CN103538708A - 船舶吃水自动测量系统及自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶吃水自动测量系统及自动测量方法，该自动测量系统包括船舶来到监测端、水下探测端、下位采集端、上位处理端、远程监控模块以及报警拍照模块。本发明的船舶吃水自动测量系统，通过将声纳设备置于水底，探头向水面方向发送声波，扫描船底成像，再通过图像处理找最深点、龙骨线，判断船舶姿态，以此多方面保证测量精度，提高超限报警的正确率；可以布置在桥墩、河底、船闸、浮标等处；具有小型化，测量精度高，实时性好，易操作，设备易回收等特点；可以广泛应用于河道的吃水监测。

Description

船舶吃水自动测量系统及自动测量方法

技术领域

本发明涉及船舶吃水情况测量技术领域，具体的说是涉及内河通航船舶超吃水执法管理领域内的一种船舶吃水自动测量系统及自动测量方法。

背景技术

船舶吃水是指船舶因自重或受载，船体浸没水中部分的深度，也可以理解成水线面与船底基平面之间的垂直距离。船舶“超吃水”通常是指船舶超过航道维护水深标准，未留足富余水深装载航行，或由于超载而超过船舶允许的最大吃水值。

近年来随着内河航运量的不断增大，船舶发展呈大型化发展趋势，船舶吃水深度也越来越深。部分船主为了追求自身经济利益，不按照航道维护水深进行配载，采取此地配货、异地签证、大船小证、谎报吃水、水尺造假等多种方式躲避管理。直接导致近年来长江航道的船舶由于“超吃水”而导致的搁浅事故频繁发生。

船舶“超吃水”后重心上升，稳定性下降，船舶的可控性降低，极易在浅，险，急，窄的航道里面造成搁浅，发生水上交通事故。船舶搁浅事故的发生，将改变船舶附近的水流方向、水流速度等，造成航道内的泥沙淤积、河床不正，常演变成一系列连锁破坏，进而造成航道断航或阻航，影响航道的畅通和安全。船舶“超吃水”航行危害巨大。

枯水期对船舶“超吃水”航行行为的管理始终是长江航道行政管理工作的重点和难点。尽管“超吃水”航行对船舶自身和长江航运的安全畅通构成了严重威胁，长江航运有关执法部门也多次发出禁令，但船舶“超吃水”航行现象仍然屡禁不止。

目前治理“超吃水”主要靠海事部门在船舶签证时，严查船舶证书，核对船舶干舷高度、吃水深度。同时，加强现场巡航、巡查力度,并强化安全宣传。这种治理方式，海事部门投入了巨大的人力、物力、财力,无形中增加了海事管理的成本。

由于船舶“超吃水”检测的特殊性，目前国内外尚无船舶吃水现场检测的成套系统设备，现有的各种超吃水测量方法主要是测量船舶浸没水中的深度，各种测距技术是测量船舶的吃水深度的主要手段。目前，国内外船舶超吃水检测的方法主要有以下几种方法：

水尺标志法：

水尺标志是在船舶左、右、舷、首、中、尾共6处绘制的以数字表示船舶实际吃水的一种标记。基于吃水线的检测方法就是通过观察或测量水线达到水尺标志上的数字来确定实际水线的位置。吃水线的测量主要通过人工观测水尺，应用超声波或激光测距传感器以船体舷边甲板为基准测量船舶吃水，

压力传感法：

在船舶空载吃水线位置安装压力传感器测量载货后的水线变化来测量船舶吃水。由于压力传感器是安装在船体的外侧，工作环境恶劣，极容易被损坏，并且不能够离船检测。

激光测距法：

该方法采用的是激光测距传感器，其只能安装在被测船舶上，不能够满足航道管理部门快速检测的要求。

基于图像处理水尺法：

该方法是将图像处理应用到船舶水尺的计量中，能够有效的减少人工观测的误差。即采用多台相机和光源，对船舶的水尺标志进行成像，然后采用图像处理的方法对水尺标识和吃水线进行快速识别从而得到船舶吃水深度。

基于超声波传感器阵列的测量方法：

该方法是采用超声波传感器阵列，通过对船底的扫描来计算出船舶的吃水深度。但是超声波传感器极易受到环境的影响，误差比较大。该套装置价格不菲，安装、调试也比较困难。因而无法满足航道管理部门的快捷检测要求。

