一種船舶姿態及吃水測量裝置及其測量方法與流程
2023-05-26 04:01:41 2
本發明涉及一種船舶測量技術領域，尤其涉及一種船舶姿態及吃水測量裝置。
背景技術：
汽渡船是一種從事短途車載旅客、貨物運輸的特種船舶，隨江蘇、安徽、湖北等省相繼實施沿江大開發戰略，汽車渡運的需求不斷上升，長江沿岸渡線日趨密集，渡船數量、航次不斷增加。由於汽渡是根據車輛車型配載，不能有效掌握車輛實際載重量，易因車輛超載嚴重造成汽渡船超載或偏載，而超載和偏載的汽渡船容易發生碰撞、觸損、擱淺等事件和險情，會嚴重威脅著人民群眾的生命財產安全。因此需要監測汽渡船的吃水量以防超載，以及監測汽渡船的姿態以防偏載。
關於船舶吃水的測量，已有的文獻的常規思路都是採用先進的測量傳感器，如採用電子標尺、雷射測距儀、視頻處理裝置等，如發明專利申請200610125366.7公開的一種船舶電子吃水監測系統，再如發明專利申請200910305821.5公開的船舶吃水超限預警系統及預警方法。而關於船舶姿態的測量已有的文獻是採用精度更高的電子羅盤，如發明專利申請200910305821.5公開的一種遠程船舶姿態測量顯示儀。
然而，上述技術無法同時監測船舶的吃水量和姿態，通用性差，當在汽渡船上同時安裝上述的吃水測量裝置和姿態測量裝置時，成本較高。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種通用性好、成本較低的船舶姿態及吃水測量裝置及其測量方法，能夠同時監測船舶的吃水量和姿態，以對船舶的配載提供參考。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種船舶姿態及吃水測量裝置，包括四個液位傳感器、電源模塊和採集及控制器，所述四個液位傳感器均與所述電源模塊和所述採集及控制器相連，所述電源模塊還與採集及控制器相連；其中，所述四個液位傳感器分散布置在船舶的橫向中軸線兩側，且其中的兩個液位傳感器分別安裝在所述船舶的船艏左、右舷位置，另外兩個液位傳感器分別安裝在所述船舶的船尾左、右舷位置。
進一步的，所述的船舶姿態及吃水測量裝置還包括RS485通訊電路和LCD顯示單元，所述RS485通訊電路與所述LCD顯示單元、所述採集及控制器均雙向相連。
進一步的，所述船舶的橫向中軸線同側的兩個液位傳感器的位置關於所述船舶的縱向中軸線對稱，且所述船舶的橫向中軸線同側的兩個液位傳感器的連線平行於所述橫向中軸線；所述船艏左、右舷的兩個液位傳感器的位置關於所述船舶的橫向中軸線對稱，且所述船艏左、右舷的兩個液位傳感器的連線平行於所述縱向中軸線；所述船尾左、右舷的兩個液位傳感器的位置關於所述船舶的橫向中軸線對稱，且所述船尾左、右舷的兩個液位傳感器的連線平行於所述縱向中軸線。
本發明還提供一種上述的船舶姿態及吃水測量裝置的測量方法，包括以下步驟：
首先，電源模塊分別給四個液位傳感器和採集及控制器供電，所述採集及控制器根據所述四個液位傳感器的布置，獲得所述船舶的船艏和船尾的橫傾角以及左舷和右舷的縱傾角：
接著，所述採集及控制器根據從所述四個液位傳感器接收的採集信號，判斷所述四個液位傳感器中是否有液位傳感器發生故障，若所述四個液位傳感器均正常，則所述採集及控制器根據所述船艏和船尾的橫傾角以及左舷和右舷的縱傾角，計算出所述船舶姿態的橫、縱傾角，並把所述四個液位傳感器的吃水值修正到所述橫向中軸線上，進而獲得所述船艏和船尾的吃水值；若其中有一個液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器將故障的液位傳感器剔除，計算出所述船舶姿態的橫、縱傾角，並把剩餘三個液位傳感器的吃水值修正到所述橫向中軸線上，進而獲得所述船艏和船尾的吃水值；若至少兩個液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器停止所有傳感器的測量，並發出故障信號；
