跨海大桥对船舶交通管理系统在船舶穿越时的影响

2023年12月8日发(作者：苏东坡传简介)

-

第20卷 第10期 中 国 水 运 Vol.20

No.10

2020年 10月

China Water Transport October

2020

跨海大桥对船舶交通管理系统在船舶穿越时的影响

常玉岗，钱森林

（洋山港海事局，上海 201308）

摘 要：本文以上海洋山港东海大桥为例，通过统计、分析给出了船舶穿越跨海大桥时对交通管理系统雷达回波及系统跟踪的定量影响。在此基础上，提出了几种大桥综合监控技术手段及穿越跨海大桥时的通航安全建议。本文从雷达回波、系统跟踪两个维度给出船舶穿越大桥时的统计分析方法，可作为跨海大桥对对船舶交通管理系统性能影响的后评估验证。

关键词：跨海大桥；船舶交通管理系统；雷达回波；系统跟踪；通航安全

中图分类号：U676 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）10-0019-03

引言

当前经略海洋及水上工程日益兴盛，跨海大桥作为一种特殊的交通基础设施不仅极大地影响到空间交通环境及区域经济格局，同时也改变了原有交通环境，致使船舶在桥区水域水上交通事故时有发生[1-2]，带来一定的通航安全风险[3]。船舶交通管理（简称VTS，Vesl Traffic Service）系统作为主管机关维护海上通航安全的重要辅助工具，在监管服务中占据了越来越重要的地位[4]。然而，在船舶穿越跨海大桥时，由于大桥产生的比船体更强烈的雷达回波会对目标船舶造成遮挡，导致雷达下个观测周期不会接收船舶的雷达回波信息，产生目标船舶的系统跟踪航迹屮断现象，给VTS系统持续稳定观测带来极大的挑战[5]，反过来也对船舶穿越跨海大桥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东海大桥为例，首先展示了桥面遮挡雷达回波情况对船舶穿越过程造成的影响，随后通过统计、分析给出了多个雷达共同探测时VTS系统跟踪轨迹的中断范围，在此基础上，提出VTS系统对大桥综合监控的技术途径，并给出了船舶通过跨海大桥时的通航安全建议。

一、东海大桥与VTS系统

东海大桥起始于上海临港，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，大桥宽31.5m，大桥最大主通航孔（即二号孔）离海静空高度达40m，单孔双向航道宽300m，航道中心线由东端点A（30°43′26″N/122°01′05″E）和西端点B（30°43′31″N/121°55′40″E）连线组成，航道长度为8.64km。大桥二号通航孔中心位置（30°43.491′N/121°58.496′E）处设一AIS虚拟浮标 C3；大桥主通航孔东西两侧约500m处各设有防撞实体航标B2-12/B2-13和B2-14/B2-15，如图1所示。

东海大桥通航安全主管部门借助由分布在杭州湾周边水域的多个雷达基站信号、自动识别系统信号（简称AIS：Automatic Indentification System）等组成的VTS系统实现船舶应急搜救、交通组织与信息服务。其中，距离东海收稿日期：2020-05-11

作者简介：常玉岗（1991-），男，硕士，洋山港海事局。

芦潮港

大洋山

小洋山

大戢山

雷达站

名称

雷达天线

高度（m）

75.2

104.5

190.0

91.0

雷达量程

（km）

25

31

49

61

雷达分辨率

（m）

6.0

7.5

12.0

15.0

雷达到C3的距离（km）

19.175

17.969

12.757

21.206

雷达到C3方位

（°）

148.2

324.0

321.7

243.6

大桥主通航孔较近的四个雷达基站分别是芦潮港、大洋山、小洋山及大戢山雷达基站。除大戢山雷达站采用TERMA公司SCANTER-5001系列固态雷达外，其余三个雷达基站均采用TERMA公司SCANTER-2001系列S波段雷达。

图1 东海大桥及周边雷达分布情况

二、船舶通过大桥时对VTS的影响

选取四月某天，气象环境及各雷达状态参数如表1所示。

表1 气象环境及各雷达状态参数

气象环境：东海大桥附近水域偏东风，风力4-5级，浪高0.7-1.3m。

1．大桥对VTS系统雷达回波的影响

为测量大桥对VTS雷达回波的影响，依次单独开启芦潮港、大洋山、小洋山、大戢山雷达，并对东海大桥主通航孔附近桥面进行扫测，记录大桥回波遮挡情况。如图2所示，芦潮港、大洋山、小洋山和大戟山雷达扫测下，大桥桥面雷达回波的遮挡区域宽度分别为378、356、286和342m。 20 中 国 水 运 第20卷