基于液位传感器和水平超声探头测量方法：

该方法是在测量船上进行测量，测量头连接在测量头提放子系统的钢丝绳上，随着不断的下放测量头进行对船舶吃水深度的检测。该系统装置极易由于下放测量头的精度、水流的流动，测量船的浮动等而造成较大的测量误差。

基于限定深度的水平超声波测量方法：

该方法是通过在限定深度处，安装超声波传感器。当船舶驶入，船舶的吃水深度大于限定深度，则预警。该系统装置受环境影响比较大，且只能检测船舶吃水深度是否超过限定值，不能有效的检测出船舶的实际吃水深度。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究出一种新型的、简洁、精确船舶吃水实时测量装置于系统，解决现有的问题是十分有必要的。

发明内容

针对以上的技术所存在的问题，本发明提供了一种小型的基于声纳设备的船舶吃水自动测量系统及自动测量方法。该自动测量系统具有吃水检测精度高，小型化，网络化，易于携带等特点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种船舶吃水自动测量系统，包括：船舶来到监测端、水下探测端、下位采集端、上位处理端、远程监控模块以及报警拍照模块；

所述船舶来到监测端，由红外线探测器或雷达探测器构成，安装在航道检测区的上游，用于监测是否有船舶将驶入检测区；

所述水下探测端包括：

扫描声纳，用于扫描水面和水下船体部分，并以固定的声纳数据包格式返回声纳扫描数据；

水温/水深传感器，用于测量声纳扫描时的水温及声纳距离水面的深度；

水平姿态仪，由三轴加速度传感器或陀螺仪构成，用于检测并调整水下云台基准面的水平度；

水下云台，用于安装固定扫描声纳、水温/水深传感器和水平姿态仪；所述下位采集端，用于采集水下探测端发来的各种类型的数据，解析后统一转换成网络数据，以供上位处理端随时通过网络获取水下探测端的数据信息，所述下位采集端包括：

声纳串口数据采集转换模块，用于采集声纳串口发来的数据，解析声纳数据包，转换成网络数据包；也用于将网络数据包转换成声纳串口数据包；

水温/水深模拟量采集转换模块，用于采集水温/水深模拟量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

船舶来到开关量输入采集转换模块，用于采集船舶来到监测模块发送来的数字量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

开关量输出转换模块，用于采集开关控制网络数据包信息，转换成开关控制数字量信息，进而控制声纳设备/报警器电源的开关；

所述上位处理端，包括：

输入管理模块，用于为了适应不同监测河道的实际情况的要求，对上位处理端进行的基本参数配置；

声纳数据解析模块，用于从下位采集端获取声纳网络数据包，转换成声纳数据包，并从声纳数据包中解析出扫描角度，声纳扫描距离，声纳扫描参数等声纳扫描信息；

声纳工作参数配置模块，用于根据当前航道的数据信息自动调整声纳设备自身的参数配置；

降噪滤波模块，用于消除水中干扰物、噪声等带来的声纳数据粗差；

吃水解算模块，用于对声纳扫描数据进行处理，得出扫描角度的吃水深度；

声速矫正模块，用于实时矫正声音在水中的传播速度；

枯水检测模块，用于当航道检测区水深低于枯水线深度，断电保护水下设备；

显示模块，用于动态显示声纳设备扫描船底的图像与声纳扫描基本参数；

电源开关控制模块，用于对声纳数据的处理，得出控制声纳设备、报警器的电源开关的数据包信息，并转换成网络数据包，发送给下位采集端；

通信管理模块，用于管理声纳设备与下位采集端之间的通信，上位处理端与下位采集端和远程监控模块之间的通信；

证据浏览模块，用于对报警船舶进行证据信息浏览查看；

自检模块，用于对声纳设备自身工作状况的检测，上位处理端与下位采集端的通信状态的检测，水温/水深传感器自身工作状态的检测，水下云台基准面水平度的检测；

所述远程监控模块，用于接收上位处理端发送的船舶吃水数据包，远程对航道船舶进行吃水监测；

所述报警拍照模块，安装在航道检测区下游，用于判断船舶实际吃水深度是否超过警戒线吃水深度，假如超过，进行报警和拍照。

在上述技术方案中，所述水下探测端的扫描声纳是二维单波束扫描声纳，其波束能在步进电机驱动下覆盖360度的转动范围，且相邻波束回波不会相互干扰。

在上述技术方案中，水下云台水平安装在航道/桥墩检测区；声纳设备头的标志处，垂直于水下云台基准面。

在上述技术方案中，水温/水深传感器连接在下位采集端模拟量输入信号端；船舶来到监测端连接在下位采集端开关量输入信号端；下位采集端能够连接单个或者多个水下探测端，声纳设备采用串口485/422/232连接到下位采集端；声纳设备电源开关连接在下位机继电器输出信号端。

