CN113247197B - 一种船舶电子水尺测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电子水尺测量方法及系统，包括建立船舶图纸尺寸数据库；同步各测量节点并以统一的测量起始时间点采集船舶尾部水位高度值以及船舷两侧前、中、后部的纵倾方向上的角度值、角速度值和加速度值；基于角速度值和加速度值的动态数据变化特征提取符合船舶平衡态的测量起始时间点，以此为索引建立平衡态数据表；基于平衡态数据表和船舶图纸尺寸数据库，分别计算得到船舶平衡态的一组前、中、后部水尺数值。根据本发明公开的船舶电子水尺测量方法，对重复多组的不同测量起始时间点对应的平衡态的前、中、后部水尺数值作滤波计算，可以进一步提升测量计算精度。

Description

一种船舶电子水尺测量方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶水尺测量技术领域，具体公开了一种船舶电子水尺测量方法及系统。

背景技术

船舶的吃水标志刻度线称为水尺，水尺标志设置在船体的左右两舷外侧的前、中、后部共6处，称为六面水尺。水面与其中一个水尺相交的刻度数，对应该处水尺位置的水平面相对于船底的垂直距离，称为吃水数值。目前的生产实践活动和现行的国家标准《SN/T3023.2-2012进出口商品重量鉴定规程》均采用目测方法逐个读取六面水尺位置的吃水数值，进一步依据船舶静水力图表推算船舶的排水量。

现有的技术在读取水尺数值时，存在以下问题：(1)船舶在水中始终处于不稳定姿态，并且船舶周围波浪的频率和振幅不规律，因此逐一读取六面水尺获得的是船舶在6个不同倾斜状态下的吃水数值，为推导船舶排水量带来较大误差和不确定性；(2)水尺刻度线的最小分度值通常为20厘米，肉眼根据水面以上的刻度线到水面的距离进行估读，合理的误差在最小分度值的10-20％，即2-4厘米，对3.5米总水尺高度的排水量2000吨左右的船只，会带来0.5％-1％的直接误差，误差的正负值方向不具确定性，且误差的范围进一步根据测量人员的经验、观测位置、现场风浪情况产生进一步增大的可能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船舶电子水尺测量方法及系统，以解决现有技术中逐一读取六个水尺数值以及通过人工估读造成的测量精度不高的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种船舶电子水尺测量方法，具体包括以下步骤：

建立船舶图纸尺寸数据库：基于船舶型深数据、设置在船舷两侧的前部、中部和后部的角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离以及各测量节点的安装校正值来建立船舶图纸尺寸数据库，所述安装校正值包括水位测量节点的测量零刻度相对于船舶中部水尺处甲板表面的高度校正值和角度测量节点的初始角度测量值相对于船舶整体初始纵倾角度值的纵倾角度校正值；

测量节点时间同步：基于网络标准时间或GPS标准时间对角度测量节点和水位测量节点进行各测量节点的本地时间同步；

动态数据采集及预处理：设定同步的测量起始时间点、本轮测试的采集次数和每次采集的测量起始时间点的时间间隔，连续采集一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值，并根据所述高度校正值和纵倾角度校正值进行动态数据预处理，生成包含角速度和加速度的测量值、校正后的船舶尾部吃水深度实际值以及船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值的动态数据表；

构建平衡态数据表：分析动态数据表中角速度和加速度的测量值在本次采集过程的周期变动规律，提取船舶纵倾方向上的角速度最大或加速度最小的平衡态所对应的测量起始时间点，由所述平衡态对应的测量起始时间点链接动态数据表中对应的船舶尾部吃水深度实际值以及船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值，形成平衡态数据表；

计算水尺纵倾差值：基于平衡态数据表中的船舶尾部吃水深度实际值、船舷两侧中部的纵倾角度实际值以及各角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离，分别计算得到船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值；

计算中部水尺垂拱差值：基于船舶图纸尺寸数据库中的前部、中部和后部角度测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离的差值，以及前部和后部角度测量节点的纵倾角度实际值相对于中部角度测量节点的纵倾角度实际值的差值，计算得到中部水尺垂拱差值；

计算水尺数值：根据船舶尾部吃水深度实际值、船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值以及中部水尺垂拱差值，分别计算得到船舶前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值；

