CN107145104A - 内河船舶载重测量***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内河船舶载重测量***及其测量方法。属于内河船舶载重测量技术领域，为了解决现有船舶载重测量存在的不足，针对内河河道河面狭小，航道固定，河流流速变化小的特点，本发明通过测量船舶的行驶轨迹、船舶行驶航速和船舶耗油量来获取当前船舶载重的测量***及其测量方法，该方法结构简单，安装方便，可以克服已有技术在船舶***无法安装传感器的缺陷。包括分别设置在船舶上的油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、微控制器、显示器、存储器以及计时器，还包括设置在港航管理中心的上位机服务器；所述油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、显示器、存储器和计时器分别与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与上位机服务器无线连接。

Description

内河船舶载重测量***及其测量方法

技术领域

本发明涉及内河船舶载重测量技术领域，具体涉及内河船舶载重测量***及其测量方法。

背景技术

传统的船舶载重测量依据船舶(吃水线)载重标志线与船舶载重经验系数估算得到的，测量吃水后经过查阅有关船舶曲线图和计算，可以求得该船当时的排水量和载重量。目前常用的载重测量有人工观测，超声波测量，压力测量，电子水尺，激光水位计，图像处理技术等。

人工观测，就是依靠经过长期训练的观察人员通过观测船舶的水尺标志而获得船舶的实际吃水，进行人工观测人工记录人工比对。这种载重测量方法的优点是简单方便，不需要增加额外测量设备，缺点是观测往往带有主观性，误差大。

超声波载重测量就是依据超声波测距原理，以船体舷边甲板为基准测量船舶吃水，将超声波传感器经一测量支架悬挂于船体舷边，通过测量超声波回波返回的时间，根据当时当地声速，测得船体主甲板至水面的距离等参数，计算出吃水值，并搜索船舶载重量数据文件，得到船舶载重量。超声波测量的精度受诸多因素的影响，但声速的误差直接影响测量的精度，而声速又与介质密度有关，在空气中空气密度受温度影响较大。除此之外，该传感器很难安装在船舶合适的地方，推广困难。

水深的变化可以通过水压的变化反映出来，利用这一特性，在船舶空载吃水线的位置上安装压力传感器，当船舶载货后吃水变深，根据压力传感器获得的数值，经过换算后，既可得出船舶的吃水深度。这种方法的优点是可以在线、实时测量船舶的重量，其准确度相对较高，但可操作性差，其原因是压力传感器测量船舶吃水深度需要将压力传感器直接安装在船体外侧，而内河船舶结构多样，船身均为钢板结构，传感器不允许焊接在船身或船舷上，因此这种方法虽然可以准确测量，但无法推广到内河船舶上应用。

电子水尺的基本工作原理是利用水的导电性，采用类似于人工观测水位的方法。它是自上而下依次读取每个感应触点即探针的电导。在探测到探针和水面接触的位置，探针间的电导会突变增大从而确定水位值。专利文献“一种内河船舶载重测量装置”即为基于这种方法设计的。由于电子水尺的电子测量部件直接和水体接触，容易被外界环境破坏，并且电子线路不宜布置。所以电子水尺很少在船舶上应用。

激光水位计的测量原理类似于超声波测量，利用光速的不变性，通过测量激光光束往返的时间，间接获得当时的水位信息。文献“手持式智能船舶吃水及载重测量仪研制”以及“一种新型智能化船舶水尺检测仪”是采用激光技术设计的。虽然激光的指向性相对超声波而言更为集中，但易受水面漂浮物的影响，同时激光反射的强度受反射界面及空气介质状况的影响较大，如果持续使用难以消除影响，而且，激光传感器也无法在船舶的船舷上安装，因此适合手持式临时使用。

采用处理图像来自动测量船舶水尺刻度，通过对水尺的视频图像进行的分析，称为图像测量方法。船舷上的刻度字，可以由计算机自动判别进行读数、识别，这样既可以完整地一记录整个观测阶段的水尺刻度和吃水线位置，使后续的数据处理成为可能。文献《图象处理技术在船舶吃水自动检测***中的应用》和《船舶水尺吃水值检测方法研究》就是基于图像处理设计的一种电子水尺仪。这种方法采用的数据采集图像传感器可以安装的范围较大，比如船舶驾驶舱顶部，但在内河河道里，很多航道闸门限制船舶高度，内河船舶为了达到限高范围之内往往会临时拆除驾驶舱，这样反复动作必然影响传感器的测量精度，理论上测量***需要重新标定，因此，基于图像处理的载重测量方法也不能在内河船舶上适用。

