CN113217240A - 一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法及装置，所述方法包括：建立用于表征油舱形状的油舱三维数据模型；将所述油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层；获取各个所述片层的中心点的坐标；获取各个所述片层的面积；建立最优检测线方程；确定油舱液面传感器的最优安装位置。本发明的有益效果是：通过将油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层，并获取各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，由于对于各个片层来说，检测线与其中心点的距离越短则检测误差越小，同时，面积较大的片层对最优安装位置影响较大，从而可根据这两个因素确定油舱液面传感器的最优安装位置。

Description

一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法及装置
技术领域
本发明涉及船舶油舱液面测量技术领域，尤其是涉及一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法及装置。
背景技术
随着我国航运市场的快速发展，我国的各类船舶数量迅猛增加，为我国国内及海外贸易带来了极大的发展空间，同时对我国的经济发展产生了巨大影响。而当今世界上的船舶主要以石油为能源物质，船舶燃油的高昂费用为海上运输行业带来了很大的营运压力。船舶燃油消耗及油船载油量是船运公司最主要成本之一，为了降低燃油成本，提高经济效益，船舶驾驶者通常要定期向船运公司报告船舶航行过程中燃油耗油量、油船油舱剩余油量等数据。
由于船舶的油舱是与船舶固定在一起的，所以油舱会与船舶产生同步的姿态变化。船舶在海上航行过程中，异常天气的影响或货物的不均匀分布必然引起船舶姿态的变化，姿态改变传导到油舱，油面就会产生倾斜振荡。
在船舶油舱倾斜时，油舱液面传感器的安装位置对测量误差影响很大，以规则的圆筒形油舱为例，当油舱液面传感器安装在油舱的正中央位置上方时，则测量误差为零，而当油舱液面传感器安装位置越偏离油舱的正中央，则测量误差越大。因此，选择油舱液面传感器的最佳安装位置对减小油舱液面测量误差至关重要；同时，由于大多数船舶油舱的形状均为不规则形，其油舱液面传感器的最佳安装位置并不一定位于油舱正中央，而现有技术中没有针对不规则形油舱确定油舱液面传感器的最佳安装位置的方法，导致油舱液面传感器没能安装在最佳安装位置，增加了在船舶姿态发生变化时油舱液面传感器的测量不准确而产生计量误差的概率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法及装置，用以解决。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，包括：
建立用于表征油舱形状的油舱三维数据模型；
将所述油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层；
获取各个所述片层的中心点的坐标；
获取各个所述片层的面积；
根据各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，建立最优检测线方程；
根据所述最优检测线方程确定油舱液面传感器的最优安装位置。
优选地，根据各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，确定最优检测线方程，具体包括：根据各个所述片层的面积，确定各个所述片层的权重；根据各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式；根据各个所述片层的权重及各个片层与最优检测线的距离表达式，获取各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式；根据各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，确定最优检测线方程。
优选地，根据各个所述片层的面积，确定各个所述片层的权重，具体计算公式为：
Figure BDA0003088604880000031
其中，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数。
优选地，根据各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式，具体包括：获取油舱的形心的坐标；设定最优检测线的方向向量；根据油舱的形心的坐标及设定的最优检测线的方向向量，建立最优检测线方程；根据最优检测线方程及各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式。
优选地，根据油舱的形心的坐标及设定的最优检测线的方向向量，建立最优检测线方程，具体为：最优检测线方程为：
Figure BDA0003088604880000032
其中，(xc，yc，zc)为油舱的形心Pc的坐标，(A，B，C)为最优检测线的方向向量N，且有A2+B2+C2＝1。
优选地，根据最优检测线方程及各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式，具体为：
Figure BDA0003088604880000033
其中，di为第i个片层与最优检测线的距离，Pi为第i个片层的中心点，其坐标为(xi，yi，zi)，Pc为油舱的形心，其坐标为(xc，yc，zc)，N为最优检测线的方向向量，i为大于0的自然数。
优选地，根据各个所述片层的权重及各个片层与最优检测线的距离表达式，获取各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，具体为：
Figure BDA0003088604880000041
其中，D(A，B，C)为各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数，(A，B，C)为最优检测线的方向向量N，(xi，yi，zi)为第i个片层的中心点Pi的坐标，(xc，yc，zc)为油舱的形心Pc的坐标。
优选地，根据各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，确定最优检测线方程，具体包括：定义F(A，B，C)＝f(A，B，C)+λg(A，B，C)，其中
Figure BDA0003088604880000042
g(A，B，C)＝A2+B2+C2-1；分别将F(A，B，C)对A，B，C，λ求偏导，并使各个偏导值均为0，得到A、B及C的值，以确定最优检测线方程。
优选地，根据所述最优检测线方程确定油舱液面传感器的最优安装位置，具体为：最优安装位置为所述最优检测线与油舱顶面的交点。
