CN104260848A - 一种内河航道船舶吃水检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内河航道船舶吃水检测装置和方法，该方法通过锚具将平衡板固定在水面下，平衡板上架设发射机和声纳换能器，发射机发出的电信号由声纳换能器转换为声波，声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据，该电信号数据通过线缆传送到水面上的声纳信息处理器，声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，接收机接收线缆传送的电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，得到船舶的吃水深度。本发明方法和装置在对内河航道中航行的船舶吃水深度进行检测时，实现了快速、准确的检测。

Description

一种内河航道船舶吃水检测方法与装置

技术领域

本发明涉及船舶吃水检测领域，尤其涉及一种内河航道船舶吃水检测方法与装置。 

背景技术

近年来，随着水路运输结构的调整，船舶标准化、专业化和大型化发展趋势明显，船舶吃水也越来越深，船舶事故对于航道航运安全威胁日益严重，其中最为严重就是船舶超吃水问题。为确保航道的安全畅通、保障船舶运行安全，干线船舶吃水检测需求也变得日益迫切。目前船舶吃水量检测手段主要有人工检测和自动检测两类。一是人工观测，就是依靠经过长期训练的观察人员通过观测船舶的水尺标志而获得船舶的实际吃水，进行人工观测人工记录人工比对；二是自动检测，就是通过电子设备对船舶吃水进行检测，目前基本上都基于容易实现的船舶水上部分测量，再通过与标准船型或标准水尺的比较，间接推断船舶的实际吃水，主要方法有：(1)压力传感器法：将压力传感器安装在船舶空载吃水线的位置上，利用水压的变化反映出水深的变化这一特性，当船舶载货后吃水变深，根据压力传感器获得的数值，经过换算后，即可得出船舶的吃水深度；(2)电子水尺：其基本工作原理是利用水的导电性，采用类似于人工观测水位的方法，它是自上而下依次读取每个感应触点(即探针)的电导，在探测到探针和水面接触的位置，探针间的电导会突变增大从而确定水位值；(3)激光水位计：其测量原理类似于超声波测量，利用光速的不变性，通过测量激光束往返的时间，间接获得当时的水位信息。但以上检测手段主要使用目的是船主通过对船舶自身的检验，了解船舶的载重量，用于计算其所获经济效益。这些设备一般安装在船体上，设备的管理及其维修与船员的能力有很大关系，其检测效果受船体、船速的影响较大，其检测结果的可靠性受人为因素影响。所以，现有检测船舶吃水程度的技术手段准确度较低，不能满足船舶监督管理和船舶吃水控制现实的需要。 

发明内容

本发明提供一种内河航道船舶吃水检测方法与装置，实现对内河航道中航行的船舶吃水深度的准确检测。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内河航道船舶吃水检测方法，该方法包括以下步骤，通过锚具将平衡板固定在水面下，平衡板上架设发射机和声纳换能器， 发射机发出的电信号由声纳换能器转换为声波，声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据，该电信号数据通过线缆传送到水面上的声纳信息处理器，声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，接收机接收线缆传送的电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，使用基于顺序统计的数据滤波算法得到声纳换能器与船底之间的距离，同时在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离，将声纳换能器与水面之间的距离和声纳换能器与船底之间的距离相减，得到船舶的吃水深度，显示在显示器上。 

按上述技术方案，所述得到声纳换能器与船底之间的距离具体包括以下步骤，通过多次测量得到若干个声纳换能器与船底之间的距离值，对于第i次测量得到的距离值y_i，y_i的左离差为：Δy_L＝y_i-y_i-1，y_i的右离差为：Δy_R＝y_i-y_i+1，y_i的离差为：Δy＝Δy_L+Δy_R，卡尔曼滤波窗口的方差为：                                                   ${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i\∈W_N}{\mathrm{\Σ}}{[y_{i-j}-{\stackrel{\‾}{y}}_i]}^2---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{y}}_i=\frac{1}{2N+1}\underset{j\∈W_N}{\mathrm{\Σ}}{y}_{i-j}---\left(2\right)$

当   时，判定y_i为偏深突变点；   时，判定y_i为偏浅突变点，使用基于顺序统计的数据滤波算法，对为偏深突变点或者偏浅突变点的y_i进行剔除，同时通过中值计算得到被剔除的y_i的计算值y_i＝med{y_i-N,y_i-N+1……,y_i,……,y_i+N}。其中，其中i、j为自然数，   为y_i的平均值，N为滤波窗口的大小，W_N为滤波窗口内点的集合。 

