三峽河段船舶過閘限高檢測技術(shù)研究

趙蒙 胡志芳 胡朔

摘 要：三峽水利樞紐是國之重器，實(shí)施船舶過閘安檢是大國重器安全保衛(wèi)工作的重要一環(huán)。本文針對(duì)長江三峽河段船舶過閘實(shí)施100%安檢，過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量，通過對(duì)船舶限高檢測技術(shù)研究，找出優(yōu)化安檢的對(duì)策，進(jìn)一步提高過閘安檢效率。

關(guān)鍵詞：三峽河段;船舶過閘;限高檢測

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日長江三峽通航管理局開始對(duì)所有過閘的船舶實(shí)施100%安檢以來，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。其中船閘過閘高度申報(bào)與實(shí)際不符、船舶實(shí)際高度超過18米等違規(guī)行為，不合格率占到了11.14%。

對(duì)過閘船舶實(shí)施100%安全檢查，國內(nèi)外并無現(xiàn)成的方式可以借鑒。在100%過閘安檢工作實(shí)施過程中，高強(qiáng)度的工作和艱苦的現(xiàn)場工作環(huán)境，一直是困擾現(xiàn)場安檢工作的難題。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。通過現(xiàn)代信息技術(shù)手段，對(duì)現(xiàn)有的船舶過閘安全檢查模式進(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題以及船舶的吃水檢測問題。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有效的方法，仍是過閘安檢中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。還是需要安檢人員爬到船頂，從最高處人工測量，針對(duì)船舶實(shí)際高度，人工核查耗時(shí)長，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)檢測系統(tǒng)迫在眉睫，建成后可以滿足上、下行船舶過閘前通過限高檢測設(shè)施自動(dòng)地進(jìn)行船舶核查檢測，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壩安全和三峽、葛洲壩樞紐水域的暢通。

2 國內(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)星測高、雷達(dá)測高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測高、激光測高、光電測高等。經(jīng)過分析衛(wèi)星測高、雷達(dá)測高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測高都不太適應(yīng)用于船舶限高核查：衛(wèi)星測高、雷達(dá)測高、衛(wèi)星雷達(dá)混合測高主要是應(yīng)用于海平面測量，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)激光測高、光電測高進(jìn)行研究分析對(duì)比。

（1）激光對(duì)射遮擋式檢測船舶超高，是在待檢測點(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）激光測距傳感器掃描測距方式，是在建筑物的預(yù)警高度安放一臺(tái)掃描式激光測距儀對(duì)航道的預(yù)警高度平面進(jìn)行掃描測距，根據(jù)返回測量的數(shù)據(jù)判斷是否有超高物體，這種檢測方法優(yōu)點(diǎn)是安裝簡便，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）三維激光測量方式，是在檢測點(diǎn)兩側(cè)安裝2臺(tái)激光檢測儀，可以針對(duì)過往船舶進(jìn)行三維掃描，同時(shí)將被檢測物體通過返回的多束激光信號(hào)進(jìn)行成像，進(jìn)而判斷被檢測物體當(dāng)前高度，缺點(diǎn)是被檢測物體要保持相對(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，且目前國內(nèi)該種技術(shù)并不成熟，需引進(jìn)國外技術(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)高清光電測量系統(tǒng)（測高、測長，簡稱“光電測高儀”），該種測量方式通過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，通過內(nèi)置的激光探測器進(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船舶超高、超寬，而且激光光束的長度在適用范圍內(nèi)，并且一旦有超過高度船舶經(jīng)過檢測區(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)兩道到交差測距激光，對(duì)所有航道實(shí)施全方位的保護(hù)，該方案測距距離斜向超過3千米，需要使用超長距離的激光測距儀，超遠(yuǎn)距離測量情況下精度會(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)在于三維激光在測量過程中不能晃動(dòng)，否則將產(chǎn)生拖影影響測量結(jié)果，同時(shí)該種技術(shù)國內(nèi)并未成熟，多要依靠國外技術(shù)支撐，存在協(xié)調(diào)難、造價(jià)高、開發(fā)難等問題。

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，“測量”表示該系統(tǒng)可以通過視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物尺寸信息的高精度測量，該技術(shù)成熟可靠，可以清晰記錄過往船舶特征，同時(shí)通過內(nèi)置傳感器使用壽命長。

通過四種限高技術(shù)與四種方案模擬分析，最終“激光對(duì)射式限高檢測方案”較為適合三峽庫區(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)射限高檢測儀檢測誤差分析

激光測量系統(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)帶來系統(tǒng)偏差。在本次研究中，激光測量的系統(tǒng)誤差按其產(chǎn)生來源可分為三類：姿態(tài)誤差、測量誤差、集成誤差。

4.1姿態(tài)誤差

姿態(tài)誤差是影響測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、測量噪聲等。安置誤差在系統(tǒng)安置的過程中產(chǎn)生，如把測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，所以在安裝過程中會(huì)存在一些姿態(tài)誤差。安裝激光測量系統(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)施過程中，要特別注意解決系統(tǒng)姿態(tài)誤差問題。

4.2測量誤差

激光測量系統(tǒng)的每一個(gè)工作過程都會(huì)帶來一定的誤差，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)行處理來確定時(shí)間延遲帶來的誤差，分別為時(shí)延估計(jì)誤差和時(shí)間測量誤差兩類。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)際測量過程中會(huì)給結(jié)果造成一定的影響。

另外，如果在測量的過程中，受水流、風(fēng)速等影響，被測船舶可能會(huì)出現(xiàn)上下或者左右的顛簸，而顛簸的幅度和對(duì)測量的結(jié)果無法計(jì)算。因此，要在實(shí)際測量的過程中不斷地收集數(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，從而根據(jù)模型的預(yù)測值結(jié)合實(shí)際值給出正確的測量結(jié)果。

4.3系統(tǒng)集成誤差

在實(shí)際的系統(tǒng)集成過程中可能會(huì)對(duì)采集來的數(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)射限高檢測儀檢測經(jīng)過檢測點(diǎn)的船舶與現(xiàn)有其他檢測方法相比，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，水平觀測航道比較合適。通過對(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)三峽大壩過往船舶安檢人員的安全提供保障。

（2）對(duì)過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)營期升船機(jī)及大壩被船撞，延長升船機(jī)的使用年限，保障三峽大壩、葛洲壩的安全。