CN117705243B - 一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统，所述方法包括：根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量。本公开通过为不同船舶确定最佳移动方式，提高了测量速度，并使移动路径能更贴合船舶底部轮廓；通过超声波传感器在水下自由移动和实时路径优化，规避了障碍物，解决了吃水深度检测区域受限的问题，提高了检测灵活性；通过实时调整超声波信号频率、对超声波信号传播速度进行标定以及增设屏障等，有效提高了测距精度。

Description

一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统

技术领域

本公开涉及超声检测技术领域，特别涉及一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统。

背景技术

中华人民共和国出入境检验检疫行业标准——《进出口商品重量鉴定规程第2部分：水尺计重》（SN/T 3023.2—2021），规定了水尺计重的要求、程序和方法。在水尺计重中，船舶需要满足“基本状况良好并处于完全自由漂浮状态”要求，通过对艏、艉、舯的左、右两舷六个吃水点进行观测获取船舶的吃水深度，且在风浪环境下还需进行多次观测。

目前，常用船舶吃水深度检测方法主要包括人工观测法、图像识别法、压力传感法等。人工观测法简单易行，但存在安全隐患且受人为主观因素影响较大；图像识别法实时性较强，在船舶外侧吃水标记模糊不清时也无法确保结果的准确性；压力传感法原理简单，但稳定性差，且由于需要在船底部事先安装压力传感器，成本较昂贵。上述吃水深度检测方法需要借助船舶的吃水标记进行吃水深度检测，且检测时易受船舶纵倾、横倾以及风浪等的影响，从而降低其计重结果的准确性，为此，需要提出一种灵活性强、低成本、高精度、高效率的吃水深度检测方法。

发明内容

本公开提供一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统，以解决现有技术中吃水检测方法检测区域受限、成本高、检测精度和效率低、安装和维护困难等问题。

第一方面，本公开提供一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述方法包括：

根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；

按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；

基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；

基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，包括：若所述待测船舶为平底型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部轮廓的长宽比、圆润度；当所述圆润度小于第一阈值且所述长宽比大于第二阈值时，确定目标移动方式为S形移动；否则，确定目标移动方式为Z形移动。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，还包括：若所述待测船舶为V型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部宽度、底部长宽比；当所述待测船舶的底部宽度小于第三阈值时，确定目标移动方式为直线形移动；否则，判断所述底部长宽比与第四阈值的关系，当所述底部长宽比大于第四阈值时，确定目标移动方式为S形移动，否则，确定目标移动方式为Z形移动。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述按照目标移动方式移动超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度，包括：开启超声波传感器，发射预设频率的超声波信号；接收返回的超声波信号，并检测第一时间和第二时间，所述第一时间为经第一目标位置返回的超声波信号的传播时间，所述第二时间为经第二目标位置返回的超声波信号的传播时间；基于所述超声波信号的标定传播速度、所述第一时间和所述第二时间，计算第一距离和第二距离；基于所述第一距离和所述第二距离，计算当前预设位置的吃水深度。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，在接收返回的超声波信号之后，所述方法还包括：基于所述超声波信号的强度特征、波形特征或时间特征中至少一种特征进行障碍物检测，得到障碍物的位置信息；基于所述障碍物的位置信息对所述目标移动方式进行实时路径优化。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述预设频率根据水面波浪特征和水流速度实时调整。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，所述超声波信号的标定传播速度为对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定后的速度，具体包括：获取所述待测船舶所在海域的海水参数，所述海水参数至少包括水流速度、水流温度中的至少一项；基于水流速度和/或水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定，得到超声波信号的标定传播速度。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，在根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式之后，所述方法还包括：将所述超声波传感器移动至距离所述待测船舶底部预设深度处，其中，所述预设深度根据超声波传感器的规格参数确定。

根据本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量，包括：对所述预设位置的吃水深度进行纵倾校正，得到纵倾校正后的吃水深度；对所述纵倾校正后的吃水深度进行拱陷校正，得到所述待测船舶的总平均吃水；基于所述待测船舶的总平均吃水进行查表，得到总平均吃水对应的实际排水量。

第二方面，本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重系统，所述系统包括：

控制模块，用于根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；

检测模块，用于按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；

软件模块，用于基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；以及，基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量。

