船舶超載吃水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王茹軍 陳 俊 熊 輝 陳 亮

（1.長(zhǎng)江海事局 武漢 430016； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 深圳 518055）

目前，國(guó)內(nèi)內(nèi)河船舶“超吃水”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，主要是由于超載導(dǎo)致了“超吃水”。船舶“超吃水”航行一般是指船舶在航行過(guò)程中超過(guò)了航道的維護(hù)水深，富余水深不夠裝載航行。船舶“超吃水”航行的危害巨大，不僅會(huì)危害船體本身，對(duì)船員生命也造成一定的威脅；一旦船舶發(fā)生擱淺，就會(huì)使原有航道的水流方向發(fā)生改變，導(dǎo)致部分區(qū)域泥沙堆積，造成阻航甚至航道斷航的狀況，影響航道的安全和暢通［1］。

船舶“超吃水”極易在淺、險(xiǎn)、彎、窄航道內(nèi)造成擱淺及其他水上交通事故，擱淺后將改變船舶周?chē)鞯牧魉?、流向、流態(tài)，加之處于淺、窄、彎曲河段，使航道內(nèi)泥沙淤積、束窄航槽、河床不正常地演變等一系列連鎖式破壞，不僅惡化航道條件，影響其他船舶的安全航行，同時(shí)造成自身巨額經(jīng)濟(jì)損失［2］。該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是少數(shù)船舶為了經(jīng)濟(jì)效益，在吃水遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所經(jīng)航段水深而不采取減載措施的情況下，仍然冒險(xiǎn)航行；客觀條件上，枯水期長(zhǎng)江中游航道條件差，富余水深不多［3］。

目前治理“超載”“超吃水”的措施主要是靠海事部門(mén)在船舶簽證時(shí)，嚴(yán)查船舶證書(shū)，核對(duì)船舶干舷高度、吃水深度；同時(shí)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡航、巡查力度，并強(qiáng)化安全宣傳。這種治理方式海事部門(mén)投入了巨大的人力、物力、財(cái)力，無(wú)形中增加了海事管理的成本。

1 “超吃水”檢測(cè)主要方法

1.1 人工檢測(cè)

人工觀測(cè)主要是由工作人員上船讀取船舶吃水線標(biāo)尺讀數(shù)。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，測(cè)量船舶停在某個(gè)地方，然后測(cè)量人員上船測(cè)量或者乘小艇靠近被測(cè)船舶測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)包括船舶左右船首、船中、船尾6處吃水線標(biāo)尺的讀數(shù)，然后根據(jù)公式計(jì)算出被測(cè)船舶的實(shí)際吃水量。人工檢測(cè)方法有很大的局限性：一方面由于能見(jiàn)度不良、水面波動(dòng)等不利因素，導(dǎo)致讀取水尺讀數(shù)時(shí)存在的誤差較大，甚至有一些船舶老化后，吃水線模糊不清，很難辨認(rèn)；另一方面，測(cè)量時(shí)需要船舶靜止，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響航道的通航效率［4］。

1.2 自動(dòng)檢測(cè)

（1）基于聲吶技術(shù)的水下測(cè)量方法。聲波是能在水中遠(yuǎn)距離傳播的波動(dòng)，聲吶是利用水下聲波對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位識(shí)別或在水中進(jìn)行通信的技術(shù)和設(shè)備，是目前較有效的水下探測(cè)技術(shù)。根據(jù)航道的自然條件，將多個(gè)聲吶裝置信號(hào)發(fā)生器安裝在航道兩側(cè)水底位置。信號(hào)發(fā)生器測(cè)量數(shù)據(jù)后傳輸至上位機(jī)進(jìn)行處理和圖形顯示［5］。

（2）基于超聲波陣列的水下船舶吃水自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。由于單個(gè)超聲波傳感器測(cè)量誤差較大，本方法安裝超聲波傳感器陣列，檢測(cè)覆蓋范圍全面，誤差也較?。?］。超聲波傳感器采集到信息后通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳給集控式服務(wù)器，結(jié)合VTS信息自動(dòng)判斷船舶是否“超吃水”。

（3）基于DSP的船舶水尺檢測(cè)系統(tǒng)。利用CCD攝像機(jī)采集視頻信號(hào)，然后在DSP芯片中對(duì)收集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，壓縮后的信息通過(guò)以太網(wǎng)傳到上位機(jī)。完成圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理與傳輸。該系統(tǒng)利用水平投影的方法得到水平面距離水尺刻度字邊緣的距離，再結(jié)合人工檢測(cè)的結(jié)果，最后分析出水尺刻度的精確值［7］。

