一种过闸船舶自动化测量系统及船舶外形测量方法

摘要

本发明提供了一种过闸船舶自动化测量系统及船舶外形测量方法，数据处理子系统以及与其相连的水上横截面测量子系统、水下横截面测量子系统、船舶长度测量子系统和水位测量子系统。本发明通过系统集成对船舶外形参数进行综合测量，实现船舶外形数据的自动化采集，计算船舶的长、宽、型深、吃水深度，自动生成船舶三维模型及总吨、排水量等关键参数，解决了长期以来依靠人工量测的方式，大大节省了人力、物力以及船舶的测量时间，大大提高了通航效率，可对超深船舶自动监测，保证航道安全，且同船舶过闸收费系统相结合，可实现船舶过闸的自动收费，为船舶过闸时管理部门收取船舶过闸费提供依据，提高了船闸管理部门的工作效率以及船舶的过闸效率。

说明书

技术领域

本发明属于自动测量领域，具体涉及一种用于自动测量运河上过闸船舶外形的过闸船舶 自动化测量系统及船舶外形测量方法。

背景技术

目前，运河上通过船闸的船舶过闸费以总吨为收费依据，各船闸设有远调站对船舶进行 调度管理和吨位核载，对船舶总吨的核定是采取人工现场测量船舶和参照航行簿提供的总吨 相结合的方式。受利益驱使，船型不规范、一船多簿、大船小簿、假簿、严重超载等违章现 象时有发生，造成航道安全隐患、过闸效率低下。船舶长、宽、型深、海水量通过人工量取 的方法，人工量取方法浪费了大量的人力、物力、船民的过闸时间，不便于对船舶信息的汇 总管理，而且这些船闸每天承担着数以百计船只的通行任务，工作量大、任务繁重、手续复 杂，现有的收费和管理系统已明显不能满足形势发展的要求。

国内外对于过闸船舶的收费模式多种多样，但是都需要了解过闸船舶的外形尺寸。目前， 对于过闸船舶尺寸和载重量的检查主要是依赖船舶的档案，重要外形尺寸的量测要依赖人工 的方式。受到船舶档案可靠性和人工测量效率的制约，过闸收费的准确性和科学性均亟待提 高。因此，为了解决船舶在过闸时船舶总吨的核定方法中存在的问题，研究一种高效、自动、 快速的过闸船舶自动化测量系统，提高船闸的服务效率已经成为一项重要任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种过闸船舶自动化测量系统及船舶外形测量方法，目的 是通过系统集成对船舶外形参数进行综合测量，实现船舶外形数据的自动化采集，计算船舶 的长、宽、型深、吃水深度等实际尺寸，自动生成船舶三维模型及总吨、排水量等船舶关键 参数，为船舶过闸时管理部门收取船舶过闸费提供依据，提高了船闸管理部门的工作效率以 及船舶的过闸效率。

本发明的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种过闸船舶自动化测量系统，所述系统包括： 数据处理子系统以及与其相连的水上横截面测量子系统、水下横截面测量子系统、船舶长度 测量子系统和水位测量子系统，所述水上横截面测量子系统包括：

