论文部分内容阅读
【摘 要】为有效监控库区水域船舶，避免其撞击大坝，提高大坝的安全性，文章探讨了防止船舶撞击大坝的预警系统建设的必要性和可行性，并从功能性及经济性角度对实现预警系统几种技术进行比较，为实现建设预警系统提供思路。
【关键词】大坝船舶预警;雷达成像;AIS;视频监控;激光传感器
【中图分类号】TV698.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）12-0032-02
1 现状及必要性
随着我国经济及水利事业的不断发展，各种水利工程项目变得越来越多，水利水电大坝工程建设及运行受关注程度越来越高，人们也开始日益重视大坝的安全。
目前，随着水上交通运输的不断发展，水域流量与安全的矛盾日渐突出，船舶的数量越多，航道管理的复杂性越高，对大坝安全的威胁性也越大。同时，大坝上游库区河道上有许多打鱼船、挖沙船、渡船等船舶，船舶可能会因为管理不当、水流流速的增大、风速过大等原因脱离控制。而当出现失控的船舶时，若未能及时预警和及时采取措施而任由其发展，会对大坝造成极大的安全隐患。
当前大多数电厂对于大坝安全，往往能够做到编制防止大型漂浮物的应急预案及开展演练等，但预警手段多数还是靠在洪水期人为的目测。而目测往往受到视距、视敏度、视野等因素影响，若未能及时发现并采取措施，就有可能造成大型漂浮物对下游大坝产生撞击，导致大坝溃坝、水工建筑物受损、大坝机电设备泄洪闸门受损等，对大坝安全造成极大危害。而库区运行的船舶是最常见的大型漂浮物，因此，为保证大坝安全，构造一种对大坝安全性造成威胁的船舶提出预警及警告的系统很有必要。
通过构建预警系统，采用远程监控报警代替人工报警，对进入监控范围内的船舶进行实时监测和报警，提高监管质量与效率，可以使得电厂决策判断的时间更为充裕，避险应急能力大大地提高，能够大大降低事故发生率，同时也为附近水域航行、作业等提供更可靠的保障。
2 预警的技术支持
2.1 基于雷达成像系统的方式
雷达的工作原理是通过对目标发射电磁波再接收反射波来探测目标。设备在接收反射波后进行处理以此获取监测目标与电磁波发射点间的距离、目标的径向速度、方位与高度等物理信息。雷达的基本作用是对目标的探测、定位和跟踪。
2.2 基于AIS系统的方式
船舶自动识别系统（AIS系统）是由岸基（基站）设施和船载设备共同作用组成的一套系统，是基于卫星定位的设备，能够自动发射和接收船舶识别信息。AIS消息提供的数据包含船舶类型、船长宽、航行方向、航行速度、航行轨迹等。其主要功能有为对安装AIS船载设备的船舶进行自动识别和信息交流，从而能有效避免船舶碰撞，同时对船舶进行持续的监视及搜集航行信息。
2.3 基于视频监控系统的方式
视频监控系统是利用视频技术来探测、监视一定区域并实时显示、记录现场图像的电子系统。一般情况下，完整的视频监控系统应由摄像、传输、控制、显示和记录五大部分设备构成。摄像设备采集视频图像信号后，通过网络线缆或同轴视频电缆将视频图像传输到控制设备，控制设备再将视频信号分配到各显示设备，以及将视频图像信息记录到存储设备中。
2.4 基于激光传感器的系统
激光作为一种能量高度集中的光源，按照单边发射，单边接收的方式工作，广泛应用于各种复杂环境，是现代安防及智能化领域重要的探测设备。激光由激光发射机发射出后由激光接收机接收并处理，形成单束或多束激光束，以此为警戒线，采用遮挡主动入侵警报方式进行警报。
3 各种手段的优缺点