上述的载重量测量方法，人工观测法无法实现在线测量，采用各种传感器直接测量载重量方法，其在实际应用中无法在内河船舶的***找到安装传感器的位置，导致不能实现载重量的测量。

发明内容

本发明是为了解决现有船舶载重测量存在的不足，针对内河河道河面狭小，航道固定，河流流速变化小的特点，通过测量船舶的行驶轨迹、船舶行驶航速和船舶耗油量来获取当前船舶载重的测量***及其测量方法，该方法结构简单，安装方便，可以克服已有技术在船舶***无法安装传感器的缺陷。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：

内河船舶载重测量***，包括分别设置在船舶上的油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、微控制器、显示器、存储器以及计时器，还包括设置在港航管理中心的上位机服务器；所述油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、显示器、存储器和计时器分别与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与上位机服务器无线连接。

一种适用于内河船舶载重测量***的测量方法，所述测量方法的测量过程如下：

预先在上位机服务器中存储被测内河航道位置区域的航道顺逆流修正系数H；

预先在存储器中存储有当前船舶的船舶型号、船舶自重M和若干个标定吃水深度T_i所分别对应的标定载重量W_i；

转速传感器测得发动机转速n，当转速n不为零时，微控制器通过卫星定位模块每隔1分钟获取船舶位置信息，然后根据船舶的轨迹点计算船舶行驶的里程；

微控制器根据船舶在航道的航行轨迹，确定船舶航行方向和位置，然后将航行方向和位置信息通过无线模块发送给上位机服务器，上位机服务器根据所获取的船舶信息，将预先存储在服务器中的该点航道的顺逆流修正系数发送给微控制器。

在微控制器的控制下，通过卫星定位模块测量船舶的行驶里程为E，通过计时器获取行驶时间为t，通过E/t即可获得船舶行驶中的平均航速V，通过油耗传感器测量船舶行驶中的耗油量L；

通过船舶的吃水深度公式计算出船舶的当前吃水深度T，微控制器先确定当前吃水深度T在存储器中存储的标定数据的区间T_i-1，T_i+1范围，然后根据T_i-1，T_i+1与W_i-1，W_i+1的线性对应关系，将当前吃水深度T代入该区间的线性直线进行计算，得出载重量，在显示器中显示；并借助无线模块将计算出的船舶载重量上传到上位机服务器中。

本发明结构简单，安装方便，可以克服已有技术在船舶***无法安装传感器的缺陷。既可以让船舶操作员掌握当前船舶载重量，也可以让船舶管理人员实时掌握船舶的载重量，为船舶的管理带来方便。

作为优选，所述油耗传感器安装在船舶发动机的进油管道中。

作为优选，所述转速传感器安装在船舶发动机处的转速测量位置。

作为优选，所述卫星定位模块为GPS模块。

作为优选，船舶在一定时间所消耗的燃油量为L，其传递到船舶发动机的能量可表示为：

Q＝k₁*L (1)

k₁＝4.18ρ_柴油*c*η_柴油为能量转换系数，ρ_柴油为柴油的密度，c为柴油的热容量，η_柴油为柴油燃烧的转换效率，可见ρ_柴油、c、η_柴油均为常数；

根据能量转换和传递原理，考虑发动机的转换效率以及传动机构的传递效率，内河航道的顺逆流因素，将柴油所消耗的能量折算到船舶发动机的有效功率为：

P_e＝(k₁*L*η_发动机*η_传动*H)/t (2)

其中，t为测量段的船舶行驶时间，η_发动机为发动机转换效率，η_传动为船舶传动机构传递效率，H为航道顺逆流修正系数。

又由于船舶的主机有效功率与船舶排水量以及航速的关系如下式所示：

P_e＝(Δ^2/3*V³)/C_e (3)

