CN107886775A - 一种桥区船舶主动防撞预警方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥区船舶主动防撞预警方法及***，该方法包括：S1：基于电子海图划分桥区通航区域；S2：每个虚拟航标导航区靠近相邻通航孔的边界上设置一逆行判定虚拟航标；S3：实时采集桥区通航船舶的AIS信息；S4：基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级；S5：向船舶播发与步骤S4获取的碰撞风险等级对应的广播信息。与现有技术相比，本发明能够基于AIS数据进行船舶碰撞桥梁风险的评估，并根据不同风险等级分类向船舶提供助航服务和预警信息的播发。

Description

一种桥区船舶主动防撞预警方法及***

技术领域

本发明涉及无线电航标与通讯技术领域，尤其是涉及一种桥区船舶主动防撞预警方法及***。

背景技术

桥梁，是沟通江海陆岛及河流两岸之间道路交通交通的纽带和基础设施。随着我国交通运输事业的迅猛发展，近年来基础建设加快，通航桥梁建设数量飞速增长。大量的桥梁在方便民众出行、便利道路交通，促进区域经济发展。由于桥梁桥梁挤占和限制了通航水域，以及桥梁自身的安全需求，这给水上活动特别是船舶航行安全和水上交通管理带来了困扰。桥梁防撞一直以来都是桥梁设计和建设管理的风险核心之一。历年发生的船舶撞桥事故，造成经济和人命财产重大损失，以及严重的社会影响。

目前，桥梁传统的防撞主要有被动式和主动式两种防撞手段。被动式的桥梁防撞，主要是在桥墩处建设防撞装置，通过加强桥梁结构，在桥墩边上建设防撞墩，以提高桥梁抗撞能力；或者在距离桥墩附近设置拦截装置，通过在桥墩上下游水域航道***设置拦截网，对即将撞击桥墩的船舶或设置提前拦截，以阻隔或减小船舶撞击，对桥墩产生的冲击力。被动式防撞手段目前使用比较多、比较普遍。第二类是主动式的防撞手段，主要是通过加强桥梁航标配布，在桥区实施船舶定线制疏导交通流，加强船员技能和素质培训，定期开展海上巡航，以及建设使用VTS（vessel traffic service，船舶交通服务）、AIS（AutomaticIdentification System，船舶自动识别***）等现代导助航设施和***，加强监管手段的介入，从完善管理要素的角度，化被动为主动，减少船舶碰撞桥梁的概率，从而达到防撞目的。

在实际应用中，现有的几种桥梁防撞技术手段均存在不同的缺陷。

首先，传统的被动式防撞手段，存在建设和维护管理成本高、抗撞能力有限等缺陷，特别是对于大型船舶，防撞效果不佳。此外，该防撞手段只能被动保护桥梁，无法降低船舶碰撞桥梁的事故概率，且在事故发生过程中，只是对桥梁提供有限的防撞保护，而无法保护船舶，一旦事故发生必然造成严重后果。

其次，传统的现有主动式几类防撞手段，桥梁航标信息化管理研究，国内刚起步，尚不成熟；通过建设VTS、CCTV等***，及开展海上船舶巡航等主要监管手段，需要有人值守，投入的人力、物力、财力大，人员工作量大；并且由人工判断碰撞风险，也存在一定的误判，人工告警存在较大延迟，必然带来管理风险的加大。此外，通过教育培训，提升船员素质，降低人为因素，更是个长期、***化的工程。

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种无人值守、智能评估碰撞风险并自动播发预警信息的***。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桥区船舶主动防撞预警方法及***，能够基于AIS数据进行船舶碰撞桥梁风险的评估，并根据不同风险等级分类向船舶提供助航服务和预警信息的播发。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种桥区船舶主动防撞预警方法，包括以下步骤：

S1：基于电子海图划分桥区通航区域，所述桥区通航区域上标记有桥梁、通航孔、桥墩、虚拟航标、预警区、警戒区、标准航道和标准航向，其中，每个通航孔对应设置一指向通航孔的标准航向，在船舶未通过通航孔的一侧设置对应标准航向的预警区、警戒区和虚拟航标导航区，所述预警区位于警戒区***，所述虚拟航标导航区指引船舶沿标准航向依次经警戒区、预警区穿过通航孔；

