一、引言

        近些年來(lái)，隨著我國(guó)港岸線資源不斷開(kāi)發(fā)以及國(guó)內(nèi)資源性大宗散貨對(duì)外依存度不斷上升，散貨進(jìn)口量急劇上升。具國(guó)家統(tǒng)計(jì)局 2013 年統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，海上貨運(yùn)在我國(guó)國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸中，所占比例高達(dá) 87%。近些年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)國(guó)際情況的變化國(guó)內(nèi)資源性大宗散貨對(duì)外依存度不斷上升，散貨進(jìn)口量急劇上升。以港口城市舟山市為例，2014 年，舟山口岸進(jìn)口各類(lèi)法定檢驗(yàn)大宗散貨 1,187 批次，較上年（1,046批次）增加 13%；鑒定貨物重量 6,064 萬(wàn) t，較上年（5,368萬(wàn) t）增加 13% 。其中水尺計(jì)重 748 批次/3,639 萬(wàn) t，較上年（608 批次/2,720 萬(wàn) t）同比增長(zhǎng) 23%/34%。而傳統(tǒng)的大宗散貨數(shù)重量計(jì)量方面以水尺作為測(cè)量船舶吃水深度的方法較為典型，船舶吃水深度是指船舶浸在水里的深度，是指船舶的底部至船體與水面相連處的垂直距離，在船舶測(cè)量領(lǐng)域是一個(gè)重要參數(shù)，反映了船舶在航行過(guò)程中所受的浮力，可以利用它來(lái)反映船舶的排水量和載貨能力。

 

        目前船舶吃水深度檢測(cè)大多依賴(lài)于人工目測(cè)的方法，此種方法雖然簡(jiǎn)單便捷，但是存在很大的弊端。人工測(cè)量方法受能見(jiàn)度、天氣和水波等客觀因素的影響較大，導(dǎo)致測(cè)量誤差大，準(zhǔn)確性和可靠性低，而且效率比較低。因此，采取一種方便快捷、迅速有效的水尺讀數(shù)方法，繼而建立標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量方式，提高水尺讀數(shù)的精確性，對(duì)提高口岸鑒定科學(xué)管理水平和維護(hù)國(guó)際貿(mào)易公平、公正等方面具有重要意義。

 

        為此，結(jié)合目前已有的雷達(dá)液位探測(cè)技術(shù)研究的相關(guān)成果與水尺計(jì)重方面已有的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研究出船舶吃水測(cè)量的新型儀器，該儀器配合船舶本身 6 面水尺進(jìn)行多次測(cè)量，并利用計(jì)算單元設(shè)計(jì)的算法來(lái)消除波浪等因素對(duì)于計(jì)重時(shí)的影響。從而達(dá)到精確測(cè)量船舶吃水的目的。

 

二、設(shè)計(jì)原理

        設(shè)計(jì)的核心利用雷達(dá)液位探頭測(cè)距高精度，高頻率，高穩(wěn)定性的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了本儀器。船舶雷達(dá)水尺測(cè)量?jī)x測(cè)量工作原理如圖 1 所示，測(cè)量?jī)x用可移動(dòng)三腳架放置于船舶主甲板上，雷達(dá)探頭旋轉(zhuǎn)出船舶側(cè)弦并且垂直指向海面。打開(kāi)雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x，首先連續(xù)測(cè)量不超過(guò) 1min 以獲得雷達(dá)探頭至靜海面的垂直距離，扣除已知的三角支架至雷達(dá)探頭的距離就可以得到甲板至吃水線距離 D。甲板線至船底距離 L 由船舶自身參數(shù)查的。則船舶吃水 H=D-L。

三、測(cè)量點(diǎn)的選擇

        根據(jù)測(cè)量需求，船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)可以沿船身在左右舷甲板各布置 3 個(gè)測(cè)點(diǎn) [2] ，船首頂端，船尾尾端處分別布測(cè)測(cè)點(diǎn)。總共 6 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（分別為 ）。其分布如圖 2 如圖所示。

四、儀器結(jié)構(gòu)

        如圖 3 所示，該儀器各部分功能結(jié)構(gòu)介紹如下：三角支架。用于將探頭及儀器整體安放于貨運(yùn)船舶之上，可以伸縮改變自身高度。以滿(mǎn)足不同的條件下實(shí)際操作的需要。11，12，13 三個(gè)部分均具有伸縮、旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能，通過(guò)調(diào)節(jié)此三個(gè)位置來(lái)保持儀器平衡與穩(wěn)定，滿(mǎn)足不同觀測(cè)條件下的需要。

 