第一激光扫描仪、第二激光扫描仪，分别安装在河道两岸，用于扫描船舶水上部分断面， 并将扫描到的船舶水上的外形数据发送给数据处理子系统；

所述水下横截面测量子系统采用声纳扫面的测量方式，包括：

两组声纳传感器，分别安装于河道两侧水底，用于发射和接收声纳信号；

声纳控制器，用于控制声纳传感器的发射和接收，并将采集到的船舶水下外形数据传送 至数据处理子系统；

所述船舶长度测量子系统包括：

光电开关，安装于河道两侧的闸墙上，用于检测船舶到达以及离开所在光电开关位置时 的时间；

PLC控制器，用于采集光电开关和水位测量子系统的数据并传送至数据处理子系统。

该系统对于船舶外形参数的测量是逐段对船舶进行断面扫描，由扫描数据组成船舶断面 的外形，在船舶运行中测量船舶的长度或速度，根据船舶的断面的外形及船舶的长度合成为 整个船舶的外形。对于船舶水上部分的断面扫描，采用激光扫描的测量方式，对于水下部分 的断面扫描，采用声纳扫描的测量方式，声纳传感器通过向水底发射某一频率的声波信号， 声波在水中以1500m/s的声速到达水底或密度大于水底的介面时，部分声波的能量反射回来 通过回波信号可进行测量。当船舶通过指定的测量断面区域后，该系统通过水上第一激光扫 描仪、第二激光扫描仪、声纳传感器对船舶断面测量，测量出所过船舶每个断面的外形，同 时结合光电开关对船舶速度进行测量，计算出船舶的长度。当船舶正常行驶时，将船舶的长 度按断面扫描的时间间隔分割成每个扫描段所对应的船舶位移，从而形成船舶的三维测量数 据。数据处理子系统对测得的数据进行数据处理、分析和存储，根据所测得的三维数据建立 船舶模型，计算出长度、宽度、干舷高度、吃水深度、船舶的总吨和载重吨，并将测量数据 自动保存。远调站根据测量数据结合联网收费系统准确计算出过闸时应收取的过闸费用，自 动生成相关统计数据。

在船舶测量区域，该系统能自动测量经过船舶的外部形状，自动提取船舶的长度、宽度、 干舷高度、吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道等级要求，船舶的干舷高度是否在法 定的范围内，并将测量数据存入数据库。各级船闸可以通过调取数据库的数据准确地计算出 过闸时应收取的过闸费用和过闸船只的最优排列方案等,方便各级船闸的管理。

所述数据处理子系统包括主控计算机以及与主控计算机相连的数据处理计算机，各测量 传感器的安装位置及角度，要由精密测量仪器精确测量，相关参数输入主控计算机，主控计 算机实时采集测量数据，并将每一断面测量数据打包发送至数据处理计算机，由数据处理计 算机分析数据并合成测量数据最终显示测量出被检船舶的外形。

所述第一激光扫描仪和第二激光扫描仪通过网络交换机与主控计算机连接，激光扫描仪 仪器内的激光发射器发送激光，激光经障碍物反射后，返回激光扫描仪，根据记录的激光往 返时间，计算出激光扫描仪和反射物之间的几何距离，激光扫描仪测得的数据通过网络交换 机传输给主控计算机。

所述第一激光扫描仪和第二激光扫描仪的扫描角度至少为90度，第一激光扫描仪的安 装高度为距水面2-4米，第二激光扫描仪的安装高度为距水面6-8米；第一激光扫描仪和第 二激光扫描仪分别安装在船闸进闸处河道两侧的固定建筑上，该位置刚过船舶停靠地，船舶 因进闸先后依次分开，易于检测，为保证在进闸的船舶在河道任一位置都可被扫到，扫描仪 的扫描角度要足够大，因此，第一激光扫描仪和第二激光扫描仪的扫描角度至少为90度， 才可覆盖河道，无测量死角，第一激光扫描仪的安装高度为距水面2-4米，第二激光扫描仪 的安装高度为距水面6-8米，这样设计为保证船舶的截面全被扫描到，同时最大限度提高干 舷高度的测量准确性，扫描仪安装位置高，扫描范围大；安装位置低，干舷高度的测量准 确。

所述声纳传感器通过声纳控制器经网络交换机与主控计算机连接；声纳传感器分两组， 分别安装在河道两侧水底，同激光扫描仪在同一平面，声纳传感器线缆接入声纳控制器，由 声纳控制器控制声纳传感器的发射及接收，形成对船舶水下部分的测量，声纳控制器经网络 交换机连接至主控计算机网络接口；声纳传感器向船舶发射某一频率的声波信号，声波在水 中以1500m/s左右的速度传播，当声波到达船舶表面时，部分声波的能量反射回来，当反射 声波到达声纳传感器表面时，声纳传感器将声波信号转换成电波信号，通过信号放大和数据 处理，将信号变换成船舶到声纳传感器的直线距离，然后根据声纳传感器的指向性确定船舶 某点的坐标，由多个不同指向的声纳传感器可确定船舶的外形轮廓，从而计算出船舶的水下 外形、宽度、吃水深度。

