三峽河段船舶過閘限高檢測技術研究

趙蒙 胡志芳 胡朔

摘 要：三峽水利樞紐是國之重器，實施船舶過閘安檢是大國重器安全保衛工作的重要一環。本文針對長江三峽河段船舶過閘實施100%安檢，過閘安檢中船舶限高屬最薄弱環節，誤差較大，需要靠安檢人員爬到船頂人工測量，通過對船舶限高檢測技術研究，找出優化安檢的對策，進一步提高過閘安檢效率。

關鍵詞：三峽河段;船舶過閘;限高檢測

中圖分類號：U698 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0070-03

1 三峽河段船舶安檢現狀分析

自2018年6月1日長江三峽通航管理局開始對所有過閘的船舶實施100%安檢以來，三峽通航管理局專設3個海巡執法大隊，對船舶、在船人員、所載貨物從6個大項逐項檢查（載運危險物品船舶另加3項）。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與實際不符、船舶實際高度超過18米等違規行為，不合格率占到了11.14%。

對過閘船舶實施100%安全檢查，國內外并無現成的方式可以借鑒。在100%過閘安檢工作實施過程中，高強度的工作和艱苦的現場工作環境，一直是困擾現場安檢工作的難題。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。通過現代信息技術手段，對現有的船舶過閘安全檢查模式進行了升級改造，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和難點。還是需要安檢人員爬到船頂，從最高處人工測量，針對船舶實際高度，人工核查耗時長，危險系數高，誤差大等狀況。研究并建設多套的船舶限高自動檢測系統迫在眉睫，建成后可以滿足上、下行船舶過閘前通過限高檢測設施自動地進行船舶核查檢測，不僅極大地提高了安檢工作的效率，還可以有效識別船舶超高等違規現象，保證了安檢工作的高效率和高質量。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 國內外限高技術分析

目前全球應用較為廣泛的主要是：衛星測高、雷達測高、衛星雷達混合測高、激光測高、光電測高等。經過分析衛星測高、雷達測高、衛星雷達混合測高都不太適應用于船舶限高核查：衛星測高、雷達測高、衛星雷達混合測高主要是應用于海平面測量，不太適合用于內河船舶限高核查;受天氣和浪涌的影響較大，對單船測量精度較低;協調難度大，投入成本較高，開發難度大。下面主要對激光測高、光電測高進行研究分析對比。

（1）激光對射遮擋式檢測船舶超高，是在待檢測點兩岸樹立立桿。在立桿上預警高度安裝激光發射器及激光接收器，根據激光接收器是否被遮擋檢測船舶是否超高，這種方法的優點是靈敏度高、精準度高、可靠性高，缺點是當收發端寬度大于1千米時，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，是在建筑物的預警高度安放一臺掃描式激光測距儀對航道的預警高度平面進行掃描測距，根據返回測量的數據判斷是否有超高物體，這種檢測方法優點是安裝簡便，缺點是容易受振動等外界的影響，易造成漏報，多臺使用成本高也是一項需要慎重考慮的因素。

（3）三維激光測量方式，是在檢測點兩側安裝2臺激光檢測儀，可以針對過往船舶進行三維掃描，同時將被檢測物體通過返回的多束激光信號進行成像，進而判斷被檢測物體當前高度，缺點是被檢測物體要保持相對固定姿態，否則產生的拖影將影響系統精度的判斷，且目前國內該種技術并不成熟，需引進國外技術，在系統對接上存在較大差異。

（4）全天時全天候遠距動目標高清光電測量系統（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3-4公里范圍內的船舶進行探測，通過內置的激光探測器進行透霧及補盲，并在超低照度下高清全彩視頻，并通過光電限高儀進行不同細節放大調節以及坐標軸內標定高度，實現限高目的，該種技術優點是安裝維護方便，效果可視，精度較高，缺點是濃霧天氣下影響成像清晰度，因航道濃霧情況下封航，一般能見度下該設備具有透霧功能，受影響程度較小。對于使用技術的技術比對如表1所示。

