手持式智能船舶吃水及載重測量儀研制

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(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,武漢 430063)

船舶散裝貨物裝卸過程中的載重計量問題一直是困擾交易雙方的一大難題。現(xiàn)階段港口內(nèi)的船舶載重計量仍沿用目測船舶吃水線深度然后計算的方法，這種方法往往帶有主觀性，誤差大，而且因受到港口內(nèi)波浪和船舶的縱橫傾斜等因素的影響，得到的不是精確的吃水值[1]。由于經(jīng)濟利益的原因，發(fā)貨方、收貨方和承運人都對貨物的數(shù)量非常重視，而且越來越精細(xì)、嚴(yán)格，如何準(zhǔn)確計算船舶載重成為急待解決的問題。因此，研制手持式智能船舶吃水及載重測量儀具有廣泛的應(yīng)用價值[2]。本文結(jié)合他人研究經(jīng)驗，研制出手持式智能船舶吃水及載重測量儀，利用激光測距方法采用多點測量措施來消除波浪和船舶浮態(tài)等因素對船舶吃水測量的影響，可以準(zhǔn)確地測得船舶的吃水深度。

1 裝置使用結(jié)構(gòu)

測量儀的結(jié)構(gòu)見圖1。

a) 正面

b) 背面圖1 測量儀結(jié)構(gòu)簡

各部分作用如下。

1) 激光發(fā)射器。主要用于測量時發(fā)出激光束，利用反射原理確定從甲板到水面的高度S。

2) 水平儀。安裝在測量儀的中央，用于標(biāo)示測量過程中儀器是否處于水平。當(dāng)十字線交點處于氣泡正中央時，儀器處于水平面上，即和海平面平行。

3) 手柄。手握手柄便于移動測量儀。

4) 調(diào)平螺栓。當(dāng)水平儀顯示十字線交點未處于氣泡正中央時，用螺絲刀將四個螺栓旋入或旋出，直到交點處于氣泡正中央。注意旋入或旋出速度不可過快。

5) 控制面板。裝有數(shù)字鍵，用于測量數(shù)據(jù)的輸入，系統(tǒng)計算的結(jié)果自動出現(xiàn)在液晶顯示屏上。

6) 掛環(huán)。方便平時將測量儀懸掛在墻壁上。

測量儀使用示意見圖2。

圖2 測量儀使用示意

2 測量原理及測量點選擇

當(dāng)船舶停泊在港口時，裝卸貨物前后都用測量儀進(jìn)行一次操作。

每次操作時，測量儀由1名工作人員手持至測量地點，將測量儀固定到測量點甲板邊緣，調(diào)整測量儀的位置及調(diào)平螺栓，使激光發(fā)出端發(fā)射出的激光束和水面垂直。

待測量儀裝夾穩(wěn)定后，打開激光發(fā)射裝置。由于在垂直方向上，測量儀正好位于水面的正上方，且在水平方向上，測量儀和船體甲板在一個水平面上，所以它垂直向下發(fā)出的信號一定會經(jīng)水面反射而原路返回。由此可以計算出測量儀距水面的高度S，而甲板距船舶龍骨線的高度D是已知，故可以計算出這一測量點的船舶吃水T=D-S。

依此分別在船首、船中、船尾左右舷甲板各測量若干次，總共測量出船舶左右舷各3個點的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。見圖3。

dFP、dFS-船首左(右)吃水測量點，首垂線略向后；dP、dS-船中左(右)吃水測量點；dAP、dAS-船尾左(右)吃水測量點，尾垂線略向前圖3 船舶6個吃水測量點位置示意

將這些數(shù)據(jù)輸入至安裝在手持式測量儀上的控制面板內(nèi)，計算后，船舶載重量G便會自動顯示在液晶顯示屏上。

3 測量方法

船舶吃水深度是反映船舶裝載貨物多少的一個標(biāo)志，準(zhǔn)確測量水位及其變化，可以計算出貨物的裝載量及其變化量，所以，準(zhǔn)確測量船舶吃水十分必要。

由于測量過程會受到波浪的影響，同時船舶在水中有可能處于橫傾和縱傾狀態(tài)，所以想得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)必須要考慮這兩個問題。

3.1 波浪影響消除方法

3.1.1 激光測距確定高度S

船舶停靠在港口，港區(qū)肯定會有不同大小的波浪，在運動方向上都有一個周期，周期可能為幾秒到數(shù)十秒不等。

測量時，由于測量儀的激光發(fā)出端發(fā)出的光束與水面垂直，故激光發(fā)出后經(jīng)水面的反射作用，又沿原路徑返回發(fā)出端。

采用同樣的方法在同一測量點進(jìn)行2次測量，取3次測量結(jié)果的平均值為最終結(jié)果。

激光測距和其他測量距離的方法相比，具有操作簡便、抗干擾能力強、測量精確的特點。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1) 用激光傳感測距儀測甲板到水面的高度，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)周期性的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，確定出此時波浪的周期T1。