雷达：其最主要的优点是受能见度影响小、监测的范围广，无论白天还是黑夜都能监测到远距离目标，精度高，能较容易地获取船舶信息，穿透能力强，其作为一种主动的监测手段能实现主动监测，但其信号存在盲区，对于被遮挡的目标很难监测到，采集到的模拟信号无准确物理含义的关键信息，在恶劣天气易受雨雪干扰，受复杂情况影响会产生假回波等情况。
AIS：其最主要的优点在于不存在盲区，天气与河道情况影响小，没有假回波，有较高的稳定性和可靠性，可以克服障碍物遮挡，所监测到船舶的信息比较完善。缺点主要其属于被动式监管，只有安装了AIS设备的船舶才能被监测到，而且费用不低，内河航运大多数船舶承担不起设备费用，目前还达不到在我国内河航运普遍实施的条件。
视频监控：目前的视频监控系统已经能在复杂的背景中自动识别目标，对进入其监测范围的目标能对其自动识别，并作出自动报警与判断。但监控视频的监控范围小盲区较大。且视频监控机器视觉算法不够精确，需结合人工辅助才能完成目标监测和最终判断。其主要缺点在于系统受自然环境条件影响较大，受能见度影响较大，只有天气晴朗、日照条件良好的情况下才能比较准确的反映船舶情况，黑夜、雨雪天气等都会严重影响它的效果。
激光：激光测距传感器有较强的实时性、速度较快、探测距离长，能保证远距离的工作，在同等环境下，激光的传输衰减远小于其他同类探测器，恶劣天气时依然能保持较强的穿透能力，减少恶劣天气时的误报率，监测信息的精度较高，安全可靠隐蔽性好，激光束发射功率密度大，激光束的方向性极好，因此光能集中，传输效率高，同时它的成本较低，性价比高。
4 建议
当预算较低时可以采取激光传感器系统，比较经济且性价比较高。当预算较充裕时可以几种技术相结合互补，例如在河道上监测船舶的地点设置雷达设备、抓拍控制器、视频监控摄像机、闪光灯等设备用于船舶检测，同时捕捉船舶图片，将采集到的信息存储至管理机，并由管理机进行分析后完成两类信息传输，一是将超速船舶信息传输给交换机，二是将采集的超速船舶完整信息和拍照图像传输给监控中心。同时，最好是能设置两道预警系统，第一道设在离大坝较远的上游处，能初步的对船舶信息进行分析，第二道设在离大坝较近的地方，能更加精确地判断船舶的危险性。定报警标准时，也可以多定几个标准，例如5 km预警、3 km预警、2 km一般报警、1 km紧急报警、500 m紧急报警等并给出报警提示和处置措施。
目前，在桥梁防撞、桥墩防撞方面已经有不少研究和实际应用的例子可以借鉴参考，当建设大坝防撞系统时可以以此为参考。
5 预警后处置
预警只是手段，当出现失控船舶有撞击大坝的风险时，如何在有效预警的前提下做好处置工作才能真正有效地保证大坝的安全。当收到有可疑船舶预警，首先要判断该船舶是否失控，若只是正常行驶，可正常通过引航道、船闸到下游河道，若船舶已失控，在联系相关部门的基础上，判断是否满足临时锚泊的条件，若满足可对船舶进行临时锚泊，若锚泊不了且继续失控向大坝方向前进，在确认船上无人员的情况下可以通过降低库水位，控制闸门开度引导船舶通过溢洪道往下游排，并通知下游大坝管理部门做好准备。
6 结语
本文从现状分析了防止船舶撞击大坝的预警的必要性，通过对雷达、AIS、视频监控、激光几种技术分析了防止船舶撞击大坝的预警的可行性，目前从技术角度来看防止船舶撞击大坝的预警已经能实现，但是目前实际应用的实例非常少，除了资金方面的因素，管理方面的因素也是很值得我们探讨的。
参 考 文 献
[1]郭浩，张晰，安居白，等.基于船舶AIS信息的可疑船舶监测研究[J].交通信息與安全，2013（4）：67-72.
[2]丰玮，李芬，王迅，基于激光传感器的内河船舶交通量观测系统的研究与应用[J].中国水运，2012（2）：61-63.