综上所述，本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法及系统，通过为不同船舶确定最佳移动方式，提高了测量速度，并使超声波传感器的移动路径能更贴合船舶底部轮廓；通过结合水面波浪特征和水流速度，对所述超声波传感器发射的超声波信号频率的实时调整，提高超声波测距准确性；通过水下障碍物检测和实时路径优化，规避了障碍物，提高了检测灵活性；通过水流速度和水流温度对超声波信号的传播速度进行标定，有效提高测距精度；通过检测超声波传感器与船舶底部的距离和与水面的距离，直接计算出船舶的吃水深度，不需要依赖船舶外侧水尺标记；通过采用具备自主移动能力的超声波传感器或将其搭载在具备自主移动能力的辅助设备上，实现超声波传感器在水下的自由移动，同时便于进行后期检修与维护；通过增设屏障、安装挡板、信号预处理等措施有效提高水面波浪较大时超声波测距的精度；通过对待测船舶预设位置吃水深度的测量结果进行分析、纵倾校正、拱陷校正等，提高测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法的流程示意图；

图2是本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开中的附图，对本公开中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1是本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法的流程示意图。参照图1，所述方法包括：

S11，根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式。

其中，所述待测船舶的外观参数包括船舶的总长、型宽、上部形状、底部形状、底部长度、底部宽度等表征船舶外观的参数，底部形状指船舶底部轮廓的边界形状，底部长度指船舶底部船艏与船艉的直线距离，底部宽度指船舶底部左舷船舯与船艉的直线距离。

所述超声波波传感器用于在水中发射超声波信号，探测所述超声波传感器与船底之间的距离，以及所述超声波传感器与水面之间的距离，一般将超声波波传感器预先移动至距离船底一定距离处。具体地，在根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式之后，所述方法还包括：将所述超声波传感器移动至距离所述待测船舶底部预设深度处。

在一些实施例中，所述预设深度可以为一个深度值，也可以为一个深度区间。一般情况下，所述预设深度根据超声波传感器的规格参数确定。例如，根据超声波传感器发射的超声波的波长范围、波长频率范围等，确定超声波传感器最佳的探测距离区间作为预设深度。

所述目标移动方式为超声波传感器在水中沿船底轮廓移动时的预计移动路径，一般根据所述待测船舶的外观参数确定最佳的移动路径作为目标移动方式。

具体地，可以理解的是，大型船舶通常分为平底型船舶和V型船舶两类。平底型船舶的船底形状相对简单且较平坦，稳定性较好、适应性强、装载能力强。V型船舶包括深V型船舶或近V型船舶，V型船的底部形状可以减少水的阻力，提高航行速度，尤其是深V型船舶的底部呈尖锐的V形状，这种设计有助于减少船舶在波浪中的摇摆。故为了使超声波传感器在水中的移动更贴合船舶底部轮廓，且提高检测效率，本公开实施例提供了不同的目标移动方式的确定方法。

在一些实施例中，由于平底型船舶的底部形状相对简单且较平坦，且所述待测船舶的预设位置分别对应左舷的船艏、船舯、船艉，以及右舷的船艏、船舯、船艉，六个预设位置通常为对称分布的，故可直接基于底部轮廓的形状参数确定目标移动方式为贴合底部轮廓且移动路径最短的方式。具体地，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，包括：

步骤S111，若所述待测船舶为平底型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部轮廓的长宽比、圆润度。

具体地，所述底部轮廓的长宽比为底部轮廓的底部长度和底部宽度的比值，所述底部轮廓的圆润度为底部宽度与底部首端宽度的比值或与底部宽度底部尾端宽度的比值。

步骤S112，当所述圆润度小于第一阈值且所述长宽比大于第二阈值时，确定目标移动方式为S形移动。

具体地，所述S形移动为2字形、5字形、近似2字形、近似5字形中的一种移动方式，也即，将各预设位置按照2字形、5字形、近似2字形或近似5字形连接后形成的移动路径。所述S形移动方式不仅可以确保各预设位置间的移动路径最短，且在确保移动路径最短的同时更贴合船舶的底部轮廓，使所述超声波传感器在移动时尽可能多地沿着轮廓边界进行移动，此外，在遇到障碍物时，若障碍物位于目标移动方式中的前后移动路径上时，即位于与船舶长边方向一致的移动路径上时，S形移动方式还能够通过对目标移动方式进行对称变换，保证移动路径最短的同时准确绕开障碍物。因此，S形移动更灵活、更稳定、更高效。

步骤S113，否则，确定目标移动方式为Z形移动。

具体地，所述Z形移动为将各预设位置按照先左右后上下的顺序连接后形成的移动路径，所述先左右后上下可以是从上往下的左右左右左右，也可以是从上往下的右左右左右左。在所述圆润度大于等于第一阈值或所述长宽比小于等于第二阈值时，船舶底部轮廓相对更圆润，中间部分面积相对较大，选择Z形移动作为目标移动方式，移动路径相对于S形移动仅存在微小变化，且Z形移动可以增加对船舶底部中间区域的覆盖范围，更好贴近船舶底部中间区域进行移动。所述第一阈值和所述第二阈值是通过对多种轮廓形状下S形移动、Z形移动等多种移动路径进行对比分析确定的经验值。

