基于無人機技術的全天候水尺計量的設計及應用

周化兵，高 偉

（馬鋼設備管理部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼公司大宗原燃料運輸分為水運、汽運及鐵運等三種模式，其中水運方式計重的每年約2 000萬t 以上，占運輸總量的三分之二，水尺計量結果是貿易結算、購銷計重索賠、船舶運費等的依據。所以實現水尺計量的全過程受控，規避人為操作失誤帶來的風險及公平、高效計量，對公司生產及經濟效益具有重要意義［1］。

水尺計量是根據流體靜力學中的浮力原理，以貨運船舶作為計量工具（計量載體），對船載貨物進行稱重計量的一種方法。用于貨運的船舶須通過船級社認可，船體上標有清晰的吃水標高。通過船舶重載和空載的吃水深度以及貨運船舶的生活淡水、壓艙水、船運燃油等物料液位，依據船舶的相關水尺資料和圖表，計算得出船舶裝載貨物凈重，該種計量方法適用于價值不高或不易用皮帶秤等常用衡器計重的水運散裝固態商品的計重［2］。

1 水尺計量管理系統

1.1 系統簡介

為使水尺計量標準化，最大可能地消除人為誤差，也使水檢員從繁雜的手工計算工作中解放出來，提高工作效率，開發了一套船舶水尺計量管理系統，主要功能包含：水尺數據集、水尺數據詳單、圖片信息、影像信息、水尺表、計量數據統計、查詢、日報、水尺影像復核、復核數據超差自動提示報警、影像轉換自動上傳、水尺表數據導入、水檢員管理、工具庫管理等，涵蓋了水尺計量的所有信息資料，并與公司物流信息系統對接，使整個水檢流程實現信息化管理，水尺計量系統功能示意圖見圖1。

圖1 水尺計量系統結構示意圖

船舶水尺計量管理系統集中統一管理貨運船舶水尺基本數據及視頻圖像數據，對船舶水尺計量資料能夠進行長期跟蹤管理，杜絕船舶違規變更，數據造假，并實現自動快速檢索水尺噸位，減少人為誤差，提高了計量稱重精確度，通過攝錄相關視頻上傳，建立了水尺數據、視頻及圖片的數據庫，方便了數據溯源及復查。對計量業務、系統狀況實行監控，統一管理，有效避免人為違規違紀。

1.2 水尺計量流程

貨運船舶左右兩側的船首、船中及船尾都標有吃水深度標尺。水尺計量就是通過船舶重載及卸貨后的空載所測的吃水深度的6 組數據，根據載重表尺或靜水力曲線圖分別得出重載及空載的排水量，同時考慮船舶在卸貨后到空載水尺計量工作完成前的船上燃油、水等物資變化量，將重載及空載的排水量的差值減去或加上物資變化量，從而得出了船舶運輸貨物的凈重［3］。

常規的水尺作業流程為江船或海船分別抵達江船或海船錨地，拋錨，等待水尺計量，水尺人員乘水尺客輪繞待檢船只一周，使用攝像機拍攝并記錄6 面水尺，登船，查看艙體，查驗并記錄燃油液位、壓載水液位、淡水液位，查看有無影響吃水線的異常物體，在船舶水尺計量管理軟件中輸入6面水尺，燃油、壓載水、淡水液位數據，并向船家索取輪船資料，核對，得出水尺結果。

1.3 水尺作業存在的難點

貨運船舶停在錨地，水檢員需搭乘前往作業，國家海事局規定：霧天、雨天，能見度在50 m 以內；風浪大，風力在六級以上，均要求封航；同時由于水尺客輪噸位較小，惡劣天氣即使未達到封航程度，在若干時段也會因安全原因無法出航，故水尺計量容易受天氣的影響停止作業，無法完成計量工作，但公司生產是連續的，貨運船舶只能直靠碼頭卸貨，則所購大宗物資只能按供方提供的計重數據進行商貿和運費結算。

水尺作業人員的安全存在較大隱患，作業中水尺作業人員要在水尺客輪上看船舶吃水線，攝像人員拍攝記錄船舶吃水影像，然后通過貨運船舶上下放的旋梯登上被檢船舶甲板，進行查倉，驗看資料，計算水尺的作業。在江面上作業的危險性較大，尤其是在風浪中攀爬空倉的海船尤為危險。

為有效完成水尺計量工作，需常年租用一艘水尺客輪，用于計量人員前往錨地工作，由水尺作業人員分別完成攝像，查倉，水檢工作，水尺客輪繞行待檢船，拍攝清晰的六面水尺線，繞船一周至少15 min以上，錨地風浪大時就需要更長時間，人員效率和成本居高不下。

2 全天候方案的設計及應用

針對水尺計量的難點，通過調研，發現無人機在水尺計量工作中有廣闊應用空間，利用無人機可實現全天候水尺計量工作。

2.1 無人機技術

無人機是利用無線電遙控手段和機載的自動控制程序進行操縱的不載人飛機。近些年無人機技術取得了突飛猛進的發展，無人機已經被廣泛應用到一些行業，各種新的應用層出不窮。無人機通過加裝的高清攝像裝置及GPS 定位系統，可實現空中拍攝、地形勘察、跟蹤、定位、遙控、遙測等工作，當掛載武器、食物、藥箱和噴灑設備時又可開展戰爭、救災及農林蟲災治理的活動。

