为桥梁穿上智慧“铠甲”——桥梁船撞智能防护系统

我国公路交通网络发达，水系与山川众多，桥梁成为了交通运输的关键节点。据不完全统计，截至2023年，全国公路桥梁已达到103.32万座。作为跨越航道的水上建筑物，桥梁对城市的发展以及居民的日常生活起着重要作用，然而近年来发生的船舶碰撞桥梁事故使得跨航道桥梁的安全运营面临严峻挑战。

据不完全统计，近5年来我国共发生204起船舶碰撞桥梁事故，主要分布在一些水系发达省市。船撞事故中，33起造成船舶损伤，占比16%；59起造成桥梁损害，占比29%，部分船撞事故造成经济损失更达亿元，如1980年美国佛罗里达州的阳光大桥因船舶碰撞而倒塌，造成35人死亡，经济损失达2.6亿美元，是世界上损失最大的船撞桥事故之一。据有关资料显示，国内船撞事故造成的直接经济损失约为500~1000万/次，桥梁本身修复费用也在500万以上。随着跨航道桥梁的大量修建，船舶大型化及通航密度的逐年增加一定程度上增大了桥梁船撞风险，如何保障跨航道桥梁的安全运营成为一个非常重要的话题。

（a）国外船撞桥事故统计

（b）国内船撞桥事故统计

图1 船撞事故不完全统计

图2 部分船撞桥梁事故

近年来，随着信息化、智能化、大数据等技术快速发展，基于智慧感知理念的桥梁船撞智能防护系统得以推广应用，该系统主要包括了主动防船撞预警系统和自感知智能防撞装备，可根据跨航道桥梁的船撞风险水平提供“量身定制”的防护方案，最大程度上保障桥梁结构的安全运营。

精准施策 保障桥梁安全运营

从船舶和航运的角度，导致船撞桥梁的因素主要包括人为失误和恶劣的自然环境影响。据相关资料显示，人为失误是船撞桥梁的主要原因。驾驶者的麻痹疏忽、航行知识/经验不足、违章作业和鲁莽驾驶（包括桥区水域船舶淌航、掉头、横越、违规追越、不按规定航路航行、船舶超高超宽超重航行等）、未能及时发现或误判风险等种种原因均会明显增加撞桥几率。

除此之外，复杂的水域环境以及恶劣的服役条件，使得部分被动防撞设施的服役状态以及耗能效果难以评定。因此，智慧化降低船撞风险概率、智能化提升桥梁抗撞性能水平对于跨航道桥梁的安全运营具有至关重要的意义。基于此，笔者针对跨航道桥梁主动防船撞预警系统以及桥梁防船撞智能感知装备两方面进行了不同程度的探索，以期为相关从业人员提供参考。

基于多源数据融合的船舶

碰撞桥梁主动预警技术

该系统是一种集成了多种先进技术的系统，旨在通过预警和监控来防止船舶与桥梁发生碰撞，确保航道安全和桥梁结构的完整性。该系统主要依靠以下几个方面的技术来实现其功能：

监控和预警系统：这个系统基于视觉成像原理，由主控平台、多个系统模块、高性能服务器和监测设备构成。它利用摄像机、雷达、AIS等设备，依托大数据库和云计算分析，实现对桥区及附近水域的船舶进行超高、超速、偏航、禁航区闯入等行为的识别和预警。

数字孪生技术：利用海图、地理信息系统（GIS）和建筑信息模型（BIM）技术，将桥、海、船、设备、环境等以1:1的比例映射，融合实时数据，智能分析生成船桥碰撞实时风险等级。

船舶态势预测：系统通过建立基于深度学习网络的交互式船舶运动预测组合模型，能够实现对船舶未来一定时间内的航向、航速和转向率的准确预测。同时，该系统还兼具气象及水文监测功能，能够实时记录并分析航道的航行条件，为通航安全提供科学依据。

预警和应对措施：对于识别到的异常船舶行为，系统会自动识别其是否有偏航行为，如有异常，系统会采用AIS短信息、VHF播报、LED爆闪灯和定向高音喇叭等多种手段对风险船舶及时告警，明确指引船只调整航向，从而有效避免与桥梁发生碰撞。

