一種利用雷達液位技術測量船舶水尺的方法

 

一、引言

        近些年來，隨著我國港岸線資源不斷開發以及國內資源性大宗散貨對外依存度不斷上升，散貨進口量急劇上升。具國家統計局 2013 年統計數字顯示，海上貨運在我國國際貿易運輸中，所占比例高達 87%。近些年來，隨著國內國際情況的變化國內資源性大宗散貨對外依存度不斷上升，散貨進口量急劇上升。以港口城市舟山市為例，2014 年，舟山口岸進口各類法定檢驗大宗散貨 1,187 批次，較上年（1,046批次）增加 13%；鑒定貨物重量 6,064 萬 t，較上年（5,368萬 t）增加 13% 。其中水尺計重 748 批次/3,639 萬 t，較上年（608 批次/2,720 萬 t）同比增長 23%/34%。而傳統的大宗散貨數重量計量方面以水尺作為測量船舶吃水深度的方法較為典型，船舶吃水深度是指船舶浸在水里的深度，是指船舶的底部至船體與水面相連處的垂直距離，在船舶測量領域是一個重要參數，反映了船舶在航行過程中所受的浮力，可以利用它來反映船舶的排水量和載貨能力。

 

        目前船舶吃水深度檢測大多依賴于人工目測的方法，此種方法雖然簡單便捷，但是存在很大的弊端。人工測量方法受能見度、天氣和水波等客觀因素的影響較大，導致測量誤差大，準確性和可靠性低，而且效率比較低。因此，采取一種方便快捷、迅速有效的水尺讀數方法，繼而建立標準化計量方式，提高水尺讀數的精確性，對提高口岸鑒定科學管理水平和維護國際貿易公平、公正等方面具有重要意義。

 

        為此，結合目前已有的雷達液位探測技術研究的相關成果與水尺計重方面已有的經驗，設計研究出船舶吃水測量的新型儀器，該儀器配合船舶本身 6 面水尺進行多次測量，并利用計算單元設計的算法來消除波浪等因素對于計重時的影響。從而達到精確測量船舶吃水的目的。

 

二、設計原理

        設計的核心利用雷達液位探頭測距高精度，高頻率，高穩定性的特點設計了本儀器。船舶雷達水尺測量儀測量工作原理如圖 1 所示，測量儀用可移動三腳架放置于船舶主甲板上，雷達探頭旋轉出船舶側弦并且垂直指向海面。打開雷達液位測量儀，首先連續測量不超過 1min 以獲得雷達探頭至靜海面的垂直距離，扣除已知的三角支架至雷達探頭的距離就可以得到甲板至吃水線距離 D。甲板線至船底距離 L 由船舶自身參數查的。則船舶吃水 H=D-L。

三、測量點的選擇

        根據測量需求，船舶吃水測量系統可以沿船身在左右舷甲板各布置 3 個測點 [2] ，船首頂端，船尾尾端處分別布測測點。總共 6 個觀測點（分別為 ）。其分布如圖 2 如圖所示。

四、儀器結構

        如圖 3 所示，該儀器各部分功能結構介紹如下：三角支架。用于將探頭及儀器整體安放于貨運船舶之上，可以伸縮改變自身高度。以滿足不同的條件下實際操作的需要。11，12，13 三個部分均具有伸縮、旋轉調節功能，通過調節此三個位置來保持儀器平衡與穩定，滿足不同觀測條件下的需要。

 

        雷達液位探頭。探頭外部被防水裝置包裹。防止海水等液體侵入探頭內部使得儀器出現誤差或失效。在本裝置內，雷達波的發射裝置與接收裝置一體，全部集中于圖 3 所示的探頭部分內。雷達傳感器利用特殊的時間間隔調整技術將每秒的回波信號進行放大、定位，然后進行分析處理。因此雷達傳感器可以在 0.1s 內精確細致地分析處理這些被放大的回波信號。

 