按上述技术方案，所述平衡板固定在距离水底0.5～2.5m高度处。 

按上述技术方案，所述在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离具体步骤为，声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，声纳换能器与船底之间的距离数据为{h₁,h₂,……,h_n}，声纳换能器采集的其到水面的距离为{l₁,l₂,……,l_n}；所述设置在声纳换能器上的压力传感器的n次测量的数据为{H₁,H₂,……,H_n}；分别对{H₁,H₂,……,H_n}、{h₁,h₂,……,h_n}和{H₁,H₂,……,H_n}、{l₁,l₂,……,l_n}进行中值计算得a、b、c，判断中值属于{h₁,h₂,……,h_n}和{l₁,l₂,……,l_n}哪一个区间，若属于前者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+b)/2，若属于后者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+c)/2。 

按上述技术方案，所述得到船舶的吃水深度，包括识别船舶的吃水深度数据，具体包括以下步骤，其中声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，i、j为小于n的自然数，船舶宽度窗口门限为M，将声纳换能器在一次探测中测得的一帧数据{p₁,p₂,……,p_n}减去平衡板深度H，得到船舶吃水深度的一帧数据{q₁,q₂,q₃,……q_n}，依次顺序检测该数据，若q_i>0，则继续检测q_i+1，若q_i+1>0，则继续检测q_i+2，对连续大于0的q_i的数目j进行记录，并判断q_i的右离差是否小于y_i的右离差界限C，若是，则记录数目j；计算j与声波探测波束的测量截面上2个相邻波束在目标上的间距的乘积，将得到的乘积值与船舶宽度窗口门限为M相比较，如果该乘积值大于M，则在该段连续q_i值中选取最大的值，为该帧数据的船舶的吃水深度。 

按上述技术方案，通过航标引导使船舶行驶路线经过平衡板上方。 

按上述技术方案，该装置包括平衡板、发射机、声纳换能器、声纳信息处理器，其中平衡板通过锚具固定在水面下，平衡板上架设发射机和声纳换能器，发射机用于发射电信号，声纳换能器用于将电信号转换为声波，同时声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据，该电信号数据通过线缆传送到水面上的声纳信息处理器；所述声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，其中所述接收机用于接收电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，使用基于顺序统计的数据滤波算法得到声纳换能器与船底之间的距离，同时在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离，将声纳换能器与水面之间的距离和声纳换能器与船底之间的距离相减，得到船舶的吃水深度，显示在显示器上。 

按上述技术方案，所述平衡板固定在距离水底0.5～2.5m高度处。 

按上述技术方案，平衡板下方设置钢质稳定球，钢质稳定球连接在平衡板的重心位置下方。 

按上述技术方案，所述换能器的测深杆通过十字型双向单摆固定在平衡板上。 

本发明产生的有益效果是：声纳换能器与船底之间距离的测量过程中，由于超声波的多途效应、船舶运动产生的水泡、鱼类等浮游生物造成的影响，导致产生严重偏离实际距离的异常数据，这些异常数据存在于整个测量过程中，且出现的位置和时刻是随机，本发明采用了基于顺序统计的数据滤波算法，消除异常数据对船舶吃水深度检测过程的影响。本发明还通过在声纳换能器上设置压力传感器，测得声纳换能器与水面之间的准确距离。同时，对测得的船舶吃水深度数据进行识别，从声纳换能器探测到的可能包括水面上其他大型漂浮物体的数据中识别出船舶的吃水深度数据。因此本发明方法和装置在对内河航道 中航行的船舶吃水深度进行检测时，实现了快速、准确的检测。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 

