一種內河船舶吃水檢測系統設計

韓 偉，湯偉畢，李 然，游 強

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

近年來，隨著內河航運的迅猛發展，通航船舶朝著大型化、標準化方向發展，載質量和吃水不斷增大，船舶數量也不斷增多，坐落在黃金水道上的通航建筑物如三峽船閘、葛洲壩船閘、三峽升船機運行都面臨巨大壓力，許多問題亟待解決，其中最為突出的便是船舶超吃水問題。在利益的驅使下，一些船主置航運安全于不顧，謊報船舶吃水，嚴重危及了船舶和通航建筑物的安全[1]。

目前內河及港口常見的船舶吃水檢測手段有人工測量法、激光光幕法、多波束超聲波測量法等。人工測量法由于勞動強度大、效率低、水尺的精確性直接影響測量的結果，導致使用受限；激光光幕法對于水質、環境要求較高，且激光在水中傳播距離短，汛期長江渾濁的水質大幅影響了測量的精度；多波束超聲波測量法的成本高、安裝復雜，且測量精度和測量范圍不能滿足需求。目前市場上的船舶吃水超限檢測系統均不能達到測量精度高、環境適應性好、安裝方便等要求[2-3]。

為保證內河通航建筑物及船舶的安全，須對船舶吃水進行實時動態檢測，本文設計了一種內河船舶吃水檢測系統，能夠滿足船舶過閘或升船機的吃水檢測需求。

1 檢測原理

根據惠更斯-菲涅耳原理，聲波在水中傳播遇到障礙物時會發生衍射，即部分聲波會繞至障礙物后繼續傳播，基于側掃單波束陣列的吃水檢測系統便是利用聲波的衍射測量船舶吃水，檢測原理如圖1[4]所示。在航道的兩邊分別安裝傳感器陣列，當無船舶經過時，接收到的超聲波信號完整；當有船舶經過時，超聲波信號由于船體的遮擋發生衍射，根據接收到的超聲波的延遲時間和波形強度判斷傳感器的遮擋程度，并結合當時的水深確定船舶的實際吃水[5]。

圖1 檢測原理

2 檢測系統組成

側掃式吃水檢測系統結構如圖2所示。

圖2 側掃式吃水檢測系統結構

1)超聲波發射陣列由12只超聲波傳感器組成，安裝于調節支架上，傳感器之間的間距為9 cm,根據系統設定值發出特定頻率和持續時間的小角度超聲波脈沖,為滿足系統精度要求和實時性，系統所采用的傳感器中心頻率500 kHz，波束角2°～3°，響應時間小于1μs，超聲波接收陣列與發射陣列一一對應，用于接收未被障礙物阻擋傳播來的超聲波，響應時間小于1 μs,在系統里對發射端、接收端陣列中的傳感器進行編號，編號相同的發射端傳感器和接收端傳感器處于同一水平線上，從上至下，采取依次發射超聲波信號、延遲接收的方式，避免了傳感器之間的串擾。

2)水位檢測單元由2只水位計構成，用于測量裝置離水面的距離，通過RS485將水深數據傳輸至下位機控制箱，換算成船舶吃水基準線。

3)下位機控制箱主要包括發射端控制箱和接收端控制箱，由調制器、數據采集器和通訊裝置組成，發射端控制箱用于控制超聲波依次發射信號，接收端控制箱用于接收發射端傳感器的輸出信號和水位檢測單元數據，在剔除異常數據和對傳感器的輸出信號進行特征值提取后，將處理好的數據整合成一幀，通過光纖傳輸給上位機數據處理單元。

4)調節支架結構如圖3所示。主要用于安裝超聲波傳感器單元，可調節傳感器的安裝角度和位置高度適應安裝、測試環境的變化。

圖3 調節支架

5)上位機為一臺高性能的數據處理服務器，安裝有基于微軟基礎類庫(MFC)的吃水檢測軟件，對下位機傳輸的數據進行提取后進行實時處理，得出船舶的吃水深度，并繪制船舶的吃水擬合線，側掃信息顯示界面如圖4所示,可以設置傳感器系數、警戒水位，顯示當前水深、船舶吃水、安全距離以及吃水二維坐標圖。

圖4 側掃信息顯示界面

3 系統在葛洲壩2#船閘的測試

吃水檢測系統在葛洲壩2#船閘進行了安裝、測試，葛洲壩2#船閘閘室長266 m、寬32.8 m，檢測裝置發射、接收陣列支架在上游左、右人字門內對稱布置，安裝于第3層第2格，如圖5 所示，其中支架尺寸為290 mm×210 mm×2 200 mm(長×寬×高)、門格尺寸為3 600 mm×2 700 mm×2 300 mm(長×寬×高),裝置可檢測進、出上閘首航槽內船舶吃水[6]。

圖5 傳感器支架安裝位置

3.1 安裝原理

支架與人字門底板通過點焊方式固定，穩定性好、可靠度高。根據安裝位置，可通過調節樣機安裝支架實現3.3～5.0 m范圍內的船舶吃水檢測，為了保證檢測裝置(圖6)發射端與接收端傳感器安裝位置偏角在1°以內，調節發射端傳感器位置以實現傳感器安裝架在y軸方向做旋轉運動和平行移動，通過旋轉調節板角度(調節角度范圍±3°)，從而實現安裝架在y方向上的角度變化，并用螺栓鎖緊，通過調整傳感器安裝架安裝孔與調節板安裝孔之間的安裝間距即可實現傳感器在y軸方向上下平移。

圖6 傳感器支架

3.2 基準定位

當葛洲壩2#閘上游人字門處于開終狀態時，在閘面上選擇一個參考點，通過垂準儀找到人字門縱向方向的安裝位置并做好標記，同時利用垂準儀在人字門第3層的底部和頂部進行定位，從而找到相應的位置焊接支架的支撐件，支架的支撐件由上支撐件和下支撐件組成，其中上支撐件焊接在第3層頂部板上，下支撐件焊接在第3層底部板上，上、下支撐件上均有兩個U形孔。

3.3 支架安裝

當人字門處于關閉狀態時，使用起重設備將支架吊至相應高度，然后通過螺栓將支架固定在上下支撐件上的U形孔中，經過多次的人字門關閉和開啟測試并通過調整螺栓在U形孔中的位置，完成兩組支架裝置的準確定位與安裝。

3.4 測試

本項目通過三峽海事部門在錨地中選取10艘信譽良好、水尺刻度清晰的待閘船舶，并提前對船舶吃水及水尺線精度進行校核，確保船舶吃水結果的準確性。在船舶通過吃水檢測裝置時，分別記錄了船舶船首、船中、船尾3處位置的水尺數值，根據水尺數值得出船舶實際吃水值，通過與檢測裝置的測量值進行對比明確了系統誤差,實測數據見表1。

表1 實測數據

利用式(1)進行計算，側掃式吃水檢測裝置測量標準差為0.086 m。

(1)

4 總結

1)本文設計了一種基于側掃單波束陣列的吃水檢測系統，主要由超聲波發射陣列、超聲波接收陣列、水位測量單元、下位機發射端控制箱、下位機接收端控制箱、上位機、調節支架組成。

2)側掃式吃水檢測系統在葛洲壩2#船閘上游人字門進行安裝及測試，表明該系統易于安裝、維修方便，測量標準差小于0.086 m。