在上述技术方案中，下位采集端与上位处理端采用有线或无线网进行通信；上位处理端采用有线或无线网与远程监控模块进行通信。

一种采用上述技术方案中所述的船舶吃水自动测量系统的船舶吃水自动测量方法，包括如下步骤：

（1）.输入航道检测基本参数，如声纳布置位置、监测航道数量、警戒线深度、枯水线深度；

（2）.在监测航道检测区上游安装布置船舶来到监测端，监测是否船舶将驶入检测区域，并实时向下位采集端发送监测结果的数字量信息；船舶来到开关量输入采集转换模块，采集船舶来到监测模块发送来的数字量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

（3）.上位处理端通过网络连接持续采集下位采集端的船舶来到开关量输入网络数据包，转换成开关量输入数据包，解析后处理，判断是否有船舶驶入检测区；

（4）.判断有船舶驶入检测区后，与下位采集端通信，获取水深/水温模拟量网络数据包，转换成深/水温模拟量数据包，获取实时的水温模拟量X1、水深模拟量X2；实时测量温度t1=(100*(X1-4))/16，实时测量水深t2=(10*(X2-4))/16；

（5）.进行枯水检测，当测量水深t2低于枯水线深度时进行枯水预警，并对水下检测设备进行断电保护；

（6）.根据测量水温t1、测量水深t2和用户输入的参数，动态的计算出声纳设备的扫描基本参数；

（7）.下位采集端的声纳数据采集转换模块，采集声纳串口发来的声纳数据包，转换成声纳网络数据包；同时也接收声纳网络数据包，并转换成声纳数据包发送给声纳设备；

（8）.上位处理端向下位采集端发送“请求连接”声纳网络数据包，下位采集端接收到该声纳网络数据包后，转换成声纳数据包，发送给声纳设备，声纳设备返回“确认连接”声纳数据包，下位采集端把“确认连接”声纳数据包转换成“确认连接”声纳网络数据包返回给上位处理端；

（9）.确认连接之后，上位处理端通过发送声纳配置信息数据包来配置声纳设备扫描基本参数；

（10）.声纳设备开始工作，并同时返回声纳扫描信息数据包给上位处理端，上位处理端解析声纳扫描信息数据包，计算的出声纳头扫描角度θ和长度h1，并判断船舶是否驶入检测区；

（11）.船舶驶入检测区之前，上位处理端对声纳数据进行声纳波束基准方向调整计算，得出调整角度为

（12）.船驶入检测区之后，上位处理端经过计算得出该扫描点实际吃水深度

该扫描点距离声纳基准线水平距离

在上位处理端显示坐标（h3，h2）；

（13）.船舶驶出检测区之后，上位处理端统计每个角度的扫描点实际吃水深度h2，经过滤波计算数据统计处理之后，得出船舶实际吃水深度h4；

（14）.发送船舶吃水数据信息给远程监控模块；

（15）.判断船舶实际吃水深度是否超过警戒线吃水深度，假如超过，进行报警和拍照；

（16）.所述船舶来到监测端继续监听是否有船舶将要驶入检测区。

本发明具有以下的有益效果：

1、吃水检测精度高

本发明的船舶吃水自动测量系统通过将声纳设备置于水底，探头向水面方向发送声波，扫描船底成像，再通过图像处理找最深点、龙骨线，判断船舶姿态，以此多方面保证测量精度，提高超限报警的正确率。

2、小型化

本发明的船舶吃水自动测量系统具有体积小，容易搬移甚至是携带的特点。在整条河道上进行分布部署后，可实现全路径的船舶“超吃水”跟踪检测。

3、网络化

由于设备能活动，支持无线组网，本发明的船舶吃水自动测量系统具有检测的时效性、实用性和侦查性比较理想等特点。配套岸基的网络化船舶信息管理系统，本发明可以用来形成成套的，能够覆盖整个水运网络的，船舶运输安全监测系统。

