唐 雋，楊艷慧，楊俊杰

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225300）

1 概述

高港船閘是江蘇重要的通江口門，溝通長江和里下河及東部沿海地區(qū)，實現(xiàn)江海聯(lián)運，為地方經濟快速發(fā)展起到了積極推動作用。高港船閘上下游引航道常有大量船舶靠泊，以躲避航道內的風浪，時常發(fā)生船舶偏向碰撞靠船墩的情況。在非正常碰撞力作用下，靠船墩容易出現(xiàn)斷裂、傾倒、位移等問題，將會導致靠船墩的使用壽命極大縮短，影響船閘的安全運行。對于船舶撞擊靠船墩的情況，目前處理措施是當巡檢人員聽到巨大撞擊聲時，立即趕赴現(xiàn)場進行相應處理。但如果巡檢人員沒有及時聽到撞擊聲或者是在夜晚無人巡檢時，將很難對此類行為進行切實有效的監(jiān)管。通過研發(fā)一種能實時采集船舶與靠船墩的碰撞力數據監(jiān)測系統(tǒng)，將碰撞信息和碰撞力大小的數據同步到船閘監(jiān)控中心，并對超過設定安全閥值的碰撞數據進行報警并抓拍取證［1-2］。

2 系統(tǒng)框架結構

基于加速度傳感器的船閘靠船墩振動監(jiān)測系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

如圖1所示，系統(tǒng)主要由靠船墩智能監(jiān)測采集裝置、抓拍球機攝像頭、無線匯聚主機、內網數據轉換裝置、外網數據轉換裝置、云服務平臺、微信端組成，其中最核心的部分主要是靠船墩智能監(jiān)測采集裝置、無線匯聚主機以及云服務平臺。

（1）靠船墩智能監(jiān)測采集裝置負責實時采集靠船墩在受到船舶碰撞時的受力數據，一旦碰撞力超過預設的閾值，則說明靠船墩可能已經出現(xiàn)損壞的情況，立即發(fā)出報警信號并將相關警告數據進行上傳，同時靠船墩附近的高清球機攝像頭進行抓拍以保留證據。

（2）無線匯聚主機主要負責協(xié)調和統(tǒng)籌其覆蓋范圍內的靠船墩采集裝置，并將相關的數據整理打包，通過內網DTU和外網DTU傳送至內網及外網服務器。

（3）云服務平臺主要是實時匯聚并存儲相關的采集數據，當相關的異常情況匯聚到數據平臺時，系統(tǒng)通過微信及PC服務端，可以提示管理人員要進行靠船墩巡檢并及時排除隱患。

3 振動監(jiān)測分析

船舶撞擊靠船墩時，最大壓應力位于船舶與靠船墩接觸面上，在靠船墩底板及墩身背水面均產生拉應力，墩頂的位移響應較大。在不同設計水位工況下，由于撞擊點位置的不同，船舶撞擊靠船墩的最大撞擊力與撞擊過程持續(xù)的時間均不相同［3-4］。低水位撞擊持續(xù)時間較短，撞擊力較大。低水位工況下，靠船墩最大撞擊力、最大壓應力大于高水位工況。2種工況底板前齒部位均產生較大拉應力，但低水位工況下靠船墩受到的危害更大。

運用撞擊力相關計算［5-6］可知，通過研究船舶正碰剛性墻，得出最大船撞力與速度近似成正比的關系。當船橋碰撞接觸面積越大，船撞力峰值也相應增大，而碰撞過程的持續(xù)時間相應減少。

4 振動監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)拓撲

系統(tǒng)在船閘靠船墩上建立振動在線監(jiān)測裝置，規(guī)劃傳感器合理的布設位置，設計傳感器的保護裝置。傳感器采集的數據通過工業(yè)總線匯聚后，到達現(xiàn)場處理單元。

本研究采用485總線式架構，其采集速率與穩(wěn)定性能夠滿足采集需要，同時能夠適應布設線路較長的問題。在集中控制器內，對外的輸出信號是網絡式的，可以通過船閘提供的網絡線傳輸。