在另一些实施例中，由于V型船舶中部分船舶的底部尖端宽度最窄时通常只有几厘米到几十厘米，故对于底部尖端较窄的船舶可直接沿底部尖端直线移动，对于其余船舶则选择贴合底部轮廓且移动路径最短的移动方式。具体地，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，还包括：

步骤S114，若所述待测船舶为V型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部宽度、底部长宽比；

步骤S115，当所述待测船舶的底部宽度小于第三阈值时，确定目标移动方式为直线形移动；

具体地，当所述待测船舶的底部宽度小于第三阈值时，也即，所述待测船舶的底部尖端较窄时，对应左舷的预设位置与对应右舷的预设位置间距离较近，此时，可以重新设置预设位置为所述超声波传感器所在水深处对应的对应船艏、船舯、船艉的三个位置，将三个重新设置的预设位置直接连接所得到的就是直线形移动的路径；也可以取对应左舷船艏的预设位置与对应右舷船艏的预设位置的均值作为第一预设位置，取对应左舷船舯的预设位置与对应右舷船舯的预设位置的均值作为第二预设位置，取对应左舷船艉的预设位置与对应右舷船艉的预设位置的均值作为第三预设位置，从而将三个预设位置直接直线连接得到的就是直线形移动的路径。所述第三阈值根据常用的V型船舶尖端的宽度值进行确定。在底部尖端较窄时，采用直线形移动，简单的移动方式使超声波传感器的运动方式也更简单、更稳定，移动过程也更高效。

步骤S116，否则，判断所述底部长宽比与第四阈值的关系，当所述底部长宽比大于第四阈值时，确定目标移动方式为S形移动，否则，确定目标移动方式为Z形移动。

具体地，所述S形移动和所述Z形移动的具体介绍参照步骤S112、S113中的相关介绍。对于V型船舶中除底部尖端宽度较窄的部分船舶外的船舶，当长宽比大于第四阈值时，采用更灵活、稳定、高效的S形移动，不仅能够保证移动路径最短，确保高效测量，还能使所述超声波传感器在移动时尽可能多地沿着轮廓边界进行移动；当长宽比小于第四阈值时，采用Z形移动能够增加对船舶底部中间区域的覆盖范围，更好贴近船舶底部中间区域进行移动。所述第四阈值可以是与所述第二阈值相同的值，也可以是与所述第二阈值不同的值，本公开实施例对此不做限定。

需要说明的是，对于除平底型船舶、V型船舶外的其余船舶，或者，船舶底部轮廓为非规则形状的船舶，均可以采用U形移动方式作为目标移动方式。所述U形移动方式可以是将对应船艏处的两个预设位置，一个作为起点，另一个作为终点，按照U形或近似U形依次将所有预设位置连接起来形成的移动路径，也可以是将对应船艉处的两个预设位置，一个作为起点，另一个作为终点，按照U形或近似U形依次将所有预设位置连接起来形成的移动路径；对于特殊船型或底部轮廓为非规则形状的船舶，采用U形移动方式可以确保超声波传感器移动时不会碰撞船舶底部，完全沿着轮廓边界进行移动，对船舶预设位置或边界其他位置的吃水深度有较为准确的测量。

在上述方法中，通过根据不同船舶的外观参数，为具有不同外观参数的船舶确定沿船舶底部轮廓移动时的最佳移动方式，从而使超声波传感器的移动路径能更贴合船舶底部轮廓，且选择路径最短的移动方式可以加快测量速度。

S12，按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度。

其中，所述预设位置至少包括：所述超声波传感器所在水深处对应的左舷船艏、左舷船舯、左舷船艉、右舷船艏、右舷船舯、右舷船艉的六个位置。

在一些实施例中，所述预设位置还包括：所述目标移动方式对应移动路径上的所有位置。此时，在按照所述目标移动方式移动超声波传感器时，测量移动路径上所有位置的吃水深度，能够更为精准地获取船舶底部轮廓不同位置的吃水深度，从而得到更全面、更准确的船舶吃水深度数据。

具体地，可以理解的是，通过按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，使其依次移动至各预设位置处进行吃水深度的测量。S12具体包括以下步骤：

