一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统及检测方法

摘要

本发明公开了一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统及检测方法。检测系统包括充排气装置、导气管、沉浮管、信号采集系统、数据分析系统。检测方法具体为：首先充排气装置向导气管充气，通过导气管小孔向沉浮管充气；沉浮管上浮直至接触到待测船舶底部；沉浮管上的压力传感器检测出不同位置处的水压值；信号放大装置将压力传感器测得的电信号放大，传至数据分析系统；经数据分析系统分析处理可以得到最大的压强值，利用最大的压强值求取船舶的吃水值；充排气控制系统控制充排气装置排气，沉浮管沉入河床，结束检测。本发明检测原理新颖，能够实现智能化、自动化检测实际吃水值，且不易受外界因素的影响；可以实现多船舶的同时检测，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶吃水检测和船舶安全检测等技术领域，特别是一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统及检测方法。

背景技术

水路运输作为我国交通运输方式的重要组成部分之一，推动着我国国民经济快速、稳步发展，带动了沿线经济的快速增长。然而，一些运输船舶为了追求经济利益，不按照航道维护水深配载货物，往往采取此地配货、异地签证、“大船小证”、谎报吃水、水尺造假等方法规避管理。当这些违反规定驶入航道的“超吃水”船舶冒险通过航道的浅险航段时，容易导致在航道内搁浅，造成航道内泥沙的急剧淤积，严重破坏航道，不仅使航道遭受破坏，并且影响了航道的正常畅通运行。因此，船舶吃水检测与监管是海事部门主要职责之一，以维护和保障水路运输的正常运营。

针对上述问题，发明申请201110133129.6，公开了一种基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，结合图像识别技术，通过采集水尺视频图像，利用水迹线和吃水线在视频图像中相对位置不变的特征，利用边缘检测、几何校正和霍夫变换来找出两条最长的边缘线，就是水迹线和吃水线，通过去掉两条线中位于上方的水迹线，可以获得真实吃水线。该方法依赖船舶自身水尺的准确性，不适用于海事监管，且在环境因素恶劣如雾天、风浪都会影响图像的识别，造成较大的误差。

发明申请201410854834.9，公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法，超声波发射传感器分时启动，超声波接收阵列采集信号，判断接收传感器有没有被遮挡，如果没有，测距模块启动并获取船舶AIS信息，依据传感器A_X和A_X+1计算具体吃水值，如果二者相等则取平均值，不相等则根据船底平缓重新计算吃水值。由于超声波测距值跟声速有关，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，在空气中受温度影响较大，使此种船舶吃水深度测量方式的精度大大降低，且不适合海事巡逻(不上船)的吃水检测。

目前已有的船舶吃水检测方法中，人工观测法精度低，常常因为人员操作不当和人的主观性而产生误差，严重影响船舶吃水深度精度；压力传感器测距由于在船舶上固定安装，海事部门很难获取数据，不适合海事监管；电子水尺固定安装在船舶上，维护保养不方便，海事部门很难获取数据，不适合海事监管；激光水位计测量要求必须在被测船舶上检测，检测时需要保证激光束垂直于水面，风浪会影响检测效果，要求船舶高度准确可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种适合于海事监管的、高精度、操作方便快捷的内河船舶吃水深度检测技术和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括充排气装置、导气管、沉浮管、信号采集系统、数据分析系统；所述信号采集系统包括N个压力传感器、信号放大装置；导气管置于沉浮管内；N个压力传感器置于沉浮管上。

所述充排气装置，用于给与其相连的导气管充气，并控制导气管的充气时刻、排气时刻、充气速度、排气速度、充气时间、排气时间；

所述导气管，用于传输充排气装置充入的气体实现对沉浮管均匀快速充排气；

所述沉浮管，用于携载压力传感器上浮或下沉；

所述压力传感器，用于测量压力传感器与船舶底部接触点处水的压强值；

所述信号放大装置，用于对所述压力传感器测得的水的压强值进行放大，并将放大后的压强值传送至数据分析系统；

所述数据分析系统，用于计算船舶的实际吃水值。

基于上述基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、充排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

步骤2、所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

步骤3、信号放大装置将步骤2中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

步骤4、数据分析系统分析处理步骤3获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值P_max；

步骤5、利用步骤4获得的最大压强值P_max，求取待测船舶的实际吃水值h₁；

步骤6、充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明检测系统及方法的检测原理新颖，通过采用带压力传感器的导气管的充排气方式获得压力，进而获取船舶的吃水深度；2)本发明在导气管充排气过程中能够检测出船舶的实际吃水，适合海事监管的要求；3)本发明通过导气管的充排气控制、传感器信号的自动采集、信号的自动处理等环节，与水尺检测、超声波检测等方法相比，能够实现智能化、自动化检测实际吃水值；4)本发明可以实现多船舶的同时检测，实用性强，不影响船闸的通行能力。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明船舶吃水检测系统排气状态示意图。图中编号所代表的含义为：1-充排气装置，2-导气管，3-沉浮管，4-压力传感器，5-信号放大装置，6-数据分析系统，7-待测船舶，8-船底。