1.3 對(duì)比分析

對(duì)上述列舉的檢測(cè)進(jìn)行總結(jié)分析，見(jiàn) 表1。

表1 吃水深度檢測(cè)方法一覽表

2 基于激光雷達(dá)的干舷高度測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到水下檢測(cè)設(shè)備容易受水底砂石、水草等影響，本系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備布設(shè)在橋梁下（見(jiàn)圖1），測(cè)量過(guò)往船舶的干舷高度，實(shí)行機(jī)動(dòng)式的監(jiān)測(cè)。實(shí)際船舶干舷高度一般是指沿舷側(cè)自水線面量至上層連續(xù)甲板（干舷甲板）邊線的垂直距離；實(shí)際船舶吃水深度一般是指沿舷側(cè)自水線面量至船舶底部最低點(diǎn)的垂直距離。本系統(tǒng)采用激光雷達(dá)［8］作為吃水監(jiān)測(cè)的核心設(shè)備，傳感器可以對(duì)在航船舶船舷進(jìn)行測(cè)繪并快速獲取船舶舷側(cè)的3D圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理后與船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比對(duì)，判定船舶是否超載和“超吃水”。一旦發(fā)現(xiàn)吃水深度達(dá)到預(yù)警設(shè)置值，則記錄保存下船舶的數(shù)據(jù)信息和圖像信息并進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)測(cè)量示意見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量示意圖

2.2 工作流程

（1）預(yù)先在電子航道圖中標(biāo)定監(jiān)控線所在的位置。當(dāng)船舶經(jīng)過(guò)該監(jiān)控線附近時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令讓AIS信號(hào)接收器不間斷地接收AIS信號(hào)，由AIS數(shù)據(jù)處理器在船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括船名、船舶呼號(hào)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、航向、航速、目的港等。也就是說(shuō)在確定的時(shí)間點(diǎn)，船舶的位置也是確定的。通過(guò)AIS關(guān)于航向（上、下水）、位置和船舶長(zhǎng)度的3項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確獲取船舶的真實(shí)船名，然后向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備發(fā)出船舶進(jìn)入監(jiān)控指令。針對(duì)不開(kāi)AIS的部分船舶，可用視頻監(jiān)控及傳感器獲取該船舶的圖像數(shù)據(jù)與當(dāng)前行駛時(shí)間的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出船舶進(jìn)入監(jiān)控指令。

（2）服務(wù)器監(jiān)測(cè)程序。在接收到“船舶駛?cè)搿敝噶詈?，啟?dòng)激光傳感器，進(jìn)行距離測(cè)量，激光傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)COM口傳回到服務(wù)器。然后依據(jù)激光傳感器返回的數(shù)據(jù)，與AIS系統(tǒng)中所記錄的船舶信息進(jìn)行比對(duì)、分析得出當(dāng)前船舶的實(shí)際干舷高度和吃水深度。

（3）在獲取當(dāng)前船舶的實(shí)際干舷和吃水深度以后，與船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)干舷值及吃水報(bào)警預(yù)設(shè)的信息進(jìn)行比對(duì)，如達(dá)到報(bào)警設(shè)置值（實(shí)際干舷超證書(shū)規(guī)定值、實(shí)際吃水超設(shè)定值），則向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)控制信息，將船舶超載超吃水?dāng)?shù)據(jù)信息及圖像信息保存在監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。對(duì)未開(kāi)AIS船舶只能通過(guò)對(duì)比預(yù)先設(shè)定的干舷高度值（當(dāng)前最低干弦），如監(jiān)測(cè)結(jié)果低于設(shè)定的當(dāng)前最低干弦值則啟動(dòng)相應(yīng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警，并保存該船通過(guò)監(jiān)測(cè)線時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)和CCTV圖像信息。

（4）船舶駛過(guò)后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)、監(jiān)測(cè)狀態(tài)。等待下一個(gè)船舶的駛?cè)?。即轉(zhuǎn)入第一步。

3 案例研究

3.1 示范應(yīng)用概況

船舶干舷高度測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)于2012年8月份在岳陽(yáng)海事局轄區(qū)荊岳大橋安裝測(cè)試，并在2013年1月下旬正式調(diào)試運(yùn)行。現(xiàn)以船舶超載監(jiān)控系統(tǒng)在2013年2月18日～2013年3月17日1個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)共檢測(cè)下水船舶2 504艘，檢測(cè)出超載船舶119艘，占整個(gè)船舶檢測(cè)數(shù)量的4.75%。經(jīng)對(duì)船舶超載信息進(jìn)行核實(shí)，下水砂石船舶超載數(shù)量為52艘，占整個(gè)檢測(cè)船舶數(shù)量的1.80%，船舶超載監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性顯著。