其中，Δ为船舶的排水量，V为船舶航速，Ce为船舶的海军常数；

由式(2)、(3)可得船舶柴油消耗量和排水量以及航速的关系，得：

(L/t)*k₁*η_发动机*η_传动*H*C_e＝Δ^2/3*V³ (4)

对于已经设计出厂的船舶，式(4)中的k₁、η_发动机、η_传动以及C_e均为常数，H在测量时间内也为常数，故令k₂＝η_发动机*η_传动*C_e*H，则得：

(L/t)*k₁*k₂＝Δ^2/3*V^3. (5)

又根据船舶原理，船舶的排水量和吃水深度的关系为：

Δ＝ρ*C_b*LL_bp*B*T (6)

其中，ρ为水的密度，C_b船舶的方形系数，LL_bp为船舶垂线间长，B为船舶型宽，T为吃水深度；船舶定型后，ρ、C_b、LL_bp、B均为常数，设k₃＝ρ*C_b*LL_bp*B；

根据式(5)、(6)可得船舶的当前吃水深度公式为：

T^2/3＝(L*k₁*k₂)/(t*k₃ ^2/3*V³) (7)

可见，获得船舶行驶过程所花费的时长t、行驶过程中的耗油量L、船舶行驶航速V以及船舶定型后的相关常数，即可由式(7)获取船舶的吃水深度T。

作为优选，如果船舶的当前吃水深度T落在预先存储在存储器中的某两个标定吃水深度T_i-1和T_i+1之间；

则将标定吃水深度T_i-1和与该标定吃水深度T_i-1对应的载重量W_i-1设定为二维平面上的一个点A，即点A(T_i-1，W_i-1)；将标定吃水深度T_i+1和与该标定吃水深度T_i+1对应的载重量W_i+1设定为二维平面上的另一个点B，即点B(T_i+1，W_i+1)；

利用点A(T_i-1，W_i-1)与B(T_i+1，W_i+1)这两点求取线段AB；设该线段AB的斜率为K、截距为b，将船舶的当前吃水深度T代入直线W＝K*T+b，即可获得船舶的当前载重量W。

本发明能够达到如下效果：

本发明结构简单，安装方便，可以克服已有技术在船舶***无法安装传感器的缺陷。既可以让船舶操作员掌握当前船舶载重量，也可以让船舶管理人员实时掌握船舶的载重量，为船舶的管理带来方便。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例，内河船舶载重测量***，参见图1所示，包括分别设置在船舶上的油耗传感器1、转速传感器2、无线模块3、卫星定位模块4、微控制器5、显示器6、存储器7以及计时器8，还包括设置在港航管理中心的上位机服务器9；所述油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、显示器、存储器和计时器分别与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与上位机服务器无线连接。

一种适用于内河船舶载重测量***的测量方法，所述测量方法的测量过程如下：

预先在上位机服务器中存储被测内河航道位置区域的航道顺逆流修正系数H；

预先在存储器中存储有当前船舶的船舶型号、船舶自重M和若干个标定吃水深度T_i所分别对应的标定载重量W_i；

转速传感器测得发动机转速n，当转速n不为零时，微控制器通过卫星定位模块每隔1分钟获取船舶位置信息，然后根据船舶的轨迹点计算船舶行驶的里程；

微控制器根据船舶在航道的航行轨迹，确定船舶航行方向和位置，然后将航行方向和位置信息通过无线模块发送给上位机服务器，上位机服务器根据所获取的船舶信息，将预先存储在服务器中的该点航道的顺逆流修正系数发送给微控制器。

在微控制器的控制下，通过卫星定位模块测量船舶的行驶里程为E，通过计时器获取行驶时间为t，通过E/t即可获得船舶行驶中的平均航速V，通过油耗传感器测量船舶行驶中的耗油量L；

通过船舶的吃水深度公式计算出船舶的当前吃水深度T，微控制器先确定当前吃水深度T在存储器中存储的标定数据的区间T_i-1，T_i+1范围，然后根据T_i-1，T_i+1与W_i-1，W_i+1的线性对应关系，将当前吃水深度T代入该区间的线性直线进行计算，得出载重量，在显示器中显示；并借助无线模块将计算出的船舶载重量上传到上位机服务器中。