4、易于安装

本发明的船舶吃水自动测量系统安装部署容易，如能够安装在河底、桥墩、河坝、浮标等大多数内河都能提供的水域现场，对不具备安装条件的水域也不需要复杂的水工设施施工。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明系统的原理图。

图2为本发明系统的水下检测示意图。

图3为本发明系统的结构示意图。

图4为本发明系统的实施装置流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

图2给出了本发明的结构示意图，包括：输入管理模块200，用于为了适应不同监测河道的实际情况的要求，对上位处理端进行的基本参数配置，由检测模式选择单元、用户输入参数单元、默认配置参数单元组成；船舶来到监测模块201，由红外线探测器或雷达探测器构成，用于监测是否有船舶将驶入检测区，由探测器设备单元、开关数字量输入单元组成；船舶来到开关量输入采集转换模块202，用于采集船舶来到检测模块发送来的数字量，并转换成Modbus TCP网络数据包，由干接点类型数字量输入接口单元、隔离保护单元（不小于1KV）、开关量输入转Modbus TCP单元组成；水温/水深模拟量采集转化模块203，用于采集水温/水深模拟量，并转换成Modbus TCP网络数据包，由差分模拟量输入接口单元，隔离保护单元（不小于1KV），A/D转换单元（精度不低于12位），水温和水深数据转Modbus TCP单元组成；枯水检测模块204，用于检测水深低于枯水线深度，断电保护水下设备，由Modbus TCP数据转水深数据单元、枯水检测单元、开关量输出转Modbus TCP数据单元组成；声速矫正模块205，用于动态矫正声音在水中的传播速度，由Modbus TCP数据转水温数据单元、声速矫正单元组成；开关量输出转换模块206，用于采集开关控制网络数据包信息，转换成开关控制数字量信息，进而控制声纳设备/报警器电源的开关，由C型继电器输出接口，继电器单元，Modbus TCP数据转开关量输出单元组成；声纳串口数据采集模块207，用于采集声纳串口发来的数据，解析后转换成网络数据包，也可将网络数据包转换成声纳串口数据包，由RS232/485/422接口、防雷保护单元（每线600W保护）、声纳数据采集解析单元、串口转网口单元组成；声纳数据解析模块208，用于采集声纳网络数据包，转换成声纳数据包，并从声纳数据包中获取当前声纳扫描角度，声纳扫描距离，声纳扫描数据等声纳扫描信息，由网络数据包转换声纳数据包单元、声纳数据包解析单元、获取声纳扫描数据单元组成；声纳波束基准方向调整模块209，用于三轴加速度传感器调整水下云台水平面基准，声纳波束扫描水面的方式调整声纳波束的基准方向，由三轴加速器网络数据包转换三轴加速器数据包单元、三轴加速器数据包解析单元、水下云台水平度计算单元、声纳网络数据包转换声纳数据包单元、声纳数据包解析单元、计算声纳波束基准方向单元组成；声纳工作参数配置模块210，用于声纳自动扫描水面获取当前航道的数据信息，并根据当前航道的数据信息自动调整声纳设备自身的参数配置，由获取声纳扫描数据单元、计算声纳扫描基本参数单元、声纳网络数据包转换声纳数据包单元、声纳数据包解析单元、声纳数据包转换声纳网络数据包单元组成；吃水解算模块211，用于对声纳扫描数据进行处理，得出扫描角度的吃水深度，由声纳扫描数据获取单元、吃水深度计算单元、显示坐标计算单元、统计存储扫描坐标单元组成；降噪滤波模块212，用于减少或去除因为杂质、船尾噪声对声纳数据的干扰，由中值滤波单元、线性拟合单元、声纳数据处理单元、降噪单元组成；显示模块213，用于动态显示声纳设备扫描船底的图像，与声纳扫描基本参数，由获取扫描信息参数单元、触摸查看坐标单元、坐标计算单元、声纳数据解析单元、显示单元组成；远程监控模块214，用于方便工作人员在远程监控船舶吃水，由船舶吃水信息网络数据包转换船舶吃水信息数据包单元、解析船舶吃水信息数据包单元、获取船舶吃水数据信息单元、显示单元、管理员操作单元组成；报警拍照模块215（报警/拍照模块），用于对超吃水船舶进行报警和拍照，由声光报警器和摄像头组成。

