CN104787261A - 挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，由支架、两套传动装置、两个滑块、收发一体式超声波探头和接收型超声波探头组成；两个超声波探头通过支架、传动装置和滑块形成联动装置、协调运作，实现对船舶轮廓的精确扫描；本发明的有益技术效果是：提供了一种结构简单、成本较低的吃水深度检测装置，该检测装置能搭载于执法船上，随船进行机动检测，检测过程效率较高，十分适合内河航道监管。

Description

挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置及其控制方法

技术领域

    本发明涉及一种船舶吃水深度检测技术，尤其涉及一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置及其控制方法。

背景技术

内河航运具有占地少、运量大、能耗小、成本低等突出优点，是我国综合交通的重要组成部分。在内河航道水运能力不断发展的同时，内河船舶载重量也呈不断增加的趋势，船舶超吃水搁浅事故时有发生，不仅导致船舶损坏、航道停航，而且造成大量船舶滞留，经济损失巨大，社会影响极坏，目前国内外船舶吃水检测仍主要依靠观测船舶水尺、舱内实际丈量和人工拉尺等传统方法，这些方法不仅耗时、费力，而且容易受造假信息干扰蒙蔽，使得航道行政管理人员难以准确获取船舶吃水深度，给船舶“超吃水”行为的查处造成了很大困难，开发船舶离船吃水测量的装置，快速、准确以及客观的获取船舶“超吃水”证据，对于提高航道行政管理执法部门的执法效率具有重要意义。

国内外目前尚无成熟的内河船舶吃水现场检测成套***设备，相类似的专题研究仍处于技术研究阶段。国内外船舶吃水传统检测方法主要有以下五种：吃水线人工观测法、超声波水尺法、电子水尺法、激光水位计和压力传感器法。这些方法只能通过安装在船上的传感器进行检测，无法满足航道管理部门的离船检测要求。

声呐是目前已知能在水中远距离传播的最优媒介，目前国内外针对船舶吃水测量的技术主要是基于声呐探测。基于声呐探测技术的船舶吃水离船测量方法有以下几种：（1）侧壁声呐阵列固定测量法，在河岸或通航孔桥墩某一断面一侧的竖向安装大量的声呐信号发生器阵列，另一侧对应位置安装声呐信号接收器阵列，根据被船舶遮挡的声呐数量，换算得到船舶吃水深度，该方法仅能用在船闸、船闸引航道等水域宽度较窄的特殊区域，不能应用于实际天然河道内；（2）水底声呐阵列固定测量法，在河底轨道上安装大量的声呐装置，并同时将声呐信号向上垂直发射，当船舶经过时，测量轨道至水面和船舶船底的距离，相减即得船舶吃水深度，该方法仅适用于类似船闸的稳定、可控的人工环境；（3）双测深仪检测法，用两套测深仪和一个压力传感器组成船舶吃水动态检测***，该方法安装精度要求高。前三种方法无法满足航道管理部门的离船检测要求；（4）多波束声呐侧扫测量方法是在多波束测深技术的基础上演变得来的，侧扫声呐设备理论上可以安装在执法船侧面，动态检测行进中的被检测船舶的实际吃水深度，但是易受水底回波的干扰，影响测量精度和声呐图像质量，且该设备多为进口，造价高、国内不掌握核心技术，受技术壁垒影响，进行技术开发尚有诸多困难。

发明内容

针对船舶吃水深度检测问题，现有技术中不乏检测手段，其中，适用于装载在执法船上进行机动检测的主要是基于多波束声呐侧扫的测量装置，这种测量装置不仅技术复杂度较高，而且设备昂贵，需要依赖进口，且仅将该装置用于船舶吃水检测，其性价比不高，不适合大范围推广；

相比于普通的超声波发射装置，聚焦型超声波发射装置所发射的超声波信号为波束状，因此其定位精度较高，同时，聚焦型超声波发射装置的技术复杂度相对简单，成本较低，硬件装置也容易获取，并且，采用聚焦型超声波发射装置来进行扫描时，不必搭建庞大的传感器阵列，十分有望装载在执法船上，使得执法船可以随时对船舶吃水深度进行检测，于是发明人针对聚焦型超声波发射装置在船舶吃水深度检测上的应用问题进行了深入研究，在研究中发现，由于船舶外壳下端的横向宽度较窄，其上部与下端之间一般通过曲面或弧面平滑过渡，根据反射定律可知，超声波波束的入射方向和回波信号出射方向之间存在夹角，且夹角的大小与入射方向和反射面之间角度存在关系，当超声波波束以水平方向投射在船舶中部的曲面或弧面上时，回波信号不会原路返回，这就会使得传感装置无法接收到有效的回波信号，导致检测装置失效；为了解决这一问题，发明人进行了大量探索并最终提出了如下方案：