图2 大桥桥面雷达回波的遮挡区域

可见，大桥对VTS系统雷达回波影响范围为102 m数量级。故，在大桥主通航孔范围内研究跨海大桥对VTS系统影响时，可忽略地球曲率对系统测量数据的影响。

在此基础上，观测、记录船舶回波刚好与桥区遮挡区域接触的位置信息Pri及恰好完全驶离时的位置Pro，由下列公式一计算船舶穿越大桥时，桥面对各雷达回波在航道方向的

遮挡范围PrjABriPPro，如表2所示。

PrjABABPriProPriProAB （1）

其中，AB为自东向西方向航道端点A、B连成的矢量线；PriPro为船舶自东向西方向穿越航道时，进入、驶出桥区遮挡位置连成的矢量线。

表2 大桥桥面遮挡对船舶穿越航道时的影响

船舶尺寸信息（单位：m）

航道方向上雷达回波的遮挡范围PrjPP（单位：m）

总长/型宽/吃水

芦潮港雷达 大洋山雷达 小洋山雷达 大戢山雷达

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

船舶穿越时平均回波遮挡范围 581 498 441 493

大桥桥面雷达回波的遮挡区域 378 356 286 342

大桥对雷达回波的遮挡程度 65.06% 71.49% 64.85% 69.37%

由表2可知：（1）东海大桥桥面对雷达回波的遮挡区域为286~378m（平均值约340m）；大桥对船舶穿越时雷达回波的遮挡范围为441~581m（平均值约503m）。不同船舶通过大桥时，桥面遮挡范围对系统雷达探测的影响程度会随着船舶尺寸变化而变化，但这种变化相比大桥本身产生的影响可以忽略；在船舶穿越大桥时，大桥对雷达回波遮挡的影响程度为64.85%~71.49%。（2）在物标距离雷达站20km左右，不同雷达站选址及雷达分辨率会对大桥回波遮挡情况产生一定影响。在船舶穿越大桥时，通过升高雷达站天线、采用优质性能的雷达收发机都会在一定程度上降低大桥遮挡对雷达回波带来的不良影响。

2．大桥对VTS系统跟踪轨迹的影响

为获得大桥对VTS系统跟踪轨迹的影响，同时开启芦潮港、大洋山、小洋山和大戢山雷达，并关闭VTS系统的航迹推测功能，记录船舶进入大桥遮挡区域时VTS系统航迹跟踪恰好丢失的位置Psi及驶离大桥遮挡区时VTS系统航迹跟踪刚好恢复的位置Pso，根据公式一可以算出航道方向上系统跟踪轨迹的丢失范围PrjABPsiPso，记为Plost。

在船舶自东向西穿越大桥主通航孔时，设船台AIS设备在AIS报文播发时刻TK对应的位置点信息为Tais_k，其中K∈（1，2，…，N，…，X），X>N。则总能找到两个AIS播发时刻点TN

、TX，使得船舶系统跟踪轨迹丢失范围恰好包络在Plost区间内，此时AIS报文播发的最小时间间隔Tais及其间的播发次数

Nais 可记为：Nais=X－N；

Tais

=TX－TN。可计算相邻两次AIS播发的平均时间间隔为TaisNais，记作Tais，单位：秒（s）；V为船舶穿越东海大桥遮挡区域时的平均速度，单位：节（knot）。那么，船舶穿越大桥时两相邻AIS播发间隔的平均前进距离为TaisV，记作Dais

，单位：（m）；可得，大桥对船舶穿越航道时VTS系统跟踪的影响，如表3所示。

表3 大桥对VTS系统跟踪的影响（以自东向西穿越为例）

进入时跟踪 驶离时跟踪

船舶

P

T

N

T恰好丢失的位置 恰好恢复的位置

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

系统跟踪轨迹的平均丢失范围 861 426 8 56 8 221

由表3可知，（1）当船舶穿越东海大桥时，系统跟踪轨迹的平均丢失范围为861m；在船舶航速8knot时，通过此

第10期 常玉岗等：跨海大桥对船舶交通管理系统在船舶穿越时的影响 21

跟踪中断区域的时间约为209s（即3.5min）。（2）恰好包络VTS系统跟踪轨迹丢失范围内的最小AIS播发间隔为426s（约7.1min）。船台的AIS设备信息播发次数与船舶平均船速基本成正相关，速度7~9knot时AIS播发次数集中在8次左右且相差不大。但船速过快，会带来相邻两次AIS播发间隔内船舶进距增大，带来通航不安全隐患。在船速7.5~knot时，船舶相邻两次AIS播发间隔内船舶的进距接近平均值221m。