船舶在一定时间所消耗的燃油量为L，其传递到船舶发动机的能量可表示为：

Q＝k₁*L (8)

k₁＝4.18ρ_柴油*c*η_柴油为能量转换系数，ρ_柴油为柴油的密度，c为柴油的热容量，η_柴油为柴油燃烧的转换效率，可见ρ_柴油、c、η_柴油均为常数；

根据能量转换和传递原理，考虑发动机的转换效率以及传动机构的传递效率，内河航道的顺逆流因素，将柴油所消耗的能量折算到船舶发动机的有效功率为：

P_e＝(k₁*L*η_发动机*η_传动*H)/t (9)

其中，t为船舶通过测量河段所花费的时长，η_发动机为发动机转换效率，η_传动为船舶传动机构传递效率，H为航道顺逆流修正系数。

又由于船舶的主机有效功率与船舶排水量以及航速的关系如下式所示：

P_e＝(Δ^2/3*V³)/C_e (10)

其中，Δ为船舶的排水量，V为船舶航速，Ce为船舶的海军常数；

由式(9)、(10)可得船舶柴油消耗量和排水量以及航速的关系，得：

(L/t)*k₁*η_发动机*η_传动*H*C_e＝Δ^2/3*V³ (11)

对于已经设计出厂的船舶，式(11)中的k₁、η_发动机、η_传动以及C_e均为常数，H在测量时间内也为常数，故令k₂＝η_发动机*η_传动*C_e*H，则得：

(L/t)*k₁*k₂＝Δ^2/3*V³ (12)

又根据船舶原理，船舶的排水量和吃水深度的关系为：

Δ＝ρ*C_b*LL_bp*B*T (13)

其中，ρ为水的密度，C_b船舶的方形系数，LL_bp为船舶垂线间长，B为船舶型宽，T为吃水深度；船舶定型后，ρ、C_b、LL_bp、B均为常数，设k₃＝ρ*C_b*LL_bp*B；

根据式(12)、(13)可得船舶的当前吃水深度公式为：

T^2/3＝(L*k₁*k₂)/(t*k₃ ^2/3*V³) (14)

可见，获得船舶行驶过程所花费的时长t、行驶过程中的耗油量L、船舶行驶航速V以及船舶定型后的相关常数，即可由式(14)获取船舶的吃水深度T。

如果船舶的当前吃水深度T落在预先存储在存储器中的某两个标定吃水深度T_i-1和T_i+1之间；

则将标定吃水深度T_i-1和与该标定吃水深度T_i-1对应的载重量W_i-1设定为二维平面上的一个点A，即点A(T_i-1，W_i-1)；将标定吃水深度T_i+1和与该标定吃水深度T_i+1对应的载重量W_i+1设定为二维平面上的另一个点B，即点B(T_i+1，W_i+1)；

利用点A(T_i-1，W_i-1)与B(T_i+1，W_i+1)这两点求取线段AB；设该线段AB的斜率为K、截距为b，将船舶的当前吃水深度T代入直线W＝K*T+b，即可获得船舶的当前载重量W。

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限制，本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。

Claims (6)

1.内河船舶载重测量***，其特征在于，包括分别设置在船舶上的油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、微控制器、显示器、存储器以及计时器，还包括设置在港航管理中心的上位机服务器；所述油耗传感器、转速传感器、无线模块、卫星定位模块、显示器、存储器和计时器分别与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与上位机服务器无线连接。

2.根据权利要求1所述的内河船舶载重测量***，其特征在于，所述油耗传感器安装在船舶发动机的进油管道中，所述转速传感器安装在船舶发动机处的转速测量位置。

3.根据权利要求1所述的内河船舶载重测量***，其特征在于，所述卫星定位模块为GPS模块。

4.一种适用于权利要求1所述的内河船舶载重测量***的测量方法，其特征在于，所述测量方法的测量过程如下：

预先在上位机服务器中存储被测内河航道位置区域的航道顺逆流修正系数H；

预先在存储器中存储有当前船舶的船舶型号、船舶自重M和若干个标定吃水深度T_i所分别对应的标定载重量W_i；

转速传感器测得发动机转速n，当转速n不为零时，微控制器通过卫星定位模块每隔1分钟获取船舶位置信息，然后根据船舶的轨迹点计算船舶行驶的里程；

微控制器根据船舶在航道的航行轨迹，确定船舶航行方向和位置，然后将航行方向和位置信息通过无线模块发送给上位机服务器，上位机服务器根据所获取的船舶航行信息，将预先存储在服务器中的该点航道的顺逆流修正系数H发送给微控制器；

