一种利用雷达液位技术测量船舶水尺的方法

 

一、引言

        近些年来，随着我国港岸线资源不断开发以及国内资源性大宗散货对外依存度不断上升，散货进口量急剧上升。具国家统计局 2013 年统计数字显示，海上货运在我国国际贸易运输中，所占比例高达 87%。近些年来，随着国内国际情况的变化国内资源性大宗散货对外依存度不断上升，散货进口量急剧上升。以港口城市舟山市为例，2014 年，舟山口岸进口各类法定检验大宗散货 1,187 批次，较上年（1,046批次）增加 13%；鉴定货物重量 6,064 万 t，较上年（5,368万 t）增加 13% 。其中水尺计重 748 批次/3,639 万 t，较上年（608 批次/2,720 万 t）同比增长 23%/34%。而传统的大宗散货数重量计量方面以水尺作为测量船舶吃水深度的方法较为典型，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体与水面相连处的垂直距离，在船舶测量领域是一个重要参数，反映了船舶在航行过程中所受的浮力，可以利用它来反映船舶的排水量和载货能力。

 

        目前船舶吃水深度检测大多依赖于人工目测的方法，此种方法虽然简单便捷，但是存在很大的弊端。人工测量方法受能见度、天气和水波等客观因素的影响较大，导致测量误差大，准确性和可靠性低，而且效率比较低。因此，采取一种方便快捷、迅速有效的水尺读数方法，继而建立标准化计量方式，提高水尺读数的精确性，对提高口岸鉴定科学管理水平和维护国际贸易公平、公正等方面具有重要意义。

 

        为此，结合目前已有的雷达液位探测技术研究的相关成果与水尺计重方面已有的经验，设计研究出船舶吃水测量的新型仪器，该仪器配合船舶本身 6 面水尺进行多次测量，并利用计算单元设计的算法来消除波浪等因素对于计重时的影响。从而达到精确测量船舶吃水的目的。

 

二、设计原理

        设计的核心利用雷达液位探头测距高精度，高频率，高稳定性的特点设计了本仪器。船舶雷达水尺测量仪测量工作原理如图 1 所示，测量仪用可移动三脚架放置于船舶主甲板上，雷达探头旋转出船舶侧弦并且垂直指向海面。打开雷达液位测量仪，首先连续测量不超过 1min 以获得雷达探头至静海面的垂直距离，扣除已知的三角支架至雷达探头的距离就可以得到甲板至吃水线距离 D。甲板线至船底距离 L 由船舶自身参数查的。则船舶吃水 H=D-L。

三、测量点的选择

        根据测量需求，船舶吃水测量系统可以沿船身在左右舷甲板各布置 3 个测点 [2] ，船首顶端，船尾尾端处分别布测测点。总共 6 个观测点（分别为 ）。其分布如图 2 如图所示。

四、仪器结构

        如图 3 所示，该仪器各部分功能结构介绍如下：三角支架。用于将探头及仪器整体安放于货运船舶之上，可以伸缩改变自身高度。以满足不同的条件下实际操作的需要。11，12，13 三个部分均具有伸缩、旋转调节功能，通过调节此三个位置来保持仪器平衡与稳定，满足不同观测条件下的需要。

 

        雷达液位探头。探头外部被防水装置包裹。防止海水等液体侵入探头内部使得仪器出现误差或失效。在本装置内，雷达波的发射装置与接收装置一体，全部集中于图 3 所示的探头部分内。雷达传感器利用特殊的时间间隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进行分析处理。因此雷达传感器可以在 0.1s 内精确细致地分析处理这些被放大的回波信号。

 

        计算部分。内置电源电池，并含有数据接收模块，处理模块与集成电路板。CPU 采用双串口的单片机，一个串口连接雷达探头，另一个连接无线数传模块。由雷达液位探头获取的数据进入 CPU 内进行计算。雷达液位探头所获取的数据将会通过图 3 所示的 13 部分内数据线路传输至 cup 内，每测量一次，进行一次计算，并将计算结果保存，方便后续得出散货船舶zui终的载重。

 

        显示部分。装有液晶显示面板，用于显示测量出来的数据。按键部分控制仪器开关与测量次数的计量，重置数据以及输入相关参数等功能。

五、使用方法

        待船舶停航至预定位置后，由检测员将仪器携带至船舶甲板相应观测位置之上。打开三脚架，调整仪器支架。使得仪器整体处于稳定状态。将探头伸向船舷之外，打开仪器开关后，进行连续一段时间的测量（如连续测量 1min 的数据）。雷达液位计测量出的一系列的数据会直接传输至 cup 内进行数据记录和处理。分别在不同的测量点测量数据，待全部测量点测量完成后，仪器内部的计算单元会将全部测量并收集的数据集中进行综合校准。并输出zui终计算结果。其流程如图 4 所示。

六、数据处理

1．雷达液位测量距离数据处理

        测量时，将雷达液位计的探头伸向船舶外舷，进行持续至少一分钟的数据观测。探头上接收单元会持续接收发射单元反射回来的雷达波。并计算探头到水面的距离数据。我们将接收到每一个数据均记录下来 d（ ），并记录每次测量所用的时间 T（min）。针对 T 时间段内的 d 值进行积分，即

       

        将得到的 D s 与测量总的时间 T 相除，即可得到探头至水面的距离 D，即

        

        为保证测量结果的准确性，在每个测量点进行 2~3 次测量，并取平均值作为该点测量值。获取该测量值后，自动记录，为后续数据记录做好准备。

        分别在设计的6个测量点（)分别进行测量 ，得到6个测量值 ，分别记录（）

 