图3给出了本发明系统的实施装置流程图，该装置可分为船舶来到监测端、水下探测端、下位采集端、上位处理端、远程监控模块以及报警拍照模块。船舶来到监测端安装在航道检测区的上游。水下探测端包含二维单波束扫描声纳、水温/水深传感器、水平姿态仪和水下云台等基本水下检测设备。下位采集端用于采集水下探测端发来的各种类型的数据，解析后统一转换成网络数据，以供上位处理端随时通过网络获取水下探测端的数据信息。上位处理端通过无线网络连接下位采集端进行信息交互。远程监控模块通过接收上位处理端发送的船舶吃水数据包，工作人员可以远程进行对航道船舶吃水监测。报警拍照模块报警超吃水并且拍照作为证据。

采用本发明的船舶吃水自动测量系统的船舶吃水自动测量方法具体步骤为：

1、输入航道检测参数：为了适应不同监测河道的实际情况的要求，对上位处理端进行的基本参数配置。

2、船舶来到监测：船舶来到监测端需要安装在检测区上游，用来监测是否有船舶将要驶入检测区，并把监测信息实时转换成船舶来到开关量输入网络数据包，发送给下位采集端。

3、上位实时监测；上位处理端通过网络持续采集下位采集端的船舶来到开关量输入网络数据包，解析之后处理，并判断是否有船舶驶入检测区。

4、水温/水深采集：判断有船将要驶入检测区，获取实时的水温模拟量X1、水深模拟量X2。实时温度t1=(100*(X1-4))/16，实时水深t2=(10*(X2-4))/16。

5、枯水检测：利用采集到的水深，进行枯水检测判断。当实时水深低于枯水深度，即枯水期时，立即断电，并且进行枯水预警。

6、动态计算声纳扫描基本参数：当不是枯水期时，利用采集到的实时水温、实时水深和用户输入参数，动态的计算出声纳扫描基本参数。

7、采集与发送声纳数据包：上位处理端通过与下位采集端进行信息交互，打开声纳电源。下位采集端采集声纳串口发来的声纳数据包，转换成声纳网络数据包；同时也接收声纳网络数据包，并转换成声纳数据包发送给声纳设备。

8、确认连接：上位处理端向下位采集端发送“请求连接”声纳网络数据包，下位采集端接收到该声纳网络数据包后，转换成声纳数据包，发送给声纳设备，声纳设备返回“确认连接”声纳数据包，下位采集端把“确认连接”声纳数据包转换成“确认连接”声纳网络数据包返回给上位处理端

9、配置声纳扫描参数：确认连接之后，上位处理端通过发送声纳配置信息数据包来配置声纳设备扫描基本参数。

10、声纳数据解析：解析声纳数据包，获取声纳扫描角度，声纳扫描距离，声纳扫描数据、吃水深度等声纳扫描信息，计算的出声纳头扫描角度θ和长度h1。并判断船舶是否驶入检测区。

11、声纳波束基准角计算：船舶驶入检测区之前，声纳设备扫描水面，计算出声纳波束基准角度

12、声纳扫描数据计算：船舶驶入检测区，对声纳数据包进行解析，计算得出该扫描点实际吃水深度

该扫描点距离声纳基准线水平距离

并实时显示坐标点（h3,h2）扫描图形，并且判断船舶是否驶出检测区。

13、统计船舶数据：判断船舶驶出检测区，进行对船舶吃水数据进行滤波计算统计，上位处理端统计每个角度的扫描点实际吃水深度h2，经过滤波计算数据统计处理之后，得出船舶实际吃水深度h4。

14、发送船舶吃水数据给远程控制模块：发送船舶吃水数据网络数据包给远程监控模块。远程控制模块对船舶吃水数据网络数据包进行解析，并对船舶吃水数据进行超吃水判断。

15、报警/拍照：判断船舶超吃水，立即进行超吃水报警，并且拍照留作证据。

16、继续监测是否有船舶将要驶入检测区。

[实施实例]本发明的实施实例采用单河道单声纳，河底部署方式。声纳以SeaPrince DST单波束扫描声纳为例，水平波束角2.4度，步进角0.5度，声纳数据通过RS485串口传送；船舶来到检测模块选用主动式红外探测器，探测距离250米；水平姿态仪选用角度精度优于0.5度的三轴加速度传感器；水温/水深传感器选用精度达到0.2%FS的二线制4-20mA电流模拟量输出的传感器；报警器选用普通24V声光报警器；拍照器选用普通网络摄像头。第一实施方式系统设备连接方式，水温传感器连接在下位采集端第1个模拟量输入口；水深传感器连接在下位采集端第2个模拟量输入口；声纳设备通过RS485串口与下位采集端连接；下位采集端与上位处理端采用无线网连接；上位采集端与远程监控模块采用无线网连接。本实施方式使用本发明提供的方法，步骤如下：

