一种基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统及方法与流程

本发明涉及被测船舶的仰扫式吃水检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统及方法。

背景技术：

近些年，随着通航技术的提高，我国航运量呈每年递增的趋势，而且其货物运输在我国国民经济发展中的地位越来越高。因此，保证我国内河运输的通畅和安全至关重要。现有的仰扫式吃水检测系统中采用不锈钢支架对超声波传感器阵列进行固定安装，此种安装方式不仅耗材大，重量沉，不便于安装与检修，并且其跨度也较小，只能实现对短距离以内的通航船舶进行吃水测量，无法实现对100米左右的大航道以内的船舶进行吃水测量。另外，随着时间流逝及不同季节水流速度、水位、水压的变化，不锈钢支架因受力弯曲产生的挠度也越来越大，会带来较大的系统误差，影响数据的测量精度和准确性。

技术实现要素：

根据上述提出现有的仰扫式吃水检测系统存在的问题，而提供一种基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：

一种基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统，固定模块、超声波传感器阵列模块、水压传感器模块、浮体补偿模块、摆角监测模块、数据处理模块；

所述的固定模块为安装在航道两侧靠岸位置的固定桩，两束缆绳横跨整个航道，并缠绕在固定桩上固定，固定桩依据水位变化实现自动升降；

所述的超声波传感器阵列模块为多个超声波传感器，其等间距的安装在缆绳上，用于测量缆绳与被测船舶的间距；

所述的水压传感器模块为安装在检测门上的压力传感器，用于实时监测水位变化；

所述的浮体补偿模块为多个浮体，其采用多点安装的方式，等间距的安装在缆绳的下方，用于抵消减少缆绳的弯曲程度，平衡缆绳重力，抵消挠度，补偿系统误差；

所述的摆角监测模块为安装在缆绳中心位置的倾角传感器，用于监测缆绳摆动的角度；

所述的数据处理模块安装在岸上的电气柜中，用来将对超声波传感器阵列模块和水压传感器模块测量的数据采集传输后进行处理，计算出通航船舶的吃水值。

进一步地，所述的固定桩由液压装置驱动的固定柱和混凝土浇灌而成的基座组成，固定柱能够根据所述水压传感器模块监测的水位值进行自动升降调整。

进一步地，所述的两束缆绳的间距为超声波传感器的直径，以便在其间安装所述超声波传感器阵列模块。

进一步地，所述的数据处理模块还可以实时响应所述摆角监测模块的指令并与所述固定模块通信实现自动升降。

本发明还提供了一种基于柔性架构支撑的仰扫式吃水检测系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：构建固定模块；

固定模块为安装在航道两侧靠岸位置的固定桩，固定桩由液压装置驱动的固定柱和混凝土浇灌而成的基座组成，固定柱可以根据水压传感器模块监测的水位值进行自动升降调整，将两束横跨整个航道的缆绳缠绕在固定柱上并固定，并尽量平行绷直，保证两束缆绳之间的间距为超声波传感器的直径以便在其间安装传感器阵列模块；

步骤2：构建超声波传感器阵列模块；

步骤21：确定超声波传感器阵列模块即缆绳在水中的安装位置；设通航船舶的吃水量为d，因天气、季节、水流因素导致的水位变化值为d1(实际中0<d1<3m)，则要保证超声波传感器阵列模块在水下的安装位置h>d+d1；

步骤22：在缆绳上以等间距d的距离安装m个朝向水面的超声波传感器，构成超声波传感器阵列模块，则第n个超声波传感器与靠岸左侧的固定桩的距离sn为：

sn＝(n-1)dn＝1、2、…、m；

缆绳的总长度为：

s＝(m-1)d；

步骤23：根据超声波传感器的两个参数波束角θ和指向性ω，当波束角越小时，指向性越大，超声波传感器发挥的性能越好，将超声波传感器阵列模块通过安装盒水平固定在两束平行缆绳之间；