第二方面，本发明还提供了一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现本发明提供的所述用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过将油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层，并获取各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，由于对于各个片层来说，检测线与其中心点的距离越短则检测误差越小，同时，面积较大的片层对最优安装位置影响较大，因此最优检测线与各个片层的中心点的位置及各个片层的面积大小有关，从而可根据各个片层的中心点的位置及各个片层的面积大小确定最优检测线，继而确定油舱液面传感器的最优安装位置。
附图说明
图1是本发明提供的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法的一实施例的流程示意图；
图2是本发明提供的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法的一实施例中的油舱的三维数据模型及片层分割方法示意图；
图3是图1中步骤S5的流程示意图；
图4是图3中步骤S52的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法的一实施例的流程示意图，所述用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法包括：
S1、建立用于表征油舱形状的油舱三维数据模型，油舱三维数据模型可直接从油舱生产厂商处获取，也可以在测量油舱的各个形状数据后通过建模软件建模得到，本实施例中，油舱三维数据模型为Solidworks三维模型文件格式，本实施例中的油舱形状如图2所示；
S2、将所述油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层，本实施例中，如图2所示，将油舱沿竖直方向分割成若干个片层，此操作可以借助三维制图软件(如Solidworks)完成，为减小误差，要求各个片层厚度尽可能小；
S3、获取各个所述片层的中心点的坐标，各个所述片层的中心点的坐标可以直接经由三维制图软件获取，对于各个所述片层来说，由于片层厚度极小，因此各个所述片层均可看做规则的圆筒形，从而各个片层的中心点即为对应片层的最优检测位置，即当最终确定的最优检测线经过该片层的中心点时，对于该片层的误差则最小，但由于最优检测线为直线，而各个片层的中心点连成折线，因此最优检测线难以通过各个片层的中心点，因此，需要最优检测线与各个片层的中心点的距离尽可能小，以减小测量误差；
S4、获取各个所述片层的面积，各个所述片层的面积可以直接经由三维制图软件获取，由于面积较大的片层的中心点所在位置对最优安装位置影响较大，因此将片层截面的面积大小比例作为该片层的权重；
S5、根据各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，建立最优检测线方程；
S6、根据所述最优检测线方程确定油舱液面传感器的最优安装位置，本发明中，最优检测线是指当油舱液面传感器安装在最优位置时，油舱液面传感器发射出的超声波射线所对应的直线。
本发明通过将油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层，并获取各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，由于对于各个片层来说，检测线与其中心点的距离越短则检测误差越小，同时，面积较大的片层对最优安装位置影响较大，因此最优检测线与各个片层的中心点的位置及各个片层的面积大小有关，从而可根据各个片层的中心点的位置及各个片层的面积大小确定最优检测线，继而确定油舱液面传感器的最优安装位置。
为了具体实现通过各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积建立最优检测线方程，请参照图3，在一优选的实施例中，所述步骤S5具体包括：
S51、根据各个所述片层的面积，确定各个所述片层的权重；
具体计算公式为：
Figure BDA0003088604880000071
其中，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数。
S52、根据各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式；
请参照图4，所述步骤S52具体包括：
S521、获取油舱的形心的坐标；油舱的形心的坐标可通过三维模型软件，直接根据油舱三维数据模型进行确定，为方便描述，假设获取到的油舱的形心为Pc(xc，yc，zc)，则最优检测线必经过Pc。
S522、设定最优检测线的方向向量；设最优检测线的方向向量N为(A，B，C)。
S523、根据油舱的形心的坐标及设定的最优检测线的方向向量，建立最优检测线方程；
最优检测线方程为：
Figure BDA0003088604880000072
其中，(xc，yc，zc)为油舱的形心Pc的坐标，(A，B，C)为最优检测线的方向向量N，且根据三维坐标系中直线方程的性质有A2+B2+C2＝1。
S524、根据最优检测线方程及各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式。
各个片层与最优检测线的距离表达式具体为：
Figure BDA0003088604880000081
其中，di为第i个片层与最优检测线的距离，Pi为第i个片层的中心点，其坐标为(xi，yi，zi)，Pc为油舱的形心，其坐标为(xc，yc，zc)，N为最优检测线的方向向量，i为大于0的自然数。
S53、根据各个所述片层的权重及各个片层与最优检测线的距离表达式，获取各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式；
具体为：
Figure BDA0003088604880000082
将公式(1)和公式(3)代入公式(4)，可得：
Figure BDA0003088604880000083
其中，D(A，B，C)为各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数，(A，B，C)为最优检测线的方向向量N，(xi，yi，zi)为第i个片层的中心点Pi的坐标，(xc，yc，zc)为油舱的形心Pc的坐标。
当D(A，B，C)取最小值时，各个片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和最小，此时的(A，B，C)即为最优检测线对应的方向向量，将A、B、C的值代入公式(2)，即可确定最优检测线方程。
S54、根据各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，确定最优检测线方程。
步骤S53中提到，当D(A，B，C)取最小值时，各个片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和最小，此时的(A，B，C)即为最优检测线对应的方向向量，因此将此问题转化为函数D(A，B，C)在约束条件A2+B2+C2＝1下的最小值。
因公式(5)中，
Figure BDA0003088604880000091
为已知常量，因此，若要求D(A，B，C)取得最小值，只需使函数f(A，B，C)取最大值即可。
(1)通过拉格朗日乘子法，定义
F(A，B，C)＝f(A，B，C)+λg(A，B，C) (6)
其中
Figure BDA0003088604880000092
