一种船舶吃水检测方法与流程

本发明涉及测量领域，具体地涉及一种船舶吃水检测方法。

背景技术：

随着长江等河流航运量的不断增大，船舶发展呈大型化发展趋势，吃水也越来越深。船舶搁浅事故时有发生，不仅破坏航道严重威胁航运安全，也影响了通航效率。造成船舶搁浅的原因是多方面的，其中最为严重的是超吃水，即船舶实际装载吃水超过航道部门公布的航道维护水深。

造成船舶超吃水的原因是多方面的，既有客观原因，也有主观原因。客观上上下游不同航道水位深浅不同，同一航道不同时期允许通航船舶的最大吃水根据水位的变化也经常进行调整。船舶为了安全通航就需要停靠码头卸载货物，延长了交货时间。主观上，个别船东为了追求利益的最大化，采取谎报、瞒报吃水甚至私自篡改吃水线逃避执法部门的检查，置国家航运超载禁令于不顾，不仅给相关通航船舶的安全带来了隐患，也严重影响了通航效率。

治理船舶吃水问题的关键在于对船舶吃水进行检测，传统方式就是在船舶上设置吃水线，通过目测来判断船舶的吃水量，这种吃水检测的方式单纯的依靠人力且可能存在船舶吃水线标尺模糊，甚至遭到人为的修改，船舶吃水检测不准确。另一方面这种方式需要船舶靠岸进行检查，影响船舶的正常航行，大大降低了工作效率。在可以有效地提高工作效率又不影响船舶正常航行的前提下可以采取相关的技术手段对船舶吃水进行检测，实现对船舶吃水进行实时监控和预警，从而减少船舶搁浅、触礁等安全事故的发生，保障了航道的安全，

现有的船舶吃水检测方法主要有以下几种：

一、压力传感器法

该方法是将利用水压随着水深变化而变化的原理设计而成。在船舶空载时，将压力传感器安装在船体外侧，当船舶装载货物以后，压力传感器随船体下沉， 压力传感器的读数发生变化，反应了水压的大小，通过科学计算即可得到水深的变化。该方法精度不高，而且将压力传感器安装在船体外侧，航行过程中容易造成损毁。

二、电子水尺

电子水尺采用了数据采集仪和数字显示仪器相结合。其工作原理是利用水的导电特性测量两电极的电位差，从而测量出水位数据。该方法精度不高，而且该方法需要将电子水尺安装在船体外侧，电子水尺工作环境恶劣，容易导致传感器损坏。

三、激光水位测量法

该方法主要是利用激光测距仪，由于激光有光速不变性、方向性好的特点，利用激光测量，以船体瓶边为基准面，检测船体主甲板到水面的距离，通过换算，计算出船舶吃水量。激光测距仪必须安装在船上，无法实现离船对船舶吃水进行检测。

四、基于图像处理的水尺标记识别

通过摄像设备对船体外侧的六个吃水线进行取像，并进行技术识别，获取船舶的吃水数据，并进行相应计算，得到船舶的最终吃水情况。当环境因素十分恶劣比如雾天、风浪等或者吃水线遭到损坏都将影响图像的识别，影响识别经度甚至出现算法的失效。

五、声纳测量技术

声纳测量是对水下的物体进行监测的有效方法。在航道维护工作中主要应用于水下地形测量、水下障碍物、沉船探测和水下工程设施测量。针对目前长江船舶的水下部分的主要外型尺度，结合现有的测量技术手段及设备、测量计算机软件的应用和开发、长江航道的自然条件特征等综合因素，目前主要有三种基于声纳船舶吃水动态检测方法：水底固定仰扫法、水底半浮仰扫法、水中固定侧扫法。但是目前国内外对于利用声纳技术对船舶吃水进行检测方法与系统的研究很少，且声纳装置种类繁多，现在尚没有检测船舶吃水的声纳装置与方法，主要有以下几种声纳检测装置：

1)水底固定法

水底固定法是将多个扫描声纳排成一排固定在水底，扫描声纳向水面发射 探测波束扫描从声纳上方经过的船舶，形成船底壳的图像轮廓，从而判断船舶吃水深度。采用这种方式的优点是测量精度高。但是，这种方式应用于长江水上运输船舶吃水检测存在的问题是容易被江水中的淤泥覆盖，或者被水草、水中垃圾遮蔽，且被覆盖、遮蔽后不容易清除，后期维护困难。