图1是本发明实施例的实物示意图； 

图2是本发明实施例的结构示意图； 

图3是基于顺序统计的数据滤波算法流程图； 

图4是船舶吃水深度数据识别流程图； 

图5是声纳信息处理器与各声纳换能器之间的连接示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

如图1、图2所示，本发明实施例内河航道船舶吃水检测装置，主要由水下多波束测深装置平台和通过线缆与水下多波束测深装置的声纳处理和显示系统组成。其中，水下多波束测深装置平台包括平衡板4、发射机5、声纳换能器，其中平衡板通过锚具1固定在水面下，或者在2个锚具之间使用钢条2相连接，将平衡板4固定在钢条2上，使其在水中保持姿势平稳，同时在平衡板下方设置钢质稳定球3，钢质稳定球连接在平衡板的重心位置下方。平衡板上架设发射机和声纳换能器，发射机用于发射电信号，声纳换能器用于将电信号转换为声波，同时声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据。当船舶从声纳换能器上方经过时，声纳换能器发射声波探测波束，探测声纳换能器与船底及声纳换能器与水面之间的距离，将该数据通过线缆7传送到声纳信息处理器9，声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，所述接收机用于接收电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，使用基于顺序统计的数据滤波算法得到声纳换能器与船底之间的距离，同时在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离，将声纳换能器与水面之间的距离和声纳换能器与船底之间的距离相减，得到船舶的吃水深度，显示在显示器上。通过航标8引导，使船舶行驶路线经过平衡板上方。 

本发明采用可移动水底半浮式仰扫描检测法的优点是检测点的设置方便灵活，便于维护。在发射机或者声纳换能器遭到损坏或者被水中漂浮物遮蔽，需要进行维护时，只需将锚具吊起捞出平衡板和发射机、声纳换能器进行清洗和修理即可重新放回原地继续工作。 在需要改变检测点时，同样仅需要捞出平衡板和发射机、声纳换能器，收起水中线缆后就可以找合适的地方重新架设。 

单个声纳换能器发射和接收声波的覆盖范围为声纳换能器距离船底的6倍，例如安装在10m深的水中时，声纳扫描的水面覆盖范围是60m。所安装区域航道宽为120米，采用可移动水底半浮式仰扫描检测法只需要在水中设置2组平衡板及发射机和声纳换能器即可满足要求。根据河道宽度计算，选择合适组数的平衡板及发射机和声纳换能器，其中声纳信息处理器与各声纳换能器之间的连接如图5所示，通信传输采用水底线缆，水底线缆通过重力锚铺设在江底，避免因为江水的冲刷而产生位移。线缆的长度需要达到内河的宽度，声纳换能器通过串口或者网口与声纳信息处理器进行互相通信。为保证能够对通过该内河的所有船舶进行检测，声纳换能器的安装位置应该低于最大吃水船舶的底部。平衡板体积过小，容易受到波浪影响。船舶通过时，其螺旋桨亦会对平衡板的稳定性产生影响。同时，在水中含沙量高的内河中，一天内沉沙最大可能为1米。另外，为保证足够的声纳换能器测量范围和声纳换能器自身的安全，其顶部离船底距离要求在5米以上。综合考虑泥沙淤积和平衡板的稳定性，平衡板离江底高度固定在1米左右为最优高程。 

本发明实施例中，换能器的测深杆通过十字型双向单摆固定在平衡板上，即将换能器的测深杆固定安装在平衡板上的十字型双向的轴承上，通过螺栓进行固定，平衡板起着前后方向初步平衡稳定的作用。十字型双向单摆能让换能器在测量过程中始终保持竖直状态，不会发生左右晃动的情况，这样大大提高水深测量的精度。 

本发明实施例内河航道船舶吃水检测方法，在声纳换能器与船底之间的距离检测过程中，对实验现场的条件和取得的数据进行研究分析得出，实验过程中异常数据主要是由超声波的多途效应、船舶运动产生的水泡、鱼类等浮游生物造成的，这类异常数据存在于整个实验过程中，且出现的位置和时刻是随机的。在工程当中，将这种由于外部干扰而导致的测量严重偏离原来的分布的值，称为野值或者粗差。本工程实践采用了基于顺序统计的数据滤波算法，度量出目标数据点与周围点的偏差情况，如果偏差的幅度超出预定的范围则判定为粗差，并且采用基于顺序统计的数据滤波算法对判定为粗差的数据点进行滤波处理。通常船舶底面测量值弧线粗差时，意味着目标测量点与两侧的测量点有突变。本算法中利用了这种突变特点来判断测量的数据是否为粗差。为了定量地描述数据点突变的情况，下文定义了目标测量值的左离差、右离差以及离差的概念。 

y_i的左离差定义为：Δy_L＝y_i-y_i-1，将左离差的物理意义映射到船舶底面扫描测量时，Δy_L>0,表示船舶曲面向上倾斜；Δy_L<0，表示船舶曲面向下倾斜；Δy_L接近0，表示船舶 曲面趋向平坦。y_i的右离差定义为：Δy_R＝y_i-y_i+1，将右离差的物理意义映射到船舶底面扫描测量时，Δy_R>0，表示船舶曲面向上倾斜；Δy_R<0，表示船舶曲面向下倾斜；Δy_R接近0，表示船舶曲面趋向平坦。y_i的离差定义为：Δy＝Δy_L+Δy_R。 

