跨海大橋對船舶交通管理系統在船舶穿越時的影響

2023年12月8日發(作者：蘇東坡傳簡介)

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第20卷 第10期 中 國 水 運 Vol.20

No.10

2020年 10月

China Water Transport October

2020

跨海大橋對船舶交通管理系統在船舶穿越時的影響

常玉崗，錢森林

（洋山港海事局，上海 201308）

摘 要：本文以上海洋山港東海大橋為例，通過統計、分析給出了船舶穿越跨海大橋時對交通管理系統雷達回波及系統跟蹤的定量影響。在此基礎上，提出了幾種大橋綜合監控技術手段及穿越跨海大橋時的通航安全建議。本文從雷達回波、系統跟蹤兩個維度給出船舶穿越大橋時的統計分析方法，可作為跨海大橋對對船舶交通管理系統性能影響的后評估驗證。

關鍵詞：跨海大橋；船舶交通管理系統；雷達回波；系統跟蹤；通航安全

中圖分類號：U676 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2020）10-0019-03

引言

當前經略海洋及水上工程日益興盛，跨海大橋作為一種特殊的交通基礎設施不僅極大地影響到空間交通環境及區域經濟格局，同時也改變了原有交通環境，致使船舶在橋區水域水上交通事故時有發生[1-2]，帶來一定的通航安全風險[3]。船舶交通管理（簡稱VTS，Vesl Traffic Service）系統作為主管機關維護海上通航安全的重要輔助工具，在監管服務中占據了越來越重要的地位[4]。然而，在船舶穿越跨海大橋時，由于大橋產生的比船體更強烈的雷達回波會對目標船舶造成遮擋，導致雷達下個觀測周期不會接收船舶的雷達回波信息，產生目標船舶的系統跟蹤航跡屮斷現象，給VTS系統持續穩定觀測帶來極大的挑戰[5]，反過來也對船舶穿越跨海大橋水域的安全航行提出了更高的要求。

本文以船舶穿越上海洋山港東海大橋為例，首先展示了橋面遮擋雷達回波情況對船舶穿越過程造成的影響，隨后通過統計、分析給出了多個雷達共同探測時VTS系統跟蹤軌跡的中斷范圍，在此基礎上，提出VTS系統對大橋綜合監控的技術途徑，并給出了船舶通過跨海大橋時的通航安全建議。

一、東海大橋與VTS系統

東海大橋起始于上海臨港，南跨杭州灣北部海域，直達浙江嵊泗縣小洋山島，大橋寬31.5m，大橋最大主通航孔（即二號孔）離海靜空高度達40m，單孔雙向航道寬300m，航道中心線由東端點A（30°43′26″N/122°01′05″E）和西端點B（30°43′31″N/121°55′40″E）連線組成，航道長度為8.64km。大橋二號通航孔中心位置（30°43.491′N/121°58.496′E）處設一AIS虛擬浮標 C3；大橋主通航孔東西兩側約500m處各設有防撞實體航標B2-12/B2-13和B2-14/B2-15，如圖1所示。

東海大橋通航安全主管部門借助由分布在杭州灣周邊水域的多個雷達基站信號、自動識別系統信號（簡稱AIS：Automatic Indentification System）等組成的VTS系統實現船舶應急搜救、交通組織與信息服務。其中，距離東海收稿日期：2020-05-11

作者簡介：常玉崗（1991-），男，碩士，洋山港海事局。

蘆潮港

大洋山

小洋山

大戢山

雷達站

名稱

雷達天線

高度（m）

75.2

104.5

190.0

91.0

雷達量程

（km）

25

31

49

61

雷達分辨率

（m）

6.0

7.5

12.0

15.0

雷達到C3的距離（km）

19.175

17.969

12.757

21.206

雷達到C3方位

（°）

148.2

324.0

321.7

243.6

大橋主通航孔較近的四個雷達基站分別是蘆潮港、大洋山、小洋山及大戢山雷達基站。除大戢山雷達站采用TERMA公司SCANTER-5001系列固態雷達外，其余三個雷達基站均采用TERMA公司SCANTER-2001系列S波段雷達。

圖1 東海大橋及周邊雷達分布情況

二、船舶通過大橋時對VTS的影響

選取四月某天，氣象環境及各雷達狀態參數如表1所示。

表1 氣象環境及各雷達狀態參數

氣象環境：東海大橋附近水域偏東風，風力4-5級，浪高0.7-1.3m。

1．大橋對VTS系統雷達回波的影響

為測量大橋對VTS雷達回波的影響，依次單獨開啟蘆潮港、大洋山、小洋山、大戢山雷達，并對東海大橋主通航孔附近橋面進行掃測，記錄大橋回波遮擋情況。如圖2所示，蘆潮港、大洋山、小洋山和大戟山雷達掃測下，大橋橋面雷達回波的遮擋區域寬度分別為378、356、286和342m。 20 中 國 水 運 第20卷