然後，所述採集及控制器根據所述船艏和船尾的吃水值得到所述船舶的平均吃水值；
接著，所述採集及控制器根據平均吃水值和靜水力曲線，計算所述船舶的裝載時排水量和空載排水量，進而獲得所述船舶當前的裝載量。
進一步的，所述船舶的船艏橫傾角αb＝arctg((Hm1-Hm3)/(bbp+bbs))；
所述船舶的船尾橫傾角αs＝arctg((Hm2-Hm4)/(bsp+bss))；
所述船舶的右舷縱傾角βs＝arctg((Hm1-Hm2)/(ds)；
所述船舶的左舷縱傾角βp＝arctg((Hm3-Hm4)/dp)；
其中，bbp、bbs分別為所述船艏左、右舷的兩個液位傳感器到所述船舶的橫向中軸線的距離，bsp、bss分別為所述船尾左、右舷的兩個液位傳感器到所述橫向中軸線的距離，ds為分別為所述船舶的橫向中軸線一側的兩個液位傳感器之間的距離，dp為所述船舶的橫向中軸線另一側的兩個液位傳感器之間的距離，Hm1、Hm2、Hm3、Hm4分別為所述船艏右舷、船尾右舷、船艏左舷以及船尾左舷的四個液位傳感器的吃水值。
進一步的，所述四個液位傳感器均正常時，所述採集及控制器計算出的所述船舶姿態的橫傾角α＝(αb+αs)/2，縱傾角β＝(βp+βs)/2；
所述採集及控制器將所述船艏右舷的液位傳感器的吃水值Hm1修正到所述橫向中軸線上後變為Hbs＝Hm1/cosα-bbs sinα；
所述採集及控制器將所述船尾右舷的液位傳感器的吃水值Hm2修正到所述橫向中軸線上後變為Hss＝Hm2/cosα-bss sinα；
所述採集及控制器將所述船艏左舷的液位傳感器的吃水值Hm3修正到所述橫向中軸線上後變為Hbp＝Hm3/cosα-bbp sinα；
所述採集及控制器將所述船尾左舷的液位傳感器的吃水值Hm4修正到船舶的橫向中軸線上後變為Hsp＝Hm4/cosα-bsp sinα；
獲得所述船艏的吃水值Hb＝(Hbs+Hbp)/2；
獲得所述船尾吃水值Hs＝(Hss+Hsp)/2。
進一步的，若只有所述船艏右舷的液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器計算出的所述船舶姿態的橫傾角α＝αs，縱傾角β＝βp，並將所述船尾右舷的液位傳感器的吃水值Hm2修正到所述橫向中軸線上後變為Hss＝Hm2/cosα-bss sinα，將所述船艏左舷的液位傳感器的吃水值Hm3修正到所述橫向中軸線上後變為Hbp＝Hm3/cosα-bbp sinα，將所述船尾左舷的液位傳感器的吃水值Hm4修正到船舶的橫向中軸線上後變為Hsp＝Hm4/cosα-bsp sinα，並獲得所述船艏的吃水值Hb＝Hbp，所述船尾吃水值Hs＝(Hss+Hsp)/2，其中，αs為所述船尾的橫傾角，βp為所述左舷的縱傾角；
若只有所述船尾右舷的液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器計算出的所述船舶姿態的橫傾角α＝αb，縱傾角β＝βp，並將所述船艏右舷的液位傳感器的吃水值Hm1修正到所述橫向中軸線上後變為Hbs＝Hm1/cosα-bbs sinα，將所述船艏左舷的液位傳感器的吃水值Hm3修正到所述橫向中軸線上後變為Hbp＝Hm3/cosα-bbp sinα，將所述船尾左舷的液位傳感器的吃水值Hm4修正到船舶的橫向中軸線上後變為Hsp＝Hm4/cosα-bsp sinα，並獲得所述船艏的吃水值Hb＝(Hbs+Hbp)/2，所述船尾吃水值Hs＝Hsp，其中，αb為所述船艏的橫傾角，βp為所述左舷的縱傾角；