步骤S121，开启超声波传感器，发射预设频率的超声波信号。

其中，所述预设频率根据水面波浪特征和水流速度实时调整，如水面波浪较大或者水流速度较快时发射高频的超声波信号，水面波浪相对平缓或者水流速度较慢时发射正常频率的超声波信号即可。水面波浪特征包括但不限于波高、波长、波速等特征，可以采用浮标法获取水面波浪特征，也可以采用其他检测方法，本公开实施例对此不做限定。

在一些实施例中，根据水面波浪特征和水流速度确定所述预设频率，可以是先根据水面波浪的大小判断是都需要调整发射的超声波信号的频率，再根据水流速度对超声波信号的频率进一步调整；也可以是，结合水面波浪的大小和水流速度进行分析，再对超声波信号的频率进行调整。

例如，预先根据水面相对平缓时的波浪特征设置第一预设条件，当所述水面波浪特征满足第一预设条件时，基于所述水流速度调整所述预设频率；否则，基于所述水面波浪特征调整所述预设频率，或，基于所述水面波浪特征和水流速度调整所述预设频率。

在上述方法中，根据水面波浪特征和水流速度调整所述预设频率，实现对超声波传感器发射的超声波信号频率的实时调整，使超声波传感器能够适应水面波浪和水流速度的变化，发射出不同频率的超声波信号，减少一定程度的误差，进而避免水面波浪较大时经水面返回的超声波信号波峰不完整导致测量距离的准确性降低的问题。

步骤S122，接收返回的超声波信号，并检测第一时间和第二时间，所述第一时间为经第一目标位置返回的超声波信号的传播时间，所述第二时间为经第二目标位置返回的超声波信号的传播时间。

其中，第一目标位置为船舶底部，第二目标位置为水面，对于任一预设位置，所述第一时间为超声波信号在超声波传感器与第一目标位置之间的往返传播时间，所述第二时间为超声波信号在超声波传感器与第二目标位置之间的往返传播时间，且测量到所述第一目标位置的距离时发射的超声波信号与测量到所述第二目标位置的距离时发射的超声波信号的时间不同，角度、频率等可以相同，也可以不同。当采用不同角度、不同频率的超声波信号测量与第一目标位置的距离和与第二目标位置的距离，便于区分测量的目标位置，且能更准确地测量第一时间和第二时间。

需要说明的是，为了避免所述超声波传感器向船舶底部或水面发射的超声波信号在传播过程受水中杂物或涡旋等影响，测距时一般需要进行多次测距并去除异常值再取均值得到的，避免单次测量造成结果不准确。也即，所述第一时间和所述第二时间均通过多次超声波信号往返传播时间计算得到的。

在一些实施例中，在利用超声波传感器测得与待测船舶底部的信号传播时间和与水面的信号传播时间后，可以通过调整所述超声波传感器发射超声波信号的角度，检测目标移动路径上是否存在障碍物，避免超声波传感器移动过程发生碰撞。具体地，在接收返回的超声波信号之后，所述方法还包括：

步骤a1，基于所述超声波信号的强度特征、波形特征或时间特征中至少一种特征进行障碍物检测，得到障碍物的位置信息；

具体地，由于超声波信号遇到障碍物时会发生反射或散射，从而导致返回的超声波信号的强度出现明显降低、波形由规则形变为不规则、返回时间出现时间差等，因此，根据反射回来的超声波信号的强度特征、波形特征和返回时间等，能够准确超声波信号传播路径上是否存在障碍物，并基于反射回来的时间计算出障碍物的位置。

更具体地，在测得第一时间和第二时间后，先基于所述目标移动方式确定检测方向，如根据所述超声波传感器所在的当前预设位置和下一预设位置确定检测方向；再控制所述超声波传感器向所述检测方向发射预设频率的超声波信号，以根据接收的返回超声波信号的强度特征、波形特征或时间特征中至少一种特征，检测所述检测方向是否存在障碍物。

步骤a2，基于所述障碍物的位置信息对所述目标移动方式进行实时路径优化。

具体地，当水下存在障碍物时，根据所述目标移动方式对应的移动路径和所述障碍物的位置信息，判断所述障碍物是否在当前预设位置向下一预设位置的移动路径上，若在预计移动路径上则需要进行实时路径优化，绕开障碍物，否则，保持所述目标移动方式不变。

在一些实施例中，所述实时路径优化包括：改变所述超声波传感器的深度。若所述障碍物在当前预设位置向下一预设位置的移动路径上，则通过改变所述超声波传感器的深度，使超声波传感器与障碍物处于不同深度，从而使其准确绕开障碍物。在移动至下一预设位置后，所述超声波传感器可以保持当前深度按照所述目标移动方式继续进行该预设位置的吃水深度测量，也可以先恢复至之前深度，再按照所述目标移动方式继续进行该预设位置的吃水深度测量，本公开实施例对此不做限定。

