船舶超載吃水監測系統設計與實現

王茹軍 陳 俊 熊 輝 陳 亮

（1.長江海事局 武漢 430016； 2.哈爾濱工業大學深圳研究生院 深圳 518055）

目前，國內內河船舶“超吃水”現象比較嚴重，主要是由于超載導致了“超吃水”。船舶“超吃水”航行一般是指船舶在航行過程中超過了航道的維護水深，富余水深不夠裝載航行。船舶“超吃水”航行的危害巨大，不僅會危害船體本身，對船員生命也造成一定的威脅；一旦船舶發生擱淺，就會使原有航道的水流方向發生改變，導致部分區域泥沙堆積，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、彎、窄航道內造成擱淺及其他水上交通事故，擱淺后將改變船舶周圍水流的流速、流向、流態，加之處于淺、窄、彎曲河段，使航道內泥沙淤積、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，同時造成自身巨額經濟損失［2］。該現象出現的主要原因是少數船舶為了經濟效益，在吃水遠遠超過所經航段水深而不采取減載措施的情況下，仍然冒險航行；客觀條件上，枯水期長江中游航道條件差，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在船舶簽證時，嚴查船舶證書，核對船舶干舷高度、吃水深度；同時，加強現場巡航、巡查力度，并強化安全宣傳。這種治理方式海事部門投入了巨大的人力、物力、財力，無形中增加了海事管理的成本。

1 “超吃水”檢測主要方法

1.1 人工檢測

人工觀測主要是由工作人員上船讀取船舶吃水線標尺讀數。在進行檢測時，測量船舶停在某個地方，然后測量人員上船測量或者乘小艇靠近被測船舶測量。測量數據包括船舶左右船首、船中、船尾6處吃水線標尺的讀數，然后根據公式計算出被測船舶的實際吃水量。人工檢測方法有很大的局限性：一方面由于能見度不良、水面波動等不利因素，導致讀取水尺讀數時存在的誤差較大，甚至有一些船舶老化后，吃水線模糊不清，很難辨認；另一方面，測量時需要船舶靜止，測量時間過長會影響航道的通航效率［4］。

1.2 自動檢測

（1）基于聲吶技術的水下測量方法。聲波是能在水中遠距離傳播的波動，聲吶是利用水下聲波對水中目標進行探測和定位識別或在水中進行通信的技術和設備，是目前較有效的水下探測技術。根據航道的自然條件，將多個聲吶裝置信號發生器安裝在航道兩側水底位置。信號發生器測量數據后傳輸至上位機進行處理和圖形顯示［5］。

（2）基于超聲波陣列的水下船舶吃水自動檢測系統。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。由于單個超聲波傳感器測量誤差較大，本方法安裝超聲波傳感器陣列，檢測覆蓋范圍全面，誤差也較小［6］。超聲波傳感器采集到信息后通過以太網絡傳給集控式服務器，結合VTS信息自動判斷船舶是否“超吃水”。

（3）基于DSP的船舶水尺檢測系統。利用CCD攝像機采集視頻信號，然后在DSP芯片中對收集的圖像數據進行壓縮，壓縮后的信息通過以太網傳到上位機。完成圖像數據的實時采集、處理與傳輸。該系統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，再結合人工檢測的結果，最后分析出水尺刻度的精確值［7］。

1.3 對比分析

對上述列舉的檢測進行總結分析，見 表1。

表1 吃水深度檢測方法一覽表

2 基于激光雷達的干舷高度測量系統

2.1 系統設計

考慮到水下檢測設備容易受水底砂石、水草等影響，本系統的檢測設備布設在橋梁下（見圖1），測量過往船舶的干舷高度，實行機動式的監測。實際船舶干舷高度一般是指沿舷側自水線面量至上層連續甲板（干舷甲板）邊線的垂直距離；實際船舶吃水深度一般是指沿舷側自水線面量至船舶底部最低點的垂直距離。本系統采用激光雷達［8］作為吃水監測的核心設備，傳感器可以對在航船舶船舷進行測繪并快速獲取船舶舷側的3D圖像數據，通過軟件處理后與船舶基礎數據比對，判定船舶是否超載和“超吃水”。一旦發現吃水深度達到預警設置值，則記錄保存下船舶的數據信息和圖像信息并進行報警。系統測量示意見圖1。

圖1 測量示意圖

2.2 工作流程

（1）預先在電子航道圖中標定監控線所在的位置。當船舶經過該監控線附近時，監測系統會發出指令讓AIS信號接收器不間斷地接收AIS信號，由AIS數據處理器在船舶動態數據庫中記錄船舶動態數據，包括船名、船舶呼號、經緯度坐標、航向、航速、目的港等。也就是說在確定的時間點，船舶的位置也是確定的。通過AIS關于航向（上、下水）、位置和船舶長度的3項數據信息，準確獲取船舶的真實船名，然后向監測系統各設備發出船舶進入監控指令。針對不開AIS的部分船舶，可用視頻監控及傳感器獲取該船舶的圖像數據與當前行駛時間的經緯度數據，同時向系統發出船舶進入監控指令。

（2）服務器監測程序。在接收到“船舶駛入”指令后，啟動激光傳感器，進行距離測量，激光傳感器的數據，通過COM口傳回到服務器。然后依據激光傳感器返回的數據，與AIS系統中所記錄的船舶信息進行比對、分析得出當前船舶的實際干舷高度和吃水深度。

