手持式智能船舶吃水及载重测量仪研制

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院,武汉 430063)

船舶散装货物装卸过程中的载重计量问题一直是困扰交易双方的一大难题。现阶段港口内的船舶载重计量仍沿用目测船舶吃水线深度然后计算的方法，这种方法往往带有主观性，误差大，而且因受到港口内波浪和船舶的纵横倾斜等因素的影响，得到的不是精确的吃水值[1]。由于经济利益的原因，发货方、收货方和承运人都对货物的数量非常重视，而且越来越精细、严格，如何准确计算船舶载重成为急待解决的问题。因此，研制手持式智能船舶吃水及载重测量仪具有广泛的应用价值[2]。本文结合他人研究经验，研制出手持式智能船舶吃水及载重测量仪，利用激光测距方法采用多点测量措施来消除波浪和船舶浮态等因素对船舶吃水测量的影响，可以准确地测得船舶的吃水深度。

1 装置使用结构

测量仪的结构见图1。

a) 正面

b) 背面图1 测量仪结构简

各部分作用如下。

1) 激光发射器。主要用于测量时发出激光束，利用反射原理确定从甲板到水面的高度S。

2) 水平仪。安装在测量仪的中央，用于标示测量过程中仪器是否处于水平。当十字线交点处于气泡正中央时，仪器处于水平面上，即和海平面平行。

3) 手柄。手握手柄便于移动测量仪。

4) 调平螺栓。当水平仪显示十字线交点未处于气泡正中央时，用螺丝刀将四个螺栓旋入或旋出，直到交点处于气泡正中央。注意旋入或旋出速度不可过快。

5) 控制面板。装有数字键，用于测量数据的输入，系统计算的结果自动出现在液晶显示屏上。

6) 挂环。方便平时将测量仪悬挂在墙壁上。

测量仪使用示意见图2。

图2 测量仪使用示意

2 测量原理及测量点选择

当船舶停泊在港口时，装卸货物前后都用测量仪进行一次操作。

每次操作时，测量仪由1名工作人员手持至测量地点，将测量仪固定到测量点甲板边缘，调整测量仪的位置及调平螺栓，使激光发出端发射出的激光束和水面垂直。

待测量仪装夹稳定后，打开激光发射装置。由于在垂直方向上，测量仪正好位于水面的正上方，且在水平方向上，测量仪和船体甲板在一个水平面上，所以它垂直向下发出的信号一定会经水面反射而原路返回。由此可以计算出测量仪距水面的高度S，而甲板距船舶龙骨线的高度D是已知，故可以计算出这一测量点的船舶吃水T=D-S。

依此分别在船首、船中、船尾左右舷甲板各测量若干次，总共测量出船舶左右舷各3个点的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。见图3。

dFP、dFS-船首左(右)吃水测量点，首垂线略向后；dP、dS-船中左(右)吃水测量点；dAP、dAS-船尾左(右)吃水测量点，尾垂线略向前图3 船舶6个吃水测量点位置示意

将这些数据输入至安装在手持式测量仪上的控制面板内，计算后，船舶载重量G便会自动显示在液晶显示屏上。

3 测量方法

船舶吃水深度是反映船舶装载货物多少的一个标志，准确测量水位及其变化，可以计算出货物的装载量及其变化量，所以，准确测量船舶吃水十分必要。

由于测量过程会受到波浪的影响，同时船舶在水中有可能处于横倾和纵倾状态，所以想得到准确的数据必须要考虑这两个问题。

3.1 波浪影响消除方法

3.1.1 激光测距确定高度S

船舶停靠在港口，港区肯定会有不同大小的波浪，在运动方向上都有一个周期，周期可能为几秒到数十秒不等。

测量时，由于测量仪的激光发出端发出的光束与水面垂直，故激光发出后经水面的反射作用，又沿原路径返回发出端。

采用同样的方法在同一测量点进行2次测量，取3次测量结果的平均值为最终结果。

激光测距和其他测量距离的方法相比，具有操作简便、抗干扰能力强、测量精确的特点。

3.1.2 数据处理方法

1) 用激光传感测距仪测甲板到水面的高度，数据会出现周期性的变化，根据数据的变化，确定出此时波浪的周期T1。

2) 首先选定一个测量时间T，设定T为T1的整数倍，即T=kT1(k=2，3，4，…)，这样在指定时间内测得的所有数据S的平均值S0就可以看作没有波浪影响即船舶在静水中时得到的数据[3]。