一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，其创新在于：所述挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置由支架、两套传动装置、两个滑块、收发一体式超声波探头和接收型超声波探头组成；

所述传动装置和滑块均设置于支架的外侧面上，支架的内侧面与执法船侧舷连接；所述两套传动装置分别与两个滑块传动连接，所述传动装置能传动滑块在竖直方向上往复运动，两个滑块的运动范围相同；所述收发一体式超声波探头设置于其中一个滑块的外侧面上，所述接收型超声波探头设置于另一个滑块的外侧面上；所述收发一体式超声波探头上的超声波发射装置采用聚焦型超声波发射装置；收发一体式超声波探头和接收型超声波探头的运动轨迹同轴线。

本发明的原理是：船舶壳体上部的外壁基本与水平方向垂直，当超声波波束以水平方向投射在垂直区域上时，仅由收发一体式超声波探头就能获取到有效的回波信号，当扫描阶段进入船舶壳体下部的弧面区域后，由于回波信号与超声波波束信号之间存在夹角，当夹角达到一定数值后，收发一体式超声波探头就无法获取到有效回波信号了，此时，通过使收发一体式超声波探头驻停在信号跳变位置，同时控制接收型超声波探头向下移动以寻找有效回波信号，当接收型超声波探头寻找到有效回波信号后，我们就能根据超声波定位原理以及简单的几何关系，确定出反射面的位置，最终我们就能根据检测过程中记录到的反射面位置复原出船舶的外壁轮廓，进而检测出船舶的吃水深度；该方案中，既不需要搭建庞大的传感器阵列，也不需要价格高昂的进口设备，且数据处理简单、时效性好，将其设置在执法船上后，可以实现对船舶吃水深度的快速、机动检测，十分适合内河航道监管的需求。

优选地，所述传动装置由丝杆和驱动电机组成；所述丝杆与支架上的转动支承转动连接，丝杆上端与驱动电机传动连接，丝杆中部与滑块传动连接；所述驱动电机固定于支架上。

优选地，所述执法船上设置有驱动装置，所述驱动装置与支架传动连接。所述驱动装置能对支架的位置进行调节，使支架的位置灵活多变、便于收折，同时，驱动装置还能通过调节支架位置来对超声波传感器的检测范围进行整体调节，以适应不同航道的检测要求，便于执法人员现场调节检测方案；

为了配合前述测量装置，本发明还提出了一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置的控制方法，所涉及的硬件如前所述；具体的控制方法为：

初始状态时，收发一体式超声波探头和接收型超声波探头均位于各自的上行最大行程位置处；装置运行过程中，采用超声波测距原理，根据收发一体式超声波探头发出的超声波信号的回波信号，实时计算出当前回波信号所对应的反射面与收发一体式超声波探头之间的距离并进行记录，根据记录到的距离数据，确定每次回波信号所对应的反射面的位置，根据多次回波信号所对应的反射面的位置勾勒出被检测对象的轮廓；具体应用时，若收发一体式超声波探头收到回波信号，则根据超声波的发射时间和回波信号的接收时间计算出时间差，然后根据超声波波速计算出收发一体式超声波探头与反射面之间的距离，若接收型超声波探头收到回波信号，则根据超声波的发射时间和回波信号的接收时间计算出时间差，然后根据超声波波速计算出超声波信号的行程，然后再结合收发一体式超声波探头和接收型超声波探头的高度差，根据直角三角形三边长度关系，计算出水平方向上的直角边的长度（如图2所示，收发一体式超声波探头、接收型超声波探头和反射面三者的位置构成一直角三角形，超声波信号的行程实质上就是水平直角边与斜边的总长，收发一体式超声波探头和接收型超声波探头的高度差就是竖直角边的长度，根据沟股定理，就能计算出水平直角边的长度），从而定位出反射面位置。

1）开始检测后，控制收发一体式超声波探头周期性地以水平方向向外发射超声波脉冲并实时获取超声波脉冲的回波信号，同时，传动收发一体式超声波探头匀速下移，进入步骤2）；