所述光电开关垂直于河道，距河道水面0.3—0.9米处安装，并通过PLC控制器与主控计 算机连接。

所述光电开关为对射式光电开关，包括一个激光发射器和一个激光接收器，且光电开关 的数量至少为6个；光电开关沿河道安装在闸墙上，安装高度一致，距水面0.5米，各光电 开关间距均分，且安置在扫描断面之前，在扫描断面处安装最后一个光电开关，光电开关分 别检测船舶到达及离开所在光电开关位置时的时间，由PLC控制器记录并通过串口传送至主 控计算机，通过运动学时间，位移关系解算出船舶通过测量断面的位移。

所述水位测量子系统包括消波装置、固定在消波装置内部且放置在河底的压力传感器、 以及与压力传感器连接的A/D转换器，A/D转换器通过PLC控制器与主控计算机连接；压力 传感器测量河水水面的变化，消波装置用于消除河水波动带来的测量扰动，A/D转换器将压 力传感器测量的模拟电压信号转为测量系统可接收的数字信号，PLC控制器将测量信号采集 分析计算，并通过PLC控制器的串行通讯口传递给主控计算机，压力传感器的测量精度可达 毫米级，可保证系统要求的测量要求。

所述消波装置为不锈钢消波管，消波管竖直向下固定在闸墙上；将压力传感器固定在不 锈钢消波管内，记下压力传感器的位置，将消波管竖直向下固定在闸墙上，确保河水在最低 水位时能没过压力传感器，压力传感器约在水深4米处，压力传感器实时测量河面到压力传 感器的水深，即水面位置到压力传感器的位置，从而确定水面的高度位置，通过测量河面的 高度，将激光扫描仪及声纳扫描的测量数据中河面反射数据滤掉，从而提取出船舶的测量数 据。

所述过闸船舶自动化测量系统还包括CCD相机，用于拍摄船舶图像，CCD相机采用网警 相机，其采集的数据可直接传送到数据处理计算机，同主控计算机上传的测量数据一起被保 存、显示。

本发明还提供了一种船舶外形测量的方法，包括

a、系统开机，并进行初始化；

b、当船舶进入测量区域，接触到第一个光电开关后，主控计算机发出指令，各测量子系 统进入工作状态，CCD相机对船舶外形图像进行抓拍；

c、当船舶进入断面测量区域，激光扫描仪和声纳传感器分别对船舶水上、水下断面进行 扫描，并将扫描数据发送到主控计算机；

d、主控计算机实时采集扫描的船舶断面数据及船舶通过最后光电开关的位移数据，并将 测量数据发送至数据处理计算机；

e、数据处理计算机对船舶各断面数据及相应位移数据进行分析，并合成为船舶的三维外 形显示在屏幕上，同时提取关键的长、宽、高数据显示在主要参数栏。

当过闸船舶自动化测量系统测得的船舶外形不准确时，将CCD相机上拍摄的船舶外形图 像结合测量结果来得到进入测量区域的船舶外形。

本发明的技术效果为：

本发明提供了一种过闸船舶自动化测量系统及船舶外形测量方法，通过系统集成对船舶 外形参数进行综合测量，实现船舶外形数据的自动化采集，计算船舶的长、宽、型深、吃水 深度等实际尺寸，自动生成船舶三维模型及总吨、排水量等船舶关键参数，可根据测量数据 结合联网收费系统准确计算出过闸时应收取的过闸费用，自动生成相关统计数据，可以自动 监测超深船舶的通驶，保证通航安全。通过该系统的实施，降低了船闸工作人员的劳动强度， 提高了工作效率，监测超深船舶，保证通航安全，便于更科学推进船形标准化工程的进展， 并可将该测量系统应用于过闸收费系统中，可实现过闸船舶的自动收费及闸内船舶的合理排 布，为数字化运额提供了新的技术手段。本发明解决了长期以来依靠人工量测的方式，大大 节省了人力、物力，节省了船舶测量时间，大大提高了通航效率，且同船舶过闸收费系统相 结合，可实现船舶过闸的自动收费，为船舶过闸时管理部门收取船舶过闸费提供依据，提高 了船闸管理部门的工作效率以及船舶的过闸效率。

附图说明

图1为本发明过闸船舶自动化测量系统结构示意图。

图2为本发明激光扫描仪测量示意图。

图3为本发明激光扫描仪测量覆盖区域示意图。

图4为本发明船舶长度测量子系统安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1-图4所示，本发明提供了一种过闸船舶自动化测量系统，所述系统包括：数据处 理子系统以及与其相连的水上横截面测量子系统、水下横截面测量子系统、船舶长度测量子 系统和水位测量子系统，所述水上横截面测量子系统包括：

