基于最小二乘法的船舶噸位計(jì)算模型

楊正 歐陽文全 汪乾 王元智 蔣凱

摘要：為更高效且準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)船舶噸位即排水量的測(cè)量，通過多個(gè)超聲波換能器和速度傳感器測(cè)量多點(diǎn)距離和船舶速度，應(yīng)用最小二乘法擬合曲線來計(jì)算船舶截面的面積，并建立船舶噸位算法模型，利用MATLAB對(duì)該模型進(jìn)行仿真。通過在泰州船閘處的實(shí)際運(yùn)用案例驗(yàn)證該模型的可行性。對(duì)比MATLAB仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用該模型計(jì)算的船舶噸位誤差較小。該模型可以更高效且準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)船舶噸位的測(cè)量，是一種可以代替人工測(cè)量估算船舶噸位的有效方法。

關(guān)鍵詞：船舶噸位; 最小二乘法; MATLAB; 超聲波換能器

中圖分類號(hào)： U692.7;U641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：For more efficient and accurate measurement of ship tonnage， i.e. displacement， the multi-point distance and ship speed are measured by multiple ultrasonic transducers and speed sensors， the area of the ships section is calculated by fitting the curve with the least square method， and a ship tonnage algorithm model is established. MATLAB is used to simulate the model. The feasibility of the model is verified by a practical application case at Taizhou Shiplock.

The comparison between the MATLAB simulation results and the actual measurement results shows that， the error of the ship tonnage calculated by the model is smaller. The model can achieve the ship tonnage calculation more efficiently and accurately， which can be an effective method to replace the ship tonnage manual measurement.

0 引 言

為提高內(nèi)河航運(yùn)的競(jìng)爭(zhēng)力，準(zhǔn)確計(jì)算船舶的運(yùn)營(yíng)成本，船舶噸位（即排水量，《船舶噸位丈量規(guī)范》規(guī)定，1噸位=100立方英尺=2.83 m3）是不可或缺的衡量標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)船舶噸位測(cè)量的國(guó)際規(guī)則進(jìn)行了研究，但是這種研究偏規(guī)則理論，未對(duì)實(shí)際的船舶噸位測(cè)量或計(jì)算方法進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[4]運(yùn)用分段的方法對(duì)船舶噸位進(jìn)行了計(jì)算;文獻(xiàn)[5]和[6]運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)船舶噸位估算進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[7]和[8]基于聲吶聲波對(duì)船舶噸位進(jìn)行了測(cè)量研究。在這些早期的研究中船舶噸位測(cè)量誤差較大，近期的研究大多停留在理論研究階段，未應(yīng)用于實(shí)踐且準(zhǔn)確性有待商榷。目前大多估算船舶噸位的方法仍然是人工方法[9]。然而，傳統(tǒng)的人工粗略測(cè)量估算船舶噸位的方法存在效率低、數(shù)據(jù)誤差大等問題[10-11]，因此，迫切需要研究自動(dòng)化估算船舶噸位的方法，以達(dá)到提高測(cè)量效率和測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的目的。本文先用超聲波換能器和速度傳感器測(cè)量船舶的相關(guān)幾何距離和速度，然后用最小二乘法擬合曲線來計(jì)算船舶噸位，運(yùn)用MATLAB仿真和實(shí)例分析驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性。相較于傳統(tǒng)的人工粗略測(cè)量估算船舶噸位的方法，此船舶噸位智能化算法可以顯著提高測(cè)量效率和測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，為相關(guān)部門提供完整、準(zhǔn)確和高效的決策依據(jù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 船舶噸位算法原理

因?yàn)榇w的形狀不規(guī)則且因船而異，所以使用現(xiàn)有的體積計(jì)算公式缺乏可行性[12]。實(shí)際上，很難通過直接測(cè)量的方法來測(cè)得船舶的體積[13]。如果先測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離，然后根據(jù)算法將測(cè)量的距離轉(zhuǎn)換為水下部分船體的很多截面的面積，再利用速度傳感器測(cè)出船舶的速度，最后通過相關(guān)的算法算出體積，便可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶噸位的測(cè)量。因此，在本文的研究中，超聲波換能器用于構(gòu)建多傳感器系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。當(dāng)船舶經(jīng)過時(shí)，安裝在航道兩側(cè)的超聲波換能器陣列對(duì)水下部分船體進(jìn)行多點(diǎn)距離的測(cè)量。在實(shí)際系統(tǒng)中，需要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境配置速度傳感器和2n個(gè)超聲波換能器。溫度變化會(huì)影響水中超聲波的速度，因此還需要一個(gè)水下溫度傳感器來滿足不同季節(jié)的需要。水下超聲波換能器布局見圖1。在航道的兩側(cè)各有n個(gè)超聲波換能器。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)多超聲波換能器和速度傳感器測(cè)得的多點(diǎn)距離和船舶速度，運(yùn)用最小二乘法擬合曲線來計(jì)算船體水下部分截面的面積，并結(jié)合船舶速度，建立船舶噸位（即排水量）算法模型，并由此模型計(jì)算得出船舶噸位。運(yùn)用MATLAB對(duì)船舶噸位算法進(jìn)行仿真，并結(jié)合在泰州船閘的應(yīng)用案例，雙重驗(yàn)證了該研究的可行性和可用性。本文采取的船舶噸位算法實(shí)現(xiàn)了智能測(cè)量和自動(dòng)化作業(yè)，比目前正在使用的人工粗略測(cè)量估算船舶噸位的方法效率高得多，而且測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，可作為船舶噸位智能化測(cè)量技術(shù)的參考。

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（編輯 賈裙平）