2）收发一体式超声波探头下移过程中，若始终能收到回波信号，则待收发一体式超声波探头下移至下行最大行程位置处后，进入步骤6）（具体应用时，可预先设置吃水深度警戒位置，在前述操作中，收发一体式超声波探头下移至吃水深度警戒位置处时仍能收到回波信号，则说明船舶吃水深度明显已经超越吃水深度警戒位置）；若收发一体式超声波探头下移至A高度时，回波信号消失，说明扫描阶段已进入船舶壳体上的弧面区域，此时就控制收发一体式超声波探头在A高度位置处驻停，进入步骤3）；

3）启动接收型超声波探头，同时，传动接收型超声波探头下移；接收型超声波探头下移过程中，若接收型超声波探头下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，说明要么收发一体式超声波探头的深度可能已经低于船体下端，要么船舶吃水深度已经超越吃水深度警戒位置，需结合船舶轮廓进行综合分析，则进入6）；接收型超声波探头下移过程中，若接收型超声波探头下移至A高度下方的B高度位置处时收到了回波信号，说明超声波波束正投射在船舶壳体上的弧面区域，还未检测到船舶吃水最低点，则控制接收型超声波探头在B高度位置处驻停，进入步骤4）；

4）控制收发一体式超声波探头继续下移，若收发一体式超声波探头下移至下行最大行程位置处后，接收型超声波探头仍能接收到回波信号，说明收发一体式超声波探头前一次驻停时的高度与与吃水警戒位置十分接近（虽然超声波波束十分集中，但在小范围内，仍然具备超声波的发散特性，在反射面角度、位置变化不大的情况下，收发一体式超声波探头小幅移动后，回波信号仍然能被接收型超声波探头探测到），且船舶吃水深度已逼近或超越吃水警戒位置，需要由执法人员根据船舶轮廓作进一步确认，因此进入步骤6）；收发一体式超声波探头下移过程中，若收发一体式超声波探头下移至A高度下方的C高度位置处时，回波信号消失，说明船舶壳体上的弧面走向还在进一步变化，因此控制收发一体式超声波探头在C高度位置处驻停，进入步骤5）；

5）控制接收型超声波探头继续下移，接收型超声波探头下移过程中，若接收型超声波探头下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，说明要么收发一体式超声波探头的高度已经低于船舶下端，要么船舶吃水深度已超越吃水警戒深度，需要结合船舶轮廓进行综合分析，因此进入6）；接收型超声波探头下移过程中，若接收型超声波探头下移至C高度下方的D高度位置处时收到了回波信号，说明还未检测到船舶吃水深度的最低点，则控制接收型超声波探头在D高度位置处驻停，返回步骤4）；

6）检测过程结束，控制收发一体式超声波探头和接收型超声波探头关闭并复位；将被检测对象的轮廓绘制成图像，由操作人员肉眼识别被检测对象的轮廓是否符合船舶外形特点，若被检测对象的轮廓符合船舶外形特点，则被检测对象的轮廓上的最低点即为船舶吃水深度，若被检测对象的轮廓不符合船舶外形特点，则询问操作员是否需要重新进行检测，若需要重新进行检测则返回步骤1）。

本发明的有益技术效果是：提供了一种结构简单、成本较低的吃水深度检测装置，该检测装置能搭载于执法船上，随船进行机动检测，检测过程效率较高，十分适合内河航道监管。

附图说明

图1、本发明的原理示意图一（图中所示情况，是测量装置正在对船舶壳体上的垂直区域进行扫描）；

图2、本发明的原理示意图二（图中所示情况，是测量装置正在对船舶壳体上的弧面区域进行扫描）；

图3、挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置的一种结构示例；

图中各个标记所对应的名称分别为：支架1、滑块2、收发一体式超声波探头3、接收型超声波探头4、丝杆5、驱动电机6、执法船7、被检测船8。

具体实施方式

一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，其创新在于：所述挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置由支架1、两套传动装置、两个滑块2、收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4组成；

所述传动装置和滑块2均设置于支架1的外侧面上，支架1的内侧面与执法船侧舷连接；所述两套传动装置分别与两个滑块2传动连接，所述传动装置能传动滑块2在竖直方向上往复运动，两个滑块2的运动范围相同；所述收发一体式超声波探头3设置于其中一个滑块2的外侧面上，所述接收型超声波探头4设置于另一个滑块2的外侧面上；所述收发一体式超声波探头3上的超声波发射装置采用聚焦型超声波发射装置；收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4的运动轨迹同轴线。

