【港口安全】移动式船舶漂移监测系统

为解决码头靠泊船舶受洋流和季风作用发生漂移，影响现场安全作业的问题，开发移动式船舶漂移监测系统。根据船舶实时位置，利用编码器、PLC、无线模块等实现本地和远程报警，使现场作业人员和船方实时掌握船舶情况，保障生产安全。

港口；船舶漂移；监测系统

北仑第三集装箱码头有限公司（以下简称“北三集司”）现拥有10个总长3 410 m的超大型集装箱泊位，码头前沿水深达-17～-22 m，可靠泊目前世界上最大的集装箱船。随着作业量的增加，大小船靠泊频繁，船舶靠泊后船体受洋流、季风等外力影响偶有漂移的现象发生。船舶发生漂移对码头现场作业会产生严重的安全隐患，有可能对船舶、码头设备造成较大影响。根据北三集司操作部门的统计，# 9～# 11泊位较其他泊位易发生船舶漂移，其中大船由于吃水深、受风面大，较小船更易漂移。

若采用人工监视方式对船舶漂移进行监测，其及时性、安全性较差，因此研发船舶漂移监测报警系统，对船舶在泊情况进行实时监测。

集装箱码头作业现场为立体交叉式作业，环境因素对作业影响较大。引起船舶位置变化的外因主要有潮汐的涨落差、洋流的流速及方向、风力的大小及方向、作业过程中船舶载重量的变化等，其中涨落潮及船舶载重量变化发生的位移为竖直方向位移，是作业过程中的正常现象，不属于漂移范畴，系统将屏蔽这个位移量。本文所指的漂移是指船舶在水平方向上的位置变化。当船舶位置偏移到一定值时，系统能自动向现场和控制中心管理人员发出报警，现场人员及时采取应对措施，保障安全生产。针对现场特点，考虑以下几种监测方案。

1.1　在护轮坎外侧安装传感器

在码头面护轮坎外侧安装多个传感器，利用多个传感器综合分析出船舶的位置信息，达到预定设置值时报警。此方案需在码头前沿布线，安装开关量传感器、距离传感器、报警器等。此方案对船舶的监测性较好，但发生船舶漂移的泊位长度大约1 000 m，距离过长，安装的传感器数量众多，成本较高，且护轮坎被船舶刮擦的概率较大，现场传感器线路易被撞坏，维护的频率也相应增加。

1.2　移动式监测系统

相对于在护轮坎外侧安装传感器的方案，移动式监测箱可根据船舶靠泊位置随时移动，且随用随装，安装方便。监测箱内安装拉绳式编码器、PLC、锂电池、4G网络设备等，编码器一端连磁铁固定在船身侧面，通过拉绳编码器拉绳的长度及角度计算船舶水平漂移量，并实时上传至控制中心，达到预设值时报警。光电编码器具有精度高、分辨率高、频响高、体积小、重量轻及可实现数字量输出等优点。[1] 利用光电编码器，此监测系统使用便捷，维护也相对简单，只要控制测量误差，即可有效监控船舶漂移情况。

1.3　卫星差分定位监测

目前，精度较高的卫星定位和电子罗盘系统可满足定位要求，并通过软件显示船舶漂移的速度、角度、距离等参数。但高精度的定位系统采购成本和维护成本较大，对现场操作人员的要求也较高。由于漂移船舶船型较大，舱面堆存集装箱层数高，现场作业时桥吊前大梁遮挡等因素均会对卫星定位信号产生影响，导致定位数据不准，检测效果不理想。之前曾委托其他公司开发过此类产品，但由于不满足现场监测要求，所以未采用此方案。

综合考虑多方面因素后，决定采用移动式监测系统来监测船舶的在泊情况。

2.1　漂移量获取

船舶在码头作业过程中受到各个外力作用会有3个方向上的漂移，分别以x，y和z轴表示在3个方向上的运动。漂移量计算模型见图1。编码器拉绳出线点为A，磁铁一端吸附在船上，磁铁初始点为B，漂移发生后假设磁铁随船运动至D点，AD方向即为漂移发生后编码器拉绳方向。利用角度传感器可测得AD与yz平面的夹角为α，与xz平面的夹角为θ。

