基于加速度傳感器的船閘靠船墩振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(mén)，溝通長(zhǎng)江和里下河及東部沿海地區(qū)，實(shí)現(xiàn)江海聯(lián)運(yùn)，為地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到了積極推動(dòng)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(nèi)的風(fēng)浪，時(shí)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(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致靠船墩的使用壽命極大縮短，影響船閘的安全運(yùn)行。對(duì)于船舶撞擊靠船墩的情況，目前處理措施是當(dāng)巡檢人員聽(tīng)到巨大撞擊聲時(shí)，立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)處理。但如果巡檢人員沒(méi)有及時(shí)聽(tīng)到撞擊聲或者是在夜晚無(wú)人巡檢時(shí)，將很難對(duì)此類(lèi)行為進(jìn)行切實(shí)有效的監(jiān)管。通過(guò)研發(fā)一種能實(shí)時(shí)采集船舶與靠船墩的碰撞力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將碰撞信息和碰撞力大小的數(shù)據(jù)同步到船閘監(jiān)控中心，并對(duì)超過(guò)設(shè)定安全閥值的碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警并抓拍取證［1-2］。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

基于加速度傳感器的船閘靠船墩振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

如圖1所示，系統(tǒng)主要由靠船墩智能監(jiān)測(cè)采集裝置、抓拍球機(jī)攝像頭、無(wú)線(xiàn)匯聚主機(jī)、內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置、外網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置、云服務(wù)平臺(tái)、微信端組成，其中最核心的部分主要是靠船墩智能監(jiān)測(cè)采集裝置、無(wú)線(xiàn)匯聚主機(jī)以及云服務(wù)平臺(tái)。

（1）靠船墩智能監(jiān)測(cè)采集裝置負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集靠船墩在受到船舶碰撞時(shí)的受力數(shù)據(jù)，一旦碰撞力超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，則說(shuō)明靠船墩可能已經(jīng)出現(xiàn)損壞的情況，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將相關(guān)警告數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，同時(shí)靠船墩附近的高清球機(jī)攝像頭進(jìn)行抓拍以保留證據(jù)。

（2）無(wú)線(xiàn)匯聚主機(jī)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌其覆蓋范圍內(nèi)的靠船墩采集裝置，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)整理打包，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)DTU和外網(wǎng)DTU傳送至內(nèi)網(wǎng)及外網(wǎng)服務(wù)器。

（3）云服務(wù)平臺(tái)主要是實(shí)時(shí)匯聚并存儲(chǔ)相關(guān)的采集數(shù)據(jù)，當(dāng)相關(guān)的異常情況匯聚到數(shù)據(jù)平臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)微信及PC服務(wù)端，可以提示管理人員要進(jìn)行靠船墩巡檢并及時(shí)排除隱患。

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

船舶撞擊靠船墩時(shí)，最大壓應(yīng)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(chǎn)生拉應(yīng)力，墩頂?shù)奈灰祈憫?yīng)較大。在不同設(shè)計(jì)水位工況下，由于撞擊點(diǎn)位置的不同，船舶撞擊靠船墩的最大撞擊力與撞擊過(guò)程持續(xù)的時(shí)間均不相同［3-4］。低水位撞擊持續(xù)時(shí)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(yīng)力大于高水位工況。2種工況底板前齒部位均產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，但低水位工況下靠船墩受到的危害更大。

運(yùn)用撞擊力相關(guān)計(jì)算［5-6］可知，通過(guò)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(guān)系。當(dāng)船橋碰撞接觸面積越大，船撞力峰值也相應(yīng)增大，而碰撞過(guò)程的持續(xù)時(shí)間相應(yīng)減少。

4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

系統(tǒng)在船閘靠船墩上建立振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，規(guī)劃傳感器合理的布設(shè)位置，設(shè)計(jì)傳感器的保護(hù)裝置。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)總線(xiàn)匯聚后，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理單元。

本研究采用485總線(xiàn)式架構(gòu)，其采集速率與穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足采集需要，同時(shí)能夠適應(yīng)布設(shè)線(xiàn)路較長(zhǎng)的問(wèn)題。在集中控制器內(nèi)，對(duì)外的輸出信號(hào)是網(wǎng)絡(luò)式的，可以通過(guò)船閘提供的網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)傳輸。