若只有所述船艏左舷的液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器計算出的所述船舶姿態的橫傾角α＝αs，縱傾角β＝βs，並將所述船艏右舷的液位傳感器的吃水值Hm1修正到所述橫向中軸線上後變為Hbs＝Hm1/cosα-bbs sinα，將所述船尾右舷的液位傳感器的吃水值Hm2修正到所述橫向中軸線上後變為Hss＝Hm2/cosα-bss sinα，將所述船尾左舷的液位傳感器的吃水值Hm4修正到船舶的橫向中軸線上後變為Hsp＝Hm4/cosα-bsp sinα，並獲得所述船艏的吃水值Hb＝Hbs，所述船尾吃水值Hs＝(Hss+Hsp)/2，其中，αs為所述船尾的橫傾角，βs為所述右舷的縱傾角；
若只有所述船尾左舷的液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器計算出的所述船舶姿態的橫傾角α＝αb，縱傾角β＝βs，並將所述船艏右舷的液位傳感器的吃水值Hm1修正到所述橫向中軸線上後變為Hbs＝Hm1/cosα-bbs sinα，將所述船尾右舷的液位傳感器的吃水值Hm2修正到所述橫向中軸線上後變為Hss＝Hm2/cosα-bss sinα，將所述船艏左舷的液位傳感器的吃水值Hm3修正到所述橫向中軸線上後變為Hbp＝Hm3/cosα-bbp sinα，並獲得所述船艏的吃水值Hb＝(Hbs+Hbp)/2，所述船尾吃水值Hs＝Hss，其中，αb為所述船艏的橫傾角，βs為所述右舷的縱傾角。
進一步的，所述採集及控制器將所述船舶的橫傾角、縱傾角、平均吃水值以及當前裝載量通過RS485通訊電路顯示在LCD顯示屏上。
進一步的，所述採集及控制器在判斷出所述船舶的橫傾角和縱傾角超過對應的限定值時，發出偏載報警信號；
所述採集及控制器在判斷出所述平均吃水值或者所述當前裝載量超過對應的預設值時，發出超載報警信號。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果：
1、本發明的技術方案採用四個液位傳感器合理的布置在船舶的四角，可計算出船舶的橫、縱傾角、吃水值和裝載量，具有成本低，實現容易，精度高，可靠性高等特點，同時給船舶的配載提供參考，從而可以監測和防止船舶的偏載和超載。
2、本發明的技術方案中，若四個液位傳感器中任何一個發生故障，系統仍然可以正常工作。
附圖說明
圖1是本發明具體實施例的船舶姿態及吃水測量裝置的系統框圖；
圖2是本發明的船舶姿態及吃水測量裝置的四個液位傳感器的安裝位置俯視圖；
圖3是本發明的船舶姿態及吃水測量裝置的四個液位傳感器的安裝位置側視圖；
圖4是船舶船艏的橫傾角示意圖；
圖5是船舶船艏的橫傾角示意圖；
圖6是船舶右舷的縱傾角示意圖；
圖7是船舶左舷的縱傾角示意圖。
具體實施方式
下面並結合附圖，通過具體實施例，對本發明的一種船舶姿態及吃水測量裝置作進一步詳細的說明。
本發明提供一種通用性好、精度高、可靠性高的船舶姿態及吃水測量裝置及其測量方法，能夠測量船舶的橫、縱傾角、吃水值和當前裝載量，給船舶的配載提供參考，從而可以監測和防止船舶的偏載和超載，特別適用於汽渡船運輸。