        計算部分。內置電源電池，并含有數據接收模塊，處理模塊與集成電路板。CPU 采用雙串口的單片機，一個串口連接雷達探頭，另一個連接無線數傳模塊。由雷達液位探頭獲取的數據進入 CPU 內進行計算。雷達液位探頭所獲取的數據將會通過圖 3 所示的 13 部分內數據線路傳輸至 cup 內，每測量一次，進行一次計算，并將計算結果保存，方便后續得出散貨船舶zui終的載重。

 

        顯示部分。裝有液晶顯示面板，用于顯示測量出來的數據。按鍵部分控制儀器開關與測量次數的計量，重置數據以及輸入相關參數等功能。

五、使用方法

        待船舶停航至預定位置后，由檢測員將儀器攜帶至船舶甲板相應觀測位置之上。打開三腳架，調整儀器支架。使得儀器整體處于穩定狀態。將探頭伸向船舷之外，打開儀器開關后，進行連續一段時間的測量（如連續測量 1min 的數據）。雷達液位計測量出的一系列的數據會直接傳輸至 cup 內進行數據記錄和處理。分別在不同的測量點測量數據，待全部測量點測量完成后，儀器內部的計算單元會將全部測量并收集的數據集中進行綜合校準。并輸出zui終計算結果。其流程如圖 4 所示。

六、數據處理

1．雷達液位測量距離數據處理

        測量時，將雷達液位計的探頭伸向船舶外舷，進行持續至少一分鐘的數據觀測。探頭上接收單元會持續接收發射單元反射回來的雷達波。并計算探頭到水面的距離數據。我們將接收到每一個數據均記錄下來 d（ ），并記錄每次測量所用的時間 T（min）。針對 T 時間段內的 d 值進行積分，即

       

        將得到的 D s 與測量總的時間 T 相除，即可得到探頭至水面的距離 D，即

        

        為保證測量結果的準確性，在每個測量點進行 2~3 次測量，并取平均值作為該點測量值。獲取該測量值后，自動記錄，為后續數據記錄做好準備。

        分別在設計的6個測量點（)分別進行測量 ，得到6個測量值 ，分別記錄（）

 

2．船舶自身誤差因素影響與消除

        根據已有文獻 [3] 與前人進行水尺計重儀器 [4] 研發過程的經驗可知，影響船舶水尺深度讀取的過程中，船舶首尾垂線與拱形修正對于水尺計重存在重要的影響。因此，結合已有的經驗，提出了如下的計算方法減少船舶自身因素的帶來記重誤差。

（1）首尾垂線修正

        由于船舶的首尾吃水應以水線與首尾垂線的交點為準，但由于船體形狀，船舶首尾水尺標志并不在首尾垂線上，故當船舶有縱傾時，吃水值會產生誤差而應予以修正。吃水值 t 由船舶兩側吃水深度決定，即

         

        當 |t| ＜0.3m 時，吃水值對于水尺計重的影響較小，可以忽略不計。當 |t| ＜0.3m，可通過如下的公式獲得修正后的吃水值，即：

            

        其中，CF和CA通過如下公式獲取：

          

        其中，公式中 分別代表如下數值：

        LF為觀測船舶首吃水點至首垂線間的水平距離（由船舶本身結構決定）；LA為觀測船舶尾吃水點至首尾垂線間的水平距離，（由船舶本身結構決定）；L BP 為船舶垂線間長（如圖 5中所示）。

        船上實際工作中，往往根據吃水差值，在船舶首尾垂線修正表（Correction Table of fore and aft draft fon trim）中直接查取即可。

        則通過以上修正可得到的船舶首尾平均吃水為

       

（2）船舶拱垂修正

        散貨船在滿載狀態下，由于沿著船舶航行的方向上，船身各部分所受海水及波浪產生的不均，會產生船舶整體變形的效果，造成船舶的中拱或中垂變形。目前針對船舶的拱垂變形，再計重中通常采用如下的做法進行修正。

        1）計算首尾平均吃水與船中平均吃水的平均值：

2）計算經拱垂修正后的平均吃水：

 