优化水尺数值：重复执行步骤“动态数据采集及预处理”至步骤“计算水尺数值”，得到多组船舶在平衡态时的前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，对得到的多组前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值进行滤波运算，进一步实现测量计算精度的提升。

进一步的，在步骤“建立船舶图纸尺寸数据库”之前还包括以下步骤：

安装测量节点：在船舶尾部对称安装一对水位测量节点，沿船舶纵向方向在船舷两侧分别安装前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点，所述水位测量节点和角度测量节点均使用光纤、网线或WIFI的连接方式接入路由器或接入由交换机和路由器的组合实现各测量节点组网；

所述角度测量节点安装的具体方法为：

多次测量船舶空载状态下船舷两侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值，并分别计算船舷两侧初始前部水尺数值的算术平均值和船舷两侧初始后部水尺数值的算术平均值，根据船舶前部水尺和后部水尺之间的在船舶中纵剖面的投影距离，利用反正切三角函数计算得到所述船舶整体的初始纵倾角度值，并将该初始纵倾角度值设置为各角度测量节点的安装校正基准值；所述船舶整体初始纵倾角度值的计算公式为：

其中：

为船舶在空载状态下多次测量船舷左侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值的差值与船舷右侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值的差值的算术平均值；Laf为前部水尺标线与后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置的间距。

进一步的，所述前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点的安装位置分别与对应侧的前部水尺标线、中部水尺标线和后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应。

进一步的，所述前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点的安装位置分别与艏垂线、舯线和艉垂线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应。

进一步的，所述角度测量节点安装完成后，多次采集初始纵倾角度测量值，并计算多个纵倾角度测量值的算术平均值，根据该纵倾角度测量值的算术平均值与船舶整体初始纵倾角度值的差值，设置为纵倾角度校正值：

其中：θc为纵倾角度校正值；

为角度测量节点多次测量得到的纵倾角度测量值的算术平均值。

进一步的，在步骤“动态数据采集及预处理”中，所述船舶尾部吃水深度实际值计算公式为：

D0＝H0-(Ht-Hc)；

其中：D0为船舶尾部吃水深度实际值；H0为船舶型深数据，即船舶中部水尺处甲板面至船底面的高度差；Ht为水位测量节点的吃水深度测量值；Hc为水位测量节点的高度校正值；

所述纵倾角度实际值计算公式为：

θ0＝θt-θc；

其中：θ0为船舶前部、中部或后部的纵倾角度实际值；θt为船舶前部、中部或后部的纵倾角度测量值；θc为纵倾角度校正值。

进一步的，所述步骤“计算水尺纵倾差值”的具体方法为：

在所述平衡态数据表中提取平衡态测量起始时间点对应的船舶尾部吃水深度实际值和船舷两侧中部的纵倾角度实际值，并结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧的水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离，利用三角函数计算得到对应的前部水尺纵倾差值、中部水尺纵倾差值和后部纵倾水尺纵倾差值；

所述前部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLf＝Lf×tanθ_m；

所述中部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLm＝Lm×tanθ_m；

所述后部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLa＝La×tanθ_m；

其中：ΔLf,ΔLm,ΔLa分别为前部水尺纵倾差值、中部水尺纵倾差值和后部水尺纵倾差值；Lf,Lm,La分别为船舷两侧前部、中部和后部角度测量节点至对应侧水位测量节点的在船舶中纵剖面上的纵向投影距离；θ_m分别为船舶中部的纵倾角度实际值。

进一步的，所述步骤“计算中部水尺垂拱差值”的具体方法为:

在所述平衡态数据表中提取平衡态测量起始时间点对应的船舷两侧的前部、中部和后部的纵倾角度实际值，结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧的水位测量节点的在船舶中纵剖面上的纵向投影距离，利用三角函数计算得到中部水尺垂拱差值；所述中部水尺垂拱差值的计算公式为：

其中：θ_f,θ_m,θ_a分别为船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值。

进一步的，在步骤“计算水尺数值”中，所述前部水尺、中部水尺和后部水尺的水尺数值的计算公式分别为：

Df＝D0-ΔLf；

Dm＝D0-ΔLm+ΔHm；

Da＝D0-ΔLa；

其中：Df,Dm,Da分别为当前船舶平衡态前部水尺、中部水尺和后部水尺的水尺数值；ΔLf,ΔLm,ΔLa分别为前部、中部和后部的水尺纵倾差值；D0为船舶尾部吃水深度实际值；ΔHm为中部水尺垂拱校正值。