1、检测人员输入航道监测基本信息，声纳布置位置：河底；监测航道数量：1；警戒线深度X1：1m；枯水线深度X2：0.4m。

2、在监测航道监测区上游安装主动红外线探测器，实时监测是否有船舶将要驶入检测区，并发送监测数字量信息给下位采集端。下位采集端的船舶来到开关量输入采集转换模块，采集红外线探测器发送过来的数字量，并专程ModbusTCP网络数据包。

3、上位采集端通过无线因特网持续采集下位采集端的船舶来到开关量输入网络数据包，转换成船舶来到开关量输入数据包：

0x00010000000B01031000010000000000000000000000000000，第10、11字节代表监测航道是否有船舶将要驶入，第10、11位为0001时，表示有船舶将要驶入检测区；第10、11位为0000时，表示没有船舶将要驶入检测区。

4、判断有船舶将要驶入检测区，上位处理端与下位采集端通讯获取水温/水深模拟量网络数据包，转换成水温/水深模拟量数据包，

0x0001000000130103100A940A940A940A940800080008000800，第10、11字节代表水温传感器获取的原始量；第12、13字节代表水深传感器获取的原始量。水温实际值X3=(100*((((1101*5)/4096)/240)*1000-4))/16=10℃；水深实际值X4=(10*((((3303*5)/4096)/240)*1000-4))/16=8m。

5、枯水检测，比较实时水深X4与枯水线深度X2。当X4>X2时，表示枯水监测正常，打开监测航道声纳电源；当X4<X2时，表示枯水期，立即对水下设备进行断电保护，并发出枯水预警。

6、根据水温X3，水深X4，声纳扫描范围X5，自动计算声纳基本扫描参数。此实施中声纳扫描水面范围X5设置为12m。水温为X3=10℃，对应声音在水中传播速度X6为1447.2m/s;声纳扫描量程

向左扫描最大角度为:

向右扫描最大角度为:

7、下位采集端的声纳串口数据采集转换模块，采集声纳串口发来的声纳数据包，转换成声纳网络数据包；同时也接收声纳网络数据包，并转换成声纳数据包发送给声纳设备。

8、上位处理端连接下位采集端，获取声纳mtAlive网络数据包，验证与声纳设备连接正常；上位处理端发送mtSendVersion网络数据包给下位采集端，并接收声纳设备返回mtVersionData网络数据包:0x4030303133130002FF0E01800231110D8C83A800003C88020A;第11字节01，代表声纳版本信息正常；

9、上位处理端发送mtHeadCommand声纳网络数据包给下位采集端，下位采集端转换成mtHeadCommand声纳数据包发送给声纳设备，mtHeadCommand声纳数据包为：

0x40303033433C00FF0237138002018123029999990266666605A3703D06703D0A0928001400760B8A0D3F2654545A007D00190829006400E80397034006010000000A，第36、37字节1400表示声纳扫描量程；第38、39字节代表声纳向左扫描最大角度；第40、41字节代表声纳向右扫描最大角度；上位处理端接收声纳返回mtAlive网络数据包

0x4030303133130002FF0E01800231110D8C83A800003C888A0A，第21字节8A表示声纳配置参数正常；发送请求数据包mtSendData给下位处理端，并接收声纳返回数据包mtHeadData：

0x4030303830800002FF0002800278000210000523140099999902545A006F4600008D00760B8A0D08880C590000003361696F4E46494949845F615C3E4A7C6D547F5171543C473F3659573A6252776F62543C3133271C544A5F7C423951572B2E2749626C7C5256562B2321273A4A7A755785462E1C1B1E3E396971665A2E2B2E2F29273F8D0A，第41、42字节表示声纳头扫描角度，第45到144字节表示声纳扫描数据。

