CN112213715A - 一种适用于升船机狭窄航道的测距方法 - Google Patents

一种适用于升船机狭窄航道的测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，具体为一种适用于保障船舶进出长江三峡升船机等狭窄航道安全的测距装置的测距方法及装置，该方法包括：实时船舶姿态，包括横倾角、纵倾角、首向角的测量方式；船舶轮廓点的在船舶航行时，相对于船舶沿航道移动的动坐标系的位置的换算方式；船舶和闸室、承船厢之间的横向最小距离的换算方式；在船首尾端距承船厢闸门的距离的测量及换算方式；船舶和承船厢之间的纵向最小距离的换算方式；测距装置系统的基本组成。本发明实施例为船舶在狭窄航道内航行，测量和航道限制面之间的距离提供了一种方法，为避免碰撞，保障船舶安全提供了保障。

Description

一种适用于升船机狭窄航道的测距方法
技术领域
本发明涉及一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，主要应用于可通过长江三峡升船机来通过三峡大坝的船舶。该系统能有效降低船舶进出升船机的承船厢定点停船的操船难度。也可运用于船舶过闸，港口停靠等在操纵上对距离精度有较高要求的船舶，属于船舶技术领域。
背景技术
为提高长江三峡枢纽的通航能力，长江建造的三峡升船机，已于2016年9月18日试通航。升船机承船厢长132米、宽23.4米、高10米，可提升排水量3000吨级的船舶过坝，实际停船空间为长约120米，宽约18米。为最大化船舶装载量，实际营运船舶尺度会达到或接近承船厢限制船舶尺寸的上限。实船试验中发现，大型船舶通过引航道进入承船厢并定点停船，存在很大的操作难度。大型船舶往往要经过长时间的多次尝试，才能完成整个停船过程。这样严重削弱三峡枢纽的通航能力。同时，进出过程会伴随着多次的船体和升船机碰撞，对船舶及承船厢造成难以估量的损害和隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是大型船舶进出升船机承船厢并定点停船的操船难度较大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，使用一套测距装置，所述测距装置包括，设于首部测量点、尾部测量点的纵向距离传感器、设于两舷前后左右两侧的横向距离传感器、距离显示系统、报警装置和船舶测深仪；其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由船舶测深仪得到船舶的船首左右舷吃水深度TFP和TFS，船尾左右舷吃水深度TAP和TAS；由两舷前后左右两侧的横向距离传感器得到船首左右舷距航道壁距离DFP和DFS，船尾左右舷距航道壁距离DAP和DAS；
步骤二：计算船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ，及船舶首中尾的平均吃水深度TF、TM、TA；
步骤三：船上任意一点坐标(xi,yi,zi)，相对船中吃水线中心(x0,y0,z0)旋转的坐标为
Figure BDA0002719681350000021
其中，xi,yi,zi分别沿着船长、船宽和高度方向；
根据随船坐标系
Figure BDA0002719681350000022
围绕旋转船中吃水线中心(x0,y0,z0)和随船移动坐标系
Figure BDA0002719681350000023
之间的关系：
Figure BDA0002719681350000024
通过以上两个关系式换算关系得到船上任意点(xi,yi,zi)在随船移动坐标系的位置
Figure BDA0002719681350000025
步骤四：选取船舶上的最大轮廓的n个特征点(xi,yi,zi),i＝1,…,n，根据步骤三的换算关系计算出其在大地坐标系中的位置
Figure BDA0002719681350000026
求得船和闸室、承船厢之间的所有点中的最小横向距离，并通过所述距离显示系统显示；
步骤五：测量船首尾距承船厢闸门的距离DxF和DxA。
其中，步骤二中，具体换算关系如下：
船首吃水TF＝(TFP+TFS)/2；
船尾吃水TA＝(TAP+TAS)/2；
船中吃水TM＝(TF+TA)/2；
横倾角tanα＝((TFP-TFS)/BF+(TAP-TAS)/BA)/2，其中，BF、BA分别是首尾两舷吃水的横向距离；
纵倾角tanβ＝((TFP-TAP)+(TFS-TAS))/(2LTFA)，其中，LTFA是首尾吃水的纵向距离；
