三峽河段船舶過(guò)閘限高檢測(cè)技術(shù)研究

趙蒙 胡志芳 胡朔

摘 要：三峽水利樞紐是國(guó)之重器，實(shí)施船舶過(guò)閘安檢是大國(guó)重器安全保衛(wèi)工作的重要一環(huán)。本文針對(duì)長(zhǎng)江三峽河段船舶過(guò)閘實(shí)施100%安檢，過(guò)閘安檢中船舶限高屬最薄弱環(huán)節(jié)，誤差較大，需要靠安檢人員爬到船頂人工測(cè)量，通過(guò)對(duì)船舶限高檢測(cè)技術(shù)研究，找出優(yōu)化安檢的對(duì)策，進(jìn)一步提高過(guò)閘安檢效率。

關(guān)鍵詞：三峽河段;船舶過(guò)閘;限高檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U698 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0070-03

1 三峽河段船舶安檢現(xiàn)狀分析

自2018年6月1日長(zhǎng)江三峽通航管理局開始對(duì)所有過(guò)閘的船舶實(shí)施100%安檢以來(lái)，三峽通航管理局專設(shè)3個(gè)海巡執(zhí)法大隊(duì)，對(duì)船舶、在船人員、所載貨物從6個(gè)大項(xiàng)逐項(xiàng)檢查（載運(yùn)危險(xiǎn)物品船舶另加3項(xiàng)）。截止2020年5月31日，共檢查船舶10.4萬(wàn)艘次，日均檢查船舶約150艘次。合格船舶95915艘次，不合格船舶8千多艘次。其中船閘過(guò)閘高度申報(bào)與實(shí)際不符、船舶實(shí)際高度超過(guò)18米等違規(guī)行為，不合格率占到了11.14%。

對(duì)過(guò)閘船舶實(shí)施100%安全檢查，國(guó)內(nèi)外并無(wú)現(xiàn)成的方式可以借鑒。在100%過(guò)閘安檢工作實(shí)施過(guò)程中，高強(qiáng)度的工作和艱苦的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，一直是困擾現(xiàn)場(chǎng)安檢工作的難題。三峽通航管理部門在提高安全檢查效率方面，投入了大量的人力、物力以及資金。通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)手段，對(duì)現(xiàn)有的船舶過(guò)閘安全檢查模式進(jìn)行了升級(jí)改造，基本解決了船舶在船人員的登船身份查證問(wèn)題以及船舶的吃水檢測(cè)問(wèn)題。保障了航道的順暢通行及船閘安全，在一定程度上提升了安全檢查的效率。

但對(duì)于船舶水面以上凈空高度的核查尚無(wú)有效的方法，仍是過(guò)閘安檢中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。還是需要安檢人員爬到船頂，從最高處人工測(cè)量，針對(duì)船舶實(shí)際高度，人工核查耗時(shí)長(zhǎng)，危險(xiǎn)系數(shù)高，誤差大等狀況。研究并建設(shè)多套的船舶限高自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫，建成后可以滿足上、下行船舶過(guò)閘前通過(guò)限高檢測(cè)設(shè)施自動(dòng)地進(jìn)行船舶核查檢測(cè)，不僅極大地提高了安檢工作的效率，還可以有效識(shí)別船舶超高等違規(guī)現(xiàn)象，保證了安檢工作的高效率和高質(zhì)量。有效保障了船舶的過(guò)壩安全和三峽、葛洲壩樞紐水域的暢通。

2 國(guó)內(nèi)外限高技術(shù)分析

目前全球應(yīng)用較為廣泛的主要是：衛(wèi)星測(cè)高、雷達(dá)測(cè)高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測(cè)高、激光測(cè)高、光電測(cè)高等。經(jīng)過(guò)分析衛(wèi)星測(cè)高、雷達(dá)測(cè)高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測(cè)高都不太適應(yīng)用于船舶限高核查：衛(wèi)星測(cè)高、雷達(dá)測(cè)高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測(cè)高主要是應(yīng)用于海平面測(cè)量，不太適合用于內(nèi)河船舶限高核查;受天氣和浪涌的影響較大，對(duì)單船測(cè)量精度較低;協(xié)調(diào)難度大，投入成本較高，開發(fā)難度大。下面主要對(duì)激光測(cè)高、光電測(cè)高進(jìn)行研究分析對(duì)比。

（1）激光對(duì)射遮擋式檢測(cè)船舶超高，是在待檢測(cè)點(diǎn)兩岸樹立立桿。在立桿上預(yù)警高度安裝激光發(fā)射器及激光接收器，根據(jù)激光接收器是否被遮擋檢測(cè)船舶是否超高，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、精準(zhǔn)度高、可靠性高，缺點(diǎn)是當(dāng)收發(fā)端寬度大于1千米時(shí)，受到天氣影響的因素增加。

