专利名称：船舶吨位智能测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量系统和测量方法，具体是一种船舶吨位的智能测量系统和测量方法。
背景技术：
在各种运输途径中，内河航运具有运价低、运量大、能耗低、投资省等优点，内河航运船舶吨位的准确统计，将向有关部门提供完整、准确的决策依据。目前，船舶总吨位、净吨位是由专门的船检部门根据相关丈量规定，采用人工丈量的手段获得，误差较大。而实际运载吨位主要依靠人工观察的方法估算获得，即根据船载证书的总吨位、载重线和实际吃水深度，估算船舶的实际运载吨位。这种依靠人工观察、粗略估计进行统计方法效率低、统计的数据误差大、且存在疏漏现象，不能真实反映船舶实际运载吨位。
发明内容
本发明的一个目的是针对上述存在的问题，提供一种测量准确、自动化程度高的船舶吨位智能测量系统。
本发明的另一个目的是提供一种船舶吨位测量方法。
本发明的总体构思如下国际上《1969年国际船舶吨位丈量公约》以及中华人民共和国船舶检验局《内河船舶吨位丈量规范》(1995)均对船运船舶的吨位丈量做出了规范规定。根据上述两种规范可以发现，船舶的吨位与船舶围蔽处所的总容积成一定的线性关系，只要获得船舶围蔽处所的容积，就相当于获得了船舶吨位。
由于航运船舶通常为不规则的几何体，所以可选测多个规定点的几何距离，计算出船体在水面以下的若干个近似个截面积，再结合船舶的航行速度计算出船舶的近似容积。
本发明采用合适的非接触式测距技术，当有船舶通过时，设置在航道两侧的多传感器系统对船体水下部分进行多点距离测量，并测量出船舶航行的速度，计算得出船舶的近似排水量，即船舶实际总吨位。设置在水面的图像拍摄系统采集船舶的图像，经对采集的图像进行处理，测量出船舶的尺寸，再与数据库中所储存的船舶数据进行对应比较，即可得出所测船舶的净吨位。根据船舶的实际总吨位和净吨位，即可得出船舶的实际载重吨位。
实现本发明的测量系统的具体技术方案如下包括有设置在航道测量段两端岸壁上的各至少2个红外线传感器；设置在航道测量段两侧河床壁上的声纳阵列；设置在航道测量段上方和侧面的各一个图像拍摄装置；一用于控制声纳扫描、并将接收到的由红外线传感器输出的信号和声纳的信号发送到计算机的信号处理电路；图像拍摄装置采集的图像信息直接发送到计算机。
所述的船舶吨位智能测量系统还包括有设置在航道中监测水温度的温度传感器，温度传感器与信号处理电路连接。
所述的信号处理电路包括有单片机、选通器、对应各声纳的功率放大电路和保护电路、对应各选通器的信号调理模块以及过零检测电路、远程通信模块和电源电路；其中，单片机向选通器发出选择声纳的信号和测量信号，并将接收到的反射回的测量信号以及接收的红外线传感器的信号、温度传感器的信号通过远程通信模块发送到计算机；各功率放大电路将通过选通器的输出测量信号进行放大，放大后的测量信号输出到声纳；各保护电路把对应功率放大电路输出到声纳的高压信号与信号处理电路的其他电路隔离，而允许声纳接收的反射回的低压信号通过各保护电路输出到选通器；各信号调理模块对反射回的测量信号进行滤波、放大、检波等处理，并将处理后的信号经过过零检测电路后输出到单片机；电源电路为各电路提供工作电源。
所述的保护电路是由电阻R7～R9、三极管Q2、电容C14、二极管D1连接构成；其中，电阻R8、电容C14和电阻R9依次串联连接，串联后电阻R8的一端作为输入端与声纳连接，电阻R9的一端作为输出端与选通器连接，电容C14与电阻R9的连接处分别与二极管D1的负极和三极管Q2的基极连接，二极这D1的正极接地，三极管Q2的发射极通过电阻R7接地，三极管Q2的集电极与电阻R9的输出端连接。
所述的信号调理模块包括有依次连接的前置放大电路、带通滤波电路、后置放大电路以及检波电路。
所述的声纳阵列的中间一列采用主动声纳，声纳阵列在扫描时采用变参考系，以声纳阵列的中间一列对应深度的声纳向船体发射超声波信号并接收反射的超声波信号，而其他各声纳只接收反射的超声波信号。
