客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀綜合運(yùn)用分析

劉江波 趙文龍

摘 要：強(qiáng)對流天氣所引發(fā)的大風(fēng)具有突發(fā)性、局部性和多發(fā)性，嚴(yán)重威脅客渡船的航行安全。風(fēng)速風(fēng)向儀基于風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和智能數(shù)據(jù)采集儀能夠?qū)崿F(xiàn)異常監(jiān)測和緊急預(yù)警，同時(shí)還能夠積累氣象數(shù)據(jù)用于互聯(lián)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)管和深度分析，通過成本分析可見，客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀能夠?qū)崿F(xiàn)不過度造成客渡船營運(yùn)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，保障船員、旅客的生命財(cái)產(chǎn)安全和船舶安全，針對其進(jìn)行綜合運(yùn)用分析為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)地、高效、低成本的風(fēng)力監(jiān)控奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)客渡船推廣運(yùn)用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)對流天氣;客渡船;風(fēng)速風(fēng)向儀

中圖分類號：U665.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0077-03

1概述

強(qiáng)對流天氣通常指伴有短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)、強(qiáng)雷電等現(xiàn)象的災(zāi)害性天氣，具有突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。近20年，隨著氣象觀測技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的快速發(fā)展，天氣預(yù)報(bào)水平已經(jīng)取得了明顯進(jìn)步，中國的全球環(huán)流形勢預(yù)報(bào)可用時(shí)效已分別達(dá)到8.5d和7.2d，中國24h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率已穩(wěn)定在80%以上[2]，但是由于強(qiáng)對流天氣所呈現(xiàn)的特殊性，常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)監(jiān)測難度較大，所引發(fā)的大風(fēng)更是對客渡船航行安全造成了嚴(yán)重威脅，強(qiáng)對流天氣所引起的大風(fēng)發(fā)生次數(shù)空間分布如圖1所示。

強(qiáng)對流天氣引發(fā)的大風(fēng)的突發(fā)性和局地性等特點(diǎn)給客渡船預(yù)報(bào)、預(yù)警工作帶來巨大挑戰(zhàn)。常規(guī)的天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警是宏觀和廣域的，精度難以實(shí)現(xiàn)對江面船舶特別是客渡船及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警。監(jiān)管部門雖然加強(qiáng)了此類大風(fēng)的預(yù)警發(fā)布，但目前應(yīng)對此類大風(fēng)，主要依賴客渡船駕駛?cè)藛T的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和臨危處置，更依賴客渡船經(jīng)營人和駕引船員的安全意識(shí)。

客渡船抗風(fēng)等級一般不超過5級，且存在長時(shí)間橫駛的情況，在橫駛過程中，存在一定程度的橫傾，如果此時(shí)疊加此類同向大風(fēng)和江面橫浪，再考慮到危險(xiǎn)境況下駕駛?cè)藛T的臨危操作不當(dāng)或是船上人員、貨物積載不合理等因素，客渡船存在瞬間傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，造成群死群傷的重特大水上交通事故。

由于強(qiáng)對流引發(fā)的大風(fēng)已經(jīng)引發(fā)了“東方之星”號客輪翻船事件、白龍湖景區(qū)游船翻沉事故，據(jù)報(bào)道牂牁江客渡船側(cè)翻事故發(fā)生時(shí)江面也出現(xiàn)了強(qiáng)對流大風(fēng)，造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，為有效預(yù)警和應(yīng)對由于強(qiáng)對流天氣所引起的大風(fēng)，針對船用風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行綜合運(yùn)用分析，從而為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)地、高效、低成本風(fēng)力監(jiān)控奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)儀器在客渡船推廣運(yùn)用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 風(fēng)速風(fēng)向儀工作原理分析

風(fēng)速風(fēng)向儀是運(yùn)用于港口碼頭、環(huán)境溫室、鐵路電廠等領(lǐng)域測量風(fēng)速及風(fēng)向的智能傳感報(bào)警儀器，針對不同工作環(huán)境并綜合考慮運(yùn)營成本，風(fēng)速風(fēng)向儀主要分為機(jī)械式和超聲波式。

