CN110450921A - 一种船舶吨位自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶吨位自动测量方法，包括一、搭建检测系统；二、度传感器、温度传感器和超声波换能器检测船舶沿航道航行时的参数；三、控制器收到步骤二中的信息后采用最小二乘法计算船舶横截面积；四，根据步骤三中船舶的横截面积计算船舶吨位。通过设置速度传感器、温度传感器和超声波换能器阵列，自动检测船舶沿航道航行的航行速度，水温，以及超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，得出船舶位于水面以下的船体的宽度，采用最小二乘法计算船舶横截面积，最后得出船舶位于水面以下部分的体积。基于最小二乘法的船舶吨位计算方法，有较高的准确率，可提高船舶吨位的测量效率。

Description

一种船舶吨位自动测量方法

技术领域

本发明属于河道船舶检测技术领域，具体涉及一种船舶吨位自动测量方法。

背景技术

内河航运能耗少，运量大，环境污染小，是比较经济的运输方式。船舶吨位的准确测量和统计是管理部门管理决策的重要依据和支撑，因此需要对河航运过程中的船舶吨位进行测量。目前，我国的船舶吨位测量方法比较落后，通常采用人工观察、人工检测和粗略估计等方法，人工观察和粗略估计方法主要依赖人工经验，通过估计船长和吃水对吨位进行大概估计，误差较大，人工检测方法往往需要登船检查，效率低下，且存在一定测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶吨位自动测量方法，解决现有技术中采用人工观察、人工检测和粗略估计等方法测量船舶吨位，误差较大、效率低下的技术问题。

本发明为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种船舶吨位自动测量方法，包括如下步骤：

步骤一、搭建检测系统：包括控制器、至少一个速度传感器、至少一个温度传感器和2N个超声波换能器，所述速度传感器、温度传感器和超声波换能器均与控制器电连接；所述2N个超声波换能器分为N组，每组两个超声波换能器分别安装在航道的两侧，且位于同一水平线上，每一组超声波换能器的间距均为W₀；2N个超声波换能器位于同一竖直面上形成超声波换能器阵列，记为：

((b₁₁,b₁₂),(b₂₁,b₂₂),(b₃₁,b₃₂),......,(b_i1,b_i2),......(b_N1,b_N2))， (1)

且该竖直面与船舶的前进方向垂直，其中最上端一组超声波换能器(b₁₁,b₁₂)位于航道的河面上；相邻两组超声波换能器在竖直方向的间距相等，均为ΔHm；N为大于等于3的正整数，1≤i≤N，且i为正整数；

步骤二、度传感器、温度传感器和超声波换能器检测船舶沿航道航行时的参数：所述温度传感器检测到水温为T℃并传送给控制器；

所述控制器控制所有的超声波换能器的发射端每隔Δt时间发射一次超声波检测信号，每个超声波换能器的接收端收到回传信号后发送给控制器，控制器计算出每个超声波换能器每次发出信号与接收信号的时间差，则超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，记为：

((t_j，11,t_j，12),(t_j，21,t_j，22),(t_j，31,t_j，32),......,(t_j，i1,t_j，i2),......(t_j，N1,t_j，N2))， (2)

共检测P次；

所述速度传感器每隔Δt测量一次船舶的航行速度并传送给控制器，共检测P次，记为v_j，且每次与超声波换能器阵列同时测量；P为大于等于3的正整数，1≤j≤P，且j为正整数；

步骤三、控制器收到步骤二中的信息后采用最小二乘法计算船舶横截面积：超声波在水中的传播速度为C＝332+0.607×T(m/s)，第i组两个超声波换能器的安装深度H_i＝(i-1)·ΔH， (3)

第i组两个超声波换能器在第j次发出超声波信号与接收到回传信号的时间差分别为t_j，i1,t_j，i2，得出船体与对应侧超声波传感器的距离为

L_j，i1＝C·t_j，i1/2，L_j，i2＝C·t_j，i2/2； (4)

根据式(4)，则第i组两个超声波换能器在第j次测得船体在H_j深处对应的宽度为

W_i、j＝W₀-L_j，i1-L_j，i2； (5)

根据式(5)，得出第j次发出超声波时，超声波换能器阵列测得船舶位于水面以下的船体的宽度为

(W_1、j,W_2、j,W_3、j,......W_i、j,......W_N、j)； (6)