3.2 應(yīng)用效果

船舶干舷高度測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著，在測(cè)量精度、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性等方面有比較好的表現(xiàn)。

（1）測(cè)量精度。船舶干舷高度測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)采用以水面和船舶甲板面高度差為核心的激光測(cè)量方法作為監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，以監(jiān)控視頻分析和與電子巡航系統(tǒng)握手式數(shù)據(jù)交換作為輔助技術(shù)。當(dāng)有船舶進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)測(cè)視頻范圍，通過(guò)視頻分析技術(shù)，船舶達(dá)到監(jiān)測(cè)視頻所設(shè)定的第一個(gè)觸發(fā)線時(shí)系統(tǒng)就向AIS系統(tǒng)發(fā)出船舶信息請(qǐng)求，由AIS系統(tǒng)返回船舶具體信息；當(dāng)船舶達(dá)到監(jiān)測(cè)視頻所設(shè)定的第二個(gè)觸發(fā)線時(shí)系統(tǒng)就確定參與測(cè)量的激光傳感器及測(cè)量角度，并啟動(dòng)測(cè)量；最后系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形分析，并綜合各數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行處理，得出監(jiān)測(cè)結(jié)果。岳陽(yáng)海事局工作人員對(duì)4艘船舶進(jìn)行了登船現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 船舶干舷高度統(tǒng)計(jì)表cm

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)船舶干舷高度和登船實(shí)測(cè)船舶干舷高度的對(duì)比，船舶干舷值均在預(yù)期范圍內(nèi)。

（2）系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。船舶通過(guò)荊岳大橋時(shí)，超載監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行超載檢測(cè)計(jì)算，所得數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)服務(wù)器，在服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)后，得出船舶是否超載的信息，系統(tǒng)再將該信息接入電子巡航系統(tǒng)，通過(guò)圖像和聲音同時(shí)報(bào)警，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，系統(tǒng)整個(gè)檢測(cè)、報(bào)警過(guò)程在1min內(nèi)即可完成。工作人員即通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)圖像視頻并結(jié)合電子巡航系統(tǒng)的CCTV進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行針對(duì)性的糾違。

（3）系統(tǒng)適應(yīng)性。船舶超載監(jiān)控系統(tǒng)自應(yīng)用以來(lái)，能夠保證全天候監(jiān)控，在大風(fēng)、大浪等惡劣天氣下，仍舊能夠?qū)爡^(qū)船舶的吃水情況進(jìn)行檢測(cè)；尤其是深夜，在海事執(zhí)法人員精神最疲憊、海事監(jiān)管最薄弱的時(shí)候，部分超載船舶為逃避海事執(zhí)法監(jiān)管，偷偷航行。采用船舶超載系統(tǒng)就能保證任何氣候條件下，任何時(shí)間的監(jiān)控，確保了下水船舶“嚴(yán)查不漏”，給超載、超吃水的船舶以強(qiáng)大的威懾力。

（4）實(shí)時(shí)性。船舶超載系統(tǒng)補(bǔ)充了現(xiàn)代化監(jiān)管力量，提高了現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法能力，加強(qiáng)了對(duì)轄區(qū)超載船舶的監(jiān)管力度。超載系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超載船舶，電子巡航系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警，執(zhí)法人員可以通過(guò)荊岳大橋的CCTV查看現(xiàn)場(chǎng)超載船舶的情況，通過(guò)電子巡航把超載船舶定位為重點(diǎn)監(jiān)控船舶，及時(shí)掌握船舶的動(dòng)態(tài)，同時(shí)，執(zhí)法人員可以通過(guò)甚高頻電話有針對(duì)性地與超載船舶聯(lián)系，指導(dǎo)其配合調(diào)查，海巡艇也可以有方向、有目的、有證據(jù)地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行糾違和執(zhí)法。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)江干線航道近些年來(lái)“超載”“超吃水”泛濫這一問(wèn)題，本系統(tǒng)可以為管理部門(mén)快速提供通航船舶的實(shí)際船舶干舷和吃水深度，可以有效遏制船舶“超載”“超吃水”，維護(hù)了良好的通航秩序。系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、控制靈活、實(shí)時(shí)性好、快速等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于江河湖海各類(lèi)船舶的實(shí)際干舷和吃水監(jiān)測(cè)，對(duì)在航船舶實(shí)際干舷和吃水嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有十分重要的意義。

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