从上式的分析可知，当船底曲面向上倾斜、向下倾斜以及船底曲面平坦时，均有Δy接近于0。当y_i相对于前点偏深突变时，Δy_L>0且|Δy_L|<|Δy_R|，则Δy>0；当y_i相对于前点偏浅突变时，Δy_L<0且|Δy_L|>|Δy_R|，则Δy<0；当y_i相对于前后两点偏深突变时，Δy_L>0且Δy_R>0，则Δy>0；当y_i相对于前后两点偏浅突变时，Δy_L<0且Δy_R<0，则Δy<0。因此可以根据Δy来判定y_i是否为突变曲面点。 

本算法的判定方法如下，可计算出滤波窗口的方差为： 

${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i\&Element;W_N}{\mathrm{\&Sigma;}}{[y_{i-j}-{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_i]}^2$

${\stackrel{\&OverBar;}{y}}_i=\frac{1}{2N+1}\underset{j\&Element;W_N}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{i-j}$

当   时，可以判定y_i为偏深突变点；   时，可判定y_i为偏浅突变点。对偏深突变点或者偏浅突变点的突变点y_i进行剔除后，取其附近的目标测量值点，通过进行中值计算y_i＝med{y_i-N,y_i-N+1……,y_i,……,y_i+N}，得到修正后的y_i的值。数据滤波算法的具体流程如图3所示。 

实时检测平衡板水下深度纠偏，由于平衡板在水下受水流变化影响，其深度会发生一定的变化。在平衡板上的声纳换能器上安装压力传感器，可实时检测声纳换能器的水下深度，通过压力传感器得到数据与声纳换能器测得的其与水面之间距离数据，通过以下方法进行平衡板水下深度纠偏，声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，声纳换能器与船底之间的距离数据为{h₁,h₂,……,h_n}，声纳换能器采集的其到水面的距离为{l₁,l₂,……,l_n}；所述设置在声纳换能器上的压力传感器的n次测量的数据为{H₁,H₂,……,H_n}；分别对{H₁,H₂,……,H_n}、{h₁,h₂,……,h_n}和{H₁,H₂,……,H_n}、{l₁,l₂,……,l_n}进行中值计算得a、b、c，判断中值属于{h₁,h₂,……,h_n}和{l₁,l₂,……,l_n}哪一个区间，若属于前者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+b)/2，若属于后者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+c)/2。 

在得到船舶吃水深度数据过程中，还包括从声纳换能器探测到的可能包括水面上其他 大型漂浮物体的数据中识别出船舶的吃水深度数据。所述识别出船舶的吃水深度数据具体包括以下步骤，如图4所示，其中声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，i、j为小于n的自然数，船舶宽度窗口门限为M，将声纳换能器在一次探测中测得的一帧数据{p₁,p₂,……,p_n}减去平衡板深度H，得到船舶吃水深度的一帧数据{q₁,q₂,q₃,……q_n}，依次顺序检测该数据，若q_i>0，则继续检测q_i+1，若q_i+1>0，则继续检测q_i+2，对连续大于0的q_i的数目j进行记录，并判断q_i的右离差是否小于y_i的右离差界限C，若是，则记录数目j；计算j与声波探测波束的测量截面上2个相邻波束在目标上的间距的乘积，将得到的乘积值与船舶宽度窗口门限为M相比较，如果该乘积值大于M，则在该段连续q_i值中选取最大的值，为该帧数据的船舶的吃水深度。 

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (10)

1.一种内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，通过锚具将平衡板固定在水面下，平衡板上架设发射机和声纳换能器，发射机发出的电信号由声纳换能器转换为声波，声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据，该电信号数据通过线缆传送到水面上的声纳信息处理器，声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，接收机接收线缆传送的电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，使用基于顺序统计的数据滤波算法得到声纳换能器与船底之间的距离，同时在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离，将声纳换能器与水面之间的距离和声纳换能器与船底之间的距离相减，得到船舶的吃水深度，显示在显示器上。 