假设第8组两个超声波换能器测得的W_8、j大于0，而第9组两个超声波换能器测得的W_9、j等于0，则认为船舶的吃水深度为8ΔH。则从第9组开始一直到第N组超声波换能器测得的船体的宽度均等于0。

根据式(3)-(6)，采用正交多项式组

φ_0,j(H),φ_1,j(H),φ_2,j(H)的线性组合作船舶外形的最小二乘拟合曲线:

S_j'(H)＝a_0,jφ_0,j(H)+a_1,jφ_1,j(H)+a_2,jφ_2,j(H) ；(7)

则船舶的横截面积为：

步骤四，根据步骤三中船舶的横截面积计算船舶吨位：

根据船舶航行速度为v_j和船舶各横截面积为S_j(H)，得出船舶位于水面以下部分的体积为：

其中，S_j＝S_j(H)；根据船舶位于水面以下部分的体积可得出船舶的吨位。

通过设置速度传感器、温度传感器和超声波换能器阵列，自动检测船舶沿航道航行的航行速度，水温，以及超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，进而得出船舶位于水面以下的船体的宽度，然后采用最小二乘法计算船舶横截面积，最后得出船舶位于水面以下部分的体积，计算出船舶吨位，检测方便，基于最小二乘法的船舶吨位计算方法，具有较高的准确率，可提高船舶吨位的测量效率，是一种替代人工测量估算船舶吨位的好方法。

通过增大N、P的数值，减小ΔH、Δt的数值可以提高测量精度。

进一步改进，所述第N组超声波换能器的安装深度H_max＝(N-1)·ΔH大于船舶的最大高度，保证船舶的最下端被检测到。

进一步改进，所述速度传感器的数量为三个，三个速度传感器沿垂直航道方向等间距设置，且位于航道水面上方。因为航道较宽，船舶的宽度较小，取距离船舶最近的一个速度传感器的测量数据，减小误差。

进一步改进，所述温度传感器的数量为三个，其中一个安装在航道中部，另外两个分别安装在航道的两侧。因为航道较宽，通过设置三个温度传感器，取平均值，减小误差。

进一步改进，三个温度传感器的安装深度为：位于航道中部的温度传感器安装深度为H_max＝(N-1)·ΔH；位于航道两侧的两个温度传感器安装深度为：一个位于水面处，另一个位于(N-1)·ΔH/2深度处。因为航道较深，不同区域的水温存在差别，通过将三个温度传感器设置与不同深度处，取平均值，减小误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过设置速度传感器、温度传感器和超声波换能器阵列，自动检测船舶沿航道航行的航行速度，水温，以及超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，进而得出船舶位于水面以下的船体的宽度，然后采用最小二乘法计算船舶横截面积，最后得出船舶位于水面以下部分的体积，计算出船舶吨位，检测方便，基于最小二乘法的船舶吨位计算方法，具有较高的准确率，可提高船舶吨位的测量效率，是一种替代人工测量估算船舶吨位的好方法。

附图说明

图1为船舶吨位自动测量方法的流程图。

图2为传感器的安装位置示意图。

图3为图2沿垂直航道方向的断面图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-3所示，一种船舶吨位自动测量方法，包括如下步骤：

步骤一、搭建检测系统：包括控制器、三个速度传感器3、三个温度传感器4和2N个超声波换能器2，所述速度传感器、温度传感器和超声波换能器均与控制器电连接；所述2N个超声波换能器分为N组，每组两个超声波换能器分别安装在航道的两侧，且位于同一水平线上，每一组超声波换能器的间距均为W₀；2N个超声波换能器位于同一竖直面上形成超声波换能器阵列，记为：

((b₁₁,b₁₂),(b₂₁,b₂₂),(b₃₁,b₃₂),......,(b_i1,b_i2),......(b_N1,b_N2))， (1)

且该竖直面与船舶的前进方向垂直，其中最上端一组超声波换能器(b₁₁,b₁₂)位于航道的河面上；相邻两组超声波换能器在竖直方向的间距相等，均为ΔHm；N为大于等于3的正整数，1≤i≤N，且i为正整数；

步骤二、度传感器、温度传感器和超声波换能器检测船舶沿航道航行时的参数：所述温度传感器检测到水温为T℃并传送给控制器；

所述控制器控制所有的超声波换能器的发射端每隔Δt时间发射一次超声波检测信号，每个超声波换能器的接收端收到回传信号后发送给控制器，控制器计算出每个超声波换能器每次发出信号与接收信号的时间差，则超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，记为：