步骤3：构建水压传感器模块；

在两束缆绳上同时以等间距d1安装n个水压传感器，用来测定两束缆绳各处与水平面的间距h，检验两束缆绳是否平行于水平面；第i个水压传感器与靠岸左侧的固定桩的距离si为：

si＝(i-1)d1i＝1、2、…、n

由此得出各个水压传感器在缆绳上的安装位置，构成水压传感器模块；

步骤4：构建浮体补偿模块；

在缆绳不发生挠度变化的情况下，设第i个水压传感器测得的距离水面深度值为hi，则构成的数组为{h1，h2，h3......hi}；在缆绳发生挠度变化之后和有船舶通过的情况下，设水压传感器测得的距离水面深度值为hj，构成的数组为{h1，h2，h3......hj}，则缆绳的挠度补偿值δh为：

δh＝hi-hj

采用多点安装的方式，将浮体安装在每个超声波传感器旁，使缆绳往上偏移δh达到水平位置，通过不断观察各处水压传感器与水面的间距hi来增减浮体的数量，构成浮体补偿模块，当hi的值接近一致时则缆绳整体达到平衡状态；

步骤5：构建摆角监测模块；

将二维倾角传感器安装在缆绳中心位置，构成摆角监测模块，对缆绳的左右摆角δθx和上下摆角δθy进行监测，当缆绳居中水平时，摆角δθx＝δθy＝0，当缆绳出现左右或上下偏移时，判断δθx、δθy与二维倾角传感器的有效测量角度θ有效的大小，当δθx、δθy大于θ有效时，则二维倾角传感器返回一个指令控制数据处理模块取消采集，当缆绳摆角在正常范围内时则启动数据处理模块进行采集，保证数据的准确性；

步骤6：数据处理模块进行采集、计算；

数据处理模块采集超声波传感器阵列模块测得缆绳与通航船舶底部的间距h和水压传感器模块测得的缆绳与水平面的间距h，通过计算得到通航船舶的吃水值d＝h-h，完成船舶吃水测量。

进一步地，所述步骤6中还包括所述数据处理模块可以实时响应所述摆角监测模块的指令并与所述固定模块通信实现自动升降的过程。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统，将超声波传感器阵列安装在柔韧性强的缆绳上，这种基于柔性架构支撑的安装方式相比于柔韧性差、笨重的不锈钢支架，不仅耗材小，重量轻，而且可以实现自动升降，便于安装与检修，简易和灵活。另外其跨度也大大提高，可以横跨整个百米航道，实现对大范围以内的通航船舶进行吃水测量。

2、相比于不锈钢支架易产生不可逆的弯曲增大系统误差，本发明中的具有柔性架构的缆绳容易调整挠度，减小并补偿系统误差，提高测量精度。

3、浮体装置的应用解决了缆绳因受力弯曲产生的挠度变化问题，提高了系统测量精度；二维倾角传感器的应用实现了缆绳摆角的实时监测，提高了系统测量准确性。

4、本发明提高了整个仰扫式吃水检测系统的稳定性与便捷性，并有利于日后使用的维护。

基于上述理由本发明可在被测船舶的仰扫式吃水检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的航道正视图。

图2为本发明的安装架结构图。

图3为在航道通航时俯视图。

图4为浮体补偿模块示意图

图中：1、固定模块；2、超声波传感器阵列模块；3、水压传感器模块；4、浮体补偿模块；5、摆角监测模块；6、数据处理模块；7、通航船舶。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，本发明提供了一种基于柔性架构支撑的仰扫式船舶吃水检测系统，包括：固定模块1、超声波传感器阵列模块2、水压传感器模块3、浮体补偿模块4、摆角监测模块5、数据处理模块6；固定模块1为安装在航道两侧靠岸位置的固定桩，固定桩由液压装置驱动的固定柱和混凝土浇灌而成的基座组成，两束缆绳横跨整个航道，(两束缆绳的间距为超声波传感器的直径，以便在其间安装所述超声波传感器阵列模块2)并缠绕在固定桩上固定，固定柱能够根据水压传感器模块3监测的水位值进行自动升降调整；超声波传感器阵列模块2为多个超声波传感器，其等间距的安装在缆绳上，用于测量缆绳与通航船舶7的间距；水压传感器模块3为安装在检测门上的压力传感器，用于实时监测水位变化；如图2所示，浮体补偿模块4为多个浮体，其采用多点安装的方式，等间距的安装在缆绳的下方，用于抵消减少缆绳的弯曲程度，平衡缆绳重力，抵消挠度，补偿系统误差；摆角监测模块5为安装在缆绳中心位置的倾角传感器，用于监测缆绳摆动的角度；数据处理模块6安装在岸上的电气柜中，用来将对超声波传感器阵列模块2和水压传感器模块3测量的数据采集传输后进行处理，计算出通航船舶7的吃水值。数据处理模块6还可以实时响应摆角监测模块5的指令并与固定模块1通信实现自动升降。