2.根据权利要求1所述的内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，所述得到声纳换能器与船底之间的距离具体包括以下步骤，通过多次测量得到若干个声纳换能器与船底之间的距离值，对于第i次测量得到的距离值y_i，y_i的左离差为：Δy_L＝y_i-y_i-1，y_i的右离差为：Δy_R＝y_i-y_i+1，y_i的离差为：Δy＝Δy_L+Δy_R， 

卡尔曼滤波窗口的方差为：                                                  

当   时，判定y_i为偏深突变点；   时，判定y_i为偏浅突变点，使用基于顺序统计的数据滤波算法，对为偏深突变点或者偏浅突变点的y_i进行剔除，同时通过中值计算得到被剔除的y_i的计算值y_i＝med{y_i-N，y_i-N+1......，y_i，......，y_i+N}。其中，其中i、j为自然数，   为y_i的平均值，N为滤波窗口的大小，W_N为滤波窗口内点的集合。 

3.根据权利要求2所述的内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，所述平衡板固定在距离水底0.5～2.5m高度处。 

4.根据权利要求1或2或3所述的内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，所述在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离具体步骤为，声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，声纳换能器与船底之间的距离数据为{h₁，h₂，......，h_n}，声纳换能器采集的其到水面的距离为{l₁，l₂，......，l_n}；所述设置在声纳换能器上的压力传感器的n次测量的数据为 {H₁，H₂，......，H_n}；分别对{H₁，H₂，......，H_n}、{h₁，h₂，......，h_n}和{H₁，H₂，......，H_n}、{l₁，l₂，......，l_n}进行中值计算得a、b、c，判断中值属于{h₁，h₂，......，h_n}和{l₁，l₂，......，l_n}哪一个区间，若属于前者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+b)/2，若属于后者所属的区间，则平衡板深度为H＝(a+c)/2。 

5.根据权利要求4所述的内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，所述得到船舶的吃水深度，包括识别船舶的吃水深度数据，具体包括以下步骤，其中声纳换能器在一次探测中发射的声波探测波束的数量为n，n为自然数，i、j为小于n的自然数，船舶宽度窗口门限为M，将声纳换能器在一次探测中测得的一帧数据{p₁，p₂，......，p_n}减去平衡板深度H，得到船舶吃水深度的一帧数据{q₁，q₂，q₃，……q_n}，依次顺序检测该数据，若q_i＞0，则继续检测q_i+1，若q_i+1＞0，则继续检测q_i+2，对连续大于0的q_i的数目j进行记录，并判断q_i的右离差是否小于y_i的右离差界限C，若是，则记录数目j；计算j与声波探测波束的测量截面上2个相邻波束在目标上的间距的乘积，将得到的乘积值与船舶宽度窗口门限为M相比较，如果该乘积值大于M，则在该段连续q_i值中选取最大的值，为该帧数据的船舶的吃水深度。 

6.根据权利要求1所述的内河航道船舶吃水检测方法，其特征在于，通过航标引导使船舶行驶路线经过平衡板上方。 

7.一种内河航道船舶吃水检测装置，其特征在于，该装置包括平衡板、发射机、声纳换能器、声纳信息处理器，其中平衡板通过锚具固定在水面下，平衡板上架设发射机和声纳换能器，发射机用于发射电信号，声纳换能器用于将电信号转换为声波，同时声纳换能器垂直向上发射声波探测波束，反射回的声波经过声纳换能器转换成电信号数据，该电信号数据通过线缆传送到水面上的声纳信息处理器；所述声纳信息处理器包括接收机、控制器、显示器，其中所述接收机用于接收电信号数据，控制器对所述电信号数据进行处理，使用基于顺序统计的数据滤波算法得到声纳换能器与船底之间的距离，同时在声纳换能器上设置压力传感器，与声纳换能器配合测得声纳换能器与水面之间的距离，将声纳换能器与水面之间的距离和声纳换能器与船底之间的距离相减，得到船舶的吃水深度，显示在显示器上。 

8.根据权利要求7所述的内河航道船舶吃水检测装置，其特征在于，所述平衡板固定在距离水底0.5～2.5m高度处。 

9.根据权利要求7所述的内河航道船舶吃水检测装置，其特征在于，平衡板下方设 置钢质稳定球，钢质稳定球连接在平衡板的重心位置下方。 

10.根据权利要求7所述的内河航道船舶吃水检测装置，其特征在于，所述换能器的测深杆通过十字型双向单摆固定在平衡板上。