0 引　言

受制于船舶吃水深度数据自动检测技术和装备技术水平，常规的船舶吃水深度的主要检测方式为人工观察船舶吃水线和安检人员登船现场测量^[1-2]。这种方式归纳起来有2点不足：一是检测数据为直接测量+间接计算所得，不具有直观性且准确性无法保证，执法依据的权威性有待提升；二是考虑到人工检测大量船舶，工程量大，无法做到悉数检测，存在一定的安全隐患。为解决这一难题，国内从事交通和海洋研究的科研院所自2013年开始，通过现场踏勘、技术论证、模型实验、项目实施和检测效果验证等手段，持续不断地开展船舶吃水深度数据的检测、监测技术的研究，研发了适合于开敞、自然、快流速、大水位落差水域的船舶吃水深度数据进行实时检测及预警监测的动态船舶吃水检测系统。该系统通过前置检测的方式，能够最大限度降低船舶在航道、船闸、枢纽内碰撞、搁浅事故和因沉船等导致的航道阻断事故发生的概率，提升船舶进出港和通航效率，对推动通航船舶吃水数据的监测及监管具有积极意义。

1 吃水检测关键技术 1.1 吃水检测技术及实验验证

船舶吃水检测技术主要有固定基础仰扫检测法（固基法）、水中固定侧扫检测法（侧扫法）、浮式动态检测法（动检法）等，根据安装基础的形式，检测系统的设备配置、技术方案和检测算法有较大不同，固基法和侧扫法对安装基础的稳定性要求较高，常常以闸室、引航道、靠船墩等为基础建设，对布设区域的水文条件、航道宽度、航道气象等要求较高，自然航道或无稳态固定基础时，系统稳定性和检测精度迅速下降甚至失效。动检法主要以浮动基础如趸船、导航浮堤等为安装基础，理论上可以根据检测要求实现全航道等宽度布设，对布设条件适应性高。动检法关键技术物理模型试验采用的是1∶5等比例模型，于2016年4月开始，为期6个月，模型试验如图1所示。

通过自然流速、人工模拟流速、船舶尾流模拟等试验，对0.9 m/s，1.7 m/s，2.5 m/s等3种典型流速状态下的试验数据进行采集、整理、分析、计算，获取了动检法在不同流速、流态和气象条件下的大量基础性试验数据，验证了关键技术的可行性、可靠性，并实现在不同船舶、通航条件和水文气象条件下检测技术和检测结果的可靠重现。同时，通过此次试验，解决了不稳定流态下悬浮结构稳定性控制、导流截面优化、涡激振动效应和横杆升力控制等技术难题，测试验证了通航船舶螺旋桨尾流、支撑结构偏摆角度等与检测精度关联性，为检测系统的研发积累了丰富的第一手数据、设计依据和实施经验。

1.2 关键技术及主要创新

很长一段时间以来，与吃水检测相关的工艺、技术和算法大多以理论计算和实验模型为主，无法有效满足检测需求和“超吃水”船舶通航调度管理流程需要^[1]。通过物理模型试验，为实现动检法技术工程应用采用的多项关键技术得到充分验证，突破了实验室理论，实现多项技术成果创新并具备推广应用条件。

1）基于复杂水域环境的离岸式动态船舶吃水检测集成关键技术，解决传感器等设备水下支撑结构（检测横杆）稳定性和偏摆控制，检测设备集群、信息系统集成和智能运算，检测装置防洪及便捷布放等问题，实现船舶吃水检测技术由实验室向大规模推广应用的技术突破。

2）单边柔性支撑水下悬浮长细结构姿态控制关键技术采用绕流面结构优化、阻尼孔式腔体调节注排水等技术方法，解决了水下长细结构水流水位自适应与调平技术难题，实现了水下测量装置的姿态控制，实现吃水检测装置2.5 m/s流速稳定工作，3.5 m/s流速结构整体安全可靠，横断面±1°偏摆控制并有效消除涡激振动影响^[3-4]。

3）基于时分/空分复用原理的单波束声呐集群关键技术，解决了多传感器信号混叠和单波束声呐阵列数据处理难题，实现了船舶吃水高精度测量、传感器无限集群和有效数据100%采集，降低建造成本30%。

4）创新了基于AIS大数据的船舶实时位置信息推演算法，采用AIS大数据和LSTM神经网络模型，实现了船舶位置的全过程、高频次、实时动态追踪，将捕捉区域面积缩减70%，计算精度提升50%，实现了航行密集区被检船舶和检测数据的精确匹配^[4]。

2 技术应用及实际成效 2.1 技术方案及工程应用

基于浮式动态检测法关键技术研发的通航船舶吃水检测装置于2016年成功的在示范工程中得以应用，布置形式如图2所示。

该装置的设备、工艺及算法实现了全国产化和首次应用，采用的集成组装技术、快速布放工艺、单边柔性支撑水下悬浮长细结构姿态控制技术、双自由度释放铰约束连接技术、绕流面优化结构型式、船舶实时位置信息推演算法、智能化应用系统等多项技术为检测系统的大范围推广应用扫除障碍，使检测装置能够适应风、雾、流等多变条件下不同流域的快速、安全、可靠、自由布放，具备全流域、全系统推广条件。系统主要经济技术指标如下：

