
2.1.1建立全面的基础数据建立航线、航道、沿线桥梁、船舶、船舶公司、桥梁管理单位、海事部门等精确的详细数据，有了这些基础数据，才能精准地分析船舶偏航及撞桥隐患，做到多方联合防控，各类基础数据的关键信息如表1。
2.1.2船舶精确定位实时定位船舶的位置，确定船舶的方向、速度，以此作为判断船舶偏航及撞桥隐患的依据，因此对船舶的精确定位非常重要，目前，一般的gps定位精度为25米左右，精度难以达到要求，通过在航道区域建立基站同通过载波相位差分gps技术，可以对船舶进行精确定位，载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic）[2]，建立在实时处理两个基准站的载波相位基础上，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，通过差分计算处理能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度定位结果。目前，也有提供区域范围内精确定位的第三方服务，如千寻位置服务，能够提供厘米级、甚至毫米级的三维位置服务，而且成本在逐年下降。
2.1.3实时监测、智能分析预警提前预警：出发前根据船舶基本信息（高度、宽度）以及航线，自动分析能否通航，对存在限高限宽不满足通航要求的桥梁进行预警提示。实时预警：实时根据船舶的精确定位信息和航道数据分析船舶的偏离航道行为，同时监测前方2公里内的桥梁水域状况，发现问题及时预警。
2.1.4多方联动、联合防撞发现船舶偏离航道或者有撞桥等安全隐患后，首先发送预警信号到船舶的驾驶舱，通过导航显示屏和语音提醒驾驶员，如果在规定时间内驾驶员未做出处置或者回应，系统自动发送预警信息到船舶公司，由船舶公司联系驾驶员进行处理。在规定时间内仍未处置完成的，系统自动发送预警信息到前方桥梁的管理单位或者水运执法部门，由桥梁管理单位或者海事执法部门组织拦截处置。
2.2系统总体架构各层说明如图2。
2.2.1基础设施层基础设施层主要包括服务器、网络设备、安全设备、声光报警设备、监控设备等基础硬件设备及配套的软件等。
2.2.2支撑层包括应用开发平台、中间件（应用服务器、消息中间件、WEB服务器）以及位置服务、地图服务和数据交互服务等。通过建设应用支撑平台，实现界面集成、应用集成、数据集成及流程集成。
2.2.3业务实现层系统的主要业务逻辑实现层，主要包括船舶精确定位、偏航撞桥分析、防撞预警、联合防撞等业务模块。
2.2.4用户层（终端接入层）分为船载终端、移动应用、PC端等，用户主要由船舶驾驶员、船舶公司、桥梁管理公司、海事管理部门组成。
2.3系统拓扑结构
系统基于B/S架构部署于云服务上，用户端主要包括：船舶终端系统和桥梁防撞监控系统。（图3）船舶终端系统：安装在船舶上，包括船舶导航系统、声光设备、监控视频，为船舶驾驶员提供导航和预警。桥梁防撞监控系统：运行在pc端和手机端，系统与船舶终端通过服务器进行数据交换和交互，用户包括船舶公司值班人员、桥梁管理单位值班人员和海事管理部门的值班人员及各单位相关负责人[3]。
3系统功能设计
系统主要分为船舶终端系统和桥梁防撞监控系统。
3.1船舶终端系统
舶终端系统主要实现船舶的实时导航、预警分析及预警响应。由导航终端、定位设备、预警设备及视频监控等终端组成。定位设备：基于差分技术或者第三方服务，实现船舶的实时精确定位。预警设备：由喇叭和警灯组成，接受导航系统发出的预警指令，可以亮起警灯和响起警铃。视频监控：基于4G网络的视频监控，pc端和手机端可以实时调阅视频信息，出现偏航或者撞桥隐患时，监测人员可以通过手机或者pc端查阅驾驶室情况。导航系统：基于图形化的窗口页面，实时展示航道信息、船舶位置信息、前方桥梁信息。对船舶的偏航行为及撞桥隐患进行实时分析，发现隐患及时启动隐患预警及监测流程，首先发送指令给船舶的预警终端，通过船舶声光设备给船舶驾驶员发起警示，驾驶员调整船舶方向和速度，同时通过导航窗口的按键对预警进行响应，可以通过语音或者文字进行情况说明。如果驾驶员在设定的时间内未作出响应，导航系统自动向服务器发送消息，启动联合防控预警流程。导航系统的具体功能设计如下：
