一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统及检测方法与流程

本发明涉及船舶吃水检测和船舶安全检测等技术领域，特别是一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统及检测方法。

背景技术：

水路运输作为我国交通运输方式的重要组成部分之一，推动着我国国民经济快速、稳步发展，带动了沿线经济的快速增长。然而，一些运输船舶为了追求经济利益，不按照航道维护水深配载货物，往往采取此地配货、异地签证、“大船小证”、谎报吃水、水尺造假等方法规避管理。当这些违反规定驶入航道的“超吃水”船舶冒险通过航道的浅险航段时，容易导致在航道内搁浅，造成航道内泥沙的急剧淤积，严重破坏航道，不仅使航道遭受破坏，并且影响了航道的正常畅通运行。因此，船舶吃水检测与监管是海事部门主要职责之一，以维护和保障水路运输的正常运营。

针对上述问题，发明申请201110133129.6，公开了一种基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，结合图像识别技术，通过采集水尺视频图像，利用水迹线和吃水线在视频图像中相对位置不变的特征，利用边缘检测、几何校正和霍夫变换来找出两条最长的边缘线，就是水迹线和吃水线，通过去掉两条线中位于上方的水迹线，可以获得真实吃水线。该方法依赖船舶自身水尺的准确性，不适用于海事监管，且在环境因素恶劣如雾天、风浪都会影响图像的识别，造成较大的误差。

发明申请201410854834.9，公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法，超声波发射传感器分时启动，超声波接收阵列采集信号，判断接收传感器有没有被遮挡，如果没有，测距模块启动并获取船舶ais信息，依据传感器ax和ax+1计算具体吃水值，如果二者相等则取平均值，不相等则根据船底平缓重新计算吃水值。由于超声波测距值跟声速有关，声速的误差直接影响测量的精度，而声速又与介质密度有关，在空气中受温度影响较大，使此种船舶吃水深度测量方式的精度大大降低，且不适合海事巡逻(不上船)的吃水检测。

目前已有的船舶吃水检测方法中，人工观测法精度低，常常因为人员操作不当和人的主观性而产生误差，严重影响船舶吃水深度精度；压力传感器测距由于在船舶上固定安装，海事部门很难获取数据，不适合海事监管；电子水尺固定安装在船舶上，维护保养不方便，海事部门很难获取数据，不适合海事监管；激光水位计测量要求必须在被测船舶上检测，检测时需要保证激光束垂直于水面，风浪会影响检测效果，要求船舶高度准确可靠。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种适合于海事监管的、高精度、操作方便快捷的内河船舶吃水深度检测技术和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括充排气装置、导气管、沉浮管、信号采集系统、数据分析系统；所述信号采集系统包括n个压力传感器、信号放大装置；导气管置于沉浮管内；n个压力传感器置于沉浮管上。

所述充排气装置，用于给与其相连的导气管充气，并控制导气管的充气时刻、排气时刻、充气速度、排气速度、充气时间、排气时间；

所述导气管，用于传输充排气装置充入的气体实现对沉浮管均匀快速充排气；

所述沉浮管，用于携载压力传感器上浮或下沉；

所述压力传感器，用于测量压力传感器与船舶底部接触点处水的压强值；

所述信号放大装置，用于对所述压力传感器测得的水的压强值进行放大，并将放大后的压强值传送至数据分析系统；

所述数据分析系统，用于计算船舶的实际吃水值。

基于上述基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、充排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

步骤2、所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

步骤3、信号放大装置将步骤2中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

步骤4、数据分析系统分析处理步骤3获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值pmax；

步骤5、利用步骤4获得的最大压强值pmax，求取待测船舶的实际吃水值h1；

步骤6、充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明检测系统及方法的检测原理新颖，通过采用带压力传感器的导气管的充排气方式获得压力，进而获取船舶的吃水深度；2)本发明在导气管充排气过程中能够检测出船舶的实际吃水，适合海事监管的要求；3)本发明通过导气管的充排气控制、传感器信号的自动采集、信号的自动处理等环节，与水尺检测、超声波检测等方法相比，能够实现智能化、自动化检测实际吃水值；4)本发明可以实现多船舶的同时检测，实用性强，不影响船闸的通行能力。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明船舶吃水检测系统排气状态示意图。图中编号所代表的含义为：1-充排气装置，2-导气管，3-沉浮管，4-压力传感器，5-信号放大装置，6-数据分析系统，7-待测船舶，8-船底。