图2为本发明船舶吃水检测系统充气状态示意图。

图3为本发明船舶吃水检测系统中充排气装置、导气管、沉浮管、压力传感器各部分的连接关系局部放大示意图。

图4为本发明基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法流程图。

图5为本发明实施例中试验系统的工作情况示意图，其中(a)为导气管的充气过程，(b)为导气管的排气过程。

具体实施方式

结合图1，本发明一种基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括充排气装置1、导气管2、沉浮管3、信号采集系统、数据分析系统6；所述信号采集系统包括N个压力传感器4、信号放大装置5；导气管2置于沉浮管3内；N个压力传感器4置于沉浮管3上。

充排气装置，用于给导气管充气，并控制导气管的充气时刻、排气时刻、充气速度、排气速度、充气时间、排气时间；

导气管，用于传输充排气装置充入的气体实现对沉浮管均匀快速充排气；

沉浮管，用于携载压力传感器上浮或下沉；

压力传感器，用于测量压力传感器与船舶底部接触点处水的压强值；因压力传感器在水中工作，其选型重点需要考虑压力传感器的耐腐蚀性、量程及灵敏度；为了消除水流对压力信号的影响，采用压力传感器的分流罩设计；

信号放大装置，用于对压力传感器测得的水的压强值进行放大，并将放大后的压强值传送至数据分析系统；

数据分析系统，用于计算船舶的实际吃水值。

沉浮管在平常状态下沉入河床如图2所示，在充排气装置进行充气时在浮力作用下上升如图3所示。

进一步地，导气管和沉浮管的长度相同。

进一步地，导气管和沉浮管的长度l_管为：

l_管＝a_船闸+2h

式中，a_船闸为船闸的宽度，h为河道的高度。

进一步地，沉浮管的直径为：

式中，m为沉浮管的质量，s为沉浮管的上升高度，t为沉浮管的上升时间，ρ_液为水的密度。

充排气装置的充气速度为：

排气速度为：

式中，Q为沉浮管的充气量，t_充为沉浮管的充气时间，t_排为沉浮管的排气时间，d′为沉浮管内径。

进一步地，导气管上不均匀地分布大小相同的小孔，在靠近充排气装置的区域小孔稀疏，在远离充排气装置的区域小孔密集。

进一步地，导气管上小孔分布的稀疏密集程度与距离充排气装置的位置关系为：

式中，n为靠近充排气装置一端开始计数的第n个小孔，a_n为第n-1个小孔与第n个小孔的间隔长度；共有个小孔。

进一步地，压力传感器均匀安装在沉浮管上，压力传感器的布置间隔d₁为：

结合图4，一种基于上述基于海事监管的内河船舶吃水检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、充排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

步骤2、所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

步骤3、信号放大装置将步骤2中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

步骤4、数据分析系统分析处理步骤3获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值P_max；

步骤5、利用步骤4获得的最大压强值P_max，求取待测船舶的实际吃水值h₁；所用公式为：

式中，ρ为水的密度，ρ通过液体密度传感器获得。

步骤6、充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

实施例

本发明基于海事监管的内河船舶吃水检测系统，包括沉浮管、导气管、充排气装置、充排气控制系统、信号采集系统、数据分析系统。本实施例中：

(1)导气管和沉浮管的长度相同均为l_管，本实施例中取l_管＝10m。

(2)沉浮管的直径考虑气管在水中会受到阻力f作用，取气管质量m＝20kg，管长l_管＝10m，上升高度s＝5m，上升时间t＝10s，可得：结合市场上可以提供的管径大小，最终选做试验用的沉浮管管径为6.5cm。

(3)充排气装置的充气速度为排气速度为其中，沉浮管的充气量充气时间假定为沉浮管上升时间t_充，排气时间为t_排，d′为沉浮管内径。通过试验系统工作，充气时间t_充＝27s，排气时间t_排＝20s，沉浮管内径d′＝1.8cm，由此得到沉浮管的充气量Q＝30622.85cm³，v_充＝1134.18cm³/s，v_排＝1531.14cm³/s。

(4)信号采集系统包括N个压力传感器，本实施例中取N为20，压力传感器的布置间隔d₁为：

本实施例中进行检测的系统各设备参数如下表1，试验系统工作情况如图5所示。

表1试验系统参数

基于上述海事监管的内河船舶吃水检测系统进行检测，包括以下内容：

(1)排气装置向导气管充气，进而给沉浮管充气使其上浮，直至沉浮管接触到待测船舶的底部，停止充气；

(2)所有压力传感器分别测量各个压力传感器所在位置处水的压强值；

(3)信号放大装置将(2)中所有压力传感器各自测得的水的压强值均进行放大，并将所有放大后的压强值传送至数据分析系统；

(4)数据分析系统分析处理(3)获得的所有放大后的压强值，获取最大压强值P_max；

(5)利用(4)获得的最大压强值P_max，求取待测船舶的实际吃水值h₁；

(6)充排气装置进行排气，使沉浮管沉入河床，结束检测。

试验结果如下表2所示。根据传感器的特性，由传感器的输出电压可知吃水值。原理试验结果表明，气管的上升和下降工作顺利，上升和下降速度跟理论值略有出入。

表2试验结果

可以看出，数据相对误差在允许范围内，与选取的压力传感器的量程、数据采集设备等因素有关。

本发明检测原理新颖，通过采用带压力传感器的导气管的充排气方式获得压力，进而获取船舶的吃水深度，能够实现智能化、自动化检测实际吃水值，且不易受外界因素的影响；可以实现多船舶的同时检测，实用性强。