2．船舶自身误差因素影响与消除

        根据已有文献 [3] 与前人进行水尺计重仪器 [4] 研发过程的经验可知，影响船舶水尺深度读取的过程中，船舶首尾垂线与拱形修正对于水尺计重存在重要的影响。因此，结合已有的经验，提出了如下的计算方法减少船舶自身因素的带来记重误差。

（1）首尾垂线修正

        由于船舶的首尾吃水应以水线与首尾垂线的交点为准，但由于船体形状，船舶首尾水尺标志并不在首尾垂线上，故当船舶有纵倾时，吃水值会产生误差而应予以修正。吃水值 t 由船舶两侧吃水深度决定，即

         

        当 |t| ＜0.3m 时，吃水值对于水尺计重的影响较小，可以忽略不计。当 |t| ＜0.3m，可通过如下的公式获得修正后的吃水值，即：

            

        其中，CF和CA通过如下公式获取：

          

        其中，公式中 分别代表如下数值：

        LF为观测船舶首吃水点至首垂线间的水平距离（由船舶本身结构决定）；LA为观测船舶尾吃水点至首尾垂线间的水平距离，（由船舶本身结构决定）；L BP 为船舶垂线间长（如图 5中所示）。

        船上实际工作中，往往根据吃水差值，在船舶首尾垂线修正表（Correction Table of fore and aft draft fon trim）中直接查取即可。

        则通过以上修正可得到的船舶首尾平均吃水为

       

（2）船舶拱垂修正

        散货船在满载状态下，由于沿着船舶航行的方向上，船身各部分所受海水及波浪产生的不均，会产生船舶整体变形的效果，造成船舶的中拱或中垂变形。目前针对船舶的拱垂变形，再计重中通常采用如下的做法进行修正。

        1）计算首尾平均吃水与船中平均吃水的平均值：

2）计算经拱垂修正后的平均吃水：

 

（3）船舶排水量纵倾修正

        获取船舶吃水量 D 2 后，可以根据船舶自身设计查得船体载运货物后的吃水量，记为 V 0

        船舶纵倾修正排水的修正值计算公式如下：

        式中各项意义如下：

       为船舶漂心距船体中心的距离；TPC 为船舶每厘米吃水吨数，指当货运船舶装卸少量货物引起船舶吃水水线面增减 1cm 所引起的排水量减少的吨数；为船舶经拱垂修正平均吃水赢 D2处的厘米纵倾力矩（MTC）的变化率，即在吃水为赢 D2时，当吃水增、减各 0．5 m 时的每厘米纵倾力矩的变化值。（当船舶吃水差的绝对值 |t| ＜0.3m 时，不需进行纵倾修正；当 0.3m< |t| <1.0m 时，仅需进行纵倾中第一项的修正；当 |t| >1.0m 时，进行全部的修正。）经过纵倾修正后的船舶的排水量为：

 

3．船舶停泊港密度修正

        由于不同停泊港区海水密度不同，因此，要根据船舶停泊区域进行密度校准。进行一次密度修正

       

 

（ρ为船舶停泊海区海水的密度，ρ0为标准密度，一般取值为 1.025kg/m 3 ）

 

4．船舶载重量zui终获取

        根据阿基米德原理，在获取了船舶吃水排水体积后，根据公式G=ρvg获取船舶载重量 G。分别在船舶装卸货前后获得两次不同重量，则zui终得到船舶的所运载的货物的重量为： （16）

 

七、实验结果与分析

        为了验证雷达液位技术测量船舶水尺方法的准确性，于2016 年 5 月 4 日前后在浙江省舟山某码头进行了一次对比实验。本次实验中，为了避免人工读取水尺存在的误差，选取了水下压力计（压力计通过其探头所在水体所受压力不同可以反演出其距水体表面的高度。）的测量结果与实验样机的结果进行对比。实验方案说明如图 6 所示。

        如图，待船舶停泊至码头后，在低潮时段，通过工作小艇将水体压力计安装固定至船底 A 位置。当水位上涨时，水体淹没船底，压力计开始工作测量船底所在位置距离海表的距离 H（即为船舶实际吃水深度，以下简称水位计吃水）；与此同时，使用实验样机进行观测，测量船舶外舷至海表的距离 DZ；用船舶自身的高度 L 与雷达液位计测得水位 DZ 相减得到结果（DP=L-DZ），即为液位计测得船舶吃水深度，以下简称压力计吃水。

 

        依据以上方案，进行了 30 组比测实验，结果记录如下：

        如上图所示，将压力计测得船舶吃水深度视为准确值，与液位计吃水深度进行横向比较。从表 1 中可以看出，液位计测量结果误差范围在-0.5%~+0.11%之间，平均误差为0.43%，误差浮动小于 5mm，符合仪器设计之初的预期，可认为本仪器具有较高可靠性。

 

八、结论与展望

        本文以雷达液位技术为基础，设计了一套测量船舶吃水的仪器。通过理论论证与实际检测的方法验证了这种仪器的准确性。为船舶水尺计重的精确化提供新的思路与硬件支持。

        我国正在大力推行“一带一路”战略。可以预见的是，未来一段时间我国的进出口贸易将会迎来一个高速发展时期，并对计量、称重方面的要求会越来越高。通过高效的测量仪器，减少船舶在港口滞留时间，以此提高港口运行效率。本文中针对目前存在的人工船舶水尺计重效率较低，安全性相对较差等问题进行探究。以雷达液位测距技术为依托，结合已有的在船舶水尺计重的方法，消除波浪，船身倾斜等因素对于船舶计重的影响，从而达到准确测量船舶吃水的目的，符合未来发展趋势，具有较好的应用前景与开发价值。