谢锦妹，赵志刚，汪发根，于国丞，段培勇

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081; 2.中国铁路广州局集团有限公司 工务处，广东 广州 150000)

我国正处于铁路快速发展时期，铁路跨越通航江河的大型桥梁数量逐年增多，而航运船型日趋大型化、重型化、高速化，船舶流量持续增加，使得桥梁和通行船舶之间的矛盾日趋突出，船舶撞击桥梁的事故亦不断增加。除人员伤亡和巨大的直接经济损失外，铁路交通阻断还会带来难以估量的间接经济损失和社会影响。如武汉长江大桥自1957年建成以来，大约发生了70起船撞桥事故；2007年的九江大桥撞击事故造成200m桥面坍塌，4辆汽车坠江，9人死亡，直接经济损失达3亿元人民币[1]。目前降低船舶撞击桥梁危害的措施主要分为被动防撞措施和主动防撞措施[2-3]。

被动防撞措施是从减小对桥梁撞击力的角度，在桥墩外侧加装防撞装置与吸能设施。这种方式从一定程度上降低了船舶撞击桥梁事故对桥梁的损伤，但不能避免事故发生，且存在减少通航空间、工程量大、造价高昂、维护成本较高等问题。万州长江大桥防撞装置花费2.1亿元，黄花园大桥防撞装置花费1800万元。在过去的桥梁防撞预警装置应用中，主要以被动防撞措施为主。

主动防撞措施是采用监测技术从减小船舶撞击桥梁发生概率的角度，对船舶航行实施各种主动干预措施。统计数据表明，造成船舶撞击桥梁的原因主要分为3类：第1类是超高、偏航船舶造成桥梁的损坏或意外事故；第2类是人为操作失误或机械故障；第3类是恶劣的自然环境、通航条件不利等。由以上3类原因造成的船桥碰撞事故占事故总数比例分别为80%，8%，12%[4]。若提前发现超高、偏航船舶或人为操作失误造成船舶存在撞桥趋势，预警人员采取主动措施就能有效避免或减轻桥梁撞击后果。该方式设备安装及维护成本较低，适用广泛，应优先选用。

1 国内外研究现状

目前国内外用于桥梁主动防撞预警监测的技术主要有：①激光对射技术，可以定性测量且成本较低，但存在飞鸟、漂浮物等引起的误报率高的问题，可以实现对桥梁防撞的报警功能，但难以实现对桥梁防撞的预警功能[5]；②雷达成像技术，雷达采集到的模拟信号由于无准确的物理含义，所以无法直接处理，且高精度的雷达系统复杂，造价比较高[6]；③视频检测技术，该技术易受光线、外界环境干扰，误报率比较高[7]。

本文采用将激光扫描与视频技术相结合的监测手段，以沪昆铁路下行线湘潭桥作为监测对象，提出一种适用于铁路通航桥梁的全自动、全天候、全天时、低成本、预警功能稳定可靠的主动防撞系统。该系统能提高操船人员对船舶撞击桥梁风险的预警能力，协助操船人员作出避撞决策，减少操作失误，确保铁路、船舶运输安全。

2 系统设计方案

系统采用激光二维扫描技术和视频技术，通过对船舶高度和运行轨迹的综合分析，预判行进中船舶撞击桥梁梁体和桥墩的可能性并及时进行预警和报警。实时记录船舶通行的图像视频，并获取预警和报警船舶的身份信息。根据实际情况采取多种报警方式，监测信息可通过云平台进行管理。

湘潭桥第2，3，4孔为通航孔。根据桥梁特征和通航情况，确定如下布防要求：①梁体布防区域为非通航孔(第5孔梁体)上下游，见图1中虚线区域；②桥墩布防区域为第2～5孔梁共用桥墩(A,B,C)，见图1中实线区域。

图1 布防区域(单位：m)

2.1 梁体防撞方案

在C号桥墩顶面适当位置安装激光扫描传感器和摄像机，形成略低于梁底面且平行于桥梁底面的布防区域，见图2。系统可实现对上下游接近船舶的监控，并对走错航道的船舶进行声光预警，尽量避免船舶与梁体相撞。如果船舶继续通行，在无法避免撞桥事故时系统会通知桥梁管理人员确认桥梁撞击情况，能够最大限度地减轻撞桥事故所造成的严重后果。

图2 梁体防撞方案

2.2 桥墩防撞方案

在B号桥墩上游方向适当高度处安装激光扫描传感器，在A，B，C 3个桥墩的邻近区域形成布防区域，见图3。系统可实现对上游接近船舶运行轨迹的监控，并对船舶可能撞击桥墩的情况进行预警和报警。发生撞桥事故时，系统会通知桥梁管理人员确认桥梁撞击情况。