在另一些实施例中，所述实时路径优化还包括：改变所述超声波传感器的目标移动方式，改变目标移动方式具体包括：

(1) 若所述障碍物的位置信息满足第一条件，则通过对所述目标移动方式进行对称变换，得到获取新的目标移动方式。

具体地，所述第一条件为在未确定第一预设位置之前检测到存在障碍物，且所述障碍物位于与所述目标移动方式对应的移动路径中与船舶长边方向一致的路径上。通过对目标移动方式进行对称变换，如S形移动中2字形对称变换为5字形，得到新的目标移动方式，并确定各预设位置的先后顺序，从而在保证移动路径最短的同时准确绕开障碍物。

(2) 若所述障碍物的位置信息满足第二条件，则通过对未测量的各预设位置重新排序，得到新的目标移动方式。

具体地，所述第二条件为在完成吃水深度测量的预设位置的数量不少于一个时检测到存在障碍物，且所述障碍物位于与所述目标移动方式对应的移动路径中与船舶长边方向一致的路径上。通过对未测量的各预设位置重新排序，构建新的移动路径，如，在除下一预设位置外的其他未测量吃水深度的预设位置中，将与当前预设位置距离最近的一个预设位置更新为下一预设位置。同理，依次调整其余各预设位置的先后顺序，这样，在确保绕开障碍物的同时，也确保了实时优化后的目标移动方式与优化前的目标移动方式的路径总长变化最小，从而使超声波传感器的移动方式仍能贴合船舶底部形状，保持高效测量。

(3) 若所述障碍物的位置信息满足第三条件，则通过构建新路径更新所述目标移动方式，得到新的目标移动方式。

具体地，所述第三条件为所述障碍物位于与所述目标移动方式对应的移动路径中与船舶宽边方向一致的路径上。通过构建新路径更新所述目标移动方式，包括：针对所述目标移动方式中存在障碍物的某段路径，为该段路径对应的两个预设位置构建新路径，如，在两个预设位置之间构建曲线路径绕开障碍物，所述曲线路径的弧度等参数根据所述障碍物的位置信息确定。这样，通过构建的新路径替换原有路径，不仅准确绕开障碍物，还能最大程度地保留了原有的目标移动方式。

在上述方法中，通过超声波信号检测水下障碍物，并通过改变所述超声波传感器的深度或改变所述超声波传感器的目标移动方式进行实时路径优化，在保持高效测量的同时避免了超声波传感器在水下碰撞障碍物，此外，还使所述基于移动式超声波传感器的水尺计重方法能够应用于不同水环境的海域，使检测区域更为灵活。

步骤S123，基于所述超声波信号的标定传播速度、所述第一时间和所述第二时间，计算第一距离和第二距离。

其中，所述第一距离为超声波传感器与第一目标位置之间的竖直距离，可以通过所述超声波信号的标定传播速度、所述第一时间、超声波信号的发射角度计算得到；所述第二距离为超声波传感器与第二目标位置之间的竖直距离，可以通过所述超声波信号的标定传播速度、所述第二时间、超声波信号的发射角度计算得到。

在一些实施例中，考虑到超声波信号在水中的传播速度易受水密度、水流温度、水流速度等的影响，如温度越高超声波信号的传播速度越快。为了更加准确的检测超声波与目标位置间的往返传播时间，减少水流速度、水流温度对超声波信号的传播速度的影响，本公开实施例对超声波信号的传播速度进行了标定。所述超声波信号的标定传播速度为对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定后的速度，具体包括：

步骤b1，获取所述待测船舶所在海域的海水参数，所述海水参数至少包括水流速度、水流温度中的至少一项；其中，水流速度可以采用常用的测流仪器测量，水流温度可以采用温度传感器测量，本公开实施例对此不做限定。

步骤b2，基于水流速度和/或水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定，得到超声波信号的标定传播速度。

具体地，基于水流速度和/或水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定，包括以下至少一种标定方式：

(1) 基于水流速度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定。

例如，根据公式：标定传播速度=标准传播速度+流速标定系数*水流速度，对传播速度进行标定，其中，流速标定系数的正负根据水流方向和超声波信号传播方向确定，当水流方向和超声波信号传播方向的夹角小于90度时，标定系数为正值，否则为负值；流速标定系数的大小通过针对不同水流速度下超声波信号传播时间不同的经验测试得到的经验数值。