請參考圖1，本發明提供的船舶姿態及吃水測量裝置，主要由電源模塊4，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4，採集及控制器6，RS485通訊電,7，LCD顯示單元8組成；電源模塊5分別給四個液位傳感器M1、M2、M3、M4和採集及控制器6供電，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4分別與採集及控制器6相連，採集及控制器6與RS485通訊電路7雙向相連，LCD顯示單元8連接到RS485通訊電路7上，從而使得採集及控制器6可以將獲得的船舶的橫、縱傾角、吃水值和當前裝載量顯示在LCD顯示單元8上。
本實施例中，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4按照如圖2、3所示的位置安裝，具體為：液位傳感器M1安裝在船舶的船艏右舷，距離所述船舶的橫向中軸線的距離為bbs，液位傳感器M2安裝在所述船舶的船尾右舷，距離所述船舶的橫向中軸線的距離為bss，液位傳感器M3安裝在所述船舶的船艏左舷，距離所述船舶的橫向中軸線的距離為bbp，液位傳感器M4安裝在所述船舶的船尾左舷，距離所述船舶的橫向中軸線的距離為bsp，液位傳感器M1與M2的距離為ds，液位傳感器M3與M4的距離為dp。優選地，將四個液位傳感器M1、M2、M3、M4分別安裝在船艏和船尾時，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4按所述船舶的縱向中軸線和橫向中軸線對稱分布。
利用上述的船舶姿態及吃水測量裝置對船舶的姿態和吃水值進行測量時，首先，在船舶上安裝好上述的船舶姿態及吃水測量裝置，其電源模塊分別給四個液位傳感器和採集及控制器供電，所述採集及控制器根據所述四個液位傳感器的布置，獲得所述船舶的船艏和船尾的橫傾角以及左舷和右舷的縱傾角：接著，所述採集及控制器根據從所述四個液位傳感器接收的採集信號，判斷所述四個液位傳感器中是否有液位傳感器發生故障，若所述四個液位傳感器均正常，則所述採集及控制器根據所述船艏和船尾的橫傾角以及左舷和右舷的縱傾角，計算出所述船舶姿態的橫、縱傾角，並把所述四個液位傳感器的吃水值修正到所述橫向中軸線上，進而獲得所述船艏和船尾的吃水值；若其中有一個液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器將故障的液位傳感器剔除，計算出所述船舶姿態的橫、縱傾角，並把剩餘三個液位傳感器的吃水值修正到所述橫向中軸線上，進而獲得所述船艏和船尾的吃水值；若至少兩個液位傳感器發生故障，則所述採集及控制器停止所有傳感器的測量，並發出故障信號；然後，所述採集及控制器根據所述船艏和船尾的吃水值得到所述船舶的平均吃水值；之後，所述採集及控制器根據平均吃水值和靜水力曲線，計算所述船舶的裝載時排水量和空載排水量，進而獲得所述船舶當前的裝載量。
因此，本發明的船舶姿態及吃水測量裝置的測量方法，具體過程如下：
步驟1：將四個液位傳感器M1、M2、M3、M4按照如圖2、3所示的位置布置安裝到船舶上，即液位傳感器M1安裝在船艏右舷，與船舶的橫向中軸線的距離為bbs，液位傳感器M2安裝在船尾右舷，與船舶的橫向中軸線的距離為bss，液位傳感器M3安裝在船艏左舷，與船舶的橫向中軸線的距離為bbp，液位傳感器M4安裝在船尾左舷，與船舶的橫向中軸線的距離為bsp，液位傳感器M1與M2之間的距離為ds，液位傳感器M3與M4之間的距離為dp。