圖2 大橋橋面雷達回波的遮擋區域

可見，大橋對VTS系統雷達回波影響范圍為102 m數量級。故，在大橋主通航孔范圍內研究跨海大橋對VTS系統影響時，可忽略地球曲率對系統測量數據的影響。

在此基礎上，觀測、記錄船舶回波剛好與橋區遮擋區域接觸的位置信息Pri及恰好完全駛離時的位置Pro，由下列公式一計算船舶穿越大橋時，橋面對各雷達回波在航道方向的

遮擋范圍Prj????????ABriP??Pro，如表2所示。

Prj????????????AB????????AB?PriPro????PriProAB? （1）

?????其中，???AB?為自東向西方向航道端點A、B連成的矢量線；P?riPro為船舶自東向西方向穿越航道時，進入、駛出橋區遮擋位置連成的矢量線。

表2 大橋橋面遮擋對船舶穿越航道時的影響

船舶尺寸信息（單位：m）

航道方向上雷達回波的遮擋范圍Prj??????PP?（單位：m）

總長/型寬/吃水

蘆潮港雷達 大洋山雷達 小洋山雷達 大戢山雷達

船舶1 55.8 / 9.0 / 0.71 547 443 375 434

船舶2 57.3 / 9.8 / 0.8 564 478 401 461

船舶3 58.3 / 7.6 / 0.67 577 483 423 487

船舶4 52.8 / 8.8 / 0.68 614 550 495 502

船舶5 53.85 / 9.8 / 0.75 586 472 426 521

船舶6 53.8 / 8.8 / 0.81 599 560 526 555

船舶穿越時平均回波遮擋范圍 581 498 441 493

大橋橋面雷達回波的遮擋區域 378 356 286 342

大橋對雷達回波的遮擋程度 65.06% 71.49% 64.85% 69.37%

由表2可知：（1）東海大橋橋面對雷達回波的遮擋區域為286~378m（平均值約340m）；大橋對船舶穿越時雷達回波的遮擋范圍為441~581m（平均值約503m）。不同船舶通過大橋時，橋面遮擋范圍對系統雷達探測的影響程度會隨著船舶尺寸變化而變化，但這種變化相比大橋本身產生的影響可以忽略；在船舶穿越大橋時，大橋對雷達回波遮擋的影響程度為64.85%~71.49%。（2）在物標距離雷達站20km左右，不同雷達站選址及雷達分辨率會對大橋回波遮擋情況產生一定影響。在船舶穿越大橋時，通過升高雷達站天線、采用優質性能的雷達收發機都會在一定程度上降低大橋遮擋對雷達回波帶來的不良影響。

2．大橋對VTS系統跟蹤軌跡的影響

為獲得大橋對VTS系統跟蹤軌跡的影響，同時開啟蘆潮港、大洋山、小洋山和大戢山雷達，并關閉VTS系統的航跡推測功能，記錄船舶進入大橋遮擋區域時VTS系統航跡跟蹤恰好丟失的位置Psi及駛離大橋遮擋區時VTS系統航跡跟蹤剛好恢復的位置Pso，根據公式一可以算出航道方向上系統跟蹤軌跡的丟失范圍Prj?????????AB?PsiPso，記為Plost。

在船舶自東向西穿越大橋主通航孔時，設船臺AIS設備在AIS報文播發時刻TK對應的位置點信息為Tais_k，其中K∈（1，2，…，N，…，X），X>N。則總能找到兩個AIS播發時刻點TN

、TX，使得船舶系統跟蹤軌跡丟失范圍恰好包絡在Plost區間內，此時AIS報文播發的最小時間間隔Tais及其間的播發次數

Nais 可記為：Nais=X－N；

Tais

=TX－TN。可計算相鄰兩次AIS播發的平均時間間隔為TaisNais，記作Tais，單位：秒（s）；V為船舶穿越東海大橋遮擋區域時的平均速度，單位：節（knot）。那么，船舶穿越大橋時兩相鄰AIS播發間隔的平均前進距離為Tais?V，記作Dais