根據(jù)傳感設(shè)備振動(dòng)的時(shí)域及頻域分析結(jié)果，系統(tǒng)遠(yuǎn)程提醒工作人員，并控制監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行抓拍碰撞超限的船舶?？看帐芰υ诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)湟?jiàn)圖2。

圖2 靠船墩受力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 實(shí)現(xiàn)靠船墩碰撞力在線(xiàn)檢測(cè)

系統(tǒng)針對(duì)靠船墩的特性以及碰撞力對(duì)靠船墩的影響，利用振動(dòng)傳感器，在高港船閘靠船墩上建立振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。

4.2.2 實(shí)現(xiàn)靠船墩碰撞力告警閾值數(shù)據(jù)分析

靠船墩告警的閾值數(shù)據(jù)直接決定了告警的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)通過(guò)碰撞測(cè)試模擬實(shí)驗(yàn)、受力曲線(xiàn)分析等手段，來(lái)確定靠船墩碰撞力的取值范圍。同時(shí)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析，建立一套告警閾值的自適應(yīng)算法。

4.2.3 實(shí)現(xiàn)靠船墩碰撞告警抓拍取證

在船舶撞擊靠船墩所產(chǎn)生的碰撞力超過(guò)所設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用靠船墩附近攝像頭進(jìn)行抓拍取證，為后期處理提供依據(jù)。

4.3 運(yùn)行說(shuō)明

（1）建立振動(dòng)監(jiān)視的基本框架，設(shè)立必要的傳感器，對(duì)當(dāng)前振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄。軟件系統(tǒng)采用基本的報(bào)警模式，能夠完成報(bào)警功能。

（2）通過(guò)一定時(shí)間的碰撞力監(jiān)測(cè)，積累數(shù)據(jù)資料，在條件成熟后，可建立水浪、船舶靠泊及碰撞三類(lèi)情況的模型。通過(guò)數(shù)學(xué)手段降噪，減少外在干擾對(duì)測(cè)量的影響。

（3）建立完整的結(jié)構(gòu)模型，能夠通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型分析，了解到當(dāng)前靠船墩的實(shí)際狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常立即發(fā)出撞擊報(bào)警并記錄存檔，既可指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作，又能進(jìn)行抓拍和追責(zé)取證。

5 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)通過(guò)在靠船墩上安裝速度類(lèi)傳感器和視頻抓拍系統(tǒng)，通過(guò)后臺(tái)安全管理軟件，對(duì)船舶非正常停靠造成出現(xiàn)超安全值受力的情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并通過(guò)視頻抓拍現(xiàn)場(chǎng)碰撞照片等證據(jù)，為事件后續(xù)處理提供佐證。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)各靠船墩受力等參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)分析比對(duì)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，為工程維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

系統(tǒng)投入運(yùn)行后的3個(gè)月內(nèi)，累計(jì)預(yù)警5次，正確預(yù)警4次，正確率達(dá)80%，通過(guò)預(yù)警抓拍照片發(fā)現(xiàn)了肇事船舶，管理人員及時(shí)對(duì)事件發(fā)生位置的靠船墩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和維護(hù)，有力保障了工程設(shè)施安全。但在夜間，視頻系統(tǒng)畫(huà)面存在著視頻幀數(shù)不高，暗區(qū)畫(huà)面內(nèi)容模糊等現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)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(wú)法提供有力證據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

基于加速度傳感器的船閘靠船墩振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靠船墩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)異常撞擊狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，降低了人工成本。本系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用充分利用信息化手段規(guī)范了船閘養(yǎng)護(hù)工作，提高了養(yǎng)護(hù)管理水平。通過(guò)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)化了養(yǎng)護(hù)工作流程，提供了閉環(huán)管理手段，有效保障了船閘工程設(shè)施的安全運(yùn)行，減少了安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

對(duì)于運(yùn)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。擬對(duì)視頻抓拍系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，對(duì)暗區(qū)較為明顯的位置增設(shè)補(bǔ)光設(shè)備與其聯(lián)動(dòng)。升級(jí)抓拍球機(jī)攝像頭，增加夜視功能和揚(yáng)聲器、暖光燈等，通過(guò)內(nèi)置白光燈和揚(yáng)聲器，觸發(fā)報(bào)警時(shí)可聯(lián)動(dòng)白光閃爍與語(yǔ)音播報(bào)，進(jìn)行事中干預(yù)。通過(guò)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)和視頻AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶即將撞向靠船墩事件的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，進(jìn)行事前預(yù)警。