(2) 基于水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定。

例如，根据公式：标定传播速度=标准传播速度+温度标定系数*水流温度，对传播速度进行标定。其中，温度标定系数的值通过针对不同水流温度下超声波信号传播时间不同的经验测试得到的经验数值；水流温度为预设位置的水流温度，或，预设位置的水流温度与水面温度的均值，可以根据实际情况进行调整，本公开实施例对此不做限定。

(3) 基于水流速度和水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定。

例如，根据公式：标定传播速度=标准传播速度+流速标定系数*水流速度+温度标定系数*水流温度，对传播速度进行标定。其中，流速标定系数和温度标定系数的值通过针对不同水流速度、不同水流温度下超声波信号传播时间不同的经验测试得到的经验数值。

在上述方法中，通过水流速度和/或水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定，减少水流速度、水流温度对超声波信号的传播速度的影响，有效提高测距精度。

步骤S124，基于所述第一距离和所述第二距离，计算当前预设位置的吃水深度。

其中，所述当前预设位置的吃水深度为所述第一距离和所述第二距离之差。

具体地，还可以理解的是，所述超声波传感器可以为具备自主移动能力的新型超声波传感器，也可以为不具备自主移动能力的超声波传感器。当超声波传感器不具备自主移动能力时，按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，可以是，将所述超声波传感器搭载在具备自主移动能力的辅助设备上，通过控制所述辅助设备的移动控制超声波传感器的移动，所述辅助设备包括：水下机器人、无人机或自主水下航行器等。

在上述方法中，通过检测超声波传感器与船舶底部的距离和与水面的距离，不需要依赖船舶外侧的水尺标记就可直接计算出船舶的吃水深度；通过采用具备自主移动能力的超声波传感器或将其搭载在具备自主移动能力的辅助设备上，相对于依赖于船舶外侧吃水标记的人工检测法、图像检测法等不仅可直接测量各预设位置的吃水深度，还提高了检测效率，而且安装简单、成本降低、便于后期检修与维护，使水尺计重时的吃水深度测量不局限于某一固定检测区域，提高了灵活性。

在一些实施例中，考虑到测量超声波传感器到水面的距离时，容易受到水面波浪的影响，故测量船舶预设位置的吃水深度时，可以选择水面波浪相对较平缓的区域和时段进行测量。对于一些特殊情况，如测量过程中水面波浪增大，或，只能选择水面波浪加大的区域和时段进行测量时，本公开实施例为了减少水面波浪对预设位置吃水深度测量结果的影响，该提供了降低测量误差的方法，包括以下方法中的至少一种方法：

(1) 在所述超声波传感器周围设置屏障。

例如，在所述超声波传感器周围设置保护罩或防护栏等作为屏障，不仅能通过阻挡水流减少水面波浪的动荡，还能避免未进行障碍物检测的其余方向的杂物碰撞、损坏超声波传感器。屏障可以采用扇形或半圆形的保护罩或防护栏等，避免影响传感器发射的超声波信号的传输，也可以采用特殊材料制作的封闭式保护罩或护栏，以确保超声波信号能够穿透屏障正常传输，本公开实施例对此不做限定。屏障可以安装在超声波传感器上，也可以安装在距离超声波传感器一定距离处，如船舶底部的边界处，本公开实施例对此也不做限定。

(2) 在海域中安装防浪板或垂直挡板。

例如，事先确定测量船舶吃水深度的检测区域，并在水下一定深度处沿检测区域边界安装防浪板，以通过阻挡水流，减少水面波浪的动荡；或者，在水中设置多个垂直挡板，将水面分为若干个小区域，从而减少大范围水面波动对测量的影响。

(3) 对所述超声波传感器接收的返回的超声波信号，进行信号预处理。

例如，采用数字信号处理技术，如滤波、去噪、特征提取等，对超声波传感器接收的超声波信号进行处理和分析，提取出有用的信号特征，减小干扰和噪声的影响。

(4) 当水面波浪较大且存在涡旋时，在所述超声波传感器周围设置导流装置或防涡梁，减少涡旋的产生。

(5) 对各预设位置的吃水深度进行多次测量，取多次测量结果的平均值为该预设位置的吃水深度。

在上述实施例中，在水面波浪较大时，通过在超声波传感器周围设置屏障、在海域中安装防浪板或垂直挡板、对超声波信号进行信号预处理、减少涡旋的产生、多次测量取均值等多项措施，从多方面降低水面波浪对测量预设位置吃水深度的影响，从而有效提高超声波测距的精度。