实现本发明的测量方法的具体技术方案如下红外线传感器探测到有船舶通过的信号，启动设置在航道两侧的声纳阵列和设置在航道测量段的图像拍摄装置开始工作；同时，红外线传感器测量出船舶通过测量段的时间，由此计算出船舶的船体长度；声纳阵列对船舶的水下部份进行循环扫描，测量出船体在水下不同深度的点到相对应的声纳的距离，由此计算出相对应的船体截面积；根据船体的长度和船体截面积计算出船舶在水下部分的体积，再根据船舶在水下部分的体积计算得出船舶的排水量，即总吨位；图像拍摄系统的水面上方的拍摄头和一侧的拍摄头分别对船舶的正面和侧面进行图像采集，并把采集的图像发送到计算机，由计算机对采集的图像进行分析处理，然后与数据库中所储存的船舶数据进行对应比较，计算出被测船舶的净吨位；船舶的总吨位减去船舶的净吨位即得到船舶的实际装载吨位。
所述的声纳阵列对船体进行循环扫描时，声纳阵列采用变参考系的方法，在检测某一深度级船舶到对应深度传感器的距离时，以声纳阵列的中间一列对应深度的声纳作为参考系统，该声纳向船体发射超声波信号并接收反射的超声波信号，而其他各声纳只接收反射的超声波信号。
所述的计算机对采集到的图像进行分析处理时，计算机对采集的图像进行基于小波分析的处理，通过船舶边缘寻找其最小的外接矩形，把不规则图形的测量转换到平面方形的测量上去，计算出船舶的尺寸。
本发明在船舶通过测量区域时，通过声纳阵列和图像拍摄装置，能及时准确地测量出船舶的总吨位、净吨位和实际装载吨位，相对于目前依靠人工观察、粗略估计的方法，具有自动化程度高，测量准确，效率高等优点，从而有助于航运部门实现自动化作业，提高统计数据的准确性，提高工作效率，提高航运业的智能化水平。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明船舶吨位智能测量系统的结构示意图；图2为本发明信号处理电路的结构示意图；图3为本发明信号调理模块的结构示意图；图4为本发明声纳阵列、红外传感器和图像拍摄装置的示意图；
图5为图4中C-C向的示意图；图6为本发明船舶吨位智能测量系统测量时的工作流程图；图7为本发明测量船舶宽度和截面积的示意图；图8为本发明的信号处理系统的电路原理图；图9为本发明信号处理系统电路中电源电路的原理图；图10为本发明信号处理系统电路中远程通信模块的电路原理图。
具体实施例方式
见图1、图4及图5，本实施例的船舶吨位智能测量系统包括有设置在航道测量段两端岸壁上的各2个红外线传感器1；设置在航道测量段两侧河床壁上的声纳阵列2；设置在航道测量段上方和侧面的各一个图像拍摄装置4；一用于控制声纳扫描、并将接收到的由红外线传感器输出的信号和声纳的信号发送到计算机5的信号处理电路3；图像拍摄装置4采集的图像信息直接发送到计算机5。
见图4及图5，2个红外线传感器之间的距离为h，红外线传感器监测航道中的船舶，每一端的2个红外线传感器都设置为(1、0)时有效，即只有当航道测量段一端外侧的红外线传感器首先检测到船舶时才启动设置在航道两侧的声纳阵列和设置在航道测量段的图像拍摄装置开始工作。
声纳阵列2设置在航道测量段两侧的河床壁上，声纳阵列中声纳的总个数、设置成多少列以及各个声纳之间的距离都根据具体河道或船闸而定。例如在约15m深、30m宽的航道中，声纳阵列2设置在水深0～10m的范围内，同一列的各个声纳设置在不同的深度级上，每两个声纳之间间距设置为0.5m，一列上共设置20个声纳，至少设置有3列，航道两侧的河床壁上对称设置。其中，位于中间部分的一列都为主动声纳，在图中标为第K列，该列声纳用于发射和接收超声波信号，其余的声纳只接收超声波信号。声纳测距是利用声纳发射超声波脉冲，超声波脉冲与目标物接触后被反射，反射的超声波脉冲波再被声纳接收，根据超声波在水中的传播速度和声纳发射、接收的时间间隔，即可获得声纳与目标物的距离。