S2：每个虚拟航标导航区靠近相邻通航孔的边界上设置一逆行判定虚拟航标；

S3：实时采集桥区通航船舶的AIS信息，所述AIS信息包括船舶名称、MMSI码、船舶实时坐标、航速和船艏方向；

S4：基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级；

S5：向船舶播发与步骤S4获取的碰撞风险等级对应的广播信息。

所述步骤S2的逆行判定虚拟航标与桥梁的距离与当前桥区水文气象信息以及相邻通航孔之间距离有关。

所述步骤S4具体为：将碰撞风险等级分为无风险助航等级、低风险预警等级和高风险警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于预警区内，或船舶的坐标位于待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区内且船艏方向与标准航向同向，则为无风险助航等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，同时船艏方向指向待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离大于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为低风险预警等级；

若船舶存在偏离航道、逆行或碰撞情况，则为高风险警报等级。

所述高风险警报等级包括偏离航道警报等级、逆行警报等级和碰撞警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区边界处，且船艏方向指向靠近船舶一侧的前方桥梁，则为偏离航道警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，且船艏方向前方指向的位置点到桥梁的距离小于等于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，同时船艏方向前方指向的位置点区域位于船舶所在标准航道一侧的警戒区内，或，在船舶穿过通航孔后，若船艏方向指向相邻通航孔对应的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离小于等于相邻通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为逆行警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，船舶的坐标到桥梁的距离小于等于预设的预警距离，且船艏方向指向桥墩，则为碰撞警报等级。

所述预警距离取值为2~3倍的船长。

所述碰撞警报等级中，船艏方向指向桥墩具体为：桥墩在船艏方向的延长线±2°内。

所述步骤S5中，若船舶的行驶状态属于船舶无风险助航等级，则利用AIS桥基站向船舶播发包含桥区水文气象信息的助航信息；

若船舶的行驶状态属于低风险预警等级，则利用电台向船舶播发预警信息；

若船舶的行驶状态属于高风险警报等级，则利用DSC***进行安全呼叫并利用电台向船舶播发警告信息。

一种采用上述桥区船舶主动防撞预警方法的***，包括：

电子海图显示与操作模块，用于显示电子海图以及桥区通航区域，并设置逆行判定虚拟航标；

AIS船舶目标动态监控模块，用于实时采集桥区通航船舶的AIS信息；

通航环境信息监控模块，用于实施采集桥区水文气象信息；

桥区助航信息管理发布模块，用于基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级，并根据获取的碰撞风险等级向船舶播发对应的广播信息。

作为主动式的桥梁防碰技术，与现有的VTS、CCTV等技术方案相比，本发明具有以下优点：

1、***自动采集船舶AIS数据并进行智能分析判断和报警，可以实现无人值守。通过对桥区航道和警戒区域进行有效划分，***可智能识别进入桥区水域的船舶，判定其航行动向，依据桥区船舶助航信息发布机制，根据AIS数据，进行船舶碰撞桥梁风险的评估算法，向违规航行的船舶发出无线电警示或警告，引起船舶驾驶人员的注意，以尽快采取纠正措施防止碰撞桥梁事件的发生。

2、由于无需人工判断碰撞风险，***自动播发预警信息，对风险状况反应效率快，能及时、有效的避免船舶撞桥。

3、通过AIS识别船名和语音转换，能够准确的通知到风险船舶。

4、***根据船舶碰撞风险等级，能够为桥区通航船舶提供分类的助航服务和预警播发，提升了桥区的助航服务和航海保障能力。

附图说明

图1为本发明桥区船舶主动防撞预警方法的流程图；

图2为桥区通航区域的示意图；

图3为无风险助航等级的判断示意图；

图4为低风险预警等级的判断示意图；

图5为偏离航道警报等级的判断示意图；

图6为逆行警报等级的一种判断示意图；

图7为逆行警报等级的另一种判断示意图；

图8为碰撞警报等级的判断示意图；

图9为本发明实际应用中的***结构示意图；

图10为本发明实际应用中实现船舶主动防撞过程的示意图；

图11为桥区预警区域设定与监测界面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种桥区船舶主动防撞预警方法，包括以下步骤：