10、声纳扫描数据经过降噪处理后，扫描点在X6个字节处，声纳扫描长度h1=（X6*X5）/100。

判断h1连续20次小于水深X4，表示船舶驶入检测区，否则船舶还未驶入检测区。

11、船舶未驶入检测区时，声纳设备扫描水面，上位处理端统计扫描水面左边高度为X7，右边高度为X8，计算出波束基准方向角度

12、船舶驶入检测区之后，声纳扫描点的实际扫描深度

该扫描点距离声纳基准线水平距离

上位处理端实时显示坐标点（h3,h2），并实时存储。

13、船舶驶出检测区之后，上位处理端对所有（h3，h2）坐标点进行中值滤波处理，并找出所有h2值中最小值的5个，做均值处理，做为船舶吃水深度h4。

14、发送船舶信息数据包给远程监控模块，船舶信息数据包为：

0x40012000000101010101020202020205020000000000000000000003040000010A020A，第16、17字节表示水深；第28、29字节表示船舶吃水深度；第30字节表示是否超吃水；第31、32字节表示超吃水深度。

15、判断船舶吃水深度h4与警戒线深度X1大小。h4>X1时，船舶未超吃水；h4<X1时，船舶超吃水，进行报警，并拍照。

16、主动式红外线监测端，继续监测是否有船舶将要驶入检测区。

综上，对本发明的实施例进行的说明。但本发明并不限于上述实例实施所记述的范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以替换或者改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船舶吃水自动测量系统，其特征在于，包括：船舶来到监测端、水下探测端、下位采集端、上位处理端、远程监控模块以及报警拍照模块；

所述船舶来到监测端，由红外线探测器或雷达探测器构成，安装在航道检测区的上游，用于监测是否有船舶将驶入检测区；

所述水下探测端包括：

扫描声纳，用于扫描水面和水下船体部分，并以固定的声纳数据包格式返回声纳扫描数据；

水温/水深传感器，用于测量声纳扫描时的水温及声纳距离水面的深度；

水平姿态仪，由三轴加速度传感器或陀螺仪构成，用于检测并调整水下云台基准面的水平度；

水下云台，用于安装固定扫描声纳、水温/水深传感器和水平姿态仪；

所述下位采集端，用于采集水下探测端发来的各种类型的数据，解析后统一转换成网络数据，以供上位处理端随时通过网络获取水下探测端的数据信息，所述下位采集端包括：

声纳串口数据采集转换模块，用于采集声纳串口发来的数据，解析声纳数据包，转换成网络数据包；也用于将网络数据包转换成声纳串口数据包；

水温/水深模拟量采集转换模块，用于采集水温/水深模拟量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

船舶来到开关量输入采集转换模块，用于采集船舶来到监测模块发送来的数字量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

开关量输出转换模块，用于采集开关控制网络数据包信息，转换成开关控制数字量信息，进而控制声纳设备/报警器电源的开关；

所述上位处理端，包括：

输入管理模块，用于为了适应不同监测河道的实际情况的要求，对上位处理端进行的基本参数配置；

声纳数据解析模块，用于从下位采集端获取声纳网络数据包，转换成声纳数据包，并从声纳数据包中解析出扫描角度，声纳扫描距离，声纳扫描参数等声纳扫描信息；

声纳工作参数配置模块，用于根据当前航道的数据信息自动调整声纳设备自身的参数配置；

降噪滤波模块，用于消除水中干扰物、噪声等带来的声纳数据粗差；

吃水解算模块，用于对声纳扫描数据进行处理，得出扫描角度的吃水深度；

声速矫正模块，用于实时矫正声音在水中的传播速度；

枯水检测模块，用于当航道检测区水深低于枯水线深度，断电保护水下设备；

显示模块，用于动态显示声纳设备扫描船底的图像与声纳扫描基本参数；

电源开关控制模块，用于对声纳数据的处理，得出控制声纳设备、报警器的电源开关的数据包信息，并转换成网络数据包，发送给下位采集端；

通信管理模块，用于管理声纳设备与下位采集端之间的通信，上位处理端与下位采集端和远程监控模块之间的通信；

证据浏览模块，用于对报警船舶进行证据信息浏览查看；

自检模块，用于对声纳设备自身工作状况的检测，上位处理端与下位采集端的通信状态的检测，水温/水深传感器自身工作状态的检测，水下云台基准面水平度的检测；

所述远程监控模块，用于接收上位处理端发送的船舶吃水数据包，远程对航道船舶进行吃水监测；

所述报警拍照模块，安装在航道检测区下游，用于判断船舶实际吃水深度是否超过警戒线吃水深度，假如超过，进行报警和拍照。

2.根据权利要求1所述的船舶吃水自动测量系统，其特征在于，所述水下探测端的扫描声纳是二维单波束扫描声纳，其波束能在步进电机驱动下覆盖360度的转动范围，且相邻波束回波不会相互干扰。