第一激光扫描仪3、第二激光扫描仪4，分别安装在河道两岸，用于扫描船舶水上部分断 面，并将扫描到的船舶水上的外形数据发送给数据处理子系统；

所述第一激光扫描仪3和第二激光扫描仪4通过网络交换机7与主控计算机11连接，第 一激光扫描仪3和第二激光扫描仪4的扫描角度至少为90度，第一激光扫描仪3的安装高度 为距水面2-4米，第二激光扫描仪4的安装高度为距水面6-8米；激光扫描仪仪器内的激光 发射器发送激光，激光经障碍物反射后，返回激光扫描仪，根据记录的激光往返时间，计算 出激光扫描仪和反射物之间的几何距离，并将扫描到的船舶水上的外形数据发送给数据处理 子系统。

所述水下横截面测量子系统采用声纳扫描的测量方式，包括：

两组声纳传感器5，分别安装于河道两侧水底，用于发射和接收声纳信号；

声纳控制器6，用于控制声纳传感器5的发射和接收，并将采集到的船舶水下外形数据 传送至数据处理子系统；

所述声纳传感器5通过声纳控制器6经网络交换机7与主控计算机11连接；声纳传感器 5分两组，分别安装在河道两侧水底，同激光扫描仪在同一平面，声纳传感器5线缆接入声 纳控制器6，由声纳控制器6控制声纳传感器5的发射及接收，形成对船舶水下部分的测量， 声纳控制器6经网络交换机7连接至主控计算机11网络接口；声纳传感器5向船舶发射某一 频率的声波信号，声波在水中以1500m/s左右的速度传播，当声波到达船舶表面时，部分声 波的能量反射回来，当反射声波到达声纳传感器5表面时，声纳传感器5将声波信号转换成 电波信号，通过信号放大和数据处理，将信号变换成船舶到声纳传感器5的直线距离，然后 根据声纳传感器5的指向性确定船舶某点的坐标，由多个不同指向的声纳传感器5可确定船 舶的外形轮廓，从而计算出船舶的水下外形、宽度、吃水深度，声纳控制器6用于控制声纳 传感器5的发射和接收，并将采集到的船舶水下外形数据传送至数据处理子系统；

所述船舶长度测量子系统包括：

光电开关2，安装于河道两侧的闸墙上，用于检测船舶到达以及离开所在光电开关2位 置时的时间；

PLC控制器9，用于采集光电开关2和水位测量子系统的数据并传送至数据处理子系统；

光电开关2垂直于河道，距河道水面0.3—0.9米处安装，并通过PLC控制器9与主控计 算机11连接，光电开关2为对射式光电开关，包括一个激光发射器13和一个激光接收器14， 且光电开关2的数量至少为6个；光电开关2沿河道安装在闸墙上，安装高度一致，距水面 0.5米，各光电开关2间距均分，且安置在扫描断面之前，在扫描断面处安装最后一个光电 开关2，光电开关2分别检测船舶到达及离开所在光电开关2位置时的时间，由PLC控制器9 记录并通过串口传送至数据处理子系统，通过运动学时间，位移关系解算出船舶通过测量断 面的位移；

水位测量子系统包括消波装置、固定在消波装置内部且放置在河底的压力传感器1、以 及与压力传感器连接的A/D转换器8，A/D转换器8通过PLC控制器9与主控计算机11连接； 所述消波装置为不锈钢消波管，消波管竖直向下固定在闸墙上；将压力传感器1固定在不锈 钢消波管内，记下压力传感器1的位置，将消波管竖直向下固定在闸墙上，确保河水在最低 水位时能没过压力传感器1，压力传感器1约在水深4米处，压力传感器1实时测量河面到 压力传感器1的水深，即水面位置到压力传感器1的位置，从而确定水面的高度位置，通过 测量河面的高度，将激光扫描仪及声纳扫描的测量数据中河面反射数据滤掉，从而提取出船 舶的测量数据；压力传感器1测量河水水面的变化，消波装置用于消除河水波动带来的测量 扰动，A/D转换器8将压力传感器1测量的模拟电压信号转为测量系统可接收的数字信号， PLC控制器9将测量信号采集分析计算，并通过PLC控制器9的串行通讯口传递给数据处理 子系统，压力传感器1的测量精度可达毫米级，可保证系统要求的测量要求；