步驟2：按照圖1將四個液位傳感器M1、M2、M3、M4、電源模塊5和採集及控制器6連接，即將四個液位傳感器M1、M2、M3、M4均與所述電源模塊5和所述採集及控制器6相連，電源模塊5分別給四個液位傳感器M1、M2、M3、M4和採集及控制器6供電，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4分別與採集及控制器6相連，採集及控制器6與RS485通訊電路7雙向相連，LCD顯示單元8連接到RS485通訊電路7上，四個液位傳感器M1、M2、M3、M4開始採集各自所在的船舶位置的吃水值。
步驟3：按照圖4，採集及控制器6根據液位傳感器M1、M3測得的吃水值Hm1、Hm3及其與橫向中軸線的距離bbs、bbp，計算出所述船舶的船艏的橫傾角:αb＝arctg((Hm1-Hm3)/(bbp+bbs))。
步驟4：按照圖5，採集及控制器6根據液位傳感器M2、M4測得的吃水值Hm2、Hm4及其與橫向中軸線的距離bss、bsp，計算出所述船舶的船尾的橫傾角:αs＝arctg((Hm2-Hm4)/(bsp+bss))。
步驟5：按照圖6，採集及控制器6根據液位傳感器M1、M2測得的吃水值Hm1、Hm2及兩者之間的距離ds，計算出所述船舶的右舷的縱傾角:βs＝arctg((Hm1-Hm2)/(ds)。
步驟6：按照圖7，採集及控制器6根據液位傳感器M3、M4測得的吃水值Hm3、Hm4及兩者之間的距離dp，計算出所述船舶的左舷縱傾角:βp＝arctg((Hm3-Hm4)/dp)。
步驟7：採集及控制器6根據四個液位傳感器M1、M2、M3、M4各自採集的吃水值，判斷四個液位傳感器是否有故障，若四個液位傳感器M1、M2、M3、M4都沒有故障，均正常工作，則跳轉至步驟8；若其中有一個液位傳感器存在故障，則跳轉至步驟15，若存在至少兩個液位傳感器存在故障，則系統無法工作，採集及控制器6停止四個液位傳感器M1、M2、M3、M4的採集，並發出故障信號。
步驟8：採集及控制器6根據所述船舶的船艏橫傾角αb、船尾橫傾角αs以及所述船舶的右舷縱傾角βs、左舷縱傾角βp；計算出船舶的橫傾角α＝(αb+αs)/2，縱傾角β＝(βp+βs)/2。
步驟9：採集及控制器6根據所述船舶的橫傾角α將液位傳感器M1的吃水值Hm1修正到船舶的橫向中軸線上Hbs＝Hm1/cosα-bbs sinα。
步驟10：採集及控制器6根據所述船舶的橫傾角α將液位傳感器M2的吃水值Hm2修正到船舶的橫向中軸線上Hss＝Hm2/cosα-bss sinα。
步驟11：採集及控制器6根據所述船舶的橫傾角α將液位傳感器M3的吃水值Hm3修正到船舶的橫向中軸線上Hbp＝Hm3/cosα-bbp sinα。
步驟12：採集及控制器6根據所述船舶的橫傾角α將液位傳感器M4的吃水值Hm4修正到船舶的橫向中軸線上Hsp＝Hm4/cosα-bsp sinα。
步驟13：採集及控制器6進一步計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船艏吃水值：Hb＝(Hbs+Hbp)/2。
步驟14：採集及控制器6進一步計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船尾吃水值：Hs＝(Hss+Hsp)/2。
跳轉至步驟28。
步驟15：若四個液位傳感器中的一個不能正常工作，則需將故障傳感器剔除。若是液位傳感器M1發生故障，則跳轉至步驟16；若是液位傳感器M2發生故障，則跳轉至步驟19；若是液位傳感器M3發生故障，則跳轉至步驟22；若是液位傳感器M4發生故障，則跳轉至步驟25。
步驟16：所述採集及控制器6剔除液位傳感器M1的數據，計算出船舶的橫傾角α＝αs和縱傾角β＝βp，其中，αs為所述船尾的橫傾角，βp為所述左舷的縱傾角。