S1：基于电子海图划分桥区通航区域，桥区通航区域上标记有桥梁、通航孔、桥墩、虚拟航标、预警区、警戒区、标准航道和标准航向，其中，每个通航孔对应设置一指向通航孔的标准航向，在船舶未通过通航孔的一侧设置对应标准航向的预警区、警戒区和虚拟航标导航区，预警区位于警戒区***，虚拟航标导航区指引船舶沿标准航向依次经警戒区、预警区穿过通航孔，如图2所示，某一桥梁有一上行通航孔和一下行通航孔，上行通航孔和下行通航孔之间为桥墩。

S2：每个虚拟航标导航区靠近相邻通航孔的边界上设置一逆行判定虚拟航标。

步骤S2的逆行判定虚拟航标与桥梁的距离与当前桥区水文气象信息以及相邻通航孔之间距离有关。

S3：实时采集桥区通航船舶的AIS信息，AIS信息包括船舶名称、MMSI码、船舶实时坐标、航速和船艏方向等数据。

S4：基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级。其中，将碰撞风险等级分为无风险助航等级、低风险预警等级和高风险警报等级。

S5：向船舶播发与步骤S4获取的碰撞风险等级对应的广播信息。

下面对不同碰撞风险等级进行具体举例说明。

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于预警区内，或船舶的坐标位于待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区内且船艏方向与标准航向同向，则为无风险助航等级，利用AIS桥基站向船舶播发包含桥区水文气象信息等助航信息。如图3所示，船舶驶入预警区，AIS播发桥区水文气象等助航信息，如船舶按标准航道正常行驶，***不播发预警。

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，同时船艏方向指向待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离大于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为低风险预警等级，利用电台向船舶播发预警信息。如图4所示，船舶处于警戒区，船艏向指向航道但未准确指向航道入口，向航道行进有可能横向***航道，此时存在一定碰撞风险，风险程度较低，***通过DSC（Digital Selective Calling Terminals，数字选择性呼叫）船舶呼叫***提醒船舶切换频道，并在通过电台播发预警信息：“请小心驾驶，保持在航道内航行”。

若船舶存在偏离航道、逆行或碰撞情况，则为高风险警报等级，利用DSC***进行安全呼叫并利用电台向船舶播发警告信息。高风险警报等级包括偏离航道警报等级、逆行警报等级和碰撞警报等级。

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区边界处，且船艏方向指向靠近船舶一侧的前方桥梁，则为偏离航道警报等级。如图5所示，船舶从航道边线中驶出，且船艏向指向前方桥梁，此时船舶碰撞桥梁风险较高，***通过电台播发偏离航道警报：“偏离航道！请保持在航道内航行”。

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，且船艏方向前方指向的位置点到桥梁的距离小于等于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，同时船艏方向前方指向的位置点区域位于船舶所在标准航道一侧的警戒区内，或，在船舶穿过通航孔后，若船艏方向指向相邻通航孔对应相反方向的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离小于等于相邻通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为逆行警报等级；上述前一种如图6所示，船舶不在过桥航道内，船艏向指向航道靠近桥梁的逆行判定虚拟航标(也可自定义设置该航标位置)到桥梁之间的区域（对应图6中的格子区域）时，上述后一种如图7所示，船舶通过桥梁后，船艏向指向对面航道逆行判定虚拟航标与桥梁之间的航道线之外区域（对应图7中的格子区域）时，电台播发逆行警报：“航向有误，请遵守航行规则”。

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，船舶的坐标到桥梁的距离小于等于预设的预警距离，且船艏方向指向桥墩，则为碰撞警报等级。如图8所示，用户自定义如下参数：桥墩四个角的坐标；船艏向延长线的发散角度（±2°）；预警距离（2~3倍船长），桥墩在船艏向延长线±2°内，且船舶处于预警距离内，触发电台警报：“请纠正航向，谨防碰撞，保持与桥梁安全距离”。