图2为本发明船舶吃水检测系统充气状态示意图。

图3为本发明船舶吃水检测系统中充排气装置、导气管、沉浮管、压力传感器各部分的连接关系局部放大示意图。

图4为本发明基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法流程图。

图5为本发明实施例中试验系统的工作情况示意图，其中(a)为导气管的充气过程，(b)为导气管的排气过程。

具体实施方式

结合图1，本发明一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括充排气装置1、导气管2、沉浮管3、信号采集系统、数据分析系统6；所述信号采集系统包括n个压力传感器4、信号放大装置5；导气管2置于沉浮管3内；n个压力传感器4置于沉浮管3上。

充排气装置，用于给导气管充气，并控制导气管的充气时刻、排气时刻、充气速度、排气速度、充气时间、排气时间；

导气管，用于传输充排气装置充入的气体实现对沉浮管均匀快速充排气；

沉浮管，用于携载压力传感器上浮或下沉；

压力传感器，用于测量压力传感器与船舶底部接触点处水的压强值；因压力传感器在水中工作，其选型重点需要考虑压力传感器的耐腐蚀性、量程及灵敏度；为了消除水流对压力信号的影响，采用压力传感器的分流罩设计；

信号放大装置，用于对压力传感器测得的水的压强值进行放大，并将放大后的压强值传送至数据分析系统；

数据分析系统，用于计算船舶的实际吃水值。

沉浮管在平常状态下沉入河床如图2所示，在充排气装置进行充气时在浮力作用下上升如图3所示。

进一步地，导气管和沉浮管的长度相同。

进一步地，导气管和沉浮管的长度l管为：

l管＝a船闸+2h

式中，a船闸为船闸的宽度，h为河道的高度。

进一步地，沉浮管的直径为：

式中，m为沉浮管的质量，s为沉浮管的上升高度，t为沉浮管的上升时间，ρ液为水的密度。

充排气装置的充气速度为：

排气速度为：

式中，q为沉浮管的充气量，t充为沉浮管的充气时间，t排为沉浮管的排气时间，d′为沉浮管内径。

进一步地，导气管上不均匀地分布大小相同的小孔，在靠近充排气装置的区域小孔稀疏，在远离充排气装置的区域小孔密集。

进一步地，导气管上小孔分布的稀疏密集程度与距离充排气装置的位置关系为：

式中，n为靠近充排气装置一端开始计数的第n个小孔，an为第n-1个小孔与第n个小孔的间隔长度；共有个小孔。

进一步地，压力传感器均匀安装在沉浮管上，压力传感器的布置间隔d1为：

结合图4，一种基于上述基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、充排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

步骤2、所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

步骤3、信号放大装置将步骤2中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

步骤4、数据分析系统分析处理步骤3获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值pmax；

步骤5、利用步骤4获得的最大压强值pmax，求取待测船舶的实际吃水值h1；所用公式为：

式中，ρ为水的密度，ρ通过液体密度传感器获得。

步骤6、充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

实施例

本发明基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括沉浮管、导气管、充排气装置、充排气控制系统、信号采集系统、数据分析系统。本实施例中：

(1)导气管和沉浮管的长度相同均为l管，本实施例中取l管＝10m。

(2)沉浮管的直径考虑气管在水中会受到阻力f作用，取气管质量m＝20kg，管长l管＝10m，上升高度s＝5m，上升时间t＝10s，可得：结合市场上可以提供的管径大小，最终选做试验用的沉浮管管径为6.5cm。

(3)充排气装置的充气速度为排气速度为其中，沉浮管的充气量充气时间假定为沉浮管上升时间t充，排气时间为t排，d′为沉浮管内径。通过试验系统工作，充气时间t充＝27s，排气时间t排＝20s，沉浮管内径d′＝1.8cm，由此得到沉浮管的充气量q＝30622.85cm³，v充＝1134.18cm³/s，v排＝1531.14cm³/s。

(4)信号采集系统包括n个压力传感器，本实施例中取n为20，压力传感器的布置间隔d1为：

本实施例中进行检测的系统各设备参数如下表1，试验系统工作情况如图5所示。

表1试验系统参数

基于上述海事监管的内河船舶吃水检测系统进行检测，包括以下内容：

(1)排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

(2)所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

(3)信号放大装置将(2)中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

(4)数据分析系统分析处理(3)获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值pmax；

(5)利用(4)获得的最大压强值pmax，求取待测船舶的实际吃水值h1；

(6)充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

试验结果如下表2所示。根据传感器的特性，由传感器的输出电压可知吃水值。原理试验结果表明，气管的上升和下降工作顺利，上升和下降速度跟理论值略有出入。

表2试验结果

可以看出，数据相对误差在允许范围内，与选取的压力传感器的量程、数据采集设备等因素有关。

本发明检测原理新颖，通过采用带压力传感器的导气管的充排气方式获得压力，进而获取船舶的吃水深度，能够实现智能化、自动化检测实际吃水值，且不易受外界因素的影响；可以实现多船舶的同时检测，实用性强。