见图2，信号处理电路3包括有单片机3-1、选通器3-2、对应各声纳的功率放大电路3-3和保护电路3-4、对应各选通器3-2的信号调理模块3-5以及过零检测电路3-6、远程通信模块3-7、电源电路3-8；其中，单片机3-1向选通器3-2发出选择声纳的信号和测量信号，并将接收到的反射回的测量信号以及接收的红外线传感器的信号、温度传感器的信号通过远程通信模块3-7发送到计算机5；各功率放大电路3-3将通过选通器3-2的测量信号进行放大，放大后的测量信号输出到声纳；各保护电路3-4把各个功率放大电路3-3输出到声纳的高压信号与信号处理电路3的其他电路隔离，而允许声纳接收的反射回的低压信号通过各保护电路3-4输出到选通器3-2；各信号调理模块3-5对声纳反射回的信号进行滤波、放大、检波等处理，并将处理后的信号经过过零检测电路3-6后输出到单片机3-1；电源电路3-8为各电路提供工作电源。
见图3，信号调理模块2-4包括有依次连接的前置放大电路2-4-1、带通滤波电路2-4-2、后置放大电路2-4-3以及检波电路2-4-4。
本实施例的信号处理电路3的电路原理图以驱动一个声纳传感器为例具体说明。见图8、图9及图10，单片机3-1具有型号为P80C31SBPN的单片机U1，选通器3-2具有型号为HCF4052BE的选通器U2。
电源电路3-8是由二极管D2、电解电容C6～C10、C12、电容C11、变压器T2、电感L1、电阻R5以及稳压器U4和U5连接构成。电源电路2-7为各电路提供电源。
功率放大电路3-3是由变压器T1、三极管Q1、电阻R10和电解电容C13连接构成。其中，三极管Q1的基极作为功率放大电路3-3的输入端与选通器U2的输出端连接。变压器T1的原、副边绕组匝数比为10∶1，变压器T1的副边作为输出端通过接插件J1与对应声纳连接。功率放大电路2-3将单片机U1通过选通器U2的发出的测量信号进行放大，并将放大后的信号输出到声纳。
由于测量时单片机U1发出的测量信号经功率放大电路3-3放大后达到200V以上，为保护整个信号处理电路2不至损坏，功率放大电路3-3的输出端与选通器U2的反射测量信号接收端之间还连接有一保护电路3-4，保护电路3-4是由电阻R6～R9、电容C14、三极管Q2、二极管D1连接构成，其中，电阻R8、电容C14和电阻R9依次串联连接，串联后电阻R8的一端作为输入端与声纳连接，电阻R9的一端作为输出端与选通器U2连接，电容C14与电阻R9的连接处分别与二极管D1的负极和三极管Q2的基极连接，二极这D1的正极接地，三极管Q2的发射极通过电阻R7接地，三极管Q2的集电极与电阻R9的输出端连接。
信号调理模块3-5的输入端与选通器U2的信号输出端13脚连接，信号调理模块3-5中的前置放大电路3-5-1、带通滤波电路3-5-2和后置放大电路3-5-3是由型号为NE5532P的运算放大器U7以及电阻R12～R20、电容C15～C24、连接构成。检波电路3-5-4是由二极管D3、D4、电阻R21、电容C25连接构成。检波电路3-5-4的输出端与过零检测电路3-6的输入端连接。
过零检测电路3-6具有三极管Q3，三极管Q3的基极作为输入端与检波电路3-5-4的输出端连接，三极管Q3发射极接地，三极管Q3的集电极作为输出端与单片机3-1的外部中断输入端12脚连接。
温度传感器6具有型号为DS18B20的温度传感器U3，温度传感器U3的输出端与单片机3-1的P0.3端口连接。
四个红外线传感器分别与单片机的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7端口连接(图8中没有画出)。
见图10，远程通信模块3-7采用的是MAX232，远程通信模块的12脚和11脚分别与单片机U1的RxD端和TxD端相连，用于实现与计算机5的远程通信。