2)可移动水底半浮式仰扫描检测法

可移动水底半浮式仰扫描检测法是将扫描声纳架设在水中的飞鱼上，飞鱼在水中保持姿势平稳，声纳换能器垂直向上发射探测波束，当船舶从飞鱼上方经过时，扫描声纳形成船底壳的声纳图像，通过水底线缆传输到岸上的声纳处理中心进行分析。采用可移动水底半浮式仰扫描检测法的优点是检测点的设置方便灵活，便于维护。但测量过程中容易被水草、水中垃圾遮蔽，可靠性不高。

3)水中固定侧扫描法

水中固定侧扫描法是将侧扫声纳发射阵列和接受阵列分别安装在两座桥墩上，发射阵列与接收阵列是一一对应关系。当有船舶经过时，靠近水面部分发射声纳的信号被船舶遮挡无法到达接收阵列，根据可收到信号的声纳阵列的深度可以判断船舶吃水深度。这种方式的优点是安装时不影响航道通航，对航道水深没有特别要求，且维护保养方便。缺点如下：①该装置必须安装在桥梁桥墩或者航道两边的固定的建筑物上，在浅水航道上游难以找到合适的桥梁供安装；②当前长江上的桥梁跨度普遍很大，一般在100-800m之间，在如此大的桥梁跨度下，声纳阵列对准存在很大的难度；③在进行船舶吃水检测时，容易受到水中悬浮物如水草、塑料袋以及船舶航行时螺旋桨产生的气泡的影响。

技术实现要素：

本发明为了解决上述提到的现有的船舶吃水检测存在的缺点，提供一种船舶吃水检测方法，其基于声纳技术实现测距，充分发挥声波在水中传导速度快、衰减慢的优势，克服光电、激光、红外、雷达等方式在水中快速衰减的问题。测距设备采用机动式部署，可以高效灵活的完成对被检测船舶吃水信息的测量，克服了固定式吃水检测装置部署困难、信号易被遮盖屏蔽、不利于后期维护等缺点。

具体地，本发明提供一种船舶吃水检测方法，其包括以下步骤：

S1、使用高密度声纳阵列对被检测船舶船侧进行回声扫描，获得水面、被测春波船侧水下部分及河床的测量桢数据；

S2、通过对测量桢数据进行计算和处理，获得每个波束对应被测点相对声纳源的水平距离和高度值；

S3、根据获取的船舶间距测量信息，过滤水面和河床地形测量数据，获取被检测船舶船侧水下部分测量数据组；

S4、对测量数据组进行计算，得出被检测船舶吃水测量值；

S5、结合被检测船舶横摇、纵摇、GPS定位信息、高密度声纳阵列安装位置信息、被检测船舶AIS信息对S4中得到的吃水测量值进行数据修正，获得该测量桢内被检测船舶的吃水值数据。

优选地，还包括S6、重复S1-S5，获取一个测量周期内若干测量桢的被检测船舶的吃水值数据并进行统计分析，得出被检测船舶的最大吃水值。

优选地，S1中将检测船安装有高密度声纳阵列的一侧面向被检船舶靠近，并作相对移动，使用高密度声纳阵列对被检测船舶舶船侧进行回声扫描，获得水面、被检测船舶舶船侧水下部分及河床的测量桢数据。

优选地，所述测量帧数据包含所有波束的时间、能量以及波束角。

优选地，S3中测量数据组包括若干波束对应被测点相对声纳源的高度值。

优选地，S4中被检测船舶吃水测量值的计算方法如下所述：

S41、根据检测船船载吃水测量装置的高密度声纳阵列的安装位置获取高密度声纳阵列距检测船船底的安装高度H₂；

S42、利用高密度声纳阵列检测N个波束信息，并计算出每个波束对应被测点相对声纳源的水平距离值S_i和高度值Z_i，i取值1-N；

S43、利用船舶间距测量装置获取某一测量桢时点的检测船与被检测船舶的两船间距S；

S44、根据两船间距S与波束信息，检出被检测船舶船侧水下部分测量数据组Z_e至Z_f，取被检测船舶船侧水下部分测量数据组Z_e至Z_f中的最大值Z_f为该测量桢被检测船舶吃水测量值。