（3）在獲取當前船舶的實際干舷和吃水深度以后，與船舶基礎數據干舷值及吃水報警預設的信息進行比對，如達到報警設置值（實際干舷超證書規定值、實際吃水超設定值），則向監控系統發送數據控制信息，將船舶超載超吃水數據信息及圖像信息保存在監控系統數據庫中并發出相應報警。對未開AIS船舶只能通過對比預先設定的干舷高度值（當前最低干弦），如監測結果低于設定的當前最低干弦值則啟動相應聯動報警，并保存該船通過監測線時的相關數據和CCTV圖像信息。

（4）船舶駛過后，整個系統進入待機、監測狀態。等待下一個船舶的駛入。即轉入第一步。

3 案例研究

3.1 示范應用概況

船舶干舷高度測量監控系統于2012年8月份在岳陽海事局轄區荊岳大橋安裝測試，并在2013年1月下旬正式調試運行。現以船舶超載監控系統在2013年2月18日～2013年3月17日1個月內產生的數據進行分析。該系統共檢測下水船舶2 504艘，檢測出超載船舶119艘，占整個船舶檢測數量的4.75%。經對船舶超載信息進行核實，下水砂石船舶超載數量為52艘，占整個檢測船舶數量的1.80%，船舶超載監控系統的可靠性顯著。

3.2 應用效果

船舶干舷高度測量監控系統在實際應用中效果顯著，在測量精度、系統反應時間、系統適應性、實時性等方面有比較好的表現。

（1）測量精度。船舶干舷高度測量監控系統采用以水面和船舶甲板面高度差為核心的激光測量方法作為監測技術手段，以監控視頻分析和與電子巡航系統握手式數據交換作為輔助技術。當有船舶進入系統監測視頻范圍，通過視頻分析技術，船舶達到監測視頻所設定的第一個觸發線時系統就向AIS系統發出船舶信息請求，由AIS系統返回船舶具體信息；當船舶達到監測視頻所設定的第二個觸發線時系統就確定參與測量的激光傳感器及測量角度，并啟動測量；最后系統對測量數據進行圖形分析，并綜合各數據項進行處理，得出監測結果。岳陽海事局工作人員對4艘船舶進行了登船現場測量和系統測量數據比對，相關數據見表2。

表2 船舶干舷高度統計表cm

經過系統監測船舶干舷高度和登船實測船舶干舷高度的對比，船舶干舷值均在預期范圍內。

（2）系統反應時間。船舶通過荊岳大橋時，超載監控系統開始進行超載檢測計算，所得數據傳回系統服務器，在服務器進行數據比對后，得出船舶是否超載的信息，系統再將該信息接入電子巡航系統，通過圖像和聲音同時報警，經過驗證，系統整個檢測、報警過程在1min內即可完成。工作人員即通過系統數據表對應圖像視頻并結合電子巡航系統的CCTV進行驗證，同時指導現場進行針對性的糾違。

（3）系統適應性。船舶超載監控系統自應用以來，能夠保證全天候監控，在大風、大浪等惡劣天氣下，仍舊能夠對轄區船舶的吃水情況進行檢測；尤其是深夜，在海事執法人員精神最疲憊、海事監管最薄弱的時候，部分超載船舶為逃避海事執法監管，偷偷航行。采用船舶超載系統就能保證任何氣候條件下，任何時間的監控，確保了下水船舶“嚴查不漏”，給超載、超吃水的船舶以強大的威懾力。

（4）實時性。船舶超載系統補充了現代化監管力量，提高了現場執法能力，加強了對轄區超載船舶的監管力度。超載系統通過檢測發現超載船舶，電子巡航系統立即發出報警，執法人員可以通過荊岳大橋的CCTV查看現場超載船舶的情況，通過電子巡航把超載船舶定位為重點監控船舶，及時掌握船舶的動態，同時，執法人員可以通過甚高頻電話有針對性地與超載船舶聯系，指導其配合調查，海巡艇也可以有方向、有目的、有證據地在現場進行糾違和執法。

4 結語

針對長江干線航道近些年來“超載”“超吃水”泛濫這一問題，本系統可以為管理部門快速提供通航船舶的實際船舶干舷和吃水深度，可以有效遏制船舶“超載”“超吃水”，維護了良好的通航秩序。系統具有測量精度高、控制靈活、實時性好、快速等諸多優點，可廣泛用于江河湖海各類船舶的實際干舷和吃水監測，對在航船舶實際干舷和吃水嚴格監測和預警具有十分重要的意義。

［1］ 王 勇，顏昌平.船舶吃水現場檢測技術及方法探討［J］.中國水運，2008（8）：44－45.

［2］ 畢方全，梁 山.船舶“超吃水”航行動態檢測方法研究［J］.中國水運，2011（7）：1－3.

［3］ 李 祿.通航船舶三維吃水動態檢測技術的研究［D］.大連：大連海事大學，2012.

［4］ 吳 濤.通航船舶三維吃水模型動態匹配的研究［D］.大連：大連海事大學，2013.

［5］ 鐘 輝.三峽通航船舶吃水遠程監測與預警系統的研究［D］.大連：大連海事大學，2011.

［6］ 周達超.船舶吃水量信息采集處理系統的研究［D］.大連：大連海事大學，2010.

［7］ WIJESOMAi W S，KODAGODA K R S，BALASURIYA A P.Road－boundary detection and tracking using ladar sensing［J］.Robotics and Automation，IEEE Transactions on，2004，20（3）：456－464.

［8］ 周劍敏，王 捷.基于AIS的港口智能船舶動態視頻監控系統研究［J］.浙江國際海運職業技術學院學報，2009（1）：1－3.