一种采用上述桥区船舶主动防撞预警方法的***，包括：

电子海图显示与操作模块，用于显示包含桥区现场的具体通航环境动态信息的电子海图以及桥区通航区域，并设置逆行判定虚拟航标；

AIS船舶目标动态监控模块，用于实时采集桥区通航船舶的AIS信息，便于在电子海（江）图上显示桥区现场的实时船舶AIS信息，了解现场动态；

通航环境信息监控模块，用于实施采集桥区水文气象信息，通过在前端航标上搭载各类传感器，并接入其他水文气象信息，可以实时监控风速、风向、水流速、水流向、水位、潮汐、桥梁实时通航净空高度等实时信息；

桥区助航信息管理发布模块，用于基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级，并根据获取的碰撞风险等级向船舶播发对应的广播信息。

该***还包括桥基站、桥涵标、浮标等助航设施监测控制模块，对前端的各类助航设备运行状况进行监测和控制；综合信息查询模块，可实现对各类信息的综合查询；统计报表模块，根据历史数据输出统计报表；***管理模块，等等。

如图9所示，在监控中心建立桥区船舶综合助航信息软件***，软件***上设置虚拟AIS航标，在桥梁上建立分别与船舶和监控中心通信的桥基站，同时设置桥区航标（标识牌和浮标）等配套硬件设备，当航行船船进入助航水域，桥区船舶综合助航信息软件***即对其提供助航服务。

如图10所示，实现船舶主动防撞的过程为：

1、通过在桥梁附件安装部署桥基站，采集桥区通航船舶的AIS信息，包括船舶名称、MMSI码、船舶实时坐标、航速、船艏向等数据。

2、桥基站通过4G通信模块，将采集到的数据传输给软件***进行分析评估。

3、软件***对船舶AIS信息进行解析，同时对照电子海图和海图上预设的报警区域，评估该船舶碰撞桥梁的风险。

4、软件***根据风险评估结果（无风险、低风险、高风险），向桥基站发送指令，由桥基站播发不同类型的助航信息和预警。

5、桥基站根据AIS数据识别船舶名称，通过语音转换模块，在电台预警信息中呼叫该船名。

软件***实现的后台功能为：

船舶进入桥区区域时，上位机通知桥基站，通过AIS发送提示短信；在区域内每3分钟发一次，离开区域后停止；

船舶出现警示报警时：上位机通知桥基站，通过AIS发送警示短信；连续发3次，间隔3分钟；

船舶出现警告报警时：上位机通知桥基站，通过VHF、电台同时发送警告信息。连续发3次，间隔3分钟；

虚拟航标位置修改：上位机通知桥基站，***修改了航标位置；

虚拟航标定期广播位置：桥基站独立定时向外广播设置的虚拟航标信息，不依赖上位机。

桥区船舶综合助航信息软件***旨在解决当前桥区助航服务中仍存的信息化程度不高、主动告警式助航程度低等问题，具有极强的现实性和应用价值。***的主要功能有：

（1）建立桥区范围通航基础信息数据库***。通过多功能航标建设，在岸基实现对桥区航道的水文、气象、航道、交通流等重要信息的采集、传输与存储。

（2）实现对桥区航标的集控管理。具有监控功能的新型桥涵标正在推广阶段，但需要进一步实现对桥区新型桥涵标的遥测功能，与现阶段正在使用的针对普通航标的遥测遥控***互为补充，有效管理辖区内所有航标。

（3）探索桥区水域主动式安全助航方法。被动式的海事船舶***具有一定的局限性，需要在桥区航道内，进一步探索并实现以航海保障设备为重要载体的主动式安全助航方法。

（4）建立桥区航海保障服务的新模式。通过信息化技术，结合互联网环境，通过多方法多途径向用户提供综合助航信息，促进桥区航行安全实现航海保障的被动管理向主动服务转换，从而实现管、疏结合，服务为先的新型政府部门工作机制，切实履行航海保障的政府职能。

实际应用中，***配套桥基站安装于桥梁附近建筑物上，桥区船舶综合助航信息***安装于东海航海保障中心福州航标处监控中心，对福州航标处辖区平潭海峡大桥水域的船舶进行综合助航信息服务。***自动监测进入桥区的船舶AIS动态，并向船舶播发桥区实时的气象、水流、桥梁净空高度、航标动态等AIS报文，对符合警示或警告区航行规则的船舶保持静默，对违反设定区规则的航行船舶启动点对点的VHF语音提示，促使其尽早纠正船舶动向，防止操纵延误引发碰撞事故的发生。桥区预警区域设定与监测界面如图11所示。