优选地，S5中获取测量桢内被检测船舶的吃水值数据的方法如下：

某一测量桢内被检测船舶的吃水值为Z＝Z_f+H₁+H₃-H₂；

其中：Z_f为该测量桢被检测船舶吃水测量值，H₁为被检测船舶舭部修正值， H₃为高密度声纳阵列安装处的船底吃水值，H₂为高密度声纳阵列距检测船船底的安装高度。

优选地，在一次船舶吃水测量周期内，获得若干桢被检测船舶吃水值Z，将所有Z值组成一个数集A，取数集A中最大值即为被检测船舶的最大吃水值A_max。

优选地，检测船与被检测船舶的两船间距S由安装在检测船甲板上的激光测距装置测得。

优选地，高密度声纳阵列借助于高密度声纳阵列安装机构安装在检测船的船体上。

本发明的优点如下所述：

本发明基于声纳技术实现测距，充分发挥声波在水中传导速度快、衰减慢的优势，克服光电、激光、红外、雷达等方式在水中快速衰减的问题。采用船载安装方式实现高效灵活的对被检测船舶吃水信息的测量，克服了固定式吃水检测装置部署困难、信号易被遮盖屏蔽、不利于后期维护等缺点。

通过安装声纳阵列结合多维数据修正，使用智能修正算法，实现了全天候的针对被检测船舶吃水精确测量，解决了现有检测方法精度不高、对天气环境有严格要求等缺点。

将检测数据、船舶基础数据、历史数据等进行有机融合，实现了数据融合，提高管理效率，实现了执法公开公正透明，解决了取证困难、管理过程易作弊、信息共享不及时等缺点。

基于水下声纳测深系统的船舶吃水检测技术实现了主动式、数字化、自动化的船舶吃水检测，有效地减少人力物力需求，提高检测效率和精度。可以确保航道畅通，避免出现阻碍航行的局面，确保工农业生产的正常顺利进行，为经济发展提供可靠的物质保证。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意框图；

图3为本发明的远程管理系统的结构示意图；

图4为本发明的阵列安装机构的结构示意图；

图5为本发明的船舶吃水测量方法的工作流程图；

图6为本发明的船舶吃水测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的结构及工作原理做进一步解释：

一种船舶吃水检测系统，如图1所示，其包括船载检测装置1以及远程管理系统，远程管理系统包括远程管理船载系统21、远程管理岸端中心系统22以及远程管理岸端管理系统23。远程管理船载系统21通过通讯单元获取船载检测装置1的相关检测数据后由无线远程传输单元将数据传输至远程管理岸端中心系统22，远程管理岸端管理系统23通过因特网与远程管理岸端中心系统22进行网络连接并完成数据交互。

船载检测装置1设置在检测船上，用于获取被检测船舶的吃水数据。设置有船载检测装置1的检测船可以随时检测被检测船舶的吃水数据。如图2所示，船载检测装置1包括高密度声纳阵列4、船间距测量装置5、船舶定位装置6、船舶自动识别装置7、视频取证装置3以及数据采集装置8。

高密度声纳阵列4通过阵列安装机构9安装在检测船上，高密度声纳阵列4包括发射声信号的发射阵和接收反射回声信号的接收阵，

发射阵发出一个垂直于航迹的扇形波束，接收阵接收回波信号，经延时或相移后后相加求和，形成几十个或者数百个相邻的波束。

发射阵的扇形波束的开角为60°～150°，航迹方向的开角约为0.5°～5°，接收阵形成的波束的开角为1°～3°，垂直于航迹的开角为0.5°～3°。

组合发射和接收波束可得到几十个或几百个窄的测深波束。为了保证测量精度，必须消除船在航行时纵横摇摆的影响，在实际应用中，高密度声呐阵列集成了姿态传感器。

船间距测量装置5设置在高密度声纳阵列4附近，并与高密度声纳阵列4设置在船体的同一侧，获取检测船与被检测船舶之间的距离，其通过光电转换获取检测船与被检测船舶之间的距离，该距离将作为吃水检测的依据之一。

船舶定位装置6用于获取检测船的定位信息，船舶自动识别装置7用于获取被检测船舶的定位信息及尺度信息，视频取证装置3用于获取获取被检船舶 取证影像信息。

在本实施例中，船舶定位装置6、船舶自动识别装置7以及视频取证装置3分别设置在检测船的顶层甲板的合适位置，数据采集装置8设置在驾驶甲板的合适位置。

优选地，还包括上位机10，上位机10设置在检测船内部，一般设置在驾驶室内部，通过数据采集装置8与船间距测量装置5、船舶定位装置6、船舶自动识别装置7、视频取证装置3分别通讯连接，用于进行数据处理并显示结果。