綜合來看，無人機主要應用領域是利用其低空飛行的自由，能有效應用到人工無法作業的環境或快速抵達工作環境提升工作效率，減少作業人員的工作強度和降低工作危險性。

2.2 水尺計量的無人機解決方案

為高效、準確的完成水尺計量工作，實現全天候水尺計量工作，無人機必須能夠在惡劣氣候條件下勝任六面水尺的觀測圖像采集工作。針對水尺計量對無人機拍攝視頻影像的技術要求，我們形成了水尺用無人機的基本技術要求及工作流程，在海事封航、無人機可以安全飛行的狀況下，實現無人機協助水尺工作人員完成水尺計量任務，及時保證公司的爐料供應。

水尺用無人機的基本技術要求：

（1）重量輕易于攜帶，安裝與準備工作簡單，易于操作；

（2）續航時間在30 min 以上，需配備2 組備用電池；

（3）遠控距離保證達到7 km；

（4）抗風能力達7級；

（5）具備障礙自動識別繞行功能；

（6）支持 HOME 鍵，一鍵返航；

（7）30 倍或以上光學變焦，自動調整焦距，操作簡便，輕松放大選擇的區域；

（8）云臺為可拆式，角度抖動量、可控轉動范圍需滿足遠距拍攝水尺需求；

（9）配備高亮顯示平板，能滿足在烈日下的戶外作業；

（10）圖像傳遞清晰，具備指令錄像、拍攝和實時數據遠傳功能。

通過與無人機廠商技術交流，最終選定實驗機型：大疆經緯M200 系列，為此進行了一次無人機在水尺計量作業中實際應用的驗證。

2.2.1 驗證的過程

無人機試飛地點：原料碼頭見圖2。試驗環境：風力4級、中雨。

圖2 公司原料碼頭

大疆M200 系列無人機由深圳大疆創新科技有限公司生產，能夠適應不同的惡劣環境而穩定工作。無人機可折疊后置于配備的標準箱體內，便于攜帶，最遠視頻數據傳輸距離可達7 km。機體前方裝有高清的FPV 攝像頭。

M200系列可搭載禪思X4S和X5S 云臺相機、禪思XT 熱成像相機、禪思Z30 遠攝30 倍光學變焦相機云臺。因在江上作業，很多情況下無人機可能會處在超視距工作狀態，為既能保證無人機的安全又能獲得清晰的船舶吃水圖像，在實驗中選用的是禪思Z30遠攝30倍光學變焦相機云臺。

無人機高空俯瞰的待檢船舶見圖3。

圖3 待檢船舶

通過拉伸禪思Z30 30 倍光學鏡頭，得到清晰的船舶水尺圖像，見圖4。

圖4 船舶吃水深度

2.2.2 試驗結果

大疆M200 系列無人機搭載禪思Z30 遠攝30 倍光學變焦相機云臺，實現高清攝像，遠控距離及抗風能力均能滿足本地極端氣候和工作要求；通過一鍵返航，可快速更換備用電池，實現連續工作；清晰的水尺影像滿足水尺計量管理系統對視頻影像的要求，視頻影像可在水尺計量作業完成后或同步遠傳導入水尺計量管理系統，在相對惡劣的環境中圓滿完成船舶水尺計量的圖像采集工作。

試驗中海船的圖像往返、采集時間用時10 min，大大縮短了水尺作業時間，并且受環境影響較小，完全滿足水尺計量的要求，因為搭載了30倍光學變焦，所以無人機可以懸停在相當的高度作業，無人機的安全性得以保證，大大降低了操作的難度。

2.2.3 解決方案

根據試驗結果，無人機超視距拍攝完全滿足水尺計量的技術要求，使用無人機進行水尺計量，可實現同步傳送視頻數據，全天候條件下快速完成多艘貨船的吃水深度的攝像。根據水尺計量方案的改善制定了無人機水尺計量的工作流程。

（1）封航條件下

江船、海船抵達錨地或直靠碼頭前，由水尺人員操作無人機對待檢船只進行船舶吃水深度視頻拍攝并實時上傳水尺計量管理系統。在相關船舶靠港卸料時，計量人員通過架設在船板與碼頭的臨時通行走廊登船，查看船艙有無未備案并可能影響船舶吃水線的重物，索取輪船載重表尺或靜水力曲線圖資料，核對變更時間，變更值，查看壓載水、飲用淡水、燃油等液位。在船舶水尺計量管理系統中根據六面水尺所得出的船舶傾斜度，做相應的縱傾修正，得出水尺計量結果，并上傳物流信息系統完成物資計重工作。

（2）正常條件下

江船、海船抵達錨地拋錨后，水尺人員搭乘水尺客輪前往錨地，由水尺人員操作無人機對待檢船只進行船舶吃水深度視頻拍攝并實時上傳水尺計量管理系統。計量人員登船，查倉，查看船艙有無未備案并可能影響船舶吃水線的重物，索取輪船載重表尺或靜水力曲線圖資料，核對變更時間，變更值，查看壓載水、飲用淡水、燃油等液位，在船舶水尺計量管理系統中根據六面水尺所得出的船舶傾斜度，做相應的縱傾修正，得出水尺計量結果，并上傳物流信息系統完成物資計重工作。

3 結束語

基于無人機的應用，水尺計量工作得到優化及改善，通過選用高性能的攝像頭，無人機的超視距拍攝完全滿足水尺計量的技術要求，借助于無人機六面水尺視頻拍攝時間的縮短、快速到達指定貨船位置及實時上傳視頻數據的優勢，根據實測水尺計量人員的工作效率提升了一倍以上，使高效水尺計量得以實現，同時大大降低計量人員的安全風險和工作強度，減少計量人員配置，基本實現了全天候的水尺計量，滿足公司低庫存、快節奏的船運物資計量的保產工作。