2) 首先選定一個測量時間T，設(shè)定T為T1的整數(shù)倍，即T=kT1(k=2，3，4，…)，這樣在指定時間內(nèi)測得的所有數(shù)據(jù)S的平均值S0就可以看作沒有波浪影響即船舶在靜水中時得到的數(shù)據(jù)[3]。

3) 以T為一個周期測量水面距測量儀的距離，設(shè)激光信號一個來回所用的時間為t′，其在空氣中的傳輸速度為v，則可以確定高度S=vt′/2。由此可以得到n個數(shù)據(jù)S1、S2、S3…Sn，計算n個數(shù)據(jù)的平均值S0=(S1+S2+S3+…+Sn)/n。

4) 將上一個步驟重復(fù)3～4次，計算S0的平均值S′，再由T=D-S′得到測點的吃水深度T。

5) 對每一個測量點都采用同樣的方法得到各點的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。

3.2 縱橫傾影響消除方法

3.2.1 計算船舶最終平均吃水

根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述方法確定船舶最終平均吃水。

1) 計算船舶左右舷平均吃水及吃水差t。

(1)

(2)

(3)

t=dF-dA

(4)

2) 對船舶首、尾吃水作垂線修正。

經(jīng)首尾垂線修正后的dF1和dA1分別為：

dF1=dF+CF

(5)

dA1=dA+CA

(6)

水線1-當(dāng)船舶停靠在港口中，未發(fā)生縱橫傾時的假設(shè)水線；水線2-當(dāng)船舶停靠在港口中，存在縱橫傾時的實際水線；LBP-船舶首尾垂線間長度，m；LF-船舶觀測首吃水點至首垂線的水平距離，m；LA-船舶觀測尾吃水點至尾垂線的水平距離，m圖4 吃水的首尾垂線修

圖4中LF和LA的值可在船舶總布置圖或圖4上量取。由此可得船舶首垂線修正量CF和尾垂線修正量CA的求算公式

(7)

(8)

當(dāng)|t|<0.3 m時，可以不做此項修正。

3) 首尾平均吃水。

(9)

4) 計算經(jīng)拱垂變形修正后的最終平均吃水。

首尾與船中的平均吃水dM2為：

(10)

船舶的最終平均吃水dM3為：

(11)

3.2.2 求取船舶排水量

1) 根據(jù)最終吃水dM3，可以在船舶靜水力曲線圖上查取排水量V0。

2) 求取縱傾修正后的排水量V1。

船舶排水量V0的縱傾(漂心)修正如圖5所示。

圖5 排水量的縱傾修

由(12)式求得其修正量W[5]：

(12)

式中：TPC——每厘米吃水噸數(shù)，指裝卸少量貨物時船舶吃水平行于水線面增減1 cm所引起的排水量增減的噸數(shù)。

于是，縱傾修正后的船舶的排水量為：

V1=V0+W

(13)

應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)船舶吃水差的絕對值|t|<0.3 m時，不需進(jìn)行縱傾修正；當(dāng)0.3 m<|t|<1.0 m時，僅需進(jìn)行縱傾的一次修正；當(dāng)|t|>1.0 m時，應(yīng)同時進(jìn)行一次修正和二次修正。

3) 經(jīng)港水密度修正后的排水量。

(14)

海運實踐中應(yīng)使用上述方法求出船舶的排水量，最后進(jìn)行裝貨量的計算。

4) 求測量狀態(tài)下船舶的重量G。

G=ρVg

(15)

前后兩次載重量的差值即為船舶裝載(或卸載)貨物的重量。

4 結(jié)束語

文中研制的船舶吃水測量儀用激光測距的方法進(jìn)行多點測量，消除了船舶吃水測量中波浪造成的不利影響和船舶縱橫傾斜產(chǎn)生的船舶吃水測量誤差，能夠較為精確地測得船舶吃水，從而能夠精確地計算出船舶裝卸貨物的重量，具有良好的測量適應(yīng)性。

[1] 王錦法.水尺計量存在問題的探討[J].天津航海，2005(1):24-25.

[2] 鄭灼輝.一種新型智能化船舶水尺檢測儀[J].中國水運,2006(3):50-51.

[3] 郭順福，郭 慧.一項駁船水尺計重技術(shù)原理[J].造船技術(shù),2003(6):23-24.

[4] 陳 吉.船舶水尺計重誤差及修正[J].中國水運，2006(3):50-51.

[5] 張 鋼.散裝貨物運輸中水尺計重的原則和方法[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報，2005(2):40-44.