本发明的另一方面，还提供一种船舶电子水尺测量系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于以同步的测量起始时间点连续采集一组船舶尾部的吃水深度测量值和船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值，所述数据采集模块包括对称安装于船舶尾部的两个水位测量节点和沿船舶纵向方向设置在船舷两侧前部、中部和后部的多个角度测量节点；

测量控制模块，基于网络标准时间或GPS标准时间对角度测量节点和水位测量节点进行本地时间同步，以设定的测量起始时间点、本次测量起始时间点至下一次测量起始时间点的时间间隔和采集次数向各个测量节点发出数据采集指令，根据各测量节点返回的一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值执行动态数据采集及预处理、构建平衡态数据表、计算水尺纵倾差值、计算中部水尺垂拱差值、计算水尺数值以及优化水尺数值；

船舶图纸尺寸数据库，用于存储船舶型深数据、各角度测量节点至对应侧水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离、高度校正值和纵倾角度校正值；

人机交互模块，用于实现人机交互，所述人机交互模块接收用户发出的测量开始以及录入船舶图纸尺寸数据库的数据记录操作指令，并对测量控制模块输出的水尺数值计算结果进行可视化；以及

网络控制模块，用于为数据采集模块、测量控制模块、人机交互模块提供有线或WIFI无线连接，所述网络控制模块为路由器或交换机和路由器的组合。

本方案通过设置在船舶尾部的水位测量节点和设置在船舷两侧的角度测量节点，同步采集由相同测试起始时间点的船舶平衡态姿态下的船舶尾部水位高度值以及船舶对应位置的纵倾角度值、角速度值和加速度值，计算得到纵倾补偿和中部垂拱补偿后的船舶前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，以提高水尺的测量精度；并且还通过重复测量后的滤波计算逼近真实船舶平衡态姿态的期望值，进一步提高了水尺的测量精度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程图。

图2为步骤S101中测量节点的安装位置示意图。

图3为步骤S101中安装角度测量节点时船舶的初始状态示意图。

图4为步骤S102中船舶型深数据和角度测量节点纵向投影距离的示意图。

图5为步骤S104中采集时间间隔的示意图。

图6为步骤S106中计算水尺纵倾差值的示意图。

图7为步骤S107中计算中部水尺垂拱差值示意图。

图8为本发明实施例三的系统框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

如图1所示，为本发明一种船舶电子水尺测量方法的系统框图。本发明的船舶电子水尺测量方法包括：

S101：安装测量节点。

如图2所示，在船舶尾部对称安装一对水位测量节点101、102，用于采集船舶尾部至水平面的水位高度值；沿船舶纵向方向在船舷两侧分别设置前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206，所述前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206分别用于采集船舶对应位置的纵倾角度值、角速度值和加速度值。在本实施例中，在对所述船舷两侧设置的前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206进行设置时，其中一种优选方式为将前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206分别与对应侧的前部水尺标线、中部水尺标线和后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应设置。并且，本实施例的数位测量节点和角度测量节点均使用光纤、网线或WIFI的连接方式接入由交换机301和路由器302的组合实现各测量节点的组网。

所述水位测量节点安装完成后，由于水位测量节点的测量零刻度与船舶中部水尺处甲板表面的高度不在同一水平面上，因此需对其进行校正。具体的，采用机械量具、激光测量等方式采集水位测量节点的测量零刻度至船舶中部水尺处甲板表面的高度差，并计算多次采集的高度差的算术平均值，得到高度校正值Hc：

其中：Δhc为每次采集到的水位测量节点至船舶中部水尺处甲板表面的高度值，N为采集次数。

如图3所示，所述角度测量节点安装完成后，由于安装平面度差异，与船舶在安装状态的初始纵倾角度不同，因此在安装角度测量节点时需对其进行校正。具体的，以目视读水尺标志线、机械尺、激光液位计或超声波液位计等方式采集船舶空载状态下船舷两侧的初始前部水尺数值Hf0和初始后部水尺数值Ha0，并分别船舶空载状态下船舷左侧初始前部水尺数值Hf0_L和初始后部水尺数值Ha0_L之差和船舷右侧初始前部水尺数值Hf0_R和初始后部水尺数值Ha0_R之差的算术平均值