3.1.1航线分析根据船舶基本信息（高度、宽度），对比航线上所有桥梁的通航限高和限宽，对存在限高限宽不满足通航要求的桥梁进行预警提示，并提供符合通航要求的参考航线。
3.1.2实时导航基于GIS技术，在地图上实时显示船舶的位置（用形象的图标模拟船舶）、方向、速度，以明显的线条展示航道的边线，根据船舶的动态位置实时刷新地图，并预报前方2公里内桥梁情况。
3.1.3偏航分析系统根据船舶的定位点（如图4C点）和方向，在平面坐标系中计算出船舶两侧和船头船尾的6个控制点（如图4A1、A2、B1、B2、D1、D2）坐标，当任意控制点接近或者触碰航道边线时，系统发出偏航预警。
3.1.4预警与处置系统根据桥梁信息、船舶信息以及偏航分析结果，综合评估船舶的撞桥风险，达到预警范围时启动预警，系统在导航界面弹出响应对话框进行提示并接收响应，同时联动声光设备发出警报声并亮起警示灯进行警示。在船舶回归正常航道或者驾驶员做出响应（点击导航上的预警处置按钮）后关闭预警；当船舶在规定时间内没有转向回归正常航道，且驾驶员未进行响应时，系统自动启动联合防撞处置流程，向上一级发起预警。
3.2桥梁防撞监控系统
系统与船舶终端实时交换数据，主要实现船舶公司、桥梁业主单位、海事部门等单位对辖区内水域通航安全状况的实时监测和管理，主要包括安全监测系统和联合预警处置系统。
3.2.1桥梁水域安全监测系统系统主要应用在船舶公司、桥梁管理单位和海事部门的监控中心，实现辖区内桥梁水域的实时通航监测，基于地图以图形化的界面直观地展示各桥梁水域的船舶航行状态，通过船舶的位置信息实时分析船舶的运行态势，快速识别船舶的偏航情况和撞桥风险，以高亮、闪烁的显眼方式展示问题船舶，系统自动聚焦问题船舶水域，自动跟随问题船舶，通过点选问题船舶可以实现与船舶终端的实时通讯（语音通话、视频监控等）[4]。
3.2.2联合预警处置系统通过导航系统分析存在撞桥风险后，导航系统向船舶驾驶员发出预警，当船舶在规定时间内没有转向回归正常航道，且驾驶员未进行响应时，系统自动启动联合防撞处置流程，系统按照流程，先向船舶公司发出预警，预警信息自动发送到该公司监测系统（手机与pc端），同时发送手机短信到该船舶公司联系电话上。船舶公司值班人员收到预警信息后，可以通过监测系统连线船舶的监控视频查阅驾驶室情况，并能通过系统联动驾驶室的声光设备再次预警或者给当班驾驶员打电话等方式进行相关的应急处置，处置后在系统中记录处置情况；当船舶公司未在规定时间内通过手机或者pc端响应并报告处置情况，系统自动启动下一级预警，将预警信息发送到桥梁管理单位，如果桥梁管理单位未能及时响应，系统继续启动下一级预警，将预警信息发送至海事管理部门，由海事管理部门组织就近的水面执法人员前往现场进行拦截等应急处置。
4方案难点分析
本系统最大的难点在于实施，船舶公司和桥梁业主单位谁来主导，保护桥梁的设备需要安装在船舶上，另外桥梁单位众多，如何分摊设备费用，谁该为设备买单是其中最大的问题。因此系统的推广实施需要依靠管理部门（海事部门、运输审批部门）牵头，并制定相关的管理办法，对船舶的软硬件及日常运维进行规范，对船舶公司、桥梁单位、海事部门值班监测事务进行规范等。
5展望
系统的实施能更早地发现船舶撞桥隐患，使桥梁防撞变得更加主动，防撞的反应时间更长，并建立起多方有序的联合防撞机制，将大幅度降低船舶撞桥事故发生的概率，维护正常的交通运输秩序，保护人民生命财产安全。系统获取了船舶的精确定位及其速度、方向，可以进一步分析船舶的运行轨迹，分析船舶之间的位置变化趋势，提前发现船舶相撞和追尾的风险，从而扩展船舶的防撞、防追尾预警功能，进一步提高水路交通安全。