见图4、图5及图6，当红外线传感器1检测到航道中有船舶7经过时，设置在航道两侧的声纳阵列2和设置在航道测量段的图像拍摄装置4开始工作。同时，记录下船舶7经过两个红外线传感器之间距离h所用的时间t，由此可计算出船舶的平均速度v＝h/t。同时系统也记录下船舶通过一红外线传感器时所用的总时间T，根据平均速度v和总时间T即可计算出船舶的船体长度H＝v×T。声纳阵列2工作时，声纳阵列2对船舶的水下部份进行循环扫描，测量出船体在水下不同深度的点到相对应的声纳的距离，由于要对船体的多点进行距离测量，如果各主动声纳同时发射，必将引起声纳信号的干扰和虚假目标的大量出现，为解决这个问题，采用变参考系的方法，分时的检测各点的距离要检测某一深度级船舶到对应声纳的距离时，就以第K列上对应深度的主动声纳作为参考系统，向船体发射超声波信号并接收反射的超声波信号，而其他各声纳传感器作为子系统只接收反射的超声波信号。由于水温变化对超声波在水中的传播速度影响较大，所以需设置温度传感器随时监测测量区域的水的温度，即时对测量的数据进行修正。这样第K列的各深度的声纳传感器轮流充当参考系统，对船体进行扫描。在被测船舶通过测量区域的过程中，声纳阵列2对船舶进行扫描，扫描一次可测得船体在水下不同深度的多个点到相对应的声纳传感器的距离，如图7所示，两岸声纳阵列之间的距离L是固定的，声纳到船体的距离L1和L2是测得的，因此可计算出船在对应点的宽度W，即W＝L-L1-L2，测得的船体宽度分别记为W1，W2，W3，……Wn，根据测得的船体宽度可计算出船体近似截面积Si。每隔一定时间Δt之后，开始新一轮扫描检测，最终得出m个近似截面积。这样，声纳传感器阵列获得船舶不同时刻截面积Si(i＝1、2、3……m)，由公式V=∫0LSidl]]>即可得到船舶水下部分容积(体积)，再由公式G＝ρVg计算获得船舶的排水量，即获得了船舶的总吨位，其中，ρ为水的密度，g为重力加速度。
测量系统启动后，在声纳阵列2开始工作的同时，负责水上部分测量的图像拍摄装置4也对其船身进行图像信息采集，位于河岸上的图像拍摄装置4-1对被测船舶的侧面进行图像采集，并把采集的图像发送到计算机5。位于航道上方的图像拍摄装置4-2对被测船舶的正面进行图像采集，并把采集的图像发送到计算机5。计算机5对采集的图像进行基于小波分析的处理，通过船舶边缘寻找其最小的外接矩形，把不规则图形的测量转换到平面方形的测量上去，测量出船舶的尺寸，再与数据库中所储存的船舶数据进行对应比较，即可知道被测船舶的净吨位。
船舶的总吨位减去船舶的净吨位即得到船舶的实际装载吨位。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种船舶吨位智能测量系统，其特征在于包括设置在航道测量段两端岸壁上的各至少2个红外线传感器(1)；设置在航道测量段两侧河床壁上的声纳阵列(2)；设置在航道测量段上方和侧面的各一个图像拍摄装置(4)；一用于控制声纳扫描、并将接收到的由红外线传感器输出的信号和声纳的信号发送到计算机(5)的信号处理电路(3)；图像拍摄装置(4)采集的图像信息直接发送到计算机(5)。
2.根据权利要求1所述的船舶吨位智能测量系统，其特征在于还包括有设置在航道中监测水温度的温度传感器(6)，温度传感器(6)与信号处理电路(3)连接。
3.根据权利要求1所述的船舶吨位智能测量系统，其特征在于所述的信号处理电路(3)包括有单片机(3-1)、选通器(3-2)、对应各声纳的功率放大电路(3-3)和保护电路(3-4)、对应各选通器(3-2)的信号调理模块(3-5)以及过零检测电路(3-6)、远程通信模块(3-7)和电源电路(3-8)；上述单片机(3-1)向选通器(3-2)发出选择声纳的信号和测量信号，并将接收到的反射回的测量信号以及接收的红外线传感器的信号、温度传感器的信号通过远程通信模块(3-7)发送到计算机(5)；各功率放大电路(3-3)将通过选通器(3-2)输出的测量信号进行放大，放大后的测量信号输出到声纳；各保护电路(3-4)把对应功率放大电路(3-3)输出到声纳的高压信号与信号处理电路(3)的其他电路隔离，而允许声纳接收的反射回的低压信号通过各保护电路(3-4)输出到选通器(3-2)；各信号调理模块(3-5)对反射回的测量信号进行滤波、放大、检波等处理，并将处理后的信号经过过零检测电路(3-6)后输出到单片机(3-1)；电源电路(3-8)为各电路提供工作电源。
