４０ 交通信息与安全２０１０年第６期第２８卷总１５８期 桥区水域船舶安全通航系统研究 张伟 陈洲峰 （交通运输部水运科学研究所 北京１０００８８） 摘 要 在桥区水域安全环境评价及船舶安全通过桥梁影响因素分析的基础上，提出采用ＧＰＳ、无线 网络、嵌入式和预测控制等技术，建立自动识别船舶航行轨迹和引导船舶航行的桥区水域安全通航系 统，主动防止和避免船舶撞击桥梁事故的发生。 关键词桥区水域；船舶；自动避撞 中图分类号：Ｕ６７５．９６ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ＩＳＳＮ １６７４—４８６１．２０１０．０６．０１２ 目前我国交通运输业发展迅速，各种类型的 究始于１９７８年，美国发生了众多船舶撞毁桥梁的 桥梁不断建设，从跨越内河发展到跨越河口甚至 恶性事故之后，马里兰大学率先开展了桥梁及桥 跨越大海，同时航运业也不断发展，船舶的吨位、 墩的防撞保护系统的研究¨】］。 速度不断增加，在运输繁忙的航道上，船舶与桥梁 国外桥梁大多使用浮围、缆索拦截、护桩、人 碰撞的事故频繁发生。为有效避免和减少桥梁建 工岛、桩群等防撞装置，目的是防止桥梁因船舶撞 设以及营运过程对于通航安全的影响，保障船舶 击力超过桥墩的设计承受能力，保护桥梁结构安 航行和水上、水下施工作业安全，建立桥区水域船 全［２］。桥梁上通过采用不同形式的防撞设施，可 舶安全通航系统十分必要。 以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能 本文在桥区水域安全环境评价，船舶安全通 防撞设施，延长船舶的撞击时间，减小船舶撞击 过桥梁影响因素分析的基础上，对桥区水域船舶 力，从而最终保护桥梁安全。防撞设施的设计需 安全航行进行研究。通过采用ＧＰＳ、无线网络、 要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的 嵌入式、预测控制等技术，建立通过识别船舶航行 外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类 轨迹和引导船舶安全航行的船舶安全通航系统。 型、碰撞速度等因素进行。但这些都是被动的防 系统可以接收ＧＰＳ基准站发来的位置修正参数， 撞设施，不是主动式防撞。 经定位处理后得到船舶准确的位置、航速、航向、 国内桥区水域的桥梁不同程度上建立了相关 轨迹等参数，并将船舶位置、航速、航向等信息发 的防撞设施，如对桥墩按航道部门要求做桥梁防 送到岸基船舶通航管理子系统，最终采用人工智 撞设计，安装防撞栏杆、完善桥涵标和水上助航警 能、模糊控制等准确判断船舶与桥梁间的距离、预 示标志和设施等口］。由于多采用的是被动防撞设 测船舶航行轨迹，根据桥梁通航能力，引导船舶以 施，不能提前预警和防止事故的发生，远远不能满 正确的航线，安全的航速通过桥梁，主动避免船舶 足航运发展建设的需求。为了确保桥区水域航运 与桥梁碰撞事故发生。 的安全及预防各种可能存在隐患，应当采取技术 ｌ 国内外研究现状 更为先进和设置成本较低的主动防撞设施，实现 航运安全管理。 桥梁和船舶碰撞是船体和桥墩或防撞结构在 短时间内的一种复杂的非线性动态响应过程。在 ２桥区水域通航影响因素分析 碰撞中，船桥结构变形、失效和船体刚体运动同时 随着航运业的发展和运力发展的需要，新造 发生。由于以上这些因素，使得船桥碰撞问题的 船舶吨位越造越大，目前的内河桥梁净空高度已 研究变得比较复杂。防止船舶撞击桥梁的系统研 不能满足大吨位船舶的航行需求，因此桥梁净空 收稿日期：２０１０—０６—０９ 修回日期：２０１０－１２－１１ 作者简介：张伟（１９８３），硕士，工程师．研究方向：港口控制系统的设计与开发．Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｗｅｉ＠ｗｔｉ．ａｃ．ｃｎ 桥区水域船舶安全通航系统研究——张 伟 陈洲峰 ４１ 高度过低成为近年来船舶撞桥的一个重要原因； 航道水深按下式计算： Ｄ—Ｔ＋Ｚ。＋Ｚ ＋Ｚ２＋Ｚ。＋Ｚ 许多桥梁选择在弯道上或弯道附近，使桥梁轴线 的法线方向与水流主流方向夹角太大，且没按规 定加大净空宽度，船舶航行中，船员稍有疏忽，就 会撞上桥墩；有些桥梁无相应的助航标志，船舶 式中：Ｄ为航道设计水深，ｍ；Ｔ为船舶吃水深度， Ｉｎ；Ｚ。为船舶航行时船体下沉值，ｍ；Ｚ 为龙骨下 最小富裕深度，ｍ；Ｚ２为波浪富裕深度，ｍ；Ｚ３为船 （特别是第一次进港的船舶）无法识别通航孔，航 行随意性大，事故时有发生。 舶装载纵倾富裕深度，ｍ；Ｚ４为备淤富裕水深，ｍ。 船舶吃水同时应考虑船舶浮态（首倾与尾 倾）、咸淡水差、水流及波浪引起的船舶纵摇和垂 ２．１桥区通航安全特点研究 相对于开阔通航水域，桥区通航水域具有一定 的特殊性，进而决定了桥区水域船舶通航的特点。 １）顺水与逆水通航风险差别。桥区水域由 于河水流动或潮流作用，其桥下通航水域的水流 具有一定流速，船舶顺水与逆水通过桥梁，其操纵 难度差别较大。顺水航行船速较快，舵效较差；而 逆水航行则航速较慢，航时较长。因此顺水时事 故发生可能性较高。 ２）复杂的水动力影响。对于大多数桥区水 域，船舶多属于浅水航行，受到浅水效应影响，船 舶会出现船速下降，下沉量增加等现象，同时船舶 通过桥梁过程，还可能与桥墩产生“岸推”与“岸 吸”等岸壁效应，这使得船舶通过桥梁过程的水动 力影响更加复杂。 ３）通航净空尺度对于船舶的双重制约。开 阔水域通航，船舶主要受到吃水深度制约，而桥梁 通航，船舶则受到吃水深度和水线上建筑高度的 双重制约。船舶必须合理控制吃水深度，并合理 控制浮态，以同时满足水下航道深度以及桥梁净 空高度对通航安全的双重要求。 ４）对通航船舶视野的不利影响。由于部分 桥区航道的弯曲，船舶可能受到地形或建筑遮挡 而造成驾驶人员视野不够开阔，同时桥梁本身对 于船舶驾驶人员视野也具有一定的影响，因此造 成桥梁上下游水域船舶间在互见距离及时间上均 受影响，导致船舶可利用避让时间缩短，同时造成 驾驶人员心理负担加重，增加事故风险。 ２．２桥区水域通航安全影响因素 ２．２．１ 桥区水域通航净高 桥梁通航净空高度是指船型安全通过桥孑Ｌ时 所需的最小高度，为代表船型空载水线以上至船 上最高点的高度和富裕高度之和。 桥梁的净空高度的计算及评价过程应考虑设 计最高、最低通航水位，设计船型、潮汐预报值及 可能误差、船舶纵摇及垂荡、咸淡水差、观测和设 计吃水误差等因素。 荡等因素，此外船舶航行过程中，还会产生下沉， 即船舶动吃水增量。 ２．２．２桥区水域通航净宽 船舶顺直航道通过桥梁的净宽，可以通过分 析船舶航迹带宽度和船舶与桥墩安全距离，从而 做出评价。船舶航迹带宽度Ａ可由下式计算： Ａ—ｎ（Ｌｓｉｎ７＋Ｂ） 式中：Ａ为航迹带宽度，１ＴＩ； 为船舶漂移倍数，ｍ； Ｌ为船舶长度，ｍ；Ｂ为船舶宽度，ｍ；７为风、流压 偏角（。）。 弯曲航道通航净宽： 弯曲航道桥梁净宽可以按如下公式进行量化 评价。 Ｂ一÷６（ＣＯＳ口２一ＣＯＳ ａ１）＋Ｐ（ｓｉｎ口１一ｓｉｎ ａ２）＋ Ｌｓｉｎ ａ２＋２ｐｓｉｎ ｓｉｎ 式中：ｂ为船舶宽度，ｒｎ；Ｌ为船舶长度，ｍ；Ｐ为船 舶转心至船尾的距离，ｒｎ，由转心位置确定；ｐ为船 舶航迹曲率半径，ｍ㈣为船舶进入弯道时的起始 航向角，（。），沿航道轴线方向逆时针旋转到船舶 首尾线为正，反之为负；ａ 为船舶驶出弯道时的 航向角，（。），沿航道轴线方向逆时针旋转到舶首 尾线为正，反之为负。 此外，桥梁通航的净宽度还应该考虑如下因 素。 １）风致漂移。