1）适应航道主尺度有效检测宽度70 m；

2）适应船舶主尺度130 m×17.2 m×4.3 m（最大船型）；

3）吃水深度检测范围0.0～9.0 m；

4）检测精度优于±10 cm，最高±5 cm；

5）检测结果响应时间≤10 s；

6）抗水流指标作业≤2.5 m/s，抗洪≤3.5 m/s；

7）被检船舶无限速，不停船检测。

2.2 技术应用成效

示范应用工程通过建设2套船舶吃水检测装置（双浮和单浮吃水检测设施各1套），实现长江三峡河段上行、下行船舶的吃水数据实时检测。双浮吃水检测装置布置在三峡大坝上游杉木溪口负责下行船舶的吃水检测；单浮吃水检测装置布置在葛洲坝下游长江上游航道里程2.1 km处负责上行船舶的吃水检测。自2018年6月～2020年6月底，2套检测装置累计检测过检船舶23160艘次，检测精度误差±10 cm内的比例达90%以上。通过实际检测确认吃水合格的船舶21970艘次，发现吃水不合格的船舶1190艘次且人工复测与系统测量结果吻合，大幅降低了现场安检人员的工作强度。通过多年实际运行，船舶吃水动态检测系统能够精准识别船舶身份，精确测量船体尺寸，实时展现船体三维动态测量结果，使用效果良好，如图3所示。

船舶吃水检测装置首次实现船体精准识别及高精度吃水检测数据智能优化应用，检测精度优于±10 cm，最高可达±3 cm^[5]。通过解决船舶尾流噪声对检测精度的干扰问题，实现不停车、不减速过检，检测效率相对传统人工测量提升约90倍，检测技术指标行业领先。该装置的应用重构过闸前安检程序，解决了船舶吃水数据检测难度高、工作量大、人为干预因素多、检测数据精度低等行业难题，实现船舶吃水检测数据的可追溯性和不可篡改，促进安检流程科学化、高效化、智能化和合法化发展，为通航船舶的高精度安检助力。

3 发展前景

浮式动态检测技术填补多项国内外空白，开创性实现在自然流域的首次工程化应用，有效解决了长期困扰行业监管的难点、热点、痛点问题，实现前置检测及预警技术和装备“零”的突破。检测装置的应用开创船舶吃水数据前置检测技术的行业先河，大幅提升了船舶吃水检测技术和装备智能化、无人化水平，为船舶安检技术与装备的创新提供了强有力的技术支撑。通过在示范工程多年的运行实效检验，该装置的研发及应用有利于船舶安检流程的科学化、高效化和合法化发展，具有重要的科技支撑和先导示范作用。技术成果在保障通航建筑物通航安全、完善科学执法手段、为通航指挥调度提供准确信息、规范船舶通航行为、提高诚信度等方面将发挥重要作用。

浮式动态检测技术及其检测系统的推广应用，在保障船舶安全通过通航建筑物，为通航管理部门科学执法提供手段，为通航指挥调度提供准确信息，科学、合理、高效安排通航，规范船舶通航行为，提高诚信度，提升船舶通航水域监管技术及手段等方面发挥重要功效。下一阶段，通过加大检测技术的体系化、系列化攻关力度，将船舶高度检测、气象监测、船舶航行碰撞预警、载重吨测算等船舶监测、预警难题依托该系统逐步融合，实现通航船舶全流域、立体化监管技术及成套装备的全方位突破将具有广泛的应用领域及前景。根据技术成果在长江三峡库区和葛洲坝枢纽工程成功应用的实际效果，动态船舶吃水技术大幅提升了船舶过闸吃水检查效率和检测精度，实现了提前预警，提高了船舶过闸效率和安全性，具有广阔推广应用前景。

4 结　语

浮式动态检测技术打破技术壁垒，创建了快捷、高效、精准的船舶吃水实时检测系统，实现船舶吃水检测技术与装备的质的飞跃。成果应用推动了海事监管技术与装备向智能化的迈进，推动了监管手段和装备的升级换代，为桥坝区安检技术与装备的创新和跨越提供了强有力的技术支撑。项目形成的实验成果、技术样本、操作规程、工程案例和工程应用实际数据为国内科研院所和监管部门开展有关技术研究提供了必要的技术和条件支撑，具有技术引领和产业指引作用。工程应用的顺利实施有利于推动船舶吃水检测系统标准化、体系化建设，有利于标准规范、规章制度的编制和完善，有利于船舶吃水检测监测产业的良性循环和长远发展，为实现行业技术跨越和技术进步打下了坚实的基础。