g(A，B，C)＝A2+B2+C2-1；
(2)分别将F(A，B，C)对A，B，C，λ求偏导，并使各个偏导值均为O，得到A、B及C的值，以确定最优检测线方程。
解得：
Figure BDA0003088604880000093
因此，D(A，B，C)可以写成：
Figure BDA0003088604880000094
D(A，B，C)取最小值，即λ取最大特征值，即可求得(A，B，C)，再将A、B、C的值代入公式(2)，即可确定最优检测线方程。
当确定最优检测线方程后，请参照图1，在一优选的实施例中，最优安装位置为所述最优检测线与油舱顶面的交点。
本发明还提供了一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现本发明提供的所述用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法。
综上所述，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明提供的确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，填补了相应的技术空白，可使传感器安装在最优检测位置上，从而减小因船舶倾斜导致的油舱液面测量误差；
(2)本发明提供的确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，不仅考虑了各个片层的中心点位置对最优检测线的影响，还考虑了各个片层的面积对最优检测线的影响，从而使本方法确定的最优安装位置的准确性得到了提高；
(3)在确定各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式之后，通过最小二乘逼近法确定最优检测线的方向向量，以使所述距离加权平方和取得最小值，从而实现了对最优检测线的方向向量的确定。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，包括：
建立用于表征油舱形状的油舱三维数据模型；
将所述油舱三维数据模型沿竖直方向分割成若干个厚度相等的片层；
获取各个所述片层的中心点的坐标；
获取各个所述片层的面积；
根据各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，建立最优检测线方程；
根据所述最优检测线方程确定油舱液面传感器的最优安装位置。
2.根据权利要求1所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据各个所述片层的中心点的坐标及各个所述片层的面积，建立最优检测线方程，具体包括：
根据各个所述片层的面积，确定各个所述片层的权重；
根据各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式；
根据各个所述片层的权重及各个片层与最优检测线的距离表达式，获取各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式；
根据各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，确定最优检测线方程。
3.根据权利要求2所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据各个所述片层的面积，确定各个所述片层的权重，具体计算公式为：
Figure FDA0003088604870000021
其中，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数。
4.根据权利要求3所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式，具体包括：
获取油舱的形心的坐标；
设定最优检测线的方向向量；
根据油舱的形心的坐标及设定的最优检测线的方向向量，建立最优检测线方程；
根据最优检测线方程及各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式。
5.根据权利要求4所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据油舱的形心的坐标及设定的最优检测线的方向向量，建立最优检测线方程，具体为：
最优检测线方程为：
Figure FDA0003088604870000022
其中，(xc,yc,zc)为油舱的形心Pc的坐标，(A,B,C)为最优检测线的方向向量N，且有A2+B2+C2＝1。
6.根据权利要求5所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据最优检测线方程及各个所述片层的中心点的坐标，分别确定各个片层与最优检测线的距离表达式，具体为：
Figure FDA0003088604870000031
其中，di为第i个片层与最优检测线的距离，Pi为第i个片层的中心点，其坐标为(xi,yi,zi)，Pc为油舱的形心，其坐标为(xc,yc,zc)，N为最优检测线的方向向量，i为大于0的自然数。
7.根据权利要求6所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据各个所述片层的权重及各个片层与最优检测线的距离表达式，获取各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，具体为：
Figure FDA0003088604870000032
其中，D(A,B,C)为各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和，wi为各个所述片层的权重，Si为第i个片层的面积，n为片层的个数，i为大于0的自然数，(A,B,C)为最优检测线的方向向量N，(xi,yi,zi)为第i个片层的中心点Pi的坐标，(xc,yc,zc)为油舱的形心Pc的坐标。
8.根据权利要求7所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据各个所述片层的中心点与最优检测线的距离加权平方和表达式，确定最优检测线方程，具体包括：
定义F(A,B,C)＝f(A,B,C)+λg(A,B,C)，其中
Figure FDA0003088604870000033
Figure FDA0003088604870000034
分别将F(A,B,C)对A,B,C,λ求偏导，并使各个偏导值均为0，得到A、B及C的值，以确定最优检测线方程。
9.根据权利要求7所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法，其特征在于，根据所述最优检测线方程确定油舱液面传感器的最优安装位置，具体为：
最优安装位置为所述最优检测线与油舱顶面的交点。
10.一种用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的装置，其特征在于，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-9任意一项所述的用于确定船舶油舱液面传感器安装位置的方法。
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