在微控制器的控制下，通过卫星定位模块测量船舶的行驶里程为E，通过计时器获取行驶时间为t，通过E/t获得船舶行驶中的平均航速V，通过油耗传感器测量船舶行驶中的耗油量L；

通过船舶的吃水深度公式计算出船舶的当前吃水深度T，微控制器先确定当前吃水深度T在存储器中存储的标定数据的区间T_i-1，T_i+1范围，然后根据T_i-1，T_i+1与W_i-1，W_i+1的线性对应关系，将当前吃水深度T代入该区间的线性直线进行计算，得出载重量，在显示器中显示；并借助无线模块将计算出的船舶载重量上传到上位机服务器中。

5.根据权利要求4所述的内河船舶载重测量***的测量方法，其特征在于，

船舶在一定时间所消耗的燃油量为L，其传递到船舶发动机的能量可表示为：

Q＝k₁*L (1)

k₁＝4.18ρ_柴油*c*η_柴油为能量转换系数，ρ_柴油为柴油的密度，c为柴油的热容量，η_柴油为柴油燃烧的转换效率，可见ρ_柴油、c、η_柴油均为常数；

根据能量转换和传递原理，考虑发动机的转换效率以及传动机构的传递效率，内河航道的顺逆流因素，将柴油所消耗的能量折算到船舶发动机的有效功率为：

P_e＝(k₁*L*η_发动机*η_传动*H)/t (2)

其中，t为测量段的船舶行驶时间，η_发动机为发动机转换效率，η_传动为船舶传动机构传递效率，H为航道顺逆流修正系数。

又由于船舶的主机有效功率与船舶排水量以及航速的关系如下式所示：

P_e＝(Δ^2/3*V³)/C_e (3)

其中，Δ为船舶的排水量，V为船舶航速，Ce为船舶的海军常数；

由式(2)、(3)可得船舶柴油消耗量和排水量以及航速的关系，得：

(L/t)*k₁*η_发动机*η_传动*H*C_e＝Δ^2/3*V³ (4)

对于已经设计出厂的船舶，式(4)中的k₁、η_发动机、η_传动以及C_e均为常数，H在测量时间内也为常数，故令k₂＝η_发动机*η_传动*C_e*H，则得：

(L/t)*k₁*k₂＝Δ^2/3*V³ (5)

又根据船舶原理，船舶的排水量和吃水深度的关系为：

Δ＝ρ*C_b*LL_bp*B*T (6)

其中，ρ为水的密度，C_b为船舶的方形系数，LL_bp为船舶垂线间长，B为船舶型宽，T为吃水深度；船舶定型后，ρ、C_b、LL_bp、B均为常数，设k₃＝ρ*C_b*L_bp*B；

根据式(5)、(6)可得船舶的当前吃水深度T为：

T^2/3＝(L*k₁*k₂)/(t*k₃ ^2/3*V³) (7)

可见，获得船舶行驶过程所花费的时长t、行驶过程中的耗油量L、船舶行驶航速V以及船舶定型后的相关常数，即可由式(7)获取船舶的吃水深度T。

6.根据权利要求5所述的内河船舶载重测量***的测量方法，其特征在于，

如果船舶的当前吃水深度T落在预先存储在存储器中的某两个标定吃水深度T_i-1和T_i+1之间；

则将标定吃水深度T_i-1和与该标定吃水深度T_i-1对应的载重量W_i-1设定为二维平面上的一个点A，即点A(T_i-1，W_i-1)；将标定吃水深度T_i+1和与该标定吃水深度T_i+1对应的载重量W_i+1设定为二维平面上的另一个点B，即点B(T_i+1，W_i+1)；

利用点A(T_i-1，W_i-1)与B(T_i+1，W_i+1)这两点求取线段AB；设该线段AB的斜率为K、截距为b，将船舶的当前吃水深度T代入直线W＝K*T+b，即可获得船舶的当前载重量W。