根据公式(2)中得到船舶空载状态下船舷左侧初始前部水尺数值Hf0_L和初始后部水尺数值Ha0_L之差和船舷右侧初始前部水尺数值Hf0_R和初始后部水尺数值Ha0_R之差的算术平均值

以及船舶前部水尺标线与后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置的间距Laf，利用反三角函数计算得到所述船舶安装状态的初始纵倾角度值

然后根据公式(3)求得的初始纵倾角度值

对当前角度测量节点进行纵倾角度校正值计算和设置，所述纵倾角度校正值θc可表示为：

其中：

为角度测量节点多次测量得到的纵倾角度测量值的算术平均值。

S102：建立船舶图纸尺寸数据库。

如图4所示，基于船舶型深数据H0、设置在船舷两侧的前部、中部和后部的角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离Lf,Lm,La以及各测量节点的安装校正值建立船舶图纸尺寸数据库。

所述安装校正值包括高度校正值和纵倾角度校正值；所述高度校正值为水位测量节点的测量零刻度相对于船舶中部水尺处甲板表面的差值(即步骤S101中计算得到的高度校正值Hc)；所述纵倾角度校正值为角度测量节点的初始角度测量值相对于船舶初始纵倾角度值的纵倾角度校正值(即步骤S101中计算得到的纵倾角度校正值θc)。

S103：测量节点时间同步。

为得到船舶在同一姿态下各水尺的读数，在进行数据采集前，需对各水位测量节点和角度测量节点的采集起始时刻进行同步。具体的，使用网络标准时间或GPS标准时间对水位测量节点和角度测量节点进行本地时间同步。

S104：动态数据采集及预处理。

首先，设定同步的测量起始时间点t₀、本轮测试的采集次数n和每次采集的测量起始时间点的时间间隔。如图5所示，t₀,t₁,t₂,…,t_n-1即每次采集的测量起始时间(其中：t₀为第一次采集的测量起始时间点，t_n-1为第n次采集的测量起始时间点)，T即为每次采集的测量起始时间点的时间间隔。

然后，基于设定同步的测量起始时间点、本轮测试的采集次数和每次采集的测量起始时间点的时间间隔，连续采集一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度测量值、角速度值和加速度值，并根据高度校正值Hc和纵倾角度校正值θc进行动态数据预处理，生成包含有校正后的船舶尾部吃水深度实际值以及船舶前部、中部和后部纵倾角度实际值的动态数据表。

所述船舶尾部吃水深度实际值D0可根据下述公式计算得到：

D0＝H0-(Ht-Hc) (5)

其中：D0为船舶尾部吃水深度实际值；H0为船舶型深数据，即船舶中部水尺处甲板面至船底面的高度差；Ht为水位测量节点的吃水深度测量值；Hc为水位测量节点的高度校正值。

所述纵倾角度实际值θ0可根据下述公式计算得到：

θ0＝θt-θc (6)

其中：θ0为纵倾角度实际值(为便于区分，后文以θ_f,θ_m,θ_a分别表示船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值)，θt为船舶前部、中部或后部的纵倾角度测量值；θc为纵倾角度校正值。

最后，将船舶尾部吃水深度实际值D0以及船舶前部、中部和后部纵倾角度实际值θ0融合形成动态数据表。

S105：构建平衡态数据表。

分析动态数据表中角速度值和加速度值的在本采集间隔周期内的周期变动规律，提取船舶纵倾方向上的角速度值最大或加速度值最小的平衡态所对应的测量起始时间点，由所述平衡态测量起始时间点链接动态数据表中对应测量起始时间点的船舶尾部吃水深度值D0以及船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值θ0，形成平衡态数据表。

S106：计算水尺纵倾差值。

在所述平衡态数据表中选择平衡态时间点对应的船舶尾部吃水深度实际值D0和船舷两侧的中部的纵倾角度实际值θ_m，并结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧的水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离Lf,Lm,La，利用三角函数计算得到对应的前部水尺纵倾差值、中部水尺纵倾差值和后部纵倾水尺纵倾差值。