所述步骤二还包括根据船舶的首尾左右舷距航道壁距离DFP、DFS和DAP、DAS，得到船舶的首向角γ，具体换算关系如下：
首向角tanγ＝((DFP-DFS)+(DAS-DAP))/(2LDFA)，其中，LDFA是首尾测距点的纵向距离。
其中，所述测距装置还包括设于船中左右两侧的吃水深度传感器，船中左右舷吃水深度分别为TMP、TMS，所述步骤二中船舶的横倾角α，由换算关系tanα＝(TMP-TMS)/B得到，其中，B为船舶型宽。
其中，所述所述测距装置还包括船舶姿态传感器，所述步骤二中，船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ由船舶姿态传感器测量得到。
其中，所述步骤四中特征点包括船顶层前后左右四角最突出的位置。
其中，所述步骤五中，船首尾距承船厢闸门的距离DxF和DxA的具体换算关系如下：
Figure BDA0002719681350000031
其中，DF为首部测量点距闸门水线前端的距离，
HF为首部测量点相对船体坐标的垂向位置，
TxF为位于首部测量点所在位置xF的纵向吃水深度，
β为纵倾角；
Figure BDA0002719681350000032
其中，DA为尾部测量点距闸门水线前端的距离，
HA为尾部测量点相对船体坐标的垂向位置，
TxA为位于尾部测量点所在位置的纵向吃水深度，
β为纵倾角；
优选的，所述纵向距离传感器为微波雷达；所述横向距离传感器为红外激光测距传感器。
优选的，所述测量装置还包括系统自诊断模块，传感器断线监测模块；所述报警装置设于报警预设值，所述距离显示系统设有MIMIC图(模拟图)显示模块。
本发明提供了一种适用于保障船舶进出长江三峡升船机等狭窄航道安全的测距装置的测量和换算方法，包括船舶姿态的换算方式，船舶轮廓点的在船舶航行时相对于船舶沿航道移动的动坐标系的位置的换算方式，船舶和闸室、承船厢之间的横向最小距离的换算方式，船舶和承船厢之间的纵向最小距离的测量及换算方式。
可选的，所述船舶的横倾角，可由船中左右舷布置吃水传感器得到的吃水换算得到。
可选的，船舶的横倾角、纵倾角和首向角由船舶姿态传感器得到。
本发明优点在于作为一种精度高，显示直观的测距系统，兼顾了不同传感器的适用范围，本系统采用多种类型的距离传感器，安装于船前后左右四点，测量船和升船机通道及两舷墙壁之间的距离。显示单元安装在驾控台和船舶两翼，紧邻操船设备，直观显示船舶状态，并配备限制距离报警功能，帮助船员准确定位完成操船任务。
附图说明
图1是本发明的距离传感器的分布示意图；
图2是本发明的测量和承船厢前后距离的示意图
具体实施方式
为使下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基本原理是：通过采用分布式传感器进行船舶相对位置数据采集，采用中央控制器进行现场数据的接收和分析，通过本地和远程的触摸屏对船舶位置信息进行显示，并可根据需求设定报警限制值。这样，减少船在进入狭窄航道航行发生避碰的可能性，辅助船舶在升船机承船厢的安全区域停船。
根据项目实例分析：船长105米，宽16.3米，吃水2.7米。理想的航行状态，在升船机航道航行时，左右距离航道两壁距离约为0.85米，两壁高度大于船高。理想的停船状态，船艏距承船厢首部闸门距离约为13.5米；船艉距承船厢尾部闸门距离约为13.5米；
本实施例的系统组成有：6套距离传感器，1套船舶姿态传感器，3套距离显示系统，1套报警装置。
如图1所示，为本实施例一种适用于船舶进出长江三峡升船机等狭窄航道的测距装置的距离传感器的分布：船两舷前后布置共4套横向距离传感器，首尾端布置2套纵向距离传感器。
目前，市面常见的船用测距传感器包括：红外线传感器，激光传感器，超声波传感器，微波传感器。性能对比见附表1。
表1几种传感器的技术参数类比
Figure BDA0002719681350000051
如表1所示，船首、船尾10m以上测距的采用微波雷达，两舷1m以内测距采用红外激光测距传感器(超声波测距有盲区)。
6套传感器，其中船首、船尾设置1套船用微波雷达或等效精度的传感器，可避免水雾干扰。微波雷达传感器于船首、船尾开槽安装，安装高度应大于船舶最大航行吃水深度，倾斜安装，避免江水浸没。两舷左右侧前后共设置4套采用红外激光测距传感器或等效精度的测距传感器，安装于高层甲板，并配备防护箱。
1套船舶姿态传感器，用于感知船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ。
距离显示系统是基于分布式设计的显示、报警系统。3套距离显示系统，1套位于驾驶室控制台，2套分别位于船舶驾驶室两翼位置。