S13，基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量。

具体地，可以理解的是，一方面，在测量吃水深度时，船舶处于完全自由漂浮状态，可能会呈现为正浮状态、横倾状态、纵倾状态等，故当船舶处于纵倾状态时需要对左舷的船艏、船舯、船艉和右舷的船艏、船舯、船艉的吃水深度均进行纵倾校正。另一方面，船舶在水中受到重力和浮力的作用，如果重力和浮力沿船长方向的分布不均匀，船舶就可能会发生拱陷，故为了提高测量的吃水深度的准确性，以及提高船舶的稳定性和安全性，还需要对吃水深度进行拱陷校正。

步骤S13，具体包括以下步骤：

步骤S131，对所述预设位置的吃水深度进行纵倾校正，得到纵倾校正后的吃水深度。

其中，对所述预设位置的吃水深度进行纵倾校正，可以参照《进出口商品重量鉴定规程第2部分：水尺计重》（SN/T 3023.2—2021）中的公式(1)-(3)，计算得到纵倾校正后的艏吃水深度、艉吃水深度和舯吃水深度，也可以选择其他计算校正方式。

步骤S132，对所述纵倾校正后的吃水深度进行拱陷校正，得到所述待测船舶的总平均吃水。

其中，对所述纵倾校正后的吃水深度进行拱陷校正，可以参照《进出口商品重量鉴定规程第2部分：水尺计重》（SN/T 3023.2—2021）中的公式(4)-(12)，计算得到拱陷校正后的总平均吃水深度。

步骤S133，基于所述待测船舶的总平均吃水进行查表，得到总平均吃水对应的实际排水量。

其中，根据所述待测船舶的排水量表进行查找，得到总平均吃水对应的标准排水量。在一些实施例中，所述方法还包括：对查表得到的平均吃水对应的排水量进行校正，如，根据所述待测船舶的排水量纵倾校正表查核校正，又如，根据根本氏公式或叶氏公式对标准排水量进行校正，得到总平均吃水对应的实际排水量。

在上述方法中，通过对待测船舶预设位置吃水深度的测量结果进行分析、纵倾校正、拱陷校正等，提高测量结果的准确性。

S14，基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量。

具体地，可以理解的是，根据所述待测船舶的满载排水量、空载排水量以及待测船舶所在海域的海水密度等计算待测船舶装载货物重量。

步骤S14具体包括以下步骤：

步骤S141，记录所述待测船舶的船舶常数；

其中，船舶常数是指船舶制造完成后的固定重量，它包括了船体、设备、固定压载物等所有固定在船上的物品的重量。

步骤S141，统计所述待测船舶的船用物料、油水等非货物重量；

其中，船用物料、油水等非货物的重量可以根据实测深度或空距计算。

步骤S142，基于所述实际排水量和所述船舶常数、所述非货物重量，计算得到所述待测船舶装载货物重量。

具体地，还可以理解的是，步骤S11-S14的方法可以在海域航行中实时检测吃水深度，如航行过程中，从高密度海域向低密度海域移动时，吃水深度增加，此时，为了避免吃水深度超过报警值，可以采用本公开提供的方法进行吃水深度的实时测量；又如，当从深水航道向浅水航道移动时，为了避免船舶在浅水航道发生搁浅，也可以采用本公开提供的方法进行吃水深度的实时测量。

具体地，还可以理解的是，步骤S11-S14的方法可以实现船舶装/卸货物的重量的计重，当需要测量所述待测船舶装/卸货物的重量时，可采用步骤S11-S14的方法对装/卸货物前后分别进行两次水尺计重，两次计重的差值即为此次装/卸货物的重量。

在上述方法中，本公开提供的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法不仅可以测量船舶装/卸货物的重量，还可以在航行中实时测量船舶的吃水深度和船舶装载货物的重量的测量计算。

本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，通过为不同船舶确定最佳移动方式，提高了测量速度，并使超声波传感器的移动路径能更贴合船舶底部轮廓；通过结合水面波浪特征和水流速度，对所述超声波传感器发射的超声波信号频率的实时调整，提高超声波测距准确性；通过水下障碍物检测和实时路径优化，规避了障碍物，提高了检测灵活性；通过水流速度和水流温度对超声波信号的传播速度进行标定，有效提高测距精度；通过检测超声波传感器与船舶底部的距离和与水面的距离，直接计算出船舶的吃水深度，不需要依赖船舶外侧水尺标记；通过采用具备自主移动能力的超声波传感器或将其搭载在具备自主移动能力的辅助设备上，实现超声波传感器在水下的自由移动，提高了灵活性，同时便于进行后期检修与维护；通过增设屏障、安装挡板、信号预处理等措施有效提高水面波浪较大时超声波测距的精度；通过对待测船舶预设位置吃水深度的测量结果进行分析、纵倾校正、拱陷校正等，提高测量结果的准确性。