((t_j，11,t_j，12),(t_j，21,t_j，22),(t_j，31,t_j，32),......,(t_j，i1,t_j，i2),......(t_j，N1,t_j，N2))， (2)

共检测P次；

所述速度传感器每隔Δt测量一次船舶的航行速度并传送给控制器，共检测P次，记为v_j，且每次与超声波换能器阵列同时测量；P为大于等于3的正整数，1≤j≤P，且j为正整数；

步骤三、控制器收到步骤二中的信息后采用最小二乘法计算船舶横截面积：超声波在水中的传播速度为C＝332+0.607×T(m/s)，第i组两个超声波换能器的安装深度H_i＝(i-1)·ΔH， (3)

第i组两个超声波换能器在第j次发出超声波信号与接收到回传信号的时间差分别为t_j，i1,t_j，i2，得出船体与对应侧超声波传感器的距离为

L_j，i1＝C·t_j，i1/2，L_j，i2＝C·t_j，i2/2； (4)

根据式(4)，则第i组两个超声波换能器在第j次测得船体在H_j深处对应的宽度为

W_i、j＝W₀-L_j，i1-L_j，i2； (5)

根据式(5)，得出第j次发出超声波时，超声波换能器阵列测得船舶位于水面以下的船体的宽度为

(W_1、j,W_2、j,W_3、j,......W_i、j,......W_N、j)； (6)

为简化模型难度，采用三次组合项进行拟合，因此取如下正交函数：

φ_0,j(H)＝1

φ_1,j(H)＝(H-α_1,j)φ_0,j(H)

φ_2,j(H)＝(H-α_2,j)φ_1,j(H)-β_1,jφ_0,j(H)

其中：H表示航道海水深度的函数，为连续函数，H_i表示连续函数H中的第i组两个超声波换能器安装位置处对应的深度；

根据式(3)-(6)，采用正交多项式组φ_0,j(H),φ_1,j(H),φ_2,j(H)的线性组合作船舶外形的最小二乘拟合曲线：

S_j'(H)＝a_0,jφ_0,j(H)+a_1,jφ_1,j(H)+a_2,jφ_2,j(H)； (7)

其中：

则船舶的横截面积为：

步骤四，根据步骤三中船舶的横截面积计算船舶吨位：

根据船舶航行速度为v_j和船舶各横截面积为S_j(H)，得出船舶位于水面以下部分的体积为：

其中，S_j＝S_j(H)；根据船舶位于水面以下部分的体积可得出船舶的吨位。

通过设置速度传感器、温度传感器和超声波换能器阵列，自动检测船舶沿航道航行的航行速度，水温，以及超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，进而得出船舶位于水面以下的船体的宽度，然后采用最小二乘法计算船舶横截面积，最后得出船舶位于水面以下部分的体积，计算出船舶吨位，检测方便，基于最小二乘法的船舶吨位计算方法，具有较高的准确率，可提高船舶吨位的测量效率，是一种替代人工测量估算船舶吨位的好方法。

在本实施例中，N＝50，P＝20，ΔH＝0.2m，Δt＝1s。在其他实施例中，各参数可以取其他值。

在本实施例中，所述第50组超声波换能器的安装深度H_max＝(N-1)·ΔH＝9.8m大于船舶的最大高度，保证船舶的最下端被检测到。

在本实施例中，三个速度传感器沿垂直航道方向等间距设置，且位于航道水面上方。因为航道较宽，船舶的宽度较小，取距离船舶最近的一个速度传感器的测量数据，减小误差。

在本实施例中，三个温度传感器，其中一个安装在航道中部，另外两个分别安装在航道的两侧。位于航道中部的温度传感器安装深度为9.8m；位于航道两侧的两个温度传感器安装深度为：一个位于水面处，另一个位于4.9m深度处。因为航道较深，不同区域的水温存在差别，通过将三个温度传感器设置与不同深度处，取平均值，减小误差。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种船舶吨位自动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、搭建检测系统：包括控制器、至少一个速度传感器、至少一个温度传感器和2N个超声波换能器，所述速度传感器、温度传感器和超声波换能器均与控制器电连接；所述2N个超声波换能器分为N组，每组两个超声波换能器分别安装在航道的两侧，且位于同一水平线上，每一组两个超声波换能器的间距均为W₀；2N个超声波换能器位于同一竖直面上形成超声波换能器阵列，记为：