[3]李跃新，罗荣桂，袁泓.桥墩防撞智能预警报警系统设计[J].湖北大学学报（自然科学版），2005（9）：227-230.
【关键词】大坝船舶预警;雷达成像;AIS;视频监控;激光传感器
【中图分类号】TV698.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）12-0032-02
1 现状及必要性
随着我国经济及水利事业的不断发展，各种水利工程项目变得越来越多，水利水电大坝工程建设及运行受关注程度越来越高，人们也开始日益重视大坝的安全。
目前，随着水上交通运输的不断发展，水域流量与安全的矛盾日渐突出，船舶的数量越多，航道管理的复杂性越高，对大坝安全的威胁性也越大。同时，大坝上游库区河道上有许多打鱼船、挖沙船、渡船等船舶，船舶可能会因为管理不当、水流流速的增大、风速过大等原因脱离控制。而当出现失控的船舶时，若未能及时预警和及时采取措施而任由其发展，会对大坝造成极大的安全隐患。
当前大多数电厂对于大坝安全，往往能够做到编制防止大型漂浮物的应急预案及开展演练等，但预警手段多数还是靠在洪水期人为的目测。而目测往往受到视距、视敏度、视野等因素影响，若未能及时发现并采取措施，就有可能造成大型漂浮物对下游大坝产生撞击，导致大坝溃坝、水工建筑物受损、大坝机电设备泄洪闸门受损等，对大坝安全造成极大危害。而库区运行的船舶是最常见的大型漂浮物，因此，为保证大坝安全，构造一种对大坝安全性造成威胁的船舶提出预警及警告的系统很有必要。
通过构建预警系统，采用远程监控报警代替人工报警，对进入监控范围内的船舶进行实时监测和报警，提高监管质量与效率，可以使得电厂决策判断的时间更为充裕，避险应急能力大大地提高，能够大大降低事故发生率，同时也为附近水域航行、作业等提供更可靠的保障。
2 预警的技术支持
2.1 基于雷达成像系统的方式
雷达的工作原理是通过对目标发射电磁波再接收反射波来探测目标。设备在接收反射波后进行处理以此获取监测目标与电磁波发射点间的距离、目标的径向速度、方位与高度等物理信息。雷达的基本作用是对目标的探测、定位和跟踪。
2.2 基于AIS系统的方式
船舶自动识别系统（AIS系统）是由岸基（基站）设施和船载设备共同作用组成的一套系统，是基于卫星定位的设备，能够自动发射和接收船舶识别信息。AIS消息提供的数据包含船舶类型、船长宽、航行方向、航行速度、航行轨迹等。其主要功能有为对安装AIS船载设备的船舶进行自动识别和信息交流，从而能有效避免船舶碰撞，同时对船舶进行持续的监视及搜集航行信息。
2.3 基于视频监控系统的方式
视频监控系统是利用视频技术来探测、监视一定区域并实时显示、记录现场图像的电子系统。一般情况下，完整的视频监控系统应由摄像、传输、控制、显示和记录五大部分设备构成。摄像设备采集视频图像信号后，通过网络线缆或同轴视频电缆将视频图像传输到控制设备，控制设备再将视频信号分配到各显示设备，以及将视频图像信息记录到存储设备中。
2.4 基于激光传感器的系统
激光作为一种能量高度集中的光源，按照单边发射，单边接收的方式工作，广泛应用于各种复杂环境，是现代安防及智能化领域重要的探测设备。激光由激光发射机发射出后由激光接收机接收并处理，形成单束或多束激光束，以此为警戒线，采用遮挡主动入侵警报方式进行警报。
3 各种手段的优缺点
雷达：其最主要的优点是受能见度影响小、监测的范围广，无论白天还是黑夜都能监测到远距离目标，精度高，能较容易地获取船舶信息，穿透能力强，其作为一种主动的监测手段能实现主动监测，但其信号存在盲区，对于被遮挡的目标很难监测到，采集到的模拟信号无准确物理含义的关键信息，在恶劣天气易受雨雪干扰，受复杂情况影响会产生假回波等情况。