（2）激光測(cè)距傳感器掃描測(cè)距方式，是在建筑物的預(yù)警高度安放一臺(tái)掃描式激光測(cè)距儀對(duì)航道的預(yù)警高度平面進(jìn)行掃描測(cè)距，根據(jù)返回測(cè)量的數(shù)據(jù)判斷是否有超高物體，這種檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是容易受振動(dòng)等外界的影響，易造成漏報(bào)，多臺(tái)使用成本高也是一項(xiàng)需要慎重考慮的因素。

（3）三維激光測(cè)量方式，是在檢測(cè)點(diǎn)兩側(cè)安裝2臺(tái)激光檢測(cè)儀，可以針對(duì)過(guò)往船舶進(jìn)行三維掃描，同時(shí)將被檢測(cè)物體通過(guò)返回的多束激光信號(hào)進(jìn)行成像，進(jìn)而判斷被檢測(cè)物體當(dāng)前高度，缺點(diǎn)是被檢測(cè)物體要保持相對(duì)固定姿態(tài)，否則產(chǎn)生的拖影將影響系統(tǒng)精度的判斷，且目前國(guó)內(nèi)該種技術(shù)并不成熟，需引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，在系統(tǒng)對(duì)接上存在較大差異。

（4）全天時(shí)全天候遠(yuǎn)距動(dòng)目標(biāo)高清光電測(cè)量系統(tǒng)（測(cè)高、測(cè)長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱“光電測(cè)高儀”），該種測(cè)量方式通過(guò)固定在岸邊的光電限高儀，可以對(duì)3-4公里范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)內(nèi)置的激光探測(cè)器進(jìn)行透霧及補(bǔ)盲，并在超低照度下高清全彩視頻，并通過(guò)光電限高儀進(jìn)行不同細(xì)節(jié)放大調(diào)節(jié)以及坐標(biāo)軸內(nèi)標(biāo)定高度，實(shí)現(xiàn)限高目的，該種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是安裝維護(hù)方便，效果可視，精度較高，缺點(diǎn)是濃霧天氣下影響成像清晰度，因航道濃霧情況下封航，一般能見度下該設(shè)備具有透霧功能，受影響程度較小。對(duì)于使用技術(shù)的技術(shù)比對(duì)如表1所示。

3 船舶限高技術(shù)解決方案

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)研究出以下幾種限高核查方案進(jìn)行模擬分析。

方案一：該方案在待檢測(cè)區(qū)域的兩側(cè)縱向安裝多束遮擋式激光傳感器，成網(wǎng)狀布置，分別在三峽壩下68米水位處、升降機(jī)173米水位處、葛洲壩壩上66米水位處設(shè)置遮擋式激光，這種方式使用成熟穩(wěn)定的遮擋式激光檢測(cè)船舶超高、超寬，而且激光光束的長(zhǎng)度在適用范圍內(nèi)，并且一旦有超過(guò)高度船舶經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)可以超前預(yù)警，對(duì)上述三點(diǎn)實(shí)施限高保護(hù)。

方案二：該方案是在兩岸向航道中間架設(shè)兩道到交差測(cè)距激光，對(duì)所有航道實(shí)施全方位的保護(hù)，該方案測(cè)距距離斜向超過(guò)3千米，需要使用超長(zhǎng)距離的激光測(cè)距儀，超遠(yuǎn)距離測(cè)量情況下精度會(huì)受到一定影響，建議作為補(bǔ)充方案使用。

方案三：該方案在三峽壩上雙浮處、三峽壩下68米高水位處，躉船及岸邊分別架設(shè)2臺(tái)三維激光器，在滿足精度條件下該種方式可在400米范圍內(nèi)針對(duì)被測(cè)船舶成像，比較直觀地顯示出船舶高度及寬度，缺點(diǎn)在于三維激光在測(cè)量過(guò)程中不能晃動(dòng)，否則將產(chǎn)生拖影影響測(cè)量結(jié)果，同時(shí)該種技術(shù)國(guó)內(nèi)并未成熟，多要依靠國(guó)外技術(shù)支撐，存在協(xié)調(diào)難、造價(jià)高、開發(fā)難等問(wèn)題。

方案四：該方案在三峽壩上雙浮處、三峽壩下68米高水位處，岸邊位置分別架設(shè)2臺(tái)光電測(cè)光儀，其中：“全天時(shí)”表示該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)晝夜工作，“全天候”表示該系統(tǒng)可以應(yīng)用于溫度、濕度、氣象條件惡劣的環(huán)境，“遠(yuǎn)距離”表示該系統(tǒng)觀看和測(cè)量的距離遠(yuǎn)，“動(dòng)目標(biāo)”表示該系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量，“高清”表示該系統(tǒng)可以高清成像，“細(xì)節(jié)觀看”表示該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的桅桿、舷號(hào)、突出物等細(xì)節(jié)觀看，“測(cè)量”表示該系統(tǒng)可以通過(guò)視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物尺寸信息的高精度測(cè)量，該技術(shù)成熟可靠，可以清晰記錄過(guò)往船舶特征，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置傳感器使用壽命長(zhǎng)。

通過(guò)四種限高技術(shù)與四種方案模擬分析，最終“激光對(duì)射式限高檢測(cè)方案”較為適合三峽庫(kù)區(qū)船舶限高核查，可大大減少安檢員逐條登輪核查。