数据处理子系统包括主控计算机11以及与主控计算机11相连的数据处理计算机12；各 测量传感器的安装位置及角度，要由精密测量仪器精确测量，相关参数输入主控计算机11， 主控计算机11实时采集测量数据，并将扫描的船舶断面数据及船舶通过最后光电开关2的位 移数据打包发送到数据处理计算机12；数据处理计算机12将船舶各断面数据及相应位移数 据分析并合成为船舶三维外形，并显示在屏幕上，并提取关键的长、宽、高数据显示在主要 参数栏；

所述过闸船舶自动化测量系统还包括CCD相机10，用于拍摄船舶图像，可对船舶外形图 像进行抓拍；CCD相机10采用网警相机，其采集的数据可直接传送到数据处理计算机12， 同主控计算机11上传的测量数据一起被保存、显示。如果自动测量系统测得不准，可以通过 CCD相机10上拍摄的船舶外形图像结合测量结果来得到进入测量区域的船舶外形，从而得到 该船舶的船号，通过船舶的船号来找到数据库，从而为船舶过闸时管理部门收取船舶过闸费 提供依据，提高了船闸管理部门的工作效率以及船舶的过闸效率。

本发明还提供了一种船舶外形测量的方法，包括

a、系统开机，并进行初始化；

b、当船舶进入测量区域，接触到第一个光电开关2后，主控计算机11发出指令，各测 量子系统进入工作状态，CCD相机10对船舶外形图像进行抓拍；

c、当船舶进入断面测量区域，激光扫描仪和声纳传感器5分别对船舶水上、水下断面进 行扫描，并将扫描数据发送到主控计算机11；

d、主控计算机11实时采集扫描的船舶断面数据及船舶通过最后光电开关2的位移数据， 并将测量数据发送至数据处理计算机12；

e、数据处理计算机12对船舶各断面数据及相应位移数据进行分析，并合成为船舶的三 维外形显示在屏幕上，同时提取关键的长、宽、高数据显示在主要参数栏。

当过闸船舶自动化测量系统测得的船舶外形不准确时，将CCD相机10上拍摄的船舶外形 图像结合测量结果来得到进入测量区域的船舶外形。

船舶外形测量具体过程如下：

首先系统开机，初始化；

当船舶进入，接触到第一个光电开关2时，系统进入测量状态，各测量系统进入准备状 态，CCD相机10对于船舶外形图像进行抓拍；

船舶依次触碰6个光电开关2，PLC控制器9记录下相应的时刻，并将测得的数据传输到 主控计算机11；

当船舶进入断面测量区域时，即触碰到最后一对光电开关2，第一激光扫描仪3、第二激 光扫描仪4、声纳传感器5同时工作，分别对水上、水下断面进行测量，并将数据发送到主 控计算机11；

主控计算机11将扫描的船舶断面数据及船舶通过最后光电开关2的位移数据发送到数据 处理计算机12，数据处理计算机12将船舶各断面数据及相应位移数据合成为船舶三维外形， 并显示在屏幕上，提取关键的长、宽、高数据显示在主要参数栏。

本系统运行后可自动准确的测量出船舶的长、宽、型深外形参数，计算出船舶的总吨、 排水量，可根据测量数据结合联网收费系统准确计算出过闸时应收取的过闸费用，自动生成 相关统计数据，可以自动监测超深船舶的通驶，保证通航安全。通过该系统的实施，降低了 船闸工作人员的劳动强度，提高了工作效率，监测超深船舶，保证通航安全，便于更科学推 进船形标准化工程的进展，并可将该测量系统应用于过闸收费系统中，可实现过闸船舶的自 动收费及闸内船舶的合理排布，为数字化运额提供了新的技术手段。本发明实现了过闸船舶 外形的自动化测量，解决了长期以来依靠人工量测的方式，大大节省了人力、物力，降低船 闸工作人员的劳动强度，提高工作效率；相对人工量船节省了船舶的测量时间，大大提高了 通航效率；可对超深船舶自动监测，保证航道安全；同船舶过闸收费系统相结合，可实现船 舶过闸的自动收费。