综上所述，桥区船舶综合助航信息软件***探索了桥区助航信息服务的新模式，***利用虚拟航标技术清晰标明航道，标示禁航区，采集桥区航行的水文气象资料向进入桥区船舶广播等措施，可让广大船舶在进入桥区航道后，实时获知必要的助航与通航环境信息，可使得部分高风险船舶及时获知其危险态势信息，在恶劣海况（如能见度不良时）下通过主动式的助航信息服务，可切实改善桥区航道通航环境，对于履行航海保障职责，保障桥区通航安全，具有较好的应用与推广价值。

Claims (8)

1.一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于电子海图划分桥区通航区域，所述桥区通航区域上标记有桥梁、通航孔、桥墩、虚拟航标、预警区、警戒区、标准航道和标准航向，其中，每个通航孔对应设置一指向通航孔的标准航向，在船舶未通过通航孔的一侧设置对应标准航向的预警区、警戒区和虚拟航标导航区，所述预警区位于警戒区***，所述虚拟航标导航区指引船舶沿标准航向依次经警戒区、预警区穿过通航孔；

S2：每个虚拟航标导航区靠近相邻通航孔的边界上设置一逆行判定虚拟航标；

S3：实时采集桥区通航船舶的AIS信息，所述AIS信息包括船舶名称、MMSI码、船舶实时坐标、航速和船艏方向；

S4：基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级；

S5：向船舶播发与步骤S4获取的碰撞风险等级对应的广播信息。

2.根据权利要求1所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述步骤S2的逆行判定虚拟航标与桥梁的距离与当前桥区水文气象信息以及相邻通航孔之间距离有关。

3.根据权利要求1所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：将碰撞风险等级分为无风险助航等级、低风险预警等级和高风险警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于预警区内，或船舶的坐标位于待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区内且船艏方向与标准航向同向，则为无风险助航等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，同时船艏方向指向待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离大于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为低风险预警等级；

若船舶存在偏离航道、逆行或碰撞情况，则为高风险警报等级。

4.根据权利要求3所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述高风险警报等级包括偏离航道警报等级、逆行警报等级和碰撞警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区边界处，且船艏方向指向靠近船舶一侧的前方桥梁，则为偏离航道警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，且船艏方向前方指向的位置点到桥梁的距离小于等于待穿过通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，同时船艏方向前方指向的位置点区域位于船舶所在标准航道一侧的警戒区内，或，在船舶穿过通航孔后，若船艏方向指向相邻通航孔对应的虚拟航标导航区靠近船舶一侧边界的位置点到桥梁的距离小于等于相邻通航孔对应的逆行判定虚拟航标到桥梁的距离，则为逆行警报等级；

在船舶穿过通航孔前，若船舶的坐标位于警戒区内的除待穿过通航孔对应的虚拟航标导航区之外区域，船舶的坐标到桥梁的距离小于等于预设的预警距离，且船艏方向指向桥墩，则为碰撞警报等级。

5.根据权利要求4所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述预警距离取值为2~3倍的船长。

6.根据权利要求4所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述碰撞警报等级中，船艏方向指向桥墩具体为：桥墩在船艏方向的延长线±2°内。

7.根据权利要求3所述的一种桥区船舶主动防撞预警方法，其特征在于，所述步骤S5中，若船舶的行驶状态属于船舶无风险助航等级，则利用AIS桥基站向船舶播发包含桥区水文气象信息的助航信息；

若船舶的行驶状态属于低风险预警等级，则利用电台向船舶播发预警信息；

若船舶的行驶状态属于高风险警报等级，则利用DSC***进行安全呼叫并利用电台向船舶播发警告信息。

8.一种采用如权利要求1所述桥区船舶主动防撞预警方法的***，其特征在于，包括：

电子海图显示与操作模块，用于显示电子海图以及桥区通航区域，并设置逆行判定虚拟航标；

AIS船舶目标动态监控模块，用于实时采集桥区通航船舶的AIS信息；

通航环境信息监控模块，用于实施采集桥区水文气象信息；

桥区助航信息管理发布模块，用于基于桥区通航区域，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级，并根据获取的碰撞风险等级向船舶播发对应的广播信息。