内河船舶航行下沉量的实船测量方法

摘要

本发明涉及一种测量内河船舶航行时下沉量的方法，属于船舶优化设计及其航行安全技术领域，通过在船艏和船艉各布置一个水位计，船舯甲板上布置一个惯导系统，采用水位计同步测量船舶静止与航行时的船艏、船艉处水位值，采用惯导系统测量船舶纵倾角，根据测点水位差、水位计间几何关系、船舶纵倾角，计算出船舶艏、艉测点处及纵向任意位置的下沉量，测量出的下沉量精度高且稳定，并可得到船舶纵向任意位置的下沉量值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量内河船舶航行时下沉量的方法，属于船舶优化设计及其航行安全技术领域。 

背景技术

船舶航行下沉量是船舶航行时因水流绕船运动形成的相对于静止状态的船体下沉值，它是确定船舶富裕水深、保证航行安全的重要参数。船舶航行下沉量常采用经验公式估算，但由于影响因素众多，船型、航道条件的多样复杂导致计算结果误差较大，因此实船测量船舶下沉量意义重大。 

目前实船测量航行下沉量主要是利用GPS和雷达式液位传感器测量，均为单点测量，无法获取船体纵向下沉量及平均下沉量等参数。前者通过GPS分别获取船舶静止与航行时的垂直高程，通过相减得到船舶航行下沉量，但GPS的垂直定位精度很低，目前高精度GPS双频定位差分解析的垂向精度也仅达0.05m量级，误差与船舶下沉量同量级；后者则通过测量船舶静止与航行时液位传感器至水面的垂直距离差确定下沉量，受水面下降、表面漂浮物及风浪的影响较大，读数不稳定。 

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种高精度的船舶航行下沉量的实船测量方法。 

所述的方法包括：航行下沉量测量装置及安装方法、下沉量测量方法、下沉量计算方法。 

所述航行下沉量的测量装置包括：艏水位计、艉水位计、艏水位计支架、艉水位计支架、惯导系统； 

所述下沉量测量装置的安装方法为：艏水位计通过艏水位计支架固定在待测船舶船艏一侧舷侧，艏水位计与船舷的横向距离d_f应满足下式：其中为c_b为船舶方形系数，d为船舶吃水，v为船舶航速；艉水位计通过艉水位计支架固定在待测船舶船艉，与艏水位计同一侧舷侧，艉水位计与船舷的横向距离0.5～1.0m，纵向距螺旋桨前方纵向距离x_b应满足x_b≥0.35vR，其中R为螺旋桨直径；艏水位计支架和艉水位计支架平行并垂直于船舶纵轴线，艏水位计和艉水位计深入水平面的深度h需满足h≥0.1v，但不能低于船底；惯导系统固定在待测船舶船舯，与计算机相连。 

所述的下沉量测量方法为：测量时先使船舶在水中静止，读取艏水位计、艉水位计初始值，以及待测船舶初始纵倾角；待测船舶匀速航行时，同步测量艏水位计、艉水位计航行时 水深；通过惯导系统测量纵倾角。 

所述的下沉量计算方法为：δ_x为距艏水位计距离x处的下沉量，计算公式如下： 

δ_f＝P_f-P_f0

s_b＝P_f+Δxsin(α-α₀)+Δycos(α-α₀)-P_b0

${\delta }_x={\delta }_f+\frac{({\delta }_b-{\delta }_f)x}{\mathrm{\Delta x}}$

其中，δ_f为艏水位计处下沉量； 

δ_b为艉水位计处下沉量； 

P_f0为静止时艏水位计初始水深； 

P_b0为静止时艉水位计的初始水深； 

P_f为航行时艏水位计水深值； 

α₀为静止时船舶纵倾角； 

α为航行时船舶纵倾角； 

Δx为艏水位计支架和艉水位计支架在甲板平面上投影的中心线距离； 

Δy为船舶静止时艏水位计和艉水位计固定高差。 

本发明与现有技术相比有如下优点： 

(1)精度高且稳定。水位计及惯导系统均为成熟的高精度测量设备，可保证下沉量测量精度； 

(2)可得到船舶纵向任意位置的下沉量值。通过需知位置至船艏水位计的水平距离，即可计算出其下沉量，也可方便计算船舯的平均下沉量。 

附图说明

附图1是本发明传感器安装的侧视图示意图； 

附图2是本发明传感器安装的后视图示意图； 

附图3是本发明传感器安装的俯视图示意图； 

附图4是本发明船舶下沉量计算示意图。 

1待测船舶；2艏水位计；3艉水位计；4艏水位计支架；5艉水位计支架；6惯导系统；7船舶静止水面；8船舶航行水面。 

具体实施方式

实施例1 

船舶航行下沉量的实船测量方法，其传感器安装正视图见图1，侧视图见图2，俯视图见图3，其中1为船舶，2、3分别为船艏水位计和船艉水位计，4、5分别为船艏水位计和船艉水位计的固定测架，6为惯导系统，7为航道水面。将水位计2、水位计3分别与测架4、测架5固定，测架4和测架5均固定在船舶1甲板上，固定要求为：2个测架平行并垂直于船舶纵轴线，测架4距船头水平距离在4.0m以内，横向使水位计2伸出船舷1.5m以上，垂向使水位计2伸入水面7约0.4～1.0m；测架5水平向需拉开与螺旋桨、船舵的距离，横向使水位计3伸出船舷1.0m，垂向使水位计3需伸入水面7中0.4～1.0m。测架固定好后，根据水位计与测架的相对位置关系及测架与船舶的相对位置关系，算出船艏水位计2、船艉水位计3沿甲板面的水平距离Δx＝40m、垂直甲板面的高差Δy＝0.1m。惯导系统6固定在船舶1较平整的甲板面上，将传感器连接电脑准备测量。 

测量时先使船舶在水中静止，测出船艏水位计2、船艉水位计3的初始水深为P_f0＝0.5m、P_b0＝0.4m，以及船舶初始纵倾角α₀＝0°。船舶匀速航行时，同步测量水位计2、水位计3航行时水深P_f＝0.7m、P_b及航行时纵倾角α＝-0.5°。下沉量计算公式原理示意图见图3，其中7为原静止水面，8为航行时水面。因船艏水位计2可忽略船行波及水面下降的影响，则水位计2处的下沉量可直接按船舶航行与静止时水位计2的水位差计算，计算公式如下： 

δ_f＝P_f-P_f0＝0.7-0.5＝0.2(m)                          (公式1) 

水位计3处不可避免受到地受船行波及水面下降的影响，该处下沉量需利用与水位计2的相对位置关系及其水深值计算，计算原理示意见图4，计算公式如下： 

δ_b＝P_f+ΔΔxsin(α-α₀)+Δycos(α-α₀)-P_b0

＝0.7+40×sin(-0.5°)+0.1*cos(-0.5°)-0.4＝0.05(m)              (公式2) 

在求得水位计2、水位计3两处的下沉量后，可根据插值计算船舶任一点处的下沉量，例如欲求船舯处平均下沉量，量出船舯剖面距船艏水位计沿甲板面的水平距离x＝20m，则其下沉量δ_x计算公式为： 

${\delta }_x={\delta }_f+\frac{({\delta }_b-{\delta }_f)x}{\mathrm{\Delta x}}=0.2+(0.05-0.2)\times 20/40=0.125\left(m\right)$              (公式3) 。