主要以下列公式为基础，进行 定量评价研究： △ＢＦ—Ｋ√ ｅ＿０ ｌＨｖ— ・ 式中：Ｋ为修正系数，一般取０．０３８～０．０４１；Ｂ 为船体水线上侧受风面积，ｒｎ ；Ｂ 为船体水线下 侧面积，ｍ ，取Ｂ ＝＝＝Ｌ・丁；０为流向角，ｒａｄ，即水 流流向与桥轴法线的夹角；Ｐ为船舶航迹曲率半 径，ｍ；Ｖ 为风中船速，ｋｍ； 为相对风速，ｍ／ｓ； 为风向与桥轴法线的夹角，（。）； 为船队静水速 ４２ 交通信息与安全２０１０年第６期第２８卷总１５８期 度，ｍ／Ｓ。 岸壁效应。船舶驶过桥墩，桥墩会对船舶产 ２）流致飘移。水流与船舶航向存在夹角的 生复杂的“岸壁效应”，导致船舶操纵能力下降，增 情况下，船舶会因为水流作用产生漂移，主要以下 大事故风险。 列公式为基础，进行定量评价研究。 ３船舶安全通航系统 ＡＢＬ一 ．ｓｉｎ Ｖ 。 通过以上分析可知，船舶通过桥梁是一个非 式中：Ｕ为流速，ｍ／ｓ；０为流向角，ｒａｄ；舻为弯曲 常复杂过程，受多方面多种因素的影响，必须有一 角，ｏ）；ＩＤ为船队航迹曲率半径，ｍ；Ｖ为船队静水 套自动预警和避撞的系统引导船舶安全通过桥 速度，ｍ／ｓ。 梁，避免撞击桥梁。本文在桥区水域通航影响因 ３）船舶甩尾量。船舶由弯曲航道进入桥梁 素研究分析的基础上，通过建立船舶安全通航系 通航孔，船舶因通过过程中转向甩尾而导致航迹 统，获取桥区水域水位，计算出桥梁的净高和净空 宽度增加，需进行量化计算，并在桥梁通航净宽度 等通过能力；同时为船舶提供ＧＰＳ精确定位信 中考虑。 息，在已知船舶船型、载重、吃水、航速、航向、位置 ４）通航孔与航道线布置。航道线与潮落潮 等信息的基础上，预测船舶的航行轨迹，指导船舶 方向夹角，与常风向方向夹角，决定航道是否可以 以安全的航速，正确的航线通过桥梁，防止船舶撞 充分利用天然水深，减轻航道淤积。此外，航道线 击桥梁。整个系统包括获取桥区水域实时水位的 布置与通航孔轴向夹角，对通航船舶航迹宽度也 水位监测子系统，引导船舶安全航行的船载导航预 有一定影响，进而影响船舶桥下通航安全。 警子系统和船舶通航管理子系统，系统结构图１。 Ｇ ＰＳ￣星 晕星Ｇ ＰＳ２屠 船 ● ＧＰＳ 啪终端 萤 甚邕 色 ０鱼 图１船舶安全通航系统结构图 ３．１桥区水域水位监测子系统 送给监测中心。 由于桥区水域的水位会有所不同，这就造成了 监测中心由船舶通航管理平台兼备、同时配 桥梁净空、净宽和桥梁的通过能力会有所不同。水 有ＧＰＲＳ数据收发模块和监测软件，监测中心可 位低时能安全通过桥梁的船舶，在高水位时有可能 将巡检指令发送各水位ＲＴＵ，水位ＲＴＵ收到指 撞击桥梁，这就需要对桥区水位进行实时的监测。 令后即向监测中心发送信息。同时监控软件提供 桥区水域水位监测子系统主要由水位ＲＴＵ 接口可以将实时水位信息发送到船舶管理软件 和监测中心组成。水位ＲＴＵ，主要完成对水面水 中，以便计算桥梁的净高和净宽，为船舶航行轨迹 位数据的采集和发送。水位ＲＴＵ可设置为自动 确定提供数据。 定时向监测中心发送信息，也可设置为平时处于 ３．２船载导航预警子系统 待命状态，在收到监测中心的指令后才将信息发 桥区水域桥梁的通航能力受多种因素影响， 桥区水域船舶安全通航系统研究——张伟 陈洲峰 ４３ 而船舶要安全通过，必须考虑桥梁的净高、净宽等 多种因素，按照正确的航行轨迹。这就需要对船 舶的航行轨迹进行预测，如果偏离安全航道，就需 净宽等通过能力，获得船舶的安全航线和航线，发 送到船载导航预警子系统，使船舶的船载导航预警 子系统计算出船舶与桥梁的距离，并预测船舶航行 安全状态，指引驾驶人员操作，安全通过桥梁。 岸基管理子系统采取Ｂ／Ｓ结构，船舶通航管 理平台同时作为服务器，可以存贮船舶和桥梁的 相关数据和通航数据，便于日后查询和管理。