进一步地，所述传动装置由丝杆5和驱动电机6组成；所述丝杆5与支架1上的转动支承转动连接，丝杆5上端与驱动电机6传动连接，丝杆5中部与滑块2传动连接；所述驱动电机6固定于支架1上。

进一步地，所述执法船上设置有驱动装置，所述驱动装置与支架1传动连接。

一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置的控制方法，所涉及的硬件包括：所述挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置由支架1、两套传动装置、两个滑块2、收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4组成；

所述传动装置和滑块2均设置于支架1的外侧面上，支架1的内侧面与执法船侧舷连接；所述两套传动装置分别与两个滑块2传动连接，所述传动装置能传动滑块2在竖直方向上往复运动，两个滑块2的运动范围相同；所述收发一体式超声波探头3设置于其中一个滑块2的外侧面上，所述接收型超声波探头4设置于另一个滑块2的外侧面上；所述收发一体式超声波探头3上的超声波发射装置采用聚焦型超声波发射装置；收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4的运动轨迹同轴线。

其创新在于：按如下方法对挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置进行控制：

初始状态时，收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4均位于各自的上行最大行程位置处；装置运行过程中，采用超声波测距原理，根据收发一体式超声波探头3发出的超声波信号的回波信号，实时计算出当前回波信号所对应的反射面与收发一体式超声波探头3之间的距离并进行记录，根据记录到的距离数据，确定每次回波信号所对应的反射面的位置，根据多次回波信号所对应的反射面的位置勾勒出被检测对象的轮廓；

1）开始检测后，控制收发一体式超声波探头3周期性地以水平方向发射超声波脉冲并实时获取超声波脉冲的回波信号，同时，传动收发一体式超声波探头3匀速下移，进入步骤2）；

2）收发一体式超声波探头3下移过程中，若始终能收到回波信号，则待收发一体式超声波探头3下移至下行最大行程位置处后，进入步骤6）；若收发一体式超声波探头3下移至A高度时，回波信号消失，则控制收发一体式超声波探头3在A高度位置处驻停，进入步骤3）；

3）启动接收型超声波探头4，同时，传动接收型超声波探头4下移；接收型超声波探头4下移过程中，若接收型超声波探头4下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，则进入6）；接收型超声波探头4下移过程中，若接收型超声波探头4下移至A高度下方的B高度位置处时收到了回波信号，则控制接收型超声波探头4在B高度位置处驻停，进入步骤4）；

4）控制收发一体式超声波探头3继续下移，若收发一体式超声波探头3下移至下行最大行程位置处后，接收型超声波探头4仍能接收到回波信号，则进入步骤6）；收发一体式超声波探头3下移过程中，若收发一体式超声波探头3下移至A高度下方的C高度位置处时，回波信号消失，则控制收发一体式超声波探头3在C高度位置处驻停，进入步骤5）；

5）控制接收型超声波探头4继续下移，接收型超声波探头4下移过程中，若接收型超声波探头4下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，则进入6）；接收型超声波探头4下移过程中，若接收型超声波探头4下移至C高度下方的D高度位置处时收到了回波信号，则控制接收型超声波探头4在D高度位置处驻停，返回步骤4）；

6）检测过程结束，控制收发一体式超声波探头3和接收型超声波探头4关闭并复位；将被检测对象的轮廓绘制成图像，由操作人员识别被检测对象的轮廓是否符合船舶外形特点，若被检测对象的轮廓符合船舶外形特点，则被检测对象的轮廓上的最低点即为船舶吃水深度，若被检测对象的轮廓不符合船舶外形特点，则询问操作员是否需要重新进行检测，若需要重新进行检测则返回步骤1）。

Claims (4)

1.一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，其特征在于：所述挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置由支架（1）、两套传动装置、两个滑块（2）、收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）组成；

所述传动装置和滑块（2）均设置于支架（1）的外侧面上，支架（1）的内侧面与执法船侧舷连接；所述两套传动装置分别与两个滑块（2）传动连接，所述传动装置能传动滑块（2）在竖直方向上往复运动，两个滑块（2）的运动范围相同；所述收发一体式超声波探头（3）设置于其中一个滑块（2）的外侧面上，所述接收型超声波探头（4）设置于另一个滑块（2）的外侧面上；所述收发一体式超声波探头（3）上的超声波发射装置采用聚焦型超声波发射装置；收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）的运动轨迹同轴线。