如图6所示，正常情况下，水尺数值为船舶型深数据减去船舶尾部的水位测量值，但当船舶出现纵倾后，船舶上前部水尺、中部水尺和后部水尺的同一数值标记线不在同一水平面上，使得前部水尺、中部水尺和后部水尺位移水平面上的实际标记线对应的水尺数值并不相同，水尺的实际读数并不直接等于船舶型深数据减去船舶尾部的水位测量值，二者之间存在一水尺纵倾差值，因此，在测量时，需计算出该水尺纵倾差值。具体的，在所述平衡态数据表中选择该平衡态时间点对应的船舶尾部吃水深度测量值和船舷两侧的中部纵倾角度值，并结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧水位测量节点的纵向投影距离Lf,Lm,La，利用三角函数计算得到对应的前部水尺纵倾差值ΔLf：

ΔLf＝Lf×tanθ_m (7)

计算得到对应的中部水尺纵倾差值ΔLm：

ΔLm＝Lm×tanθ_m (8)

计算得到对应的后部水尺纵倾差值ΔLa：

ΔLa＝La×tanθ_m (9)

S107：中部水尺垂拱校正。

如图7所示，由于船舶在载重后会发生形状近似为楔形体的垂拱变形，使得船舶中部水尺标线相较于前部水尺和后部水尺的标线下沉，为此，在计算水尺测量数值时，需对中部水尺因垂拱变形产生的误差进行补偿。具体的，由于垂拱变形产生的近似楔形体的形变，其截面可近似为一个三角形，记为船舶垂拱形变三角形。

在补偿时，首先在平衡态数据表中提取平衡态测量起始时间点上船舷两侧前部的纵倾角度实际值θ_f、中部的纵倾角度值θ_m和后部的纵倾角度值θ_a，根据船舷两侧后部的纵倾角度值θ_a和中部的纵倾角度值θ_m计算得到一角度差θ_m-θ_a，该角度差θ_m-θ_a的大小可看做是所述船舶垂拱形变三角形的一个底角；再根据中部的纵倾角度值θ_m和前部的纵倾角度值θ_f计算得到另一角度差θ_f-θ_m，该角度差θ_f-θ_m的大小可看做是所述船舶垂拱形变三角形的另一个底角。

根据求得的船舶垂拱形变三角形的两个底角θ_m-θ_a和θ_f-θ_m以及以及船舷两侧前部、中部和后部的角度测量节点至水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离Lf,Lm,La，利用三角函数计算得到中部水尺垂拱校正值ΔHm：

S108：计算水尺测量数值。

根据船舶各水尺纵倾差值、船舶型深数据和船舶尾部吃水深度实际值D0，计算得到船舶平衡态时前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值。

所述船舶平衡态时的前部水尺数值Df为：

Df＝D0-ΔLf (11)

所述船舶平衡态时的中部水尺数值Dm为：

Dm＝D0-ΔLm+ΔHm (12)

所述船舶平衡态时的后部水尺数值Da为：

Da＝D0-ΔLa (13)

S109：优化水尺测量数值。

重复执行步骤S106-S108，得到多组船舶平衡态时的前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，对得到的多组前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值进行卡尔曼滤波运算，得到优化后的前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，以提高各水尺数值的精度。

本实施例的船舶电子水尺测量方法，利用水位测量节点和角度测量节点同步采集船舶在同一姿态下的船舶尾部水位高度值以及船舶对应位置的纵倾角度值、角速度值和加速度值，并利用三角函数和反三角函数计算得到船舶前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，能够有效提高水尺数值的测量精度。

实施例二

本实施例的船舶电子水尺测量方法，包括与实施例一步骤和流程相同或相似的方法，本实施例与实施例一的区别在于：

在本实施例中，在对所述船舷两侧设置的前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206进行设置时，其中一种优选方式为将前部角度测量节点201、204和中部角度测量节点202、205以及后部角度测量节点203、206分别与艏垂线、舯线和艉垂线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应，得到的水尺测量结果也适用于T/CTA 002—2019《船舶水尺计重工作规范》推算船舶排水量。

实施例三

如图8所示，为本实施例的船舶电子水尺测量系统的系统框图。本实施例的船舶电子水尺测量系统包括数据采集模块200、测量控制模块300、船舶图纸尺寸数据库400、人机交互木块500和网络控制模块600，以用于实现实施例一或实施例二所述的船舶电子水尺测量方法。