（3）船舶排水量縱傾修正

        獲取船舶吃水量 D 2 后，可以根據船舶自身設計查得船體載運貨物后的吃水量，記為 V 0

        船舶縱傾修正排水的修正值計算公式如下：

        式中各項意義如下：

       為船舶漂心距船體中心的距離；TPC 為船舶每厘米吃水噸數，指當貨運船舶裝卸少量貨物引起船舶吃水水線面增減 1cm 所引起的排水量減少的噸數；為船舶經拱垂修正平均吃水贏 D2處的厘米縱傾力矩（MTC）的變化率，即在吃水為贏 D2時，當吃水增、減各 0．5 m 時的每厘米縱傾力矩的變化值。（當船舶吃水差的絕對值 |t| ＜0.3m 時，不需進行縱傾修正；當 0.3m< |t| <1.0m 時，僅需進行縱傾中第一項的修正；當 |t| >1.0m 時，進行全部的修正。）經過縱傾修正后的船舶的排水量為：

 

3．船舶停泊港密度修正

        由于不同停泊港區海水密度不同，因此，要根據船舶停泊區域進行密度校準。進行一次密度修正

       

 

（ρ為船舶停泊海區海水的密度，ρ0為標準密度，一般取值為 1.025kg/m 3 ）

 

4．船舶載重量zui終獲取

        根據阿基米德原理，在獲取了船舶吃水排水體積后，根據公式G=ρvg獲取船舶載重量 G。分別在船舶裝卸貨前后獲得兩次不同重量，則zui終得到船舶的所運載的貨物的重量為： （16）

 

七、實驗結果與分析

        為了驗證雷達液位技術測量船舶水尺方法的準確性，于2016 年 5 月 4 日前后在浙江省舟山某碼頭進行了一次對比實驗。本次實驗中，為了避免人工讀取水尺存在的誤差，選取了水下壓力計（壓力計通過其探頭所在水體所受壓力不同可以反演出其距水體表面的高度。）的測量結果與實驗樣機的結果進行對比。實驗方案說明如圖 6 所示。

        如圖，待船舶停泊至碼頭后，在低潮時段，通過工作小艇將水體壓力計安裝固定至船底 A 位置。當水位上漲時，水體淹沒船底，壓力計開始工作測量船底所在位置距離海表的距離 H（即為船舶實際吃水深度，以下簡稱水位計吃水）；與此同時，使用實驗樣機進行觀測，測量船舶外舷至海表的距離 DZ；用船舶自身的高度 L 與雷達液位計測得水位 DZ 相減得到結果（DP=L-DZ），即為液位計測得船舶吃水深度，以下簡稱壓力計吃水。

 

        依據以上方案，進行了 30 組比測實驗，結果記錄如下：

        如上圖所示，將壓力計測得船舶吃水深度視為準確值，與液位計吃水深度進行橫向比較。從表 1 中可以看出，液位計測量結果誤差范圍在-0.5%~+0.11%之間，平均誤差為0.43%，誤差浮動小于 5mm，符合儀器設計之初的預期，可認為本儀器具有較高可靠性。

 

八、結論與展望

        本文以雷達液位技術為基礎，設計了一套測量船舶吃水的儀器。通過理論論證與實際檢測的方法驗證了這種儀器的準確性。為船舶水尺計重的精確化提供新的思路與硬件支持。

        我國正在大力推行“一帶一路”戰略。可以預見的是，未來一段時間我國的進出口貿易將會迎來一個高速發展時期，并對計量、稱重方面的要求會越來越高。通過高效的測量儀器，減少船舶在港口滯留時間，以此提高港口運行效率。本文中針對目前存在的人工船舶水尺計重效率較低，安全性相對較差等問題進行探究。以雷達液位測距技術為依托，結合已有的在船舶水尺計重的方法，消除波浪，船身傾斜等因素對于船舶計重的影響，從而達到準確測量船舶吃水的目的，符合未來發展趨勢，具有較好的應用前景與開發價值。