3) 以T为一个周期测量水面距测量仪的距离，设激光信号一个来回所用的时间为t′，其在空气中的传输速度为v，则可以确定高度S=vt′/2。由此可以得到n个数据S1、S2、S3…Sn，计算n个数据的平均值S0=(S1+S2+S3+…+Sn)/n。

4) 将上一个步骤重复3～4次，计算S0的平均值S′，再由T=D-S′得到测点的吃水深度T。

5) 对每一个测量点都采用同样的方法得到各点的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。

3.2 纵横倾影响消除方法

3.2.1 计算船舶最终平均吃水

根据文献[3]所述方法确定船舶最终平均吃水。

1) 计算船舶左右舷平均吃水及吃水差t。

(1)

(2)

(3)

t=dF-dA

(4)

2) 对船舶首、尾吃水作垂线修正。

经首尾垂线修正后的dF1和dA1分别为：

dF1=dF+CF

(5)

dA1=dA+CA

(6)

水线1-当船舶停靠在港口中，未发生纵横倾时的假设水线；水线2-当船舶停靠在港口中，存在纵横倾时的实际水线；LBP-船舶首尾垂线间长度，m；LF-船舶观测首吃水点至首垂线的水平距离，m；LA-船舶观测尾吃水点至尾垂线的水平距离，m图4 吃水的首尾垂线修

图4中LF和LA的值可在船舶总布置图或图4上量取。由此可得船舶首垂线修正量CF和尾垂线修正量CA的求算公式

(7)

(8)

当|t|<0.3 m时，可以不做此项修正。

3) 首尾平均吃水。

(9)

4) 计算经拱垂变形修正后的最终平均吃水。

首尾与船中的平均吃水dM2为：

(10)

船舶的最终平均吃水dM3为：

(11)

3.2.2 求取船舶排水量

1) 根据最终吃水dM3，可以在船舶静水力曲线图上查取排水量V0。

2) 求取纵倾修正后的排水量V1。

船舶排水量V0的纵倾(漂心)修正如图5所示。

图5 排水量的纵倾修

由(12)式求得其修正量W[5]：

(12)

式中：TPC——每厘米吃水吨数，指装卸少量货物时船舶吃水平行于水线面增减1 cm所引起的排水量增减的吨数。

于是，纵倾修正后的船舶的排水量为：

V1=V0+W

(13)

应当注意的是，当船舶吃水差的绝对值|t|<0.3 m时，不需进行纵倾修正；当0.3 m<|t|<1.0 m时，仅需进行纵倾的一次修正；当|t|>1.0 m时，应同时进行一次修正和二次修正。

3) 经港水密度修正后的排水量。

(14)

海运实践中应使用上述方法求出船舶的排水量，最后进行装货量的计算。

4) 求测量状态下船舶的重量G。

G=ρVg

(15)

前后两次载重量的差值即为船舶装载(或卸载)货物的重量。

4 结束语

文中研制的船舶吃水测量仪用激光测距的方法进行多点测量，消除了船舶吃水测量中波浪造成的不利影响和船舶纵横倾斜产生的船舶吃水测量误差，能够较为精确地测得船舶吃水，从而能够精确地计算出船舶装卸货物的重量，具有良好的测量适应性。

[1] 王锦法.水尺计量存在问题的探讨[J].天津航海，2005(1):24-25.

[2] 郑灼辉.一种新型智能化船舶水尺检测仪[J].中国水运,2006(3):50-51.

[3] 郭顺福，郭 慧.一项驳船水尺计重技术原理[J].造船技术,2003(6):23-24.

[4] 陈 吉.船舶水尺计重误差及修正[J].中国水运，2006(3):50-51.

[5] 张 钢.散装货物运输中水尺计重的原则和方法[J].青岛远洋船员学院学报，2005(2):40-44.