船 要及时报警，提醒驾驶人员调整航行，这些工作由 安装在船舶上的导航预警子系统来完成。船载导 航预警子系统主要由ＧＰＳ定位终端、工业一体 机、ＧＰＲＳ数据收发模块和导航预警软件组成。 船载导航预警子系统接收ＧＰＳ信号和岸上 舶管理客户机设置在通航管理部门，方便相关部 的ＧＰＳ基准站的校准信号，定位船舶位置，确定 门对于桥区水域的通航管理和船舶指挥调度。 船舶的航向、航速等。同时发送船舶的名称、船 型、吃水、载重、位置、航向、航速等信息到船舶通 ４结束语 航管理平台，接收船舶通航管理平台提供桥梁位 桥区水域安全通航系统作为一种主动避撞的 置、桥梁通过能力、船舶安全航线，最终采用人工 系统，能够为船舶提供航行信息服务、对桥区水域 智能、模糊控制等技术来预测船舶的航行轨迹是 船舶实施管理和通航引导。通过系统的研究，能 否在安全的航线上，以电子地图方式提示船舶驾 够更好地保证桥区水域桥梁和航行船舶的安全， 驶人员修正航向、航速，引导船舶顺利通过桥梁。 避免船舶通过桥梁时因疏忽或者由于季节、天气 若系统处于警戒状态，则分级报警，提醒驾驶员采 等原因而导致的船舶碰撞桥梁事故的发生。随着 取紧急处理措施。 设备成本的降低，系统的广泛应用能够为桥区水 ３．３岸基管理子系统 域航运安全和生产提供必要的帮助，给通航船舶 岸基管理子系统主要由ＧＰＳ基准站、船舶通 提供信息支持，为桥区水域航运的科学化管理创 航管理平台、船舶管理客户机、ＧＰＲＳ数据收发模 造良好的基础，具有较好的经济和社会效益。 块等组成。ＧＰＳ基准站通过已知精确三维坐标， 求得位置修正值，再将这个修正值发送到船舶上 参考文献 的ＧＰＳ定位终端，以提高船载ＧＰＳ定位终端的 Ｅ１３夏飞．桥梁防撞系统的发展ＥＪ］．中国水运，２００８，６ 精度，获得比较精确的船舶位置信息。 （１）：６８—６９． 船舶通航管理平台能够接收船载导航预警子 ［２］ 张耀宏，顾金钧．名港大桥桥墩防撞结构的设 系统发送的船舶的名称、船型、吃水、载重、位置、 计Ｉ－Ｊ］．国外桥梁，１９９９（１）：６１—６５． 航向、航速等信息，接收水位监测子系统发送的水 ［３］李松炬，邬亚永，刘立新．内河桥梁碰撞原因及监管 位信息，根据桥梁的固有参数，计算桥梁的净高和 对策分析［Ｊ］．物流工程与管理，２００９，３１（７）：１３３—１３５． Ａ Ｂｒｉｄｇｅ。。ｗａｔｅｒｓ Ａｒｅａ Ｓｈｉｐ Ｓａｆｅｔｙ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ ＣＨＥＮ Ｚｈｏｕｆｅｎｇ （Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ丁ｒ口 ０ｒ 口￡ ０ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｂｒｉｄｇｅ－ｗａｔｅｒｓ ａｒｅａ ｓｈｉｐ ｓａｆｅｔｙ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｓｈｉｐｓ ｓａｉｌｉｎｇ ｔｒａｃｋ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＧＰＳ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｔｅｒｓ ｓａｆｅｔｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｉＤ ｗｈｅｎ ｓａｆｅｌｙ ｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ ｗａｔｅｒｓ；ｓｈｉｐｓ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