機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，風(fēng)速、風(fēng)向相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)原理如圖3所示，其中1為受風(fēng)體，2為球形鉸鏈，3為壓力環(huán)，4為環(huán)形壓力應(yīng)變片，5為觸點(diǎn)環(huán)，6為觸點(diǎn)，7為單片機(jī)等電子元件，8為電路板，9為外殼，10為支架，然而也由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因存在軸承壽命較短、精度誤差大等缺點(diǎn)[3]。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和智能數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成，依靠聲波在空氣中傳播來測量風(fēng)速和風(fēng)向，測量精度較高，且由于內(nèi)部沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，其壽命通常較長[4]，其工作原理如圖4所示。

現(xiàn)階段常見風(fēng)速風(fēng)向傳感器所搭載風(fēng)速傳感器如圖5所示，所采用為三杯式風(fēng)杯。風(fēng)向傳感器模型如圖6所示，上部左側(cè)為不銹鋼頭，上部右側(cè)為小風(fēng)標(biāo)。

3 大風(fēng)工況下緊急預(yù)警分析

客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀所搭載的風(fēng)速傳感器量程為0～70m/s，分辨率為0.1m/s，精度為±（0.3+0.03V）m/s;風(fēng)向傳感器量程為0～360°，分辨率為0.1°，精度為±1.4°，通過高精度傳感器可以實(shí)現(xiàn)船舶在停泊狀態(tài)、航行狀態(tài)和監(jiān)管層面的多種預(yù)警需求。

當(dāng)客渡船處于停泊狀態(tài)時(shí)突遇大風(fēng)或監(jiān)測到風(fēng)速風(fēng)向異常，該儀器會(huì)立即發(fā)出聲光報(bào)警，此時(shí)船舶需要停航避風(fēng)，并迅速加固系泊裝備，防止船舶發(fā)生意外險(xiǎn)情事故;當(dāng)客渡船處于航行狀態(tài)時(shí)監(jiān)測到風(fēng)速風(fēng)向異?；蛲挥龃箫L(fēng)，該儀器會(huì)立即發(fā)出聲光報(bào)警，此時(shí)駕駛?cè)藛T應(yīng)及時(shí)觀察江面風(fēng)向，采取緊急避險(xiǎn)措施，避免航速過快或者操舵不當(dāng)，采取微調(diào)船向的方式減少船舶受風(fēng)面積，條件允許的情況下可以及時(shí)返航，將船舶因大風(fēng)可能造成的傾覆風(fēng)險(xiǎn)降至最低;除緊急預(yù)警外，通過風(fēng)速風(fēng)向儀還可觀測當(dāng)前日期時(shí)間的風(fēng)速和風(fēng)向值，其內(nèi)置存儲(chǔ)芯片可自動(dòng)存儲(chǔ)至少一年的氣象數(shù)據(jù)，并可與計(jì)算機(jī)建立通訊連接，通過互聯(lián)軟件遠(yuǎn)程觀測實(shí)時(shí)風(fēng)速及風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測的同時(shí)還可根據(jù)存儲(chǔ)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理及分析，以達(dá)到監(jiān)管層面的需求。

4 客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀成本分析

現(xiàn)階段滿足客渡船航行適用性的風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)備成本約為一至三千元不等，該儀器在保障船舶航行安全的同時(shí)，并不會(huì)給客渡船運(yùn)營造成過大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且該儀器安裝方便簡單，使用及維護(hù)成本較低，在運(yùn)行的過程當(dāng)中為低功耗運(yùn)行，可以采用直流供電，不會(huì)給客渡船造成電量壓力。

5 結(jié)論

客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀基于風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和智能數(shù)據(jù)采集儀，能夠針對強(qiáng)對流天氣所引起的風(fēng)暴大風(fēng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向異常監(jiān)測和緊急預(yù)警，無論是船舶處于停泊狀態(tài)還是處于航行狀態(tài)，都能夠及時(shí)通過聲光報(bào)警的方式通知船員采取有效的應(yīng)對措施，以降低水上交通事故發(fā)生的概率。通過成本分析可見，客渡船風(fēng)速風(fēng)向儀能夠?qū)崿F(xiàn)在不給客渡船運(yùn)營造成過大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，保障船員、旅客的生命財(cái)產(chǎn)安全以及船舶安全。針對其進(jìn)行綜合運(yùn)用分析為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)地、高效、低成本的風(fēng)力監(jiān)控奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)儀器在客渡船推廣運(yùn)用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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