船舶超载吃水监测系统设计与实现

王茹军 陈 俊 熊 辉 陈 亮

（1.长江海事局 武汉 430016； 2.哈尔滨工业大学深圳研究生院 深圳 518055）

目前，国内内河船舶“超吃水”现象比较严重，主要是由于超载导致了“超吃水”。船舶“超吃水”航行一般是指船舶在航行过程中超过了航道的维护水深，富余水深不够装载航行。船舶“超吃水”航行的危害巨大，不仅会危害船体本身，对船员生命也造成一定的威胁；一旦船舶发生搁浅，就会使原有航道的水流方向发生改变，导致部分区域泥沙堆积，造成阻航甚至航道断航的状况，影响航道的安全和畅通［1］。

船舶“超吃水”极易在浅、险、弯、窄航道内造成搁浅及其他水上交通事故，搁浅后将改变船舶周围水流的流速、流向、流态，加之处于浅、窄、弯曲河段，使航道内泥沙淤积、束窄航槽、河床不正常地演变等一系列连锁式破坏，不仅恶化航道条件，影响其他船舶的安全航行，同时造成自身巨额经济损失［2］。该现象出现的主要原因是少数船舶为了经济效益，在吃水远远超过所经航段水深而不采取减载措施的情况下，仍然冒险航行；客观条件上，枯水期长江中游航道条件差，富余水深不多［3］。

目前治理“超载”“超吃水”的措施主要是靠海事部门在船舶签证时，严查船舶证书，核对船舶干舷高度、吃水深度；同时，加强现场巡航、巡查力度，并强化安全宣传。这种治理方式海事部门投入了巨大的人力、物力、财力，无形中增加了海事管理的成本。

1 “超吃水”检测主要方法

1.1 人工检测

人工观测主要是由工作人员上船读取船舶吃水线标尺读数。在进行检测时，测量船舶停在某个地方，然后测量人员上船测量或者乘小艇靠近被测船舶测量。测量数据包括船舶左右船首、船中、船尾6处吃水线标尺的读数，然后根据公式计算出被测船舶的实际吃水量。人工检测方法有很大的局限性：一方面由于能见度不良、水面波动等不利因素，导致读取水尺读数时存在的误差较大，甚至有一些船舶老化后，吃水线模糊不清，很难辨认；另一方面，测量时需要船舶静止，测量时间过长会影响航道的通航效率［4］。

1.2 自动检测

（1）基于声呐技术的水下测量方法。声波是能在水中远距离传播的波动，声呐是利用水下声波对水中目标进行探测和定位识別或在水中进行通信的技术和设备，是目前较有效的水下探测技术。根据航道的自然条件，将多个声呐装置信号发生器安装在航道两侧水底位置。信号发生器测量数据后传输至上位机进行处理和图形显示［5］。

（2）基于超声波阵列的水下船舶吃水自动检测系统。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。由于单个超声波传感器测量误差较大，本方法安装超声波传感器阵列，检测覆盖范围全面，误差也较小［6］。超声波传感器采集到信息后通过以太网络传给集控式服务器，结合VTS信息自动判断船舶是否“超吃水”。

（3）基于DSP的船舶水尺检测系统。利用CCD摄像机采集视频信号，然后在DSP芯片中对收集的图像数据进行压缩，压缩后的信息通过以太网传到上位机。完成图像数据的实时采集、处理与传输。该系统利用水平投影的方法得到水平面距离水尺刻度字边缘的距离，再结合人工检测的结果，最后分析出水尺刻度的精确值［7］。

1.3 对比分析

对上述列举的检测进行总结分析，见 表1。

表1 吃水深度检测方法一览表

2 基于激光雷达的干舷高度测量系统

2.1 系统设计

考虑到水下检测设备容易受水底砂石、水草等影响，本系统的检测设备布设在桥梁下（见图1），测量过往船舶的干舷高度，实行机动式的监测。实际船舶干舷高度一般是指沿舷侧自水线面量至上层连续甲板（干舷甲板）边线的垂直距离；实际船舶吃水深度一般是指沿舷侧自水线面量至船舶底部最低点的垂直距离。本系统采用激光雷达［8］作为吃水监测的核心设备，传感器可以对在航船舶船舷进行测绘并快速获取船舶舷侧的3D图像数据，通过软件处理后与船舶基础数据比对，判定船舶是否超载和“超吃水”。一旦发现吃水深度达到预警设置值，则记录保存下船舶的数据信息和图像信息并进行报警。系统测量示意见图1。

图1 测量示意图

2.2 工作流程

（1）预先在电子航道图中标定监控线所在的位置。当船舶经过该监控线附近时，监测系统会发出指令让AIS信号接收器不间断地接收AIS信号，由AIS数据处理器在船舶动态数据库中记录船舶动态数据，包括船名、船舶呼号、经纬度坐标、航向、航速、目的港等。也就是说在确定的时间点，船舶的位置也是确定的。通过AIS关于航向（上、下水）、位置和船舶长度的3项数据信息，准确获取船舶的真实船名，然后向监测系统各设备发出船舶进入监控指令。针对不开AIS的部分船舶，可用视频监控及传感器获取该船舶的图像数据与当前行驶时间的经纬度数据，同时向系统发出船舶进入监控指令。