，單位：（m）；可得，大橋對船舶穿越航道時VTS系統跟蹤的影響，如表3所示。

表3 大橋對VTS系統跟蹤的影響（以自東向西穿越為例）

進入時跟蹤 駛離時跟蹤

船舶

P

T

N

T恰好丟失的位置 恰好恢復的位置

ais

V

D

30°43.550′N 30°43.521′N

船舶“×” 1179 514 6 86 6 265

121°58.638′E 121°57.892′E

30°43.392′N 30°43.526′N

船舶“□” 1036 456 7 65 7.1 237

121°58.595′E 121°57.944′E

30°43.497′N 30°43.482′N

船舶“○” 870 407 9 45 7.5 174

121°58.576′E 121°58.035′E

30°43.521′N 30°43.502′N

船舶“Δ” 865 455 9 51 8 210

121°58.692′E 121°58.148′E

30°43.476′N 30°43.511′N

船舶“＋” 788 435 6 73 8.5 319

121°58.607′E 121°58.112′E

30°43.504′N 30°43.490′N

船舶“Π” 678 366 13 28 9 130

121°58.604′E 121°58.171′E

30°43.479′E 30°43.507′E

船舶“*” 609 351 8 44 9.5 215

121°58.692′E 121°58.197′E

系統跟蹤軌跡的平均丟失范圍 861 426 8 56 8 221

由表3可知，（1）當船舶穿越東海大橋時，系統跟蹤軌跡的平均丟失范圍為861m；在船舶航速8knot時，通過此

第10期 常玉崗等：跨海大橋對船舶交通管理系統在船舶穿越時的影響 21

跟蹤中斷區域的時間約為209s（即3.5min）。（2）恰好包絡VTS系統跟蹤軌跡丟失范圍內的最小AIS播發間隔為426s（約7.1min）。船臺的AIS設備信息播發次數與船舶平均船速基本成正相關，速度7~9knot時AIS播發次數集中在8次左右且相差不大。但船速過快，會帶來相鄰兩次AIS播發間隔內船舶進距增大，帶來通航不安全隱患。在船速7.5~knot時，船舶相鄰兩次AIS播發間隔內船舶的進距接近平均值221m。

將上表3中船舶跟蹤的丟失位置Psi及剛好恢復Pso位置以“×、□、○、Δ、＋、Π、* ”符號直觀標記在海圖上，如圖1左下所示。在船舶自東向西穿越時，藍色粗實線代表VTS系統跟蹤軌跡丟失的合成矢量線，反向行駛（自西向東）時用虛線表示。通過計量兩矢量線終點間的距離，在雙向通航情況下，船舶穿越東海大橋主通航孔時，大橋對VTS系統跟蹤軌跡的影響范圍約1,250m。故當船舶穿越大橋時，在主通航孔中心點C3東西兩側各625m范圍內，應謹慎駕駛。

三、跨海大橋綜合監管手段及通航安全建議

為了彌補雷達在跨海大橋盲區對VTS系統的影響，可以采用綜合的監控手段確保船舶穿越橋區水域的航行安全。

（1）在大橋規劃建設時，應同步考慮對附近雷達性能的影響。可從雷達站選址（與被監控區域的距離方位）、雷達天線高度及雷達設備型號性能方面綜合考慮，同時適當兼顧監控區域惡劣氣象帶來環境不利因素的影響。

（2）船舶AIS信號可作為一種補充監管技術手段，但應同時考慮船臺AIS信息播發的不連續性。船臺AIS設備信息播發次數與船舶平均速度成正相關，但船速過快會導致相鄰兩次AIS播發間隔內的船舶進距增大，帶來通航不安全隱患。

（3）船舶自身應遵守橋區水域通航管理有關安全管理規定，采取安全航行措施。以東海大橋為例，1）必要時，隨時利用船載VHF設備向主管機關報告船位動態信息。2）船舶應加強瞭望，確保號燈號型正確使用，建議兩船間留足安全水域，會遇時并充分協調、溝通。3）船舶在能見度不良等惡劣氣象下，應加強值班備班。特別航行到主通航孔中心點東西向近1,250m范圍內，建議船長提前約7min到駕駛臺輔

助指揮。

（4）補點CCTV可直觀展示橋區水域船舶通航狀況，但易受制于天氣等影響。

四、結論及展望

（1）船舶穿越跨海大橋時，由于大橋對雷達的遮擋，勢必會導致船舶跟蹤軌跡中斷。因此，對跨海大橋規劃建設時，應同步從雷達站選址、設備性能方面考慮對船舶交通管理系統的影響。在大橋建設后期，還應至少從大橋對VTS系統雷達回波的影響、對系統跟蹤軌跡的影響及AIS信息對系統軌跡中斷時的補充輔助等三方面，綜合開展對VTS系統性能影響的后評估驗證。必要時可進一步考慮設計補盲雷達、CCTV等措施，以減少大橋對船舶交通管理系統帶來的不利影響。

（2）不同船舶通過跨海大橋時，橋面遮擋范圍對雷達系統的影響程度會隨著船舶尺寸變化而變化，但這種變化相比大橋本身產生的影響可以忽略。以東海大橋為例，在船舶穿越時，大橋對雷達回波遮擋的影響程度為64.85%~71.49%。

（3）在VTS系統跟蹤軌跡丟失的范圍內，可依靠船舶AIS設備來彌補雷達遮擋導致跟蹤中斷，故船舶穿越東海大橋主通航孔時，確保船載AIS等助航設備正常運行。

（4）進一步，在不同通航環境（氣象水文）情況下，通過統計分析大橋對雷達回波、VTS系統跟蹤軌跡影響范圍的頻率分布直方圖，可作為跨海大橋通航水域內船舶安全駕駛的輔助參考資料。

參考文獻

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