1套报警装置：当测量得到的横向或纵向最小距离小于要求的距离时，报警装置就会报警，并在显示系统上提示。
由于测距仅能测量指定点的距离大小，如需精确换算整个船的最小距离，需通过船姿态换算，因为船有可能会有横倾、横摇、纵倾，不一定会完全处于平浮状态，因此预先安装的测量点不一定是最小距离的位置。通过船舶姿态仪，可以精确换算出船舶在升船机中的姿态，精确测出当前浮态距离最小值。
以下为具体测量和换算方式如下：
步骤一：由船舶测深仪得到船舶的船首左右舷吃水深度TFP和TFS，船尾左右舷吃水深度TAP和TAS。由船舷左右侧前后的测距传感器得到船首左右舷距航道壁距离DFP和DFS，船尾左右舷距航道壁距离DAP和DAS。
步骤二：
根据船舶的四点吃水TFP、TFS和TAP、TAS，得到船舶的横倾角α和纵倾角β，及船舶首中尾的平均吃水TF、TM、TA，具体换算关系如下：
船首吃水TF＝(TFP+TFS)/2；
船尾吃水TA＝(TAP+TAS)/2；
船中吃水TM＝(TF+TA)/2；
横倾角tanα＝((TFP-TFS)/BF+(TAP-TAS)/BA)/2，其中，BF、BA分别是首尾两舷吃水的横向距离；
纵倾角tanβ＝((TFP-TAP)+(TFS-TAS))/(2LTFA)，其中，LTFA是首尾吃水的纵向距离。
根据船舶的首尾左右舷距航道壁距离DFP、DFS和DAP、DAS，得到船舶的首向角γ。具体换算关系如下：
首向角tanγ＝((DFP-DFS)+(DAS-DAP))/(2LDFA)，其中，LDFA是首尾测距点的纵向距离。
这样便得到了船舶实时浮态及在航道中的姿态。
可选的，船舶的横倾角α，如船中左右舷布置吃水传感器，可由船中左右舷吃水TMP、TMS，由换算关系tanα＝(TMP-TMS)/B得到。其中，B为船舶型宽。
可选的，船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ也可由船舶姿态传感器得到。
步骤三：船上任意一点坐标(xi,yi,zi)，相对船中吃水线中心(x0,y0,z0)旋转的坐标为
Figure BDA0002719681350000061
其中，xi,yi,zi分别沿着船长、船宽和高度方向。
根据随船坐标系
Figure BDA0002719681350000062
围绕旋转船中吃水线中心(x0,y0,z0)和随船移动坐标系
Figure BDA0002719681350000063
之间的关系：
Figure BDA0002719681350000071
即通过以上两个关系式换算关系得到船上任意点(xi,yi,zi)在随船移动坐标系的位置
Figure BDA0002719681350000072
步骤四：取船舶上的最大轮廓的n个特征点(xi,yi,zi),i＝1,…,n，如船顶层前后左右四角最突出的位置，根据以上关系换算出其在大地坐标系中的位置
Figure BDA0002719681350000073
这样，求得船和闸室、承船厢之间的所有点中的最小横向距离，将此距离显示在显示屏上。
步骤五：在船首尾布置测量点测量首尾距承船厢闸门的距离DxF和DxA。具体换算关系如下：
Figure BDA0002719681350000074
其中，DF为首部测量点距闸门水线前端的距离，
HF为首部测量点相对船体坐标的垂向位置，
TxF通过船舶首尾吃水换算得到的、位于首部测量点所在位置xF的纵向吃水深度，
β为纵倾角。
同理，
Figure BDA0002719681350000075
这样，得到船首尾测量点距承船厢闸门的距离DxF和DxA。如果测量点不是船的最首段和最尾端。则可以通过以下公式换算：
DxF-D'xF＝[(x'F-xF)cosβ+(H'F-HF)sinβ]cosγ
这样得到实际船首最前端距承船厢闸门的距离D'xF。
同理，得到实际船首最前端距承船厢闸门的距离D'xA。
或其他，换算关系得到船首尾最前和最后端点距承船厢闸门的距离D'xF和D'xA，方式不限于此。
系统功能还包含：
系统自诊断，传感器断线监测(测距系统故障时，可通过船舶监测报警系统反馈故障报警)，报警设定(设定距离值，超过限定距离时，通过配套的声光报警装置发出报警信号)，MIMIC图(模拟图)显示，船舶横纵倾距离修正(修正船舶倾斜带来的测距误差，提高测距精度)。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，使用一套测距装置，所述测距装置包括，设于首部测量点、尾部测量点的纵向距离传感器、设于两舷前后左右两侧的横向距离传感器、距离显示系统、报警装置和船舶测深仪；其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由船舶测深仪得到船舶的船首左右舷吃水深度TFP和TFS，船尾左右舷吃水深度TAP和TAS；由两舷前后左右两侧的横向距离传感器得到船首左右舷距航道壁距离DFP和DFS，船尾左右舷距航道壁距离DAP和DAS；