所述数据采集模块200用于以同步的测量起始时间点连续采集一组船舶尾部的吃水深度测量值和船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值。

所述数据采集模块200包括对称安装与船舶尾部的两个水位测量节点101、102和沿船舶纵向方向设置在船舷两侧并与船舶前部水尺、中部水尺和后部水尺一一对应的六个角度测量节点201-206；所述水位测量节点101、102用于采集船舶尾部至水平面的水位高度值，所述角度测量节点201-206用于船舶对应位置的纵倾角度值、角速度值和加速度值。在其他的实施方式中，所述角度测量节点的设置位置还可以是与艏垂线、舯线和艉垂线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应；并且根据测量精度，所述角度测量节点的数量还可以设置成八个、十个等。

所述测量控制模块300用于以网络标准时间或GPS标准时间对角度测量节点和水位测量节点进行本地时间同步，以设定的测量起始时间点、本次测量起始时间点至下一次测量起始时间点的时间间隔和采集次数向各个测量节点发出数据采集指令，根据各测量节点返回的一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值执行实施例一或实施例二中的动态数据采集及预处理、构建平衡态数据表、计算水尺纵倾差值、计算中部水尺垂拱差值、计算水尺数值以及优化水尺数值步骤。在本实施例中，所述测量控制模块可利用以太网时间同步技术对角度测量节点和水位测量节点进行本地时间同步，包括NTP，IEEE1588，AS6802等协议。

所述船舶图纸尺寸数据库400用于存储船舶型深数据、各角度测量节点至对应侧水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离、高度校正值和纵倾角度校正值；在本实施例中，所述船舶图纸尺寸数据库以电子信息的方式存储在测量控制模块中。

所述人机交互模块500用于实现人机交互。在本实施例中，所述人机交互模块以按键或触摸屏响应的方式接收用户发出的测量开始以及录入船舶图纸尺寸数据库的数据记录等操作指令，并对测量控制模块输出的水尺数值计算结果进行可视化。所述可视化可以是将数据通过计算机显示屏显示或者通过远程传输的方式发送至用户的手机、平面电脑、移动电脑等终端进行显示。

所述网络控制模块600用于为数据采集模块、测量控制模块、人机交互模块提供有线或WIFI无线连接；在本实施例中，所述网络控制模块为路由器或交换机和路由器的组合。

本实施例在具体实现时，所述测量控制模块300和船舶图纸尺寸数据库400均集成于一计算服务器303中。

所述数据采集模块200通过以太网或WIFI无线连接的方式连接有一组网交换机301，所述计算服务器303也通过以太网或WIFI无线连接的方式与所述组网交换机301相连，以实现数据采集模块200与计算服务器303之间的数据和/或指令的传输。所述计算服务器303通过一与组网交换机301相连的无线路由器302接入互联网，以便于按设定的采集间隔周期或应互联网云服务的请求传送相关的数据，所述无线路由器302通过以太网的方式与所述组网交换机301相连，并以无线数据传输的方式接入互联网。在本实施例中，所述网络控制模块600即为所述无线路由器302或者组网交换机301和无线路由器302的组合。

所述组网交换机301还通过以太网或WIFI无线连接的方式连接有一显示控制终端304，用于显示水尺数值以及人机交互。在本实施例中，所述人机交互模块500即集成于所述显示控制终端304中。

本实施例通过设置在船舶尾部的水位测量节点和设置在船舷两侧的角度测量节点，利用以太网或WIFI无线连接的方式将各测量节点与计算服务器建立连接，利用以太网的时间同步技术，实现毫秒级别的采集起始时刻时间点的同步，获取船舶同一姿态下的多组数据，以计算得到船舶水尺数值，有效提高了水尺数值的精度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (10)

1.一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立船舶图纸尺寸数据库：基于船舶型深数据、设置在船舷两侧的前部、中部和后部的角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离以及各测量节点的安装校正值来建立船舶图纸尺寸数据库，所述安装校正值包括水位测量节点的测量零刻度相对于船舶中部水尺处甲板表面的高度校正值和角度测量节点的初始角度测量值相对于船舶整体初始纵倾角度值的纵倾角度校正值；