本发明还提供了一种基于柔性架构支撑的仰扫式吃水检测系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：构建固定模块1；

固定模块1为安装在航道两侧靠岸位置的固定桩，固定桩由液压装置驱动的固定柱和混凝土浇灌而成的基座组成，固定柱可以根据水压传感器模块3监测的水位值进行自动升降调整，将两束横跨整个航道的缆绳缠绕在固定柱上并固定，并尽量平行绷直，保证两束缆绳之间的间距为超声波传感器的直径以便在其间安装传感器阵列模块2；

步骤2：构建超声波传感器阵列模块2；

步骤21：确定超声波传感器阵列模块2即缆绳在水中的安装位置；设通航船舶7的吃水量为d，因天气、季节、水流因素导致的水位变化值为d1(实际中0<d1<3m)，则要保证超声波传感器阵列模块2在水下的安装位置h>d+d1；

步骤22：在缆绳上以等间距d的距离安装m个朝向水面的超声波传感器，构成超声波传感器阵列模块2，则第n个超声波传感器与靠岸左侧的固定桩的距离sn为：

sn＝(n-1)dn＝1、2、…、m；

缆绳的总长度为：

s＝(m-1)d；

步骤23：根据超声波传感器的两个参数波束角θ和指向性ω，当波束角越小时，指向性越大，超声波传感器发挥的性能越好，将超声波传感器阵列模块2通过安装盒水平固定在两束平行缆绳之间；

步骤3：构建水压传感器模块3；

在两束缆绳上同时以等间距d1安装n个水压传感器，用来测定两束缆绳各处与水平面的间距h，检验两束缆绳是否平行于水平面；第i个水压传感器与靠岸左侧的固定桩的距离si为：

si＝(i-1)d1i＝1、2、…、n

由此得出各个水压传感器在缆绳上的安装位置，构成水压传感器模块3；

步骤4：构建浮体补偿模块4；

在缆绳不发生挠度变化的情况下，设第i个水压传感器测得的距离水面深度值为hi，则构成的数组为{h1，h2，h3......hi}；在缆绳发生挠度变化之后和有船舶通过的情况下，设水压传感器测得的距离水面深度值为hj，构成的数组为{h1，h2，h3......hj}，则缆绳的挠度补偿值δh为：

δh＝hi-hj

采用多点安装的方式，将浮体安装在每个超声波传感器旁，使缆绳往上偏移δh达到水平位置，通过不断观察各处水压传感器与水面的间距hi来增减浮体的数量，构成浮体补偿模块4，当hi的值接近一致时则缆绳整体达到平衡状态；

步骤5：构建摆角监测模块5；

将二维倾角传感器安装在缆绳中心位置，构成摆角监测模块5，对缆绳的左右摆角δθx和上下摆角δθy进行监测，当缆绳居中水平时，摆角δθx＝δθy＝0，当缆绳出现左右或上下偏移时，判断δθx、δθy与二维倾角传感器的有效测量角度θ有效的大小，当δθx、δθy大于θ有效时，则二维倾角传感器返回一个指令控制数据处理模块6取消采集，当缆绳摆角在正常范围内时则启动数据处理模块6进行采集，保证数据的准确性；

步骤6：数据处理模块6进行采集、计算；

数据处理模块6采集超声波传感器阵列模块2测得缆绳与通航船舶7底部的间距h和水压传感器模块3测得的缆绳与水平面的间距h，通过计算得到通航船舶7的吃水值d＝h-h，完成通航船舶7吃水测量；数据处理模块6可以实时响应摆角监测模块5的指令并与固定模块1通信实现自动升降的过程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。