智能电子龙门架概念及航道用途的关键技术探讨

◎彭家乔 广东省广州航道事务中心番禺航标与测绘所

在当前新的科技革命以及产业变革不断向经济社会推进的前提下，各个行业发展的同时也刺激着现有技术的不断创新。在现代智能技术、大数据、物联网、云计算以及各种先进技术的支持下，航道管理水平也在先进技术支持下得到了全新的提升，目前行业发展趋势主要是数字化与智能化。航道不同于公路道路，设置固定龙门架不仅难以抵挡万吨巨轮，固定龙门架也会因为本身的净空尺度成为新的航行障碍，因此智能电子龙门架概念对于航道上对防范船碰桥事故能起到关键性突破。

图1 紫坭大桥电子围栏区域图

1.解读智能电子龙门架概念

当前国际经济复苏，航运已经成为当前重要的国际交流手段，远洋船舶到达大型港口将各类货物转运至内河船舶。我国内河七大水系中，以珠江水系水网情况最为复杂，珠江水系是我国南方最大河系，是一个由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河汇聚而成的复合水系，河道呈网状，河汊纵横互相沟通，在经过联围治理之后，现河网区水道总长仍达16000公里以上。在纵横密布的珠江水系上，存在数量庞大的各类型跨河桥梁，特别是早期由于资金受限建设的桥梁高度跟不上航运发展，船舶如何安全通过各桥区水域成为社会各界关注的热点。智能电子龙门架以陆运道路上物理净空龙门架为构思，对桥梁周边水域通航船舶进行监测和预警，通过不同预警方式及时通知过往船舶采取适当措施，减少因船舶超高或偏航导致触碰桥梁事故。智能电子龙门架通过现代信息化与人工智能等先进技术和传统发展相融合，达到安全、高效、可靠且经济的目的。

2.智能电子龙门架特点

智能电子龙门架主要围绕数字化、智能化发展，现阶段的研究是通过优良的结构以及性能可靠的终端，以太阳能、风能或直接以电力为主要能源，以激光或雷达为探测手段，融合人工智能、传感器设备打造智能一体化的净空尺度预警系统，可同时采集数据信息对航道船舶流量或货运能力进行智能管理。系统具备以AIS、VHF为主的主动防撞、预先探知功能,以实现对现场感知设备、水域通航环境进行全方位实时监控、监控中心为主的综合值守监控系统，并能自动向过往船舶发送预警信息,通知过往船舶采取相应措施。基于处理后的数据，搭建桥梁主动防撞预警系统集成平台，与地理信息（海图）进行交互、展示与控制。智能电子龙门架同时根据现场使用环境和监测对象，可具有船舶定位、轨迹查询功能；有船舶超高信息接入及预警功能；具有视频追踪功能并能满足预警范围抓拍功能；具有桥区水域管理功能，能实时检测船舶违章锚泊、船舶桥区水域会遇、追越等违章行为。

同时智能电子龙门架概念可用于陆运道路上的隧道、道路桥梁、收费站等具有净空尺度限制的场景。

3.智能电子龙门架关键技术

智能电子龙门架主要工作原理是利用桥区范围船舶航行大数据分析，利用电子围栏结合GIS空间算法、船舶基础资料进行综合判断，通过前端感知设备和后台人工值守实现桥梁主动防撞预警功能，主要有以下三种运算规则：

一是桥梁主动防撞预警的实现首先需要基于船舶在桥梁划定的警戒区内的轨迹推算，对桥区水域船舶撞桥风险进行实时动态预测，构建船舶撞桥风险评价模型，量化船舶未来动态中可能存在的撞桥风险等级；

二是基于船舶航行轨迹的预测结果对船舶航行行为进行综合评估，依据航行轨迹推算发生船舶碰撞桥梁的概率，然后依据撞桥概率进行风险预警，形成多场景的主动防撞预警模型；

三是根据船舶领域的概念划定船舶周围的安全水域范围，从领域范围侵犯的角度分析碰撞风险;协同考虑空间和时间碰撞危险度，实现对船舶撞桥风险等级的评价，并依据计算得到的预警分数采用不同等级的预警制度，并采取不同的预警措施。

智能电子龙门架采用使用场景所在水域近年船舶航行轨迹统计分析，通过大数据分析自动学习过往船舶不同船型、不同吨位、不同时段的航行特点。当船舶航行经过警戒区时，系统自动分析船舶实际航行线路和习惯航线，综合判断船舶是否有异常航行行为。系统根据船舶流量轨迹分析，通过设置电子围栏的方式，根据桥区水域通航情况划定预警水域和电子围栏警戒区进行分级监护，实现对航经船舶的预警。

3.1 净空监测技术

（1）净高监测技术。根据使用场景实际现场勘察，选择在桥梁上游至少2～3公里处位置河岸边选址建设超高检测设备终端，可采用设置三角立杆等方式，将检测设备终端安装在立杆上，检测设备高度通过测量，使检测激光光束或雷达波与紫坭大桥通航净高保持相同，（本文采用激光检测为例，下同）或者设置在每条航道首尾端，以最低桥梁的通航净高保持相同。

当船舶从非桥区水域向桥梁行驶过程中，如果船舶超高，即会触碰激光，触发报警，系统根据点位数据比对，识别具体船舶信息，立即发出预警信息，现场VHF基站自动播报提前设置的预警内容。经测算，船舶从激光预警点如保持6节航速航行至桥梁所在位置需10分钟左右，满足船舶采取制动措施时间。

（2）净宽监测技术。将检测桥梁上、下游2～3公里范围划为整体的警戒区，根据船舶航迹线标绘出船舶习惯航路，用于船舶偏航提醒；根据《桥梁水域通航安全管理规定》划定的桥区水域，监测船舶在此区域内锚泊、会遇以及追越等行为。