在图1中，AB=z，BC=z’，AD=l，CE=x，DE=y，∠CAE=α，∠DAE=θ，其中z，l，α和θ为编码器测出的已知量。系统需得出的长度值为垂直码头漂移量z’、沿码头侧向漂移量x。上下漂移量y为船舶上下的浮动量，其中数值y不作为漂移的参考。

通过此模型，可以计算出作业船舶在码头面的位置情况，并将数据实时上传至服务器，使前后方生产作业人员都能及时掌握信息。

2.2　硬件部分设计

码头现场为盐湿环境，温度在-10～50℃，现场大型设备作业产生的噪声较大。可移动监测箱可固定在码头面，内部有拉绳式编码器、PLC（带触摸屏）、角度测量编码器、电源控制模块、4G发射模块、声光报警器等。监测箱箱体采用不锈钢制作，底部支架适当增加强度。

拉绳编码器的拉绳长度为5 m，拉绳一端与带有磁铁的钢丝绳相连，磁铁吸附在船身上。拉绳配置保护线缆，固定在箱子上，船舶移动超出距离后将磁铁拉回，避免损坏编码器。另配1根轻质铝合金硬管，长度2.5 m，其一端为钩状，以便把磁铁放置于船身。

拉绳编码器和角度测量编码器的信号接入小型PLC，PLC根据拉绳长度、拉绳角度可计算出船舶前后、离岸漂移的距离，并在触摸屏上显示。当船舶漂移距离超过设定值时，声光报警器报警。移动监测箱箱体装配图见图2。

通过触摸屏可以设定船舶前后漂移、离岸漂移的报警值，并有重置、报警查询等功能，其中：重置包括初始值归零复位、报警复位等；报警查询可查看报警历史记录。

电池采用可充电锂电池，一次充电可满足系统工作60 h，且带有电量指示，当电量低时，低电量指示灯亮。系统有断路开关，在非工作状态时自动关断，以节约电量。

监测箱内有4G无线传输模块，能把测量数据实时传输至后台服务器。

2.3　软件部分设计

软件系统实时反应现场测量数值，到达报警数值后通过电脑外设以声音方式报警，待漂移报警解除后软件系统复位，同时记入报警日志。电脑软件报警界面截图见图3。

除了在电脑上可以看到现场船舶的实时情况外，通过手机App也可以看到船舶的漂移量，监测人员可随时随地掌握船舶情况。手机App界面截图见图4。

由于码头面前沿浇筑有混凝土护轮坎，且护轮坎内侧每隔2 m就有铁环，因此将监测箱放置于护轮坎内侧。另外，为防止操作不当或其他外力致使监测箱掉落，将箱体一保护绳扣在铁环上，即使监测箱掉落也不至于入水报废。同型监测箱制作2套，1套置于船首位置，1套置于船尾位置。

箱体安装后将编码器拉绳一端的磁铁吸附在船体上，使拉绳处于水平绷紧状态。在触摸屏上设置漂移的报警值，按下运行键,系统自动将当前测量值设置为零，并进入监测状态。监测箱现场安装位置见图5。

如船舶发生漂移，在测得的前后漂移值或离岸漂移值中有任意一个值超过设定值，箱体上方安装的声光报警器立即报警，同时控制中心电脑也以声音形式报警，软件记录该报警日志。当报警发生后，现场作业人员及时停止码头设备作业，桥吊吊具出舱，船舶紧缆，待船舶位置复位后恢复现场作业，同时监测箱和控制中心控制软件复位。此为一次报警事件的处理。

自2017年5月移动式船舶漂移监测系统投用以来，已监测作业船舶40余艘次，处置报警事件多次，操作部门对现场的掌控进一步增强，有效降低船舶漂移风险，为码头安全生产提供坚实的保障。