2.根据权利要求1所述的挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，其特征在于：所述传动装置由丝杆（5）和驱动电机（6）组成；所述丝杆（5）与支架（1）上的转动支承转动连接，丝杆（5）上端与驱动电机（6）传动连接，丝杆（5）中部与滑块（2）传动连接；所述驱动电机（6）固定于支架（1）上。

3.根据权利要求1所述的挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置，其特征在于：所述执法船上设置有驱动装置，所述驱动装置与支架（1）传动连接。

4.一种挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置的控制方法，所涉及的硬件包括：所述挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置由支架（1）、两套传动装置、两个滑块（2）、收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）组成；

所述传动装置和滑块（2）均设置于支架（1）的外侧面上，支架（1）的内侧面与执法船侧舷连接；所述两套传动装置分别与两个滑块（2）传动连接，所述传动装置能传动滑块（2）在竖直方向上往复运动，两个滑块（2）的运动范围相同；所述收发一体式超声波探头（3）设置于其中一个滑块（2）的外侧面上，所述接收型超声波探头（4）设置于另一个滑块（2）的外侧面上；所述收发一体式超声波探头（3）上的超声波发射装置采用聚焦型超声波发射装置；收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）的运动轨迹同轴线；

其特征在于：按如下方法对挂舷式内河离港船舶吃水深度测量装置进行控制：

初始状态时，收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）均位于各自的上行最大行程位置处；装置运行过程中，采用超声波测距原理，根据收发一体式超声波探头（3）发出的超声波信号的回波信号，实时计算出当前回波信号所对应的反射面与收发一体式超声波探头（3）之间的距离并进行记录，根据记录到的距离数据，确定每次回波信号所对应的反射面的位置，根据多次回波信号所对应的反射面的位置勾勒出被检测对象的轮廓；

1）开始检测后，控制收发一体式超声波探头（3）周期性地以水平方向发射超声波脉冲并实时获取超声波脉冲的回波信号，同时，传动收发一体式超声波探头（3）匀速下移，进入步骤2）；

2）收发一体式超声波探头（3）下移过程中，若始终能收到回波信号，则待收发一体式超声波探头（3）下移至下行最大行程位置处后，进入步骤6）；若收发一体式超声波探头（3）下移至A高度时，回波信号消失，则控制收发一体式超声波探头（3）在A高度位置处驻停，进入步骤3）；

3）启动接收型超声波探头（4），同时，传动接收型超声波探头（4）下移；接收型超声波探头（4）下移过程中，若接收型超声波探头（4）下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，则进入6）；接收型超声波探头（4）下移过程中，若接收型超声波探头（4）下移至A高度下方的B高度位置处时收到了回波信号，则控制接收型超声波探头（4）在B高度位置处驻停，进入步骤4）；

4）控制收发一体式超声波探头（3）继续下移，若收发一体式超声波探头（3）下移至下行最大行程位置处后，接收型超声波探头（4）仍能接收到回波信号，则进入步骤6）；收发一体式超声波探头（3）下移过程中，若收发一体式超声波探头（3）下移至A高度下方的C高度位置处时，回波信号消失，则控制收发一体式超声波探头（3）在C高度位置处驻停，进入步骤5）；

5）控制接收型超声波探头（4）继续下移，接收型超声波探头（4）下移过程中，若接收型超声波探头（4）下移至下行最大行程位置处后仍无法收到回波信号，则进入6）；接收型超声波探头（4）下移过程中，若接收型超声波探头（4）下移至C高度下方的D高度位置处时收到了回波信号，则控制接收型超声波探头（4）在D高度位置处驻停，返回步骤4）；

6）检测过程结束，控制收发一体式超声波探头（3）和接收型超声波探头（4）关闭并复位；将被检测对象的轮廓绘制成图像，由操作人员识别被检测对象的轮廓是否符合船舶外形特点，若被检测对象的轮廓符合船舶外形特点，则被检测对象的轮廓上的最低点即为船舶吃水深度，若被检测对象的轮廓不符合船舶外形特点，则询问操作员是否需要重新进行检测，若需要重新进行检测则返回步骤1）。