测量节点时间同步：基于网络标准时间或GPS标准时间对角度测量节点和水位测量节点进行各测量节点的本地时间同步；

动态数据采集及预处理：设定同步的测量起始时间点、本轮测试的采集次数和每次采集的测量起始时间点的时间间隔，连续采集一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值，并根据所述高度校正值和纵倾角度校正值进行动态数据预处理，生成包含角速度和加速度的测量值、校正后的船舶尾部吃水深度实际值以及船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值的动态数据表；

构建平衡态数据表：分析动态数据表中角速度和加速度的测量值在本次采集过程的周期变动规律，提取船舶纵倾方向上的角速度最大或加速度最小的平衡态所对应的测量起始时间点，由所述平衡态对应的测量起始时间点链接动态数据表中对应的船舶尾部吃水深度实际值以及船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值，形成平衡态数据表；

计算水尺纵倾差值：基于平衡态数据表中的船舶尾部吃水深度实际值、船舷两侧中部的纵倾角度实际值以及各角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离，分别计算得到船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值；

计算中部水尺垂拱差值：基于船舶图纸尺寸数据库中的前部、中部和后部角度测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离的差值，以及前部和后部角度测量节点的纵倾角度实际值相对于中部角度测量节点的纵倾角度实际值的差值，计算得到中部水尺垂拱差值；

计算水尺数值：根据船舶尾部吃水深度实际值、船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值以及中部水尺垂拱差值，分别计算得到船舶前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值；

优化水尺数值：重复执行步骤“动态数据采集及预处理”至步骤“计算水尺数值”，得到多组船舶在平衡态时的前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值，对得到的多组前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值进行滤波运算，进一步实现测量计算精度的提升。

2.根据权利要求1所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，在步骤“建立船舶图纸尺寸数据库”之前还包括以下步骤：

安装测量节点：在船舶尾部对称安装一对水位测量节点，沿船舶纵向方向在船舷两侧分别安装前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点，所述水位测量节点和角度测量节点均使用光纤、网线或WIFI的连接方式接入路由器或接入由交换机和路由器的组合实现各测量节点组网；

所述角度测量节点安装的具体方法为：

多次测量船舶空载状态下船舷两侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值，并分别计算船舷两侧初始前部水尺数值的算术平均值和船舷两侧初始后部水尺数值的算术平均值，根据船舶前部水尺标线与后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置的间距，利用反正切三角函数计算得到所述船舶整体初始纵倾角度值，并将该初始纵倾角度值设置为各角度测量节点的安装校正基准值；所述船舶整体初始纵倾角度值的计算公式为：

其中：

为船舶在空载状态下多次测量船舷左侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值的差值与船舷右侧的初始前部水尺数值和初始后部水尺数值的差值的算术平均值；Laf为前部水尺标线与后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置的间距。

3.根据权利要求2所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，所述前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点的安装位置分别与对应侧的前部水尺标线、中部水尺标线和后部水尺标线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应。

4.根据权利要求2所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，所述前部角度测量节点、中部角度测量节点和后部角度测量节点的安装位置分别与艏垂线、舯线和艉垂线在船舶中纵剖面的投影位置一一对应。

5.根据权利要求2所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，所述角度测量节点安装完成后，多次采集初始纵倾角度测量值，并计算多个纵倾角度测量值的算术平均值，根据该纵倾角度测量值的算术平均值与船舶整体初始纵倾角度值的差值，设置为纵倾角度校正值：

其中：θc为纵倾角度校正值；

为角度测量节点多次测量得到的纵倾角度测量值的算术平均值。

6.根据权利要求1所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，在步骤“动态数据采集及预处理”中，所述船舶尾部吃水深度实际值计算公式为：

D0＝H0-(Ht-Hc)；

其中：D0为船舶尾部吃水深度实际值；H0为船舶型深数据，即船舶中部水尺处甲板面至船底面的高度差；Ht为水位测量节点的吃水深度测量值；Hc为水位测量节点的高度校正值；

所述纵倾角度实际值计算公式为：

θ0＝θt-θc；

其中：θ0为船舶前部、中部或后部纵倾角度实际值；θt为船舶前部、中部或后部的纵倾角度测量值；θc为纵倾角度校正值。

7.根据权利要求6所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，所述步骤“计算水尺纵倾差值”的具体方法为：