        雷達(dá)液位探頭。探頭外部被防水裝置包裹。防止海水等液體侵入探頭內(nèi)部使得儀器出現(xiàn)誤差或失效。在本裝置內(nèi)，雷達(dá)波的發(fā)射裝置與接收裝置一體，全部集中于圖 3 所示的探頭部分內(nèi)。雷達(dá)傳感器利用特殊的時(shí)間間隔調(diào)整技術(shù)將每秒的回波信號(hào)進(jìn)行放大、定位，然后進(jìn)行分析處理。因此雷達(dá)傳感器可以在 0.1s 內(nèi)精確細(xì)致地分析處理這些被放大的回波信號(hào)。

 

        計(jì)算部分。內(nèi)置電源電池，并含有數(shù)據(jù)接收模塊，處理模塊與集成電路板。CPU 采用雙串口的單片機(jī)，一個(gè)串口連接雷達(dá)探頭，另一個(gè)連接無(wú)線數(shù)傳模塊。由雷達(dá)液位探頭獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)入 CPU 內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。雷達(dá)液位探頭所獲取的數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)圖 3 所示的 13 部分內(nèi)數(shù)據(jù)線路傳輸至 cup 內(nèi)，每測(cè)量一次，進(jìn)行一次計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果保存，方便后續(xù)得出散貨船舶zui終的載重。

 

        顯示部分。裝有液晶顯示面板，用于顯示測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)。按鍵部分控制儀器開(kāi)關(guān)與測(cè)量次數(shù)的計(jì)量，重置數(shù)據(jù)以及輸入相關(guān)參數(shù)等功能。

五、使用方法

        待船舶停航至預(yù)定位置后，由檢測(cè)員將儀器攜帶至船舶甲板相應(yīng)觀測(cè)位置之上。打開(kāi)三腳架，調(diào)整儀器支架。使得儀器整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。將探頭伸向船舷之外，打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān)后，進(jìn)行連續(xù)一段時(shí)間的測(cè)量（如連續(xù)測(cè)量 1min 的數(shù)據(jù)）。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量出的一系列的數(shù)據(jù)會(huì)直接傳輸至 cup 內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理。分別在不同的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，待全部測(cè)量點(diǎn)測(cè)量完成后，儀器內(nèi)部的計(jì)算單元會(huì)將全部測(cè)量并收集的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行綜合校準(zhǔn)。并輸出zui終計(jì)算結(jié)果。其流程如圖 4 所示。

六、數(shù)據(jù)處理

1．雷達(dá)液位測(cè)量距離數(shù)據(jù)處理

        測(cè)量時(shí)，將雷達(dá)液位計(jì)的探頭伸向船舶外舷，進(jìn)行持續(xù)至少一分鐘的數(shù)據(jù)觀測(cè)。探頭上接收單元會(huì)持續(xù)接收發(fā)射單元反射回來(lái)的雷達(dá)波。并計(jì)算探頭到水面的距離數(shù)據(jù)。我們將接收到每一個(gè)數(shù)據(jù)均記錄下來(lái) d（ ），并記錄每次測(cè)量所用的時(shí)間 T（min）。針對(duì) T 時(shí)間段內(nèi)的 d 值進(jìn)行積分，即

       

        將得到的 D s 與測(cè)量總的時(shí)間 T 相除，即可得到探頭至水面的距離 D，即

        

        為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行 2~3 次測(cè)量，并取平均值作為該點(diǎn)測(cè)量值。獲取該測(cè)量值后，自動(dòng)記錄，為后續(xù)數(shù)據(jù)記錄做好準(zhǔn)備。

        分別在設(shè)計(jì)的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)（)分別進(jìn)行測(cè)量 ，得到6個(gè)測(cè)量值 ，分別記錄（）

 

2．船舶自身誤差因素影響與消除

        根據(jù)已有文獻(xiàn) [3] 與前人進(jìn)行水尺計(jì)重儀器 [4] 研發(fā)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)可知，影響船舶水尺深度讀取的過(guò)程中，船舶首尾垂線與拱形修正對(duì)于水尺計(jì)重存在重要的影響。因此，結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)，提出了如下的計(jì)算方法減少船舶自身因素的帶來(lái)記重誤差。

（1）首尾垂線修正

        由于船舶的首尾吃水應(yīng)以水線與首尾垂線的交點(diǎn)為準(zhǔn)，但由于船體形狀，船舶首尾水尺標(biāo)志并不在首尾垂線上，故當(dāng)船舶有縱傾時(shí)，吃水值會(huì)產(chǎn)生誤差而應(yīng)予以修正。吃水值 t 由船舶兩側(cè)吃水深度決定，即

         

        當(dāng) |t| ＜0.3m 時(shí)，吃水值對(duì)于水尺計(jì)重的影響較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng) |t| ＜0.3m，可通過(guò)如下的公式獲得修正后的吃水值，即：

            

        其中，CF和CA通過(guò)如下公式獲?。?/div>