AIS：其最主要的优点在于不存在盲区，天气与河道情况影响小，没有假回波，有较高的稳定性和可靠性，可以克服障碍物遮挡，所监测到船舶的信息比较完善。缺点主要其属于被动式监管，只有安装了AIS设备的船舶才能被监测到，而且费用不低，内河航运大多数船舶承担不起设备费用，目前还达不到在我国内河航运普遍实施的条件。
视频监控：目前的视频监控系统已经能在复杂的背景中自动识别目标，对进入其监测范围的目标能对其自动识别，并作出自动报警与判断。但监控视频的监控范围小盲区较大。且视频监控机器视觉算法不够精确，需结合人工辅助才能完成目标监测和最终判断。其主要缺点在于系统受自然环境条件影响较大，受能见度影响较大，只有天气晴朗、日照条件良好的情况下才能比较准确的反映船舶情况，黑夜、雨雪天气等都会严重影响它的效果。
激光：激光测距传感器有较强的实时性、速度较快、探测距离长，能保证远距离的工作，在同等环境下，激光的传输衰减远小于其他同类探测器，恶劣天气时依然能保持较强的穿透能力，减少恶劣天气时的误报率，监测信息的精度较高，安全可靠隐蔽性好，激光束发射功率密度大，激光束的方向性极好，因此光能集中，传输效率高，同时它的成本较低，性价比高。
4 建议
当预算较低时可以采取激光传感器系统，比较经济且性价比较高。当预算较充裕时可以几种技术相结合互补，例如在河道上监测船舶的地点设置雷达设备、抓拍控制器、视频监控摄像机、闪光灯等设备用于船舶检测，同时捕捉船舶图片，将采集到的信息存储至管理机，并由管理机进行分析后完成两类信息传输，一是将超速船舶信息传输给交换机，二是将采集的超速船舶完整信息和拍照图像传输给监控中心。同时，最好是能设置两道预警系统，第一道设在离大坝较远的上游处，能初步的对船舶信息进行分析，第二道设在离大坝较近的地方，能更加精确地判断船舶的危险性。定报警标准时，也可以多定几个标准，例如5 km预警、3 km预警、2 km一般报警、1 km紧急报警、500 m紧急报警等并给出报警提示和处置措施。
目前，在桥梁防撞、桥墩防撞方面已经有不少研究和实际应用的例子可以借鉴参考，当建设大坝防撞系统时可以以此为参考。
5 预警后处置
预警只是手段，当出现失控船舶有撞击大坝的风险时，如何在有效预警的前提下做好处置工作才能真正有效地保证大坝的安全。当收到有可疑船舶预警，首先要判断该船舶是否失控，若只是正常行驶，可正常通过引航道、船闸到下游河道，若船舶已失控，在联系相关部门的基础上，判断是否满足临时锚泊的条件，若满足可对船舶进行临时锚泊，若锚泊不了且继续失控向大坝方向前进，在确认船上无人员的情况下可以通过降低库水位，控制闸门开度引导船舶通过溢洪道往下游排，并通知下游大坝管理部门做好准备。
6 结语
本文从现状分析了防止船舶撞击大坝的预警的必要性，通过对雷达、AIS、视频监控、激光几种技术分析了防止船舶撞击大坝的预警的可行性，目前从技术角度来看防止船舶撞击大坝的预警已经能实现，但是目前实际应用的实例非常少，除了资金方面的因素，管理方面的因素也是很值得我们探讨的。
参 考 文 献
[1]郭浩，张晰，安居白，等.基于船舶AIS信息的可疑船舶监测研究[J].交通信息與安全，2013（4）：67-72.
[2]丰玮，李芬，王迅，基于激光传感器的内河船舶交通量观测系统的研究与应用[J].中国水运，2012（2）：61-63.
[3]李跃新，罗荣桂，袁泓.桥墩防撞智能预警报警系统设计[J].湖北大学学报（自然科学版），2005（9）：227-230.