如图3所示，远程管理系统包括远程管理船载系统21、远程管理岸端中心系统22、远程管理岸端管理系统23。

远程管理船载系统21包括本地数据通讯单元211、数据处理单元212、远程数据传输单元213。本地数据通讯单元211获取本船吃水检测装置的各项检测数据，通过数据处理单元212处理组织后，由远程数据传输单元213传输至远程管理岸端中心系统22。

远程管理岸端中心系统22包括网络通讯管理单元221、数据组织管理单元222、中心数据库单元223。网络通讯管理单元管理与远程管理船载系统21、远程管理岸端管理系统23之间的网络连接、权限管理、数据传输；数据组织单元管理单元222对接收到的数据进行解压、解密和解析，按照一定规则将数据保存至中心数据库；中心数据库单元223用于管理中心关系数据库，并完成数据的存储、查询检索、统计、备份等工作。

远程管理岸端管理系统23包括网络通讯管理单元231、终端管理单元232、历史数据回放单元233。网络通讯管理单元231用于管理和远程管理岸端中心系统22之间的网络连接；终端管理单元232中包含各项吃水检测船的远程管理功能，比如实时数据检测、远程指令发布、吃水预算阈值设定等；历史数据回放单元233用于对历史的吃水检测数据回溯、回放、查阅和统计。

阵列安装机构9：

如图4所示，其包括船体91、定位装置92、支撑装置93、高密度声纳阵列94以及高密度声纳阵列支撑安装装置95，支撑装置93借助于定位装置92安装在船体91的底部上，高密度声纳阵列94借助于高密度声纳阵列支撑安装装置95安装在定位装置92与支撑装置93之间。

优选地，高密度声纳阵列支撑安装装置95与定位装置92之间通过固定螺栓96进行固定。定位装置92的截面为锥形。

优选地，支撑装置93通过一固定座97与船体91的侧壁固定连接。

优选地，固定座97的上部设置有支撑调节环98，支撑调节环98与固定座97通过固定螺栓96连接，用于调节高密度声纳阵列94的安装角度并锁紧支撑装置93。

优选地，支撑调节环98的上部固定有支撑固定板99。

优选地，支撑调节环98与支撑固定板99之间通过固定螺栓96固定。

船舶吃水测量方法：

一种船舶吃水测量方法：其包括以下步骤：

S1、检测船安装有高密度声纳阵列的一侧面向被检船舶靠近，并作相对移动，使用高密度声纳阵列对被检测船舶舶船侧进行回声扫描，获得水面、被检测船舶舶船侧水下部分及河床的测量桢数据，测量帧数据包含所有波束的时间、能量以及波束角等。

S2、通过对测量桢数据进行计算和处理，获得每个波束对应被测点相对声纳源的水平距离和高度值；

S3、根据船间距测量装置5获取的船舶间距测量信息，过滤水面和河床地形测量数据，获取被检测船舶舶船侧水下部分测量数据组；S3中测量数据组包括若干波束对应被测点相对声纳源的高度值。

S4、对测量数据组进行计算，得出被检测船舶舶吃水测量值；

S5、结合被检测船舶横摇、纵摇、GPS定位信息、高密度声纳阵列安装位置信息、被检测船舶舶AIS信息对S4中得到的吃水测量值进行数据修正，获得该测量桢内被检测船舶舶的吃水值数据；

S6、重复S1-S5，获取一个测量周期内若干测量桢的被检测船舶舶的吃水值数据并进行统计分析，得出被检测船舶舶的最大吃水量。

S4中被检测船舶舶吃水测量值的计算方法如下所述：

S41、根据检测船船载吃水测量装置的高密度声纳阵列的安装位置获取高密度声纳阵列距检测船船底的安装高度H₂；

S42、利用高密度声纳阵列检测N个波束信息，并计算出每个波束对应被测点相对声纳源的水平距离值S_i和高度值Z_i，i取值1-N；

S43、利用船舶间距测量装置获取某一测量桢时点的检测船与被检测船舶舶的两船间距S；

S44、根据两船间距S与波束信息，检出被检测船舶舶船侧水下部分测量数据组Z_e至Z_f，取被检测船舶舶船侧水下部分测量数据组Z_e至Z_f中的最大值Z_f为该测量桢被检测船舶舶吃水测量值。