图3 桥墩防撞方案

2.3 AIS数据采集

在桥梁上安装AIS或利用AIS岸基网络接收桥区附近水域过往船舶的动静态信息，可获取通航船舶的经纬度、水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)、航速、航向等信息。图4为现场获取到的通航船舶的经纬度信息在地图上的展示。将二维激光扫描数据和船舶的位置信息进行匹配，可确定桥梁防撞预警和报警船舶的身份信息——MMSI号码[8]。

案例企业社会责任行为说明：2018年1月19日，在《证券日报》主办的第一届新时代资本论坛上，首届“金骏马奖”评选结果出炉。中化国际荣获金骏马“最具社会责任上市公司”奖。“最具社会责任上市公司奖”主要表彰新时代资本市场上持续履行社会责任的杰出企业。中化国际作为国家“一带一路”国际合作倡议的先行者，沿“一带一路”国家和地区深入践行了大量社会责任，是中国国家化企业履行社会责任的典型代表。

图4 通航船舶展示

2.4 视频监控

采用高清视频，能够对通过监控现场的全部船舶进行实时监控。系统通过激光扫描数据获取船舶位置及运行轨迹，视频监控设备根据船舶的位置信息进行追踪监控。监控流程如下：①开始录像。船舶一旦进入监控区域，系统就会控制相机对船舶进行录像，并拍照。②追踪。系统控制相机追踪船舶运行，持续录像。③结束录像。船舶通过桥梁后，系统自动停止录像。④视 频回放。网络远程查看船舶录像。⑤实时视频，网络远程查看现场实时情况。

2.5 综合报警

系统可根据现场需求采用多种报警方式：①VHF电台报警。当通航船舶进入布控区且存在撞桥风险时，通过VHF无线通讯系统对该船舶发出预警。②声光报警。在桥梁现场设置声光报警器，对船舶进行声光报警。③手机短信。系统可将报警信息以手机短信的形式实时发送到桥梁管理人员的手机上。④手机APP报警推送。系统可将报警图片等信息通过手机APP向桥梁管理人员推送。

2.6 监测信息管理方案

监测信息的管理基于云平台的系统架构设计[9]。监测信息包括预警报文、图片视频、设备状态报文等。测点机采集现场数据后将实时上传至云服务器，部署在云服务器上的监测系统根据接收到的报文级别进行相应的处理，并按设定的报警方式实时推送给相关人员[9]。工区人员可将确认信息、处理信息等上报给云服务器，实现对报警的闭环管理。监测信息处理流程如图5所示。

图5 监测信息处理流程

监测系统根据管辖范围设立4级监控，如图6所示，分别对应路局、工务段、车间和工区。其中工区级别用户拥有对其负责的测点预警信息实时接收及反馈处理的权限，路局、工务段、车间级别用户拥有对其辖区内所有工区的历史信息进行查询、统计等权限。

图6 信息管理分级

3 系统组成

监测系统由激光扫描监测模块、视频采集模块、AIS信息采集模块、数据处理模块、报警模块以及监控中心组成，如图7所示。

图7 系统组成

4 数据处理方法

系统通过对激光扫描数据进行计算来判断通航船舶是否存在撞击桥梁的风险，并通过AIS数据获取船舶的身份信息。数据处理过程如下：

2)对平面坐标系进行区域划分,分为有效坐标区域、预警区域、报警区域；

3)判定布防区域内有无通航船舶，测定船舶在平面坐标系中的位置、航速、航向；

4)与通航船舶AIS数据进行对比，确定船舶的身份信息；

5)根据测定的数据信息对进入布防区域的船舶进行计算，如果存在撞击桥梁风险则预警；

6)船舶继续行驶，驶入报警区则报警。

5 系统功能及技术指标

基于上述设计方案，系统可实现以下功能：①第5孔梁体上下游船舶桥梁撞击预警和报警。②A，B，C 3个 桥墩上游船舶撞击预警和报警。③布防区域内船舶通行过程的实时录像。④多种方式报警。报警信息的多级发布、集成管理、视频录像的远程访问，提供web网页、手机APP这2种访问手段。

系统的总体技术指标为：①可分别实现船舶与桥梁、桥墩150 m以外布防区域撞击预警及报警功能；②可 识别物体大小在10 cm×10 cm以上；③报警响应速度为5 s，检测频率为2次/s。

6 技术特点

铁路桥梁防撞监测系统具有以下技术特点：①集成化，设备均安装在桥上，岸上无设备；②自动化，自动监控、自动预报警，无需人员值守；③内容多，包括梁体防撞、桥墩防撞和船舶走错航道；④模块化，便于灵活配置和维护更换。

7 结语

本文提出了一种基于激光扫描的桥梁防撞监测系统。该监测系统预警准确性高，且抗阳光、雨水等干扰的能力强，误判率低，便于安装实施，可运用于大江大河的铁路桥梁。根据桥梁跨距配置不同的监测方案，为通航桥梁安全保驾护航。