该技术综合采用雷达、AIS、高清视频摄像、红外热成像、桥区信息播报等系统，对桥区过往船舶的航行情况进行探测、识别、跟踪、监控及主动预警，避免偏航、超高的船撞桥事故的发生。目前该系统已运用到全国十几座公路桥梁，成功解决了船舶碰撞桥梁的预警和事后取证的难题，保障了人民生命财产安全，取得巨大的社会效益和经济效益。

图3 主动防撞预警系统设施功能

如针对某特大桥船撞风险问题，通过设置主动预警系统，实现了在距离桥区1.5km外对通航船舶进行有效提醒，并通过预测其航行轨迹，降低了船舶碰撞非通航区域桥墩和侧撞通航孔两侧桥墩的风险。该系统可在船舶发生偏航、超高及超速等情况下自动弹出报警信息，并发出声响引起监控人员的注意，与此同时在桥梁现场安装的摄像头会收到主控自动下发的指令，进行抓拍船舶照片和跟踪录像；除此之外，系统依靠AIS系统自动收集船舶基础信息，并通过AIS短信和VHF甚高频语音播报及声光报警的方式，提醒船方及时纠正方向，保证不与桥墩发生碰撞。该系统可采用声、光、文字等一系列设备实现桥区实时告警，提示桥区航道信息，辅助船舶航行，同时还可7×24小时全天候监视桥梁附近航道的交通状况，实时发现危及桥梁安全的违法违规行为并对监控内容进行抓拍录像。基于该系统的成功应用，2023年11月桥区一船舶在靠近1号墩下游方向发生偏航，经预警后船舶及时调整姿态及航向，有效避免了船舶直接撞击桥墩的事故发生。

图4 某大桥主动防撞预警系统

基于云平台的自感知智能

防撞装备

研发团队通过创新的方式，在传统的防撞套箱中植入了先进的传感器技术，这使得管养人员可实时监测到防撞套箱的倾斜度和吃水深度等关键参数。这一突破性的技术进步，促使我们成功研发出一系列智能自感知防撞装备，使得防撞设施通过实时感应并反馈服役状态确保防撞设施的正常运行。这样的装备在实际工程项目中的应用，为安全管理提供了全新的视角和手段。

在装备的日常运作中，这些智能防撞系统能够不断地自我监测和反馈，确保其始终处于最佳的工作状态。所收集到的实时数据通过高效的数据传输系统被发送至远程云平台，基于大数据处理算法能够对这些信息进行存储、分析和处理。这种数据管理方式使得管理人员能够在任何时间、任何地点通过云端平台了解和监控防撞装备的实时状态，从而极大地增强了运营管理的灵活性和效率。

一旦发生船舶撞击事故或防撞设施出现任何异常情况，这套系统能够立即作出反应，通过预警机制第一时间通知管理人员。这种快速反应的能力，极大地缩短了事故响应时间，能够以最短的时间进行快速处置，从而最大程度地减少了由于事故带来的损失和影响。通过这样智能化的升级，我们不仅提升了防撞设施的安全性能，也为跨航道桥梁的安全运行增添了一层坚实的保障。

图5 某大桥自感知智能防撞装备

创新引领 提升桥梁抗撞韧性

展望未来，随着智能化及智慧化技术的不断发展，桥梁智能防船撞系统将不断迭代升级，相关技术将迎来一系列突破。

智能材料方面，随着新型自修复材料的研发以及技术升级，如智能合金和形状记忆材料的应用有望使得桥梁结构在遭遇船舶撞击时通过应变调节迅速恢复原有形状，减轻破坏程度，持续保障桥梁结构安全。

智能化设计和仿真技术方面，基于高性能计算和先进的数值模拟方法，通过考虑各种撞击因素以及多维度的仿真测试，进而帮助工程师们探索最佳的防护材料以及组合型式，使更低成本实现桥梁结构的抗撞性能提升治理。

桥梁防撞主动预警技术方面，基于大数据以及深度学习，结合物联网技术与人工智能算法，实现桥区船舶习惯航迹的精准预测，最大程度降低“少报、漏报、错报”频率，提升桥梁船撞预警精度将成为未来一段时间的研究热点。

综上所述，随着智能化技术的不断进步，针对桥梁结构抗撞韧性提升的全方位的智能化解决方案将为桥梁安全运营带来新的解决方案，进一步提升跨航道桥梁的安全运营。

本文刊载 / 《数智视界》杂志

2024年 第3期 总第30期

作者 / 耿波 袁佩 尚军年

作者单位 / 招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁工程安全与韧性全国重点实验室

编辑 / 李诗韵

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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