当船舶通过进入警戒区域，系统自动识别和跟踪分析船舶航行轨迹，对船舶发出进入提醒；现场VHF基站自动播报提前设置的预警内容。当船舶在桥区水域内发生偏航、违规追越、大角度转向、违章停泊等异常行为时，对船舶发出异常行为预警提醒，现场VHF基站自动播报提前设置的预警内容。

当V HF基站自动预警后，船舶如未及时纠正航线，系统自动提醒值班人员，同时通报海事、航道等相关部门进行人工介入。

3.2 船舶监测技术

智能电子龙门架系统船舶监测技术是基于视频识别和AIS的船舶流量智能检测统计系统，硬件设备借助桥梁防碰撞预警系统备，主要用于海事、航道等相关管理部门自动监测、统计船舶交通流量，对用户设定的超限运输船舶进行预警监控，可实时、稳定地监测船舶交通流量情况。其主要技术功能有：通过视频抓拍识别或AIS监测航道断面，采集船舶数据；对船舶数据进行分析处理，进一步判断船舶形状、方向和航速等；根据一定时间记录，统计、分析、展示该航段船舶流量数据；按提前设定的条件（船舶超宽、超长、超高、超速等）进行实时提示；利用接入的视频监控系统进行复核应用。智能电子龙门架上的前端摄像头视频可以实时在平台软件上显示，便于观测现场航道况。

3.3 违法行为监测技术

图2 紫坭大桥电子龙门架平面图

（1）禁止锚泊预警。智能电子龙门架在使用场景范围内，根据实际管理需求，可用于减少主观和非主观行为的减速、停航、抛锚等行为。系统持续跟踪船舶轨迹、航速、航向等各项参数，监测到船舶非正常进入桥区水域禁停区，且降速到2节以下时，系统提醒后台人员通过CCTV及监控平台重点关注船舶动态。当船舶在禁停区停航且保留10分钟时，系统通过后台终端界面提醒后台人员进行人工干预，窗口弹出闯入船舶的详细信息，值守人员通过甚高频（VHF）语音、值班电话等方式，现场干预闯入禁区的船舶，或协调周围船舶和应急抢险队伍力量现场阻止作业船舶或者提醒船舶尽快驶离桥区水域。具体措施包括：船舶靠近桥区水域区域附近时提醒船舶注意，禁止停航抛锚；船舶在桥区水域线附近作业时，提醒船舶，避免触碰桥梁；对违规船舶进行视频监控录像取证，船舶历史轨迹取证，为事后打击违法违规行为提供依据。

（2）会遇、追越、超速等行为预警。智能电子龙门架可根据实际需要需采取相关预警措施对船舶在桥区水域存在会遇风险、船舶逆向行驶、违规追越航行等行为发出预警。当船舶进入提前划定的警戒区后，系统自动持续跟踪船舶轨迹、航速、航向等各项参数；并根据上下游船舶动态，系统以桥区水域为严禁会遇区域为原则，自动演算船舶轨迹进行分析，如发现船舶偏航或是上下行船舶存在桥区水域会遇的情形，系统会自动发出VHF预警，提醒船舶注意。如有紧急情况，系统自动发出VHF预警，同时提醒后台人员注意通过CCTV及监控平台重点关注相关船舶动态。后台人员可通过甚高频（VHF）语音、现场警报报警信息、值班电话等方式紧急干预报警船舶，可根据实际情况安排上下行船舶适当调整自身航向航速，寻求合适时间和地点进行会遇通过，避免船舶在桥区水域内发生交叉会遇等紧迫局面。

4.航道用途案例分析

紫坭河位于广州市番禺区辖区，全长约4.6千米，上游与陈村水道连接，下游通往沙湾水道。紫坭大桥是紫坭河两岸居民通行的重要通道，紫坭大桥距陈村水道口约1500米，距离下游口门约3千米。紫坭大桥下游200米位置为S39东新高速过河桥梁，该桥通航净高、净宽均优于紫坭大桥，但不在紫坭大桥桥区水域范围之内。目前，紫坭河受紫坭大桥通航净高的限制，目前通航船舶主要以吨位较小船舶为主，吨位较大船舶前往沙湾水道一般选择通过陈村水道行驶。

紫坭大桥通航净高为6米，按规范要求仅能满足500总吨以下船舶通航要求。根据《广东省桥梁水域通航安全管理规定》将紫坭大桥上游400米、下游200米水域范围划定为桥区水域，禁止船舶在此区域内锚泊、会遇以及追越等行为。因此，应加强紫坭大桥桥区水域的通航安全管理，通过技术手段检测和发现超高船舶，同时通过设定一定规则，防范大吨位船舶误入紫坭河水道。

紫坭大桥电子龙门架在南岸紫坭村设置系统终端点位，为最大限度提前预警并告知超限船舶，终端设备向陈村水道方向发射激光，在一定程度上能为超限船舶多争取约5分钟的操作反应时间；同时雷达设备扫描紫坭大桥上下游通航区域，提前告知过往船舶即将行驶至紫坭大桥桥区水域。

5.结语

综上，对于航运业综合安全与发展而言，迫切需要依托如大数据、物联网以及云计算等先进技术不断进步，促进航道信息化、智能化的高速发展。航道与智能技术的结合，促进了航道安全畅通与船舶通航安全领域的创新发展，同时融合绿色技术、新能源技术促进发展创新。目前智能电子龙门架在实际运用过程中还存在一定不足，如部分使用场景的现场终端存在一定维护难度等问题，需要根据实际使用环境，结合航运业态发展情况适当创新技术，促进行业的安全、健康发展。