步驟17：所述採集及控制器6分別按照步驟10、步驟11、步驟12計算液位傳感器M2、M3、M4吃水值Hm2、Hm3、Hm4分別修正到船舶的橫向中軸線上的值Hss、Hbp、Hsp。
步驟18：所述採集及控制器6分別計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船艏吃水值Hb＝Hbp和船尾吃水值Hs＝(Hss+Hsp)/2，跳轉至步驟28。
步驟19：所述採集及控制器6剔除液位傳感器M2的數據，計算出船舶的橫傾角α＝αb和縱傾角β＝βp，其中，αb為所述船艏的橫傾角，βp為所述左舷的縱傾角。
步驟20：所述採集及控制器6分別按照步驟9、步驟11、步驟12計算液位傳感器M1、M3、M4吃水值Hm1、Hm3、Hm4修正到船舶的橫向中軸線上的值Hbs、Hbp、Hsp。
步驟21：述採集及控制器6分別計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船艏吃水值Hb＝(Hbs+Hbp)/2和船尾吃水值Hs＝Hsp，跳轉至步驟28。
步驟22：所述採集及控制器6剔除液位傳感器M3的數據，計算出船舶的橫傾角α＝αs，縱傾角β＝βs，其中，αs為所述船尾的橫傾角，βs為所述右舷的縱傾角。
步驟23：所述採集及控制器6分別按照步驟9、步驟10、步驟12計算傳感器M1、M2、M4吃水值Hm1、Hm2、Hm4修正到船舶的橫向中軸線上的值Hbs、Hss、Hsp；
步驟24：所述採集及控制器6分別計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船艏吃水值Hb＝Hbs和船尾吃水值Hs＝(Hss+Hsp)/2，跳轉至步驟28。
步驟25：所述採集及控制器6剔除液位傳感器M4的數據，計算出船舶的橫傾角α＝αb和縱傾角β＝βs，中，αb為所述船艏的橫傾角，βs為所述右舷的縱傾角。
步驟26：所述採集及控制器6分別按照步驟9、步驟10、步驟11計算液位傳感器M1、M2、M3吃水值Hm1、Hm2、Hm3修正到船舶的橫向中軸線上的值Hbs、Hbs、Hbp。
步驟27：所述採集及控制器6分別計算出修正到船舶的橫向中軸線上的船艏吃水值Hs＝Hbs和船尾吃水值Hb＝(Hbs+Hbp)/2，跳轉至步驟28；
步驟28：所述採集及控制器6計算出船舶的平均吃水值H＝(Hs+Hp)/2。
步驟29：所述採集及控制器6根據船舶的平均吃水值H值和靜水力曲線，即可計算出裝載時的船舶排水量WF和空載排水量W0，則船舶的當前裝載量為W＝WF-W0。
步驟30：所述採集及控制器6將計算出的船舶的橫傾角α、縱傾角β、平均吃水值、當前裝載量W顯示在LCD顯示屏8上，並通過RS485通訊電路發送出去，供其他系統使用。進一步地，當橫傾角α和縱傾角β中的任一項超出限定值時，所述採集及控制器6可以發出偏載報警信號；當平均吃水值H、當前裝載量W中的任一項超出預設值時，所述採集及控制器6可以發出超載報警信號。
綜上所述，本發明的船舶姿態及吃水測量裝置及其測量方法，主要利用採集及控制器連接四個液位傳感器，採集及控制器可以利用四個液位傳感器採集到的吃水數據計算出船舶的姿態(包括橫傾角和縱傾角)和吃水值，並換算當前裝載量(即實際裝載量)，進一步將橫、縱傾角、吃水值和當前裝載量通過RS485通訊電路發送出來，同時在LCD顯示單元顯示，可以用於測量船舶的橫、縱傾角、吃水值和裝載量的測量，給汽渡船的配載提供參考，通用性好、精度高、可靠性高。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。