（2）服务器监测程序。在接收到“船舶驶入”指令后，启动激光传感器，进行距离测量，激光传感器的数据，通过COM口传回到服务器。然后依据激光传感器返回的数据，与AIS系统中所记录的船舶信息进行比对、分析得出当前船舶的实际干舷高度和吃水深度。

（3）在获取当前船舶的实际干舷和吃水深度以后，与船舶基础数据干舷值及吃水报警预设的信息进行比对，如达到报警设置值（实际干舷超证书规定值、实际吃水超设定值），则向监控系统发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监控系统数据库中并发出相应报警。对未开AIS船舶只能通过对比预先设定的干舷高度值（当前最低干弦），如监测结果低于设定的当前最低干弦值则启动相应联动报警，并保存该船通过监测线时的相关数据和CCTV图像信息。

（4）船舶驶过后，整个系统进入待机、监测状态。等待下一个船舶的驶入。即转入第一步。

3 案例研究

3.1 示范应用概况

船舶干舷高度测量监控系统于2012年8月份在岳阳海事局辖区荆岳大桥安装测试，并在2013年1月下旬正式调试运行。现以船舶超载监控系统在2013年2月18日～2013年3月17日1个月内产生的数据进行分析。该系统共检测下水船舶2 504艘，检测出超载船舶119艘，占整个船舶检测数量的4.75%。经对船舶超载信息进行核实，下水砂石船舶超载数量为52艘，占整个检测船舶数量的1.80%，船舶超载监控系统的可靠性显著。

3.2 应用效果

船舶干舷高度测量监控系统在实际应用中效果显著，在测量精度、系统反应时间、系统适应性、实时性等方面有比较好的表现。

（1）测量精度。船舶干舷高度测量监控系统采用以水面和船舶甲板面高度差为核心的激光测量方法作为监测技术手段，以监控视频分析和与电子巡航系统握手式数据交换作为辅助技术。当有船舶进入系统监测视频范围，通过视频分析技术，船舶达到监测视频所设定的第一个触发线时系统就向AIS系统发出船舶信息请求，由AIS系统返回船舶具体信息；当船舶达到监测视频所设定的第二个触发线时系统就确定参与测量的激光传感器及测量角度，并启动测量；最后系统对测量数据进行图形分析，并综合各数据项进行处理，得出监测结果。岳阳海事局工作人员对4艘船舶进行了登船现场测量和系统测量数据比对，相关数据见表2。

表2 船舶干舷高度统计表cm

经过系统监测船舶干舷高度和登船实测船舶干舷高度的对比，船舶干舷值均在预期范围内。

（2）系统反应时间。船舶通过荆岳大桥时，超载监控系统开始进行超载检测计算，所得数据传回系统服务器，在服务器进行数据比对后，得出船舶是否超载的信息，系统再将该信息接入电子巡航系统，通过图像和声音同时报警，经过验证，系统整个检测、报警过程在1min内即可完成。工作人员即通过系统数据表对应图像视频并结合电子巡航系统的CCTV进行验证，同时指导现场进行针对性的纠违。

（3）系统适应性。船舶超载监控系统自应用以来，能够保证全天候监控，在大风、大浪等恶劣天气下，仍旧能够对辖区船舶的吃水情况进行检测；尤其是深夜，在海事执法人员精神最疲惫、海事监管最薄弱的时候，部分超载船舶为逃避海事执法监管，偷偷航行。采用船舶超载系统就能保证任何气候条件下，任何时间的监控，确保了下水船舶“严查不漏”，给超载、超吃水的船舶以强大的威慑力。

（4）实时性。船舶超载系统补充了现代化监管力量，提高了现场执法能力，加强了对辖区超载船舶的监管力度。超载系统通过检测发现超载船舶，电子巡航系统立即发出报警，执法人员可以通过荆岳大桥的CCTV查看现场超载船舶的情况，通过电子巡航把超载船舶定位为重点监控船舶，及时掌握船舶的动态，同时，执法人员可以通过甚高频电话有针对性地与超载船舶联系，指导其配合调查，海巡艇也可以有方向、有目的、有证据地在现场进行纠违和执法。

4 结语

针对长江干线航道近些年来“超载”“超吃水”泛滥这一问题，本系统可以为管理部门快速提供通航船舶的实际船舶干舷和吃水深度，可以有效遏制船舶“超载”“超吃水”，维护了良好的通航秩序。系统具有测量精度高、控制灵活、实时性好、快速等诸多优点，可广泛用于江河湖海各类船舶的实际干舷和吃水监测，对在航船舶实际干舷和吃水严格监测和预警具有十分重要的意义。

［1］ 王 勇，颜昌平.船舶吃水现场检测技术及方法探讨［J］.中国水运，2008（8）：44－45.

［2］ 毕方全，梁 山.船舶“超吃水”航行动态检测方法研究［J］.中国水运，2011（7）：1－3.

［3］ 李 禄.通航船舶三维吃水动态检测技术的研究［D］.大连：大连海事大学，2012.

［4］ 吴 涛.通航船舶三维吃水模型动态匹配的研究［D］.大连：大连海事大学，2013.

［5］ 钟 辉.三峡通航船舶吃水远程监测与预警系统的研究［D］.大连：大连海事大学，2011.

［6］ 周达超.船舶吃水量信息采集处理系统的研究［D］.大连：大连海事大学，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］ 周剑敏，王 捷.基于AIS的港口智能船舶动态视频监控系统研究［J］.浙江国际海运职业技术学院学报，2009（1）：1－3.