3.根据权利要求1所述的船舶吃水自动测量系统，其特征在于，水下云台水平安装在航道/桥墩检测区；声纳设备头的标志处，垂直于水下云台基准面。

4.根据权利要求1所述的船舶吃水自动测量系统，其特征在于，水温/水深传感器连接在下位采集端模拟量输入信号端；船舶来到监测端连接在下位采集端开关量输入信号端；下位采集端能够连接单个或者多个水下探测端，声纳设备采用串口485/422/232连接到下位采集端；声纳设备电源开关连接在下位机继电器输出信号端。

5.根据权利要求1所述的船舶吃水自动测量系统，其特征在于，下位采集端与上位处理端采用有线或无线网进行通信；上位处理端采用有线或无线网与远程监控模块进行通信。

6.一种采用权利要求1所述的船舶吃水自动测量系统的船舶吃水自动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）.输入航道检测基本参数，如声纳布置位置、监测航道数量、警戒线深度、枯水线深度；

（2）.在监测航道检测区上游安装布置船舶来到监测端，监测是否船舶将驶入检测区域，并实时向下位采集端发送监测结果的数字量信息；船舶来到开关量输入采集转换模块，采集船舶来到监测模块发送来的数字量，并转换成Modbus TCP网络数据包；

（3）.上位处理端通过网络连接持续采集下位采集端的船舶来到开关量输入网络数据包，转换成开关量输入数据包，解析后处理，判断是否有船舶驶入检测区；

（4）.判断有船舶驶入检测区后，与下位采集端通信，获取水深/水温模拟量网络数据包，转换成深/水温模拟量数据包，获取实时的水温模拟量X1、水深模拟量X2；实时测量温度t1=(100*(X1-4))/16，实时测量水深t2=(10*(X2-4))/16；

（5）.进行枯水检测，当测量水深t2低于枯水线深度时进行枯水预警，并对水下检测设备进行断电保护；

（6）.根据测量水温t1、测量水深t2和用户输入的参数，动态的计算出声纳设备的扫描基本参数；

（7）.下位采集端的声纳数据采集转换模块，采集声纳串口发来的声纳数据包，转换成声纳网络数据包；同时也接收声纳网络数据包，并转换成声纳数据包发送给声纳设备；

（8）.上位处理端向下位采集端发送“请求连接”声纳网络数据包，下位采集端接收到该声纳网络数据包后，转换成声纳数据包，发送给声纳设备，声纳设备返回“确认连接”声纳数据包，下位采集端把“确认连接”声纳数据包转换成“确认连接”声纳网络数据包返回给上位处理端；

（9）.确认连接之后，上位处理端通过发送声纳配置信息数据包来配置声纳设备扫描基本参数；

（10）.声纳设备开始工作，并同时返回声纳扫描信息数据包给上位处理端，上位处理端解析声纳扫描信息数据包，计算的出声纳头扫描角度θ和长度h1，并判断船舶是否驶入检测区；

（11）.船舶驶入检测区之前，上位处理端对声纳数据进行声纳波束基准方向调整计算，得出调整角度为

（12）.船驶入检测区之后，上位处理端经过计算得出该扫描点实际吃水深度

该扫描点距离声纳基准线水平距离在上位处理端显示坐标（h3，h2）；

（13）.船舶驶出检测区之后，上位处理端统计每个角度的扫描点实际吃水深度h2，经过滤波计算数据统计处理之后，得出船舶实际吃水深度h4；

（14）.发送船舶吃水数据信息给远程监控模块；

（15）.判断船舶实际吃水深度是否超过警戒线吃水深度，假如超过，进行报警和拍照；

（16）.所述船舶来到监测端继续监听是否有船舶将要驶入检测区。

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