4.根据权利要求2所述的船舶吨位智能测量系统，其特征在于所述的保护电路(3-4)是由电阻R7～R9、三极管Q2、电容C14、二极管D1连接构成；其中，电阻R8、电容C14和电阻R9依次串联连接，串联后电阻R8的一端作为输入端与声纳连接，电阻R9的一端作为输出端与选通器(3-2)连接，电容C14与电阻R9的连接处分别与二极管D1的负极和三极管Q2的基极连接，二极这D1的正极接地，三极管Q2的发射极通过电阻R7接地，三极管Q2的集电极与电阻R9的输出端连接。
5.根据权利要求2所述的船舶吨位智能测量系统，其特征在于所述的信号调理模块(3-5)包括有依次连接的前置放大电路(3-5-1)、带通滤波电路(3-5-2)、后置放大电路(3-5-3)以及检波电路(3-5-4)。
6.根据权利要求1所述的船舶吨位智能系统，其特征在于声纳阵列(2)的中间一列采用主动声纳，声纳阵列(2)在扫描时采用变参考系，以声纳阵列(2)的中间一列对应深度的声纳向船体发射超声波信号并接收反射的超声波信号，而其他各声纳只接收反射的超声波信号。
7.一种船舶吨位智能测量方法，其特征在于红外线传感器探测到有船舶通过的信号，启动设置在航道两侧的声纳阵列和设置在航道测量段的图像拍摄装置开始工作；同时，红外线传感器测量出船舶通过测量段的时间，由此计算出船舶的船体长度；声纳阵列对船舶的水下部份进行循环扫描，测量出船体在水下不同深度的点到相对应的声纳的距离，由此计算出相对应的船体截面积；根据船体的长度和船体截面积计算出船舶在水下部分的体积，再根据船舶在水下部分的体积计算得出船舶的排水量，即总吨位；图像拍摄系统的水面上方的拍摄头和一侧的拍摄头分别对船舶的正面和侧面进行图像采集，并把采集的图像发送到计算机，由计算机对采集的图像进行分析处理，然后与数据库中所储存的船舶数据进行对应比较，计算出被测船舶的净吨位；船舶的总吨位减去船舶的净吨位即得到船舶的实际装载吨位。
8.根据权利要求7所述的船舶吨位智能测量方法，其特征在于所述的声纳阵列对船体进行循环扫描时，声纳阵列采用变参考系的方法，在检测某一深度级船舶到对应深度传感器的距离时，以声纳阵列的中间一列对应深度的声纳作为参考系统，该声纳向船体发射超声波信号并接收反射的超声波信号，而其他各声纳只接收反射的超声波信号。
9.根据权利要求7所述的船舶吨位智能测量方法，其特征在于所述的计算机对采集到的图像进行分析处理时，计算机对采集的图像进行基于小波分析的处理，通过船舶边缘寻找其最小的外接矩形，把不规则图形的测量转换到平面方形的测量上去，计算出船舶的尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种船舶吨位智能测量系统及测量方法，测量系统包括设置在航道测量段两端岸壁上的各至少2个红外线传感器；设置在航道测量段两侧河床壁上的声纳阵列；设置在航道测量段上方和侧面的各一个图像拍摄装置；一用于控制声纳扫描、并将接收到的由红外线传感器输出的信号和声纳的信号发送到计算机的信号处理电路；图像拍摄装置采集的图像信息直接发送到计算机。本发明能及时准确地测量出船舶的总吨位、净吨位和实际装载吨位，相对于目前依靠人工观察、粗略估计的方法，具有自动化程度高，测量准确，效率高等优点，从而有助于航运部门实现自动化作业，提高统计数据的准确性，提高工作效率，提高航运业的智能化水平。
文档编号G01C11/00GK101038204SQ200610011508
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者范新南, 金纪东, 李庆武 申请人:河海大学常州校区