根據傳感設備振動的時域及頻域分析結果，系統(tǒng)遠程提醒工作人員，并控制監(jiān)控攝像機進行抓拍碰撞超限的船舶?？看帐芰υ诰€監(jiān)測系統(tǒng)拓撲見圖2。

圖2 靠船墩受力在線監(jiān)測系統(tǒng)拓撲

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 實現(xiàn)靠船墩碰撞力在線檢測

系統(tǒng)針對靠船墩的特性以及碰撞力對靠船墩的影響，利用振動傳感器，在高港船閘靠船墩上建立振動在線監(jiān)測裝置。

4.2.2 實現(xiàn)靠船墩碰撞力告警閾值數據分析

靠船墩告警的閾值數據直接決定了告警的準確度，系統(tǒng)通過碰撞測試模擬實驗、受力曲線分析等手段，來確定靠船墩碰撞力的取值范圍。同時通過歷史數據分析，建立一套告警閾值的自適應算法。

4.2.3 實現(xiàn)靠船墩碰撞告警抓拍取證

在船舶撞擊靠船墩所產生的碰撞力超過所設定的安全閾值時，系統(tǒng)調用靠船墩附近攝像頭進行抓拍取證，為后期處理提供依據。

4.3 運行說明

（1）建立振動監(jiān)視的基本框架，設立必要的傳感器，對當前振動進行監(jiān)測并記錄。軟件系統(tǒng)采用基本的報警模式，能夠完成報警功能。

（2）通過一定時間的碰撞力監(jiān)測，積累數據資料，在條件成熟后，可建立水浪、船舶靠泊及碰撞三類情況的模型。通過數學手段降噪，減少外在干擾對測量的影響。

（3）建立完整的結構模型，能夠通過振動數據導入模型分析，了解到當前靠船墩的實際狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常立即發(fā)出撞擊報警并記錄存檔，既可指導設備維護保養(yǎng)工作，又能進行抓拍和追責取證。

5 應用效果

本系統(tǒng)通過在靠船墩上安裝速度類傳感器和視頻抓拍系統(tǒng)，通過后臺安全管理軟件，對船舶非正常?？吭斐沙霈F(xiàn)超安全值受力的情況進行及時監(jiān)測和報警，并通過視頻抓拍現(xiàn)場碰撞照片等證據，為事件后續(xù)處理提供佐證。同時，系統(tǒng)對各靠船墩受力等參數建立數據庫分析比對，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況，為工程維護提供數據參考。

系統(tǒng)投入運行后的3個月內，累計預警5次，正確預警4次，正確率達80%，通過預警抓拍照片發(fā)現(xiàn)了肇事船舶，管理人員及時對事件發(fā)生位置的靠船墩進行現(xiàn)場檢查和維護，有力保障了工程設施安全。但在夜間，視頻系統(tǒng)畫面存在著視頻幀數不高，暗區(qū)畫面內容模糊等現(xiàn)象，無法準確判定船舶與靠船墩是否存在直接的接觸碰撞，由于抓拍照片分辨率不夠清晰，無法提供有力證據。

6 結語

基于加速度傳感器的船閘靠船墩振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)靠船墩的實時監(jiān)測，并對異常撞擊狀態(tài)進行報警，可實現(xiàn)無人化在線監(jiān)測，降低了人工成本。本系統(tǒng)的實踐應用充分利用信息化手段規(guī)范了船閘養(yǎng)護工作，提高了養(yǎng)護管理水平。通過智能監(jiān)測技術優(yōu)化了養(yǎng)護工作流程，提供了閉環(huán)管理手段，有效保障了船閘工程設施的安全運行，減少了安全生產事故的發(fā)生。

對于運行后發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，下一步將繼續(xù)優(yōu)化船閘靠船墩振動監(jiān)測系統(tǒng)。擬對視頻抓拍系統(tǒng)進行升級，對暗區(qū)較為明顯的位置增設補光設備與其聯(lián)動。升級抓拍球機攝像頭，增加夜視功能和揚聲器、暖光燈等，通過內置白光燈和揚聲器，觸發(fā)報警時可聯(lián)動白光閃爍與語音播報，進行事中干預。通過智能監(jiān)測技術和視頻AI技術，實現(xiàn)對船舶即將撞向靠船墩事件的自動監(jiān)測和預警，進行事前預警。