3 船舶限高技術解決方案

根據現有技術研究出以下幾種限高核查方案進行模擬分析。

方案一：該方案在待檢測區域的兩側縱向安裝多束遮擋式激光傳感器，成網狀布置，分別在三峽壩下68米水位處、升降機173米水位處、葛洲壩壩上66米水位處設置遮擋式激光，這種方式使用成熟穩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，并且一旦有超過高度船舶經過檢測區域時可以超前預警，對上述三點實施限高保護。

方案二：該方案是在兩岸向航道中間架設兩道到交差測距激光，對所有航道實施全方位的保護，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，超遠距離測量情況下精度會受到一定影響，建議作為補充方案使用。

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2臺三維激光器，在滿足精度條件下該種方式可在400米范圍內針對被測船舶成像，比較直觀地顯示出船舶高度及寬度，缺點在于三維激光在測量過程中不能晃動，否則將產生拖影影響測量結果，同時該種技術國內并未成熟，多要依靠國外技術支撐，存在協調難、造價高、開發難等問題。

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2臺光電測光儀，其中：“全天時”表示該系統可以實現晝夜工作，“全天候”表示該系統可以應用于溫度、濕度、氣象條件惡劣的環境，“遠距離”表示該系統觀看和測量的距離遠，“動目標”表示該系統可以對運動中的目標進行精確測量，“高清”表示該系統可以高清成像，“細節觀看”表示該系統可以實現目標的桅桿、舷號、突出物等細節觀看，“測量”表示該系統可以通過視頻技術實現目標物尺寸信息的高精度測量，該技術成熟可靠，可以清晰記錄過往船舶特征，同時通過內置傳感器使用壽命長。

通過四種限高技術與四種方案模擬分析，最終“激光對射式限高檢測方案”較為適合三峽庫區船舶限高核查，可大大減少安檢員逐條登輪核查。

4 激光對射限高檢測儀檢測誤差分析

激光測量系統會受到多種誤差的影響，有系統誤差和偶然誤差，系統誤差會給點云坐標帶來系統偏差。在本次研究中，激光測量的系統誤差按其產生來源可分為三類：姿態誤差、測量誤差、集成誤差。

4.1姿態誤差

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

雖然在后來會對設備進行標準、校訂等工作，但由于躉船的水上浮體的性質，會出現現實點和之前校準點的二次誤差的產生。所以在實施過程中，要特別注意解決系統姿態誤差問題。

4.2測量誤差

激光測量系統的每一個工作過程都會帶來一定的誤差，但起主要作用的是電子光學電路對經過物體面散射和空間傳播后的不規則激光回波信號進行處理來確定時間延遲帶來的誤差，分別為時延估計誤差和時間測量誤差兩類。激光脈沖信號照射物體時，由于通行船舶的制高點物理特征的不同而產生不同的反射，當信號發生漫反射時，出現大量反射信號被接收，會形成較大的接收噪聲，這在實際測量過程中會給結果造成一定的影響。

另外，如果在測量的過程中，受水流、風速等影響，被測船舶可能會出現上下或者左右的顛簸，而顛簸的幅度和對測量的結果無法計算。因此，要在實際測量的過程中不斷地收集數據，對誤差數據建立回歸數據模型，進行分析預測，從而根據模型的預測值結合實際值給出正確的測量結果。

4.3系統集成誤差

在實際的系統集成過程中可能會對采集來的數據進行傳輸、處理、集成時產生的誤差。這種誤差相對容易處理，可在軟件集成時處理。

5 結論

船舶限高技術在三峽整個安檢過程中意義重大，因此采用比較成熟穩定的“激光對射式方案一”進行施工比較合適，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。本方案選用激光對射限高檢測儀檢測經過檢測點的船舶與現有其他檢測方法相比，具有透霧性強、不受天氣的影響、靈敏度高的特點，并且可以穿透雨、霧以及煙瘴等，1000米范圍內反射率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。通過對三峽河段防超高船撞主動預警系統的建立可以達到如下目的：

（1）對三峽大壩過往船舶安檢人員的安全提供保障。

（2）對過往船舶的高度及航跡進行監控，如發生違章超高及偏航事件，發出聲光報警信號，有效控制超高撞擊的發生，有效地保護設施的安全。

（3）有效預防運營期升船機及大壩被船撞，延長升船機的使用年限，保障三峽大壩、葛洲壩的安全。