4 激光對(duì)射限高檢測(cè)儀檢測(cè)誤差分析

激光測(cè)量系統(tǒng)會(huì)受到多種誤差的影響，有系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差會(huì)給點(diǎn)云坐標(biāo)帶來(lái)系統(tǒng)偏差。在本次研究中，激光測(cè)量的系統(tǒng)誤差按其產(chǎn)生來(lái)源可分為三類：姿態(tài)誤差、測(cè)量誤差、集成誤差。

4.1姿態(tài)誤差

姿態(tài)誤差是影響測(cè)量精度的最主要原因。主要包括設(shè)備的安置誤差、水流天氣影響誤差、測(cè)量噪聲等。安置誤差在系統(tǒng)安置的過(guò)程中產(chǎn)生，如把測(cè)量激光架安置在躉船上，而躉船會(huì)隨著水流等上下或者左右搖晃，所以在安裝過(guò)程中會(huì)存在一些姿態(tài)誤差。安裝激光測(cè)量系統(tǒng)要求激光掃描儀參考坐標(biāo)系統(tǒng)慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸相互平行，即三個(gè)歐拉角，但是系統(tǒng)安裝時(shí)不能完全保證他們互相平行，這就是所謂的系統(tǒng)安置誤差。系統(tǒng)安置誤差一般需要檢校，假設(shè)檢校得到的安置旋轉(zhuǎn)矩陣（，，為一個(gè)很小的角度）。

雖然在后來(lái)會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、校訂等工作，但由于躉船的水上浮體的性質(zhì)，會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)點(diǎn)和之前校準(zhǔn)點(diǎn)的二次誤差的產(chǎn)生。所以在實(shí)施過(guò)程中，要特別注意解決系統(tǒng)姿態(tài)誤差問(wèn)題。

4.2測(cè)量誤差

激光測(cè)量系統(tǒng)的每一個(gè)工作過(guò)程都會(huì)帶來(lái)一定的誤差，但起主要作用的是電子光學(xué)電路對(duì)經(jīng)過(guò)物體面散射和空間傳播后的不規(guī)則激光回波信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)確定時(shí)間延遲帶來(lái)的誤差，分別為時(shí)延估計(jì)誤差和時(shí)間測(cè)量誤差兩類。激光脈沖信號(hào)照射物體時(shí)，由于通行船舶的制高點(diǎn)物理特征的不同而產(chǎn)生不同的反射，當(dāng)信號(hào)發(fā)生漫反射時(shí)，出現(xiàn)大量反射信號(hào)被接收，會(huì)形成較大的接收噪聲，這在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中會(huì)給結(jié)果造成一定的影響。

另外，如果在測(cè)量的過(guò)程中，受水流、風(fēng)速等影響，被測(cè)船舶可能會(huì)出現(xiàn)上下或者左右的顛簸，而顛簸的幅度和對(duì)測(cè)量的結(jié)果無(wú)法計(jì)算。因此，要在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中不斷地收集數(shù)據(jù)，對(duì)誤差數(shù)據(jù)建立回歸數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，從而根據(jù)模型的預(yù)測(cè)值結(jié)合實(shí)際值給出正確的測(cè)量結(jié)果。

4.3系統(tǒng)集成誤差

在實(shí)際的系統(tǒng)集成過(guò)程中可能會(huì)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理、集成時(shí)產(chǎn)生的誤差。這種誤差相對(duì)容易處理，可在軟件集成時(shí)處理。

5 結(jié)論

船舶限高技術(shù)在三峽整個(gè)安檢過(guò)程中意義重大，因此采用比較成熟穩(wěn)定的“激光對(duì)射式方案一”進(jìn)行施工比較合適，可大大減少安檢員登輪核查，為免打擾船舶過(guò)閘安檢智能一體化奠定基礎(chǔ)。本方案選用激光對(duì)射限高檢測(cè)儀檢測(cè)經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)的船舶與現(xiàn)有其他檢測(cè)方法相比，具有透霧性強(qiáng)、不受天氣的影響、靈敏度高的特點(diǎn)，并且可以穿透雨、霧以及煙瘴等，1000米范圍內(nèi)反射率70%以上可以檢測(cè)到0.5-10CM障礙物。在三峽壩下68米水位處、升降機(jī)173米水位處、葛洲壩壩上66米水位處，水平觀測(cè)航道比較合適。通過(guò)對(duì)三峽河段防超高船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的建立可以達(dá)到如下目的：

（1）對(duì)三峽大壩過(guò)往船舶安檢人員的安全提供保障。

（2）對(duì)過(guò)往船舶的高度及航跡進(jìn)行監(jiān)控，如發(fā)生違章超高及偏航事件，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，有效控制超高撞擊的發(fā)生，有效地保護(hù)設(shè)施的安全。

（3）有效預(yù)防運(yùn)營(yíng)期升船機(jī)及大壩被船撞，延長(zhǎng)升船機(jī)的使用年限，保障三峽大壩、葛洲壩的安全。