优选地，S5中获取测量桢内被检测船舶舶的吃水值数据的方法如下：

某一测量桢内被检测船舶舶的吃水值为Z＝Z_f+H₁+H₃-H₂；

其中：Z_f为该测量桢被检测船舶舶吃水测量值，H₁为被检测船舶舶舭部修正值，H₃为高密度声纳阵列安装处的船底吃水值，H₂为高密度声纳阵列距检测船船底的安装高度。

优选地，在一次船舶吃水测量周期内，获得若干桢被检测船舶舶吃水值Z，将所有Z值组成一个数集A，取数集A中最大值即为被检测船舶舶的最大吃水值A_max。

优选地，检测船与被检测船舶舶的两船间距S由安装在检测船甲板上的船间距测量装置测得，在实际应用中，船间距测量装置采用激光测量装置对船间距进行测量。

优选地，被检测船舶舶舭部修正值H1由数据库中得到，所述数据库根据检测船上船舶自动识别装置获取的被检测船舶舶相关信息并结合远程管理系统岸端中心系统中心数据库的海量数据计算得到。

当需要对船舶进行检测时，检测船接近被检测船舶，从船艏移动至船艉(或从船艉移动至船艏)，连续对船侧进行侧扫式测量，在一个测量周期内获取若干测量帧数据，通过上述计算公式对测量帧数据进行解析、计算、统计等处理，得出被检测船舶吃水。该方法机动灵活，精确可靠，维保便捷，有效避免现有几种测量方法部署困难、易受干扰、维保不便、全寿命成本高等缺点。

具体地，使用高密度声纳阵列对被检测船舶船侧进行回声扫描，获得水面、船侧水下部分及河床的测量桢数据，测量帧数据包含所有波束的时间、能量、波束角等信息，通过对桢数据计算和处理，获得每个波束对应被测点相对声纳源的水平距离和高度值。根据船舶间距测量信息，过滤水面和河床地形测量数据，获取被检测船舶船侧水下部分测量数据组，数据组内包含若干波束对应被测点相对声纳源的水平距离和高度值，通过上述算法进行统计分析，得出被检测船舶吃水测量值。结合检测船舶横摇、纵摇、GPS定位信息、高密度声纳阵列安装位置信息、检测船上自动识别装置获取的待检船舶的有关信息进行数据修正，最终获得该测量桢内被检测船舶的吃水值。在一个测量周期内对若干测 量桢的数据进行统计分析，得出被检测船舶的吃水。

具体应用例

下面结合具体应用例对本发明的工作原理做进一步解释：

现场检测船舶吃水：

地点：长江武汉江段

检测船名称：汉道测201

被检测船舶舶名称：豫航油5

被检测船舶舶标尺吃水读数值为3.0-3.2米，波浪影响，取平均值为3.1米，

高密度声纳阵列距检测船船底安装高度为H₂为0.74米，高密度声纳阵列安装处的船底吃水H₃为1.21米，被检测船舶舶舭部修正值H₁为0.05米，该测量桢吃水测量值Zf为2.53米，该测量桢吃水测量值为一个测量周期内最大值。

被检测船舶舶的吃水值为Z＝Z_f+H₁+H₃-H₂＝2.53+0.05+1.21-0.74＝3.05米，

测量误差值为3.1-3.05＝0.05米，优于动态吃水检测允许误差值0.2米的指标。

本发明基于声纳技术实现测距，充分发挥声波在水中传导速度快、衰减慢的优势，克服光电、激光、红外、雷达等方式在水中快速衰减的问题。可以高效灵活的完成对被检测船舶吃水信息的测量，克服了固定式吃水检测装置部署困难、信号易被遮盖屏蔽、不利于后期维护等缺点。

通过安装声纳阵列结合多维数据修正，使用智能修正算法，实现了全天候的针对被检测船舶吃水精确测量，解决了精度不高、对天气环境有严格要求等缺点。

将检测数据、船舶基础数据、历史数据等进行有机融合，实现了数据融合，提高管理效率，实现了执法公开公正透明，解决了取证困难、管理过程易作弊、信息共享不及时等缺点。

基于水下声纳测深系统的船舶吃水检测技术实现了主动式、数字化、自动化的船舶吃水检测，有效地减少人力物力需求，提高检测精度。可以确保航道畅通，避免出现阻碍航行的局面，确保工农业生产的正常顺利进行，为经济发展提供可靠的物质保证。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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。