((b₁₁,b₁₂),(b₂₁,b₂₂),(b₃₁,b₃₂),......,(b_i1,b_i2),......(b_N1,b_N2))， (1)

且该竖直面与船舶的前进方向垂直，其中最上端一组超声波换能器(b₁₁,b₁₂)位于航道的河面上；相邻两组超声波换能器在竖直方向的间距相等，均为ΔHm；N为大于等于3的正整数，1≤i≤N，且i为正整数；

步骤二、速度传感器、温度传感器和超声波换能器检测船舶沿航道航行时的参数：所述温度传感器检测到水温为T℃并传送给控制器；

所述控制器控制所有的超声波换能器的发射端每隔Δt时间发射一次超声波检测信号，每个超声波换能器的接收端收到回传信号后发送给控制器，控制器计算出每个超声波换能器每次发出信号与接收信号的时间差，则超声波换能器阵列每发射一次超声波检测信号对应的时间差同样构成时间阵列，记为：

((t_j，11,t_j，12),(t_j，21,t_j，22),(t_j，31,t_j，32),......,(t_j，i1,t_j，i2),......(t_j，N1,t_j，N2))， (2)

共检测P次；

所述速度传感器每隔Δt时间段测量一次船舶的航行速度并传送给控制器，共检测P次，记为v_j，且每次与超声波换能器阵列同时测量；P为大于等于3的正整数，1≤j≤P，且j为正整数；

步骤三、控制器收到步骤二中的信息后采用最小二乘法计算船舶横截面积：超声波在水中的传播速度为C＝332+0.607×T(m/s)，第i组两个超声波换能器的安装深度H_i＝(i-1)·ΔH， (3)

第i组两个超声波换能器在第j次发出超声波信号与接收到回传信号的时间差分别为t_j，i1,t_j，i2，得出船体与对应侧超声波传感器的距离为

L_j，i1＝C·t_j，i1/2，L_j，i2＝C·t_j，i2/2； (4)

根据式(4)，则第i组两个超声波换能器在第j次测得船体在H_j深处对应的宽度为

W_i、j＝W₀-L_j，i1-L_j，i2； (5)

根据式(5)，得出第j次发出超声波时，超声波换能器阵列测得船舶位于水面以下的船体的宽度为

(W_1、j,W_2、j,W_3、j,......W_i、j,......W_N、j)； (6)

为简化模型难度，采用三次组合项进行拟合，因此取如下正交函数：

φ_0,j(H)＝1

φ_1,j(H)＝(H-α_1,j)φ_0,j(H)

φ_2,j(H)＝(H-α_2,j)φ_1,j(H)-β_1,jφ_0,j(H)

其中：H表示航道海水深度的函数，为连续函数，H_i表示连续函数H中的第i组两个超声波换能器安装位置处对应的深度；

根据式(3)-(6)，采用正交多项式组φ_0,j(H),φ_1,j(H),φ_2,j(H)的线性组合作船舶外形的最小二乘拟合曲线：

S_j'(H)＝a_0,jφ_0,j(H)+a_1,jφ_1,j(H)+a_2,jφ_2,j(H)； (7)

其中：

则船舶的横截面积为：

步骤四，根据步骤三中船舶的横截面积计算船舶吨位：

根据船舶航行速度为v_j和船舶各横截面积为S_j(H)，得出船舶位于水面以下部分的体积为：

其中，S_j＝S_j(H)；根据船舶位于水面以下部分的体积可得出船舶的吨位。

2.根据权利要求1所述的船舶吨位自动测量方法，其特征在于，所述第N组超声波换能器的安装深度H_max＝(N-1)·ΔH大于船舶的最大高度。

3.根据权利要求1或2所述的船舶吨位自动测量方法，其特征在于，所述速度传感器的数量为三个，三个速度传感器沿垂直航道方向等间距设置，且位于航道水面上方。

4.根据权利要求3所述的船舶吨位自动测量方法，其特征在于，所述温度传感器的数量为三个，其中一个安装在航道中部，另外两个分别安装在航道的两侧。

5.根据权利要求4所述的船舶吨位自动测量方法，其特征在于，三个温度传感器的安装深度为：位于航道中部的温度传感器安装深度为H_max＝(N-1)·ΔH；位于航道两侧的两个温度传感器安装深度为：一个位于水面处，另一个位于(N-1)·ΔH/2深度处。