图2是本公开提供的一种基于移动式超声波传感器的水尺计重系统的结构示意图。参照图2，所述系统包括：

控制模块210，用于根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；

检测模块220，用于按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；

软件模块230，用于基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；以及，基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量。

在一些实施例中，所述检测模块220包括超声波传感器、辅助设备，所述控制模块210和所述软件模块230与上位的终端计算机连接，所述控制模块210用于远程控制超声波传感器或辅助设备的自由移动，所述软件模块用于对所述检测模块220测量的各项数据进行存储、记录、计算等。

上述基于移动式超声波传感器的水尺计重系统的详细描述，请参见上述实施例中相关方法步骤的描述，重复之处不再赘述。以上所描述的基于移动式超声波传感器的水尺计重系统和基于移动式超声波传感器的水尺计重方法的实施例仅仅是示意性的，其中所使用的作为分离部件说明的“模块”、“单元”可以是实现预定功能的软件和/或硬件的组合，可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；

按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；

基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；

基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量；

其中，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，包括：

若所述待测船舶为平底型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部轮廓的长宽比、圆润度；

当所述圆润度小于第一阈值且所述长宽比大于第二阈值时，确定目标移动方式为S形移动；

否则，确定目标移动方式为Z形移动。

2.如权利要求1所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，还包括：

若所述待测船舶为V型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部宽度、底部长宽比；

当所述待测船舶的底部宽度小于第三阈值时，确定目标移动方式为直线形移动；

否则，判断所述底部长宽比与第四阈值的关系，当所述底部长宽比大于第四阈值时，确定目标移动方式为S形移动，否则，确定目标移动方式为Z形移动。

3.如权利要求1所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，所述按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度，包括：

开启超声波传感器，发射预设频率的超声波信号；

接收返回的超声波信号，并检测第一时间和第二时间，所述第一时间为经第一目标位置返回的超声波信号的传播时间，所述第二时间为经第二目标位置返回的超声波信号的传播时间；

基于所述超声波信号的标定传播速度、所述第一时间和所述第二时间，计算第一距离和第二距离；

基于所述第一距离和所述第二距离，计算当前预设位置的吃水深度。

4.如权利要求3所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，在接收返回的超声波信号之后，所述方法还包括：

基于所述超声波信号的强度特征、波形特征或时间特征中至少一种特征进行障碍物检测，得到障碍物的位置信息；

基于所述障碍物的位置信息对所述目标移动方式进行实时路径优化。

5.如权利要求3所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，所述预设频率根据水面波浪特征和水流速度实时调整。

6.如权利要求3所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，所述超声波信号的标定传播速度为对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定后的速度，具体包括：

获取所述待测船舶所在海域的海水参数，所述海水参数至少包括水流速度、水流温度中的至少一项；

基于水流速度和/或水流温度对超声波信号在水中的标准传播速度进行标定，得到超声波信号的标定传播速度。

7.如权利要求1所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，在根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式之后，所述方法还包括：

将所述超声波传感器移动至距离所述待测船舶底部预设深度处，其中，所述预设深度根据超声波传感器的规格参数确定。

8.如权利要求1所述的基于移动式超声波传感器的水尺计重方法，其特征在于，基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量，包括：

对所述预设位置的吃水深度进行纵倾校正，得到纵倾校正后的吃水深度；

对所述纵倾校正后的吃水深度进行拱陷校正，得到所述待测船舶的总平均吃水；

基于所述待测船舶的总平均吃水进行查表，得到总平均吃水对应的实际排水量。

9.一种基于移动式超声波传感器的水尺计重系统，其特征在于，所述系统包括：

控制模块，用于根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式；

检测模块，用于按照所述目标移动方式移动所述超声波传感器，测量所述待测船舶预设位置的吃水深度；

软件模块，用于基于所述预设位置的吃水深度进行校正、计算，得到实际排水量；以及，基于所述实际排水量计算船舶装载物的重量；

其中，所述根据待测船舶的外观参数确定超声波传感器的目标移动方式，包括：

若所述待测船舶为平底型船舶，则基于所述待测船舶的外观参数确定底部轮廓的长宽比、圆润度；

当所述圆润度小于第一阈值且所述长宽比大于第二阈值时，确定目标移动方式为S形移动；

否则，确定目标移动方式为Z形移动。