在所述平衡态数据表中提取平衡态测量起始时间点对应的船舶尾部吃水深度实际值和船舷两侧中部的纵倾角度实际值，并结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧的水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离，利用三角函数计算得到对应的前部水尺纵倾差值、中部水尺纵倾差值和后部纵倾水尺纵倾差值；

所述前部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLf＝Lf×tanθ_m；

所述中部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLm＝Lm×tanθ_m；

所述后部水尺纵倾差值的计算公式为：

ΔLa＝La×tanθ_m；

其中：ΔLf,ΔLm,ΔLa分别为前部水尺纵倾差值、中部水尺纵倾差值和后部水尺纵倾差值；Lf,Lm,La分别为船舷两侧前部、中部和后部角度测量节点至对应侧水位测量节点的在船舶中纵剖面上的纵向投影距离；θ_m分别为船舶中部的纵倾角度实际值。

8.根据权利要求7所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，所述步骤“计算中部水尺垂拱差值”的具体方法为:

在所述平衡态数据表中提取平衡态的测量起始时间点对应的船舷两侧的前部、中部和后部的纵倾角度实际值，结合船舷两侧各角度测量节点至对应侧的水位测量节点的在船舶中纵剖面上的纵向投影距离，利用三角函数计算得到中部水尺垂拱差值；所述中部水尺垂拱差值的计算公式为：

其中：θ_f,θ_m,θ_a分别为船舶前部、中部和后部的纵倾角度实际值。

9.根据权利要求8所述的一种船舶电子水尺测量方法，其特征在于，在步骤“计算水尺数值”中，所述前部水尺、中部水尺和后部水尺的水尺数值的计算公式分别为：

Df＝D0-ΔLf；

Dm＝D0-ΔLm+ΔHm；

Da＝D0-ΔLa；

其中：Df,Dm,Da分别为当前船舶平衡态前部水尺、中部水尺和后部水尺的水尺数值；ΔLf,ΔLm,ΔLa分别为前部、中部和后部的水尺纵倾差值；D0为船舶尾部吃水深度实际值；ΔHm为中部水尺垂拱校正值。

10.一种船舶电子水尺测量系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于以同步的测量起始时间点连续采集一组船舶尾部的吃水深度测量值和船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值，所述数据采集模块包括对称安装于船舶尾部的两个水位测量节点和沿船舶纵向方向设置在船舷两侧前部、中部和后部的多个角度测量节点；

测量控制模块，用于以网络标准时间或GPS标准时间对角度测量节点和水位测量节点进行本地时间同步，以设定的测量起始时间点、本次测量起始时间点至下一次测量起始时间点的时间间隔和采集次数向各个测量节点发出数据采集指令，根据各测量节点返回的一组吃水深度测量值以及船舶纵倾方向上的角度、角速度和加速度的测量值执行动态数据采集及预处理、构建平衡态数据表、计算水尺纵倾差值、计算中部水尺垂拱差值、计算水尺数值以及优化水尺数值；

船舶图纸尺寸数据库，用于存储船舶型深数据、各角度测量节点至对应侧水位测量节点在船舶中纵剖面上的纵向投影距离、高度校正值和纵倾角度校正值；

人机交互模块，用于实现人机交互，所述人机交互模块接收用户发出的测量开始以及录入船舶图纸尺寸数据库的数据记录操作指令，并对测量控制模块输出的水尺数值计算结果进行可视化；

网络控制模块，用于为数据采集模块、测量控制模块、人机交互模块提供有线或WIFI无线连接，所述网络控制模块为路由器或交换机和路由器的组合；

所述测量控制模块还用于基于平衡态数据表中的船舶尾部吃水深度实际值、船舷两侧中部的纵倾角度实际值以及各角度测量节点相对于设置在船舶尾部的水位测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离，分别计算得到船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值；以及基于船舶图纸尺寸数据库中的前部、中部和后部角度测量节点在船舶中纵剖面的纵向投影距离的差值，以及前部和后部角度测量节点的纵倾角度实际值相对于中部角度测量节点的纵倾角度实际值的差值，计算得到中部水尺垂拱差值；并根据船舶尾部吃水深度实际值、船舶前部、中部和后部的水尺纵倾差值以及中部水尺垂拱差值，分别计算得到船舶前部水尺数值、中部水尺数值和后部水尺数值。

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