步骤二：计算船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ，及船舶首中尾的平均吃水深度TF、TM、TA；
步骤三：船上任意一点坐标(xi,yi,zi)，相对船中吃水线中心(x0,y0,z0)旋转的坐标为
Figure FDA0002719681340000011
其中，xi,yi,zi分别沿着船长、船宽和高度方向；
根据随船坐标系
Figure FDA0002719681340000012
围绕旋转船中吃水线中心(x0,y0,z0)和随船移动坐标系
Figure FDA0002719681340000013
之间的关系：
Figure FDA0002719681340000014
通过以上两个关系式换算关系得到船上任意点(xi,yi,zi)在随船移动坐标系的位置
Figure FDA0002719681340000015
步骤四：选取船舶上的最大轮廓的n个特征点(xi,yi,zi),i＝1,…,n，根据步骤三的换算关系计算出其在大地坐标系中的位置
Figure FDA0002719681340000016
求得船和闸室、承船厢之间的所有点中的最小横向距离，并通过所述距离显示系统显示；
步骤五：测量船首尾距承船厢闸门的距离DxF和DxA。
2.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述步骤二中，具体换算关系如下：
船首吃水TF＝(TFP+TFS)/2；
船尾吃水TA＝(TAP+TAS)/2；
船中吃水TM＝(TF+TA)/2；
横倾角tanα＝((TFP-TFS)/BF+(TAP-TAS)/BA)/2，其中，BF、BA分别是首尾两舷吃水的横向距离；
纵倾角tanβ＝((TFP-TAP)+(TFS-TAS))/(2LTFA)，其中，LTFA是首尾吃水的纵向距离；
所述步骤二还包括根据船舶的首尾左右舷距航道壁距离DFP、DFS和DAP、DAS，得到船舶的首向角γ，具体换算关系如下：
首向角tanγ＝((DFP-DFS)+(DAS-DAP))/(2LDFA)，其中，LDFA是首尾测距点的纵向距离。
3.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述测距装置还包括设于船中左右两侧的吃水深度传感器，船中左右舷吃水深度分别为TMP、TMS，所述步骤二中船舶的横倾角α，由换算关系tanα＝(TMP-TMS)/B得到，其中，B为船舶型宽。
4.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述所述测距装置还包括船舶姿态传感器，所述步骤二中，船舶的横倾角α、纵倾角β和首向角γ由船舶姿态传感器测量得到。
5.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述步骤四中特征点包括船顶层前后左右四角最突出的位置。
6.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述步骤五中，船首尾距承船厢闸门的距离DxF和DxA的具体换算关系如下：
Figure FDA0002719681340000021
其中，DF为首部测量点距闸门水线前端的距离，
HF为首部测量点相对船体坐标的垂向位置，
TxF为位于首部测量点所在位置xF的纵向吃水深度，
β为纵倾角；
Figure FDA0002719681340000022
其中，DA为尾部测量点距闸门水线前端的距离，
HA为尾部测量点相对船体坐标的垂向位置，
TxA为位于尾部测量点所在位置的纵向吃水深度，
β为纵倾角。
7.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述纵向距离传感器为微波雷达；所述横向距离传感器为红外激光测距传感器。
8.根据权利要求1所述的一种适用于升船机狭窄航道的测距方法，其特征在于，所述测量装置还包括系统自诊断模块，传感器断线监测模块；所述报警装置设于报警预设值，所述距离显示系统设有MIMIC图(模拟图)显示模块。
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