将上表3中船舶跟踪的丢失位置Psi及刚好恢复Pso位置以“×、□、○、Δ、＋、Π、* ”符号直观标记在海图上，如图1左下所示。在船舶自东向西穿越时，蓝色粗实线代表VTS系统跟踪轨迹丢失的合成矢量线，反向行驶（自西向东）时用虚线表示。通过计量两矢量线终点间的距离，在双向通航情况下，船舶穿越东海大桥主通航孔时，大桥对VTS系统跟踪轨迹的影响范围约1,250m。故当船舶穿越大桥时，在主通航孔中心点C3东西两侧各625m范围内，应谨慎驾驶。

三、跨海大桥综合监管手段及通航安全建议

为了弥补雷达在跨海大桥盲区对VTS系统的影响，可以采用综合的监控手段确保船舶穿越桥区水域的航行安全。

（1）在大桥规划建设时，应同步考虑对附近雷达性能的影响。可从雷达站选址（与被监控区域的距离方位）、雷达天线高度及雷达设备型号性能方面综合考虑，同时适当兼顾监控区域恶劣气象带来环境不利因素的影响。

（2）船舶AIS信号可作为一种补充监管技术手段，但应同时考虑船台AIS信息播发的不连续性。船台AIS设备信息播发次数与船舶平均速度成正相关，但船速过快会导致相邻两次AIS播发间隔内的船舶进距增大，带来通航不安全隐患。

（3）船舶自身应遵守桥区水域通航管理有关安全管理规定，采取安全航行措施。以东海大桥为例，1）必要时，随时利用船载VHF设备向主管机关报告船位动态信息。2）船舶应加强瞭望，确保号灯号型正确使用，建议两船间留足安全水域，会遇时并充分协调、沟通。3）船舶在能见度不良等恶劣气象下，应加强值班备班。特别航行到主通航孔中心点东西向近1,250m范围内，建议船长提前约7min到驾驶台辅

助指挥。

（4）补点CCTV可直观展示桥区水域船舶通航状况，但易受制于天气等影响。

四、结论及展望

（1）船舶穿越跨海大桥时，由于大桥对雷达的遮挡，势必会导致船舶跟踪轨迹中断。因此，对跨海大桥规划建设时，应同步从雷达站选址、设备性能方面考虑对船舶交通管理系统的影响。在大桥建设后期，还应至少从大桥对VTS系统雷达回波的影响、对系统跟踪轨迹的影响及AIS信息对系统轨迹中断时的补充辅助等三方面，综合开展对VTS系统性能影响的后评估验证。必要时可进一步考虑设计补盲雷达、CCTV等措施，以减少大桥对船舶交通管理系统带来的不利影响。

（2）不同船舶通过跨海大桥时，桥面遮挡范围对雷达系统的影响程度会随着船舶尺寸变化而变化，但这种变化相比大桥本身产生的影响可以忽略。以东海大桥为例，在船舶穿越时，大桥对雷达回波遮挡的影响程度为64.85%~71.49%。

（3）在VTS系统跟踪轨迹丢失的范围内，可依靠船舶AIS设备来弥补雷达遮挡导致跟踪中断，故船舶穿越东海大桥主通航孔时，确保船载AIS等助航设备正常运行。

（4）进一步，在不同通航环境（气象水文）情况下，通过统计分析大桥对雷达回波、VTS系统跟踪轨迹影响范围的频率分布直方图，可作为跨海大桥通航水域内船舶安全驾驶的辅助参考资料。

参考文献

[1] 石世云，宗艳霞．跨海大桥建设期间海上安全监管探讨[J]．管理科学文摘，2008，（3）：255-256．

[2] 陈宏，陈峰．船舶碰撞大桥事故分析与对策[J]．航海技术，2011，（1）：24-26．

[3] 张媛媛．近年跨海大桥区域效应研究的进展[J]．中国城市研究，2012，7（2）：124-129．

[4] 刘国康，郑建煌．浅析海上风电对船舶交通管理系统的影响[J]．中国水运，2018，18（7）：29-30．

[5] 于影．大桥水域环境下雷达多目标跟踪技术的研究[D]．大连：大连海事大学，2013，06．

本 刊 启 事

来稿凡经本刊使用，如无特殊声明，即视作投稿者同意授权本刊及本刊合作媒体进行信息网络传播及发行。同时，本刊支付的稿费也包括上述所有使用方式的稿费。特此告知。

本刊编辑部

-