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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

船舶散裝貨物裝卸過(guò)程中的載重計(jì)量問(wèn)題一直是困擾交易雙方的一大難題?，F(xiàn)階段港口內(nèi)的船舶載重計(jì)量仍沿用目測(cè)船舶吃水線深度然后計(jì)算的方法，這種方法往往帶有主觀性，誤差大，而且因受到港口內(nèi)波浪和船舶的縱橫傾斜等因素的影響，得到的不是精確的吃水值[1]。由于經(jīng)濟(jì)利益的原因，發(fā)貨方、收貨方和承運(yùn)人都對(duì)貨物的數(shù)量非常重視，而且越來(lái)越精細(xì)、嚴(yán)格，如何準(zhǔn)確計(jì)算船舶載重成為急待解決的問(wèn)題。因此，研制手持式智能船舶吃水及載重測(cè)量?jī)x具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[2]。本文結(jié)合他人研究經(jīng)驗(yàn)，研制出手持式智能船舶吃水及載重測(cè)量?jī)x，利用激光測(cè)距方法采用多點(diǎn)測(cè)量措施來(lái)消除波浪和船舶浮態(tài)等因素對(duì)船舶吃水測(cè)量的影響，可以準(zhǔn)確地測(cè)得船舶的吃水深度。

1 裝置使用結(jié)構(gòu)

測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)見圖1。

a) 正面

b) 背面圖1 測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

各部分作用如下。

1) 激光發(fā)射器。主要用于測(cè)量時(shí)發(fā)出激光束，利用反射原理確定從甲板到水面的高度S。

2) 水平儀。安裝在測(cè)量?jī)x的中央，用于標(biāo)示測(cè)量過(guò)程中儀器是否處于水平。當(dāng)十字線交點(diǎn)處于氣泡正中央時(shí)，儀器處于水平面上，即和海平面平行。

3) 手柄。手握手柄便于移動(dòng)測(cè)量?jī)x。

4) 調(diào)平螺栓。當(dāng)水平儀顯示十字線交點(diǎn)未處于氣泡正中央時(shí)，用螺絲刀將四個(gè)螺栓旋入或旋出，直到交點(diǎn)處于氣泡正中央。注意旋入或旋出速度不可過(guò)快。

5) 控制面板。裝有數(shù)字鍵，用于測(cè)量數(shù)據(jù)的輸入，系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)出現(xiàn)在液晶顯示屏上。

6) 掛環(huán)。方便平時(shí)將測(cè)量?jī)x懸掛在墻壁上。

測(cè)量?jī)x使用示意見圖2。

圖2 測(cè)量?jī)x使用示意

2 測(cè)量原理及測(cè)量點(diǎn)選擇

當(dāng)船舶停泊在港口時(shí)，裝卸貨物前后都用測(cè)量?jī)x進(jìn)行一次操作。

每次操作時(shí)，測(cè)量?jī)x由1名工作人員手持至測(cè)量地點(diǎn)，將測(cè)量?jī)x固定到測(cè)量點(diǎn)甲板邊緣，調(diào)整測(cè)量?jī)x的位置及調(diào)平螺栓，使激光發(fā)出端發(fā)射出的激光束和水面垂直。

待測(cè)量?jī)x裝夾穩(wěn)定后，打開激光發(fā)射裝置。由于在垂直方向上，測(cè)量?jī)x正好位于水面的正上方，且在水平方向上，測(cè)量?jī)x和船體甲板在一個(gè)水平面上，所以它垂直向下發(fā)出的信號(hào)一定會(huì)經(jīng)水面反射而原路返回。由此可以計(jì)算出測(cè)量?jī)x距水面的高度S，而甲板距船舶龍骨線的高度D是已知，故可以計(jì)算出這一測(cè)量點(diǎn)的船舶吃水T=D-S。

依此分別在船首、船中、船尾左右舷甲板各測(cè)量若干次，總共測(cè)量出船舶左右舷各3個(gè)點(diǎn)的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。見圖3。

dFP、dFS-船首左(右)吃水測(cè)量點(diǎn)，首垂線略向后；dP、dS-船中左(右)吃水測(cè)量點(diǎn)；dAP、dAS-船尾左(右)吃水測(cè)量點(diǎn)，尾垂線略向前圖3 船舶6個(gè)吃水測(cè)量點(diǎn)位置示意

將這些數(shù)據(jù)輸入至安裝在手持式測(cè)量?jī)x上的控制面板內(nèi)，計(jì)算后，船舶載重量G便會(huì)自動(dòng)顯示在液晶顯示屏上。

3 測(cè)量方法

船舶吃水深度是反映船舶裝載貨物多少的一個(gè)標(biāo)志，準(zhǔn)確測(cè)量水位及其變化，可以計(jì)算出貨物的裝載量及其變化量，所以，準(zhǔn)確測(cè)量船舶吃水十分必要。

由于測(cè)量過(guò)程會(huì)受到波浪的影響，同時(shí)船舶在水中有可能處于橫傾和縱傾狀態(tài)，所以想得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)必須要考慮這兩個(gè)問(wèn)題。

3.1 波浪影響消除方法

3.1.1 激光測(cè)距確定高度S

船舶?？吭诟劭?，港區(qū)肯定會(huì)有不同大小的波浪，在運(yùn)動(dòng)方向上都有一個(gè)周期，周期可能為幾秒到數(shù)十秒不等。

測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量?jī)x的激光發(fā)出端發(fā)出的光束與水面垂直，故激光發(fā)出后經(jīng)水面的反射作用，又沿原路徑返回發(fā)出端。

采用同樣的方法在同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)量，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值為最終結(jié)果。

激光測(cè)距和其他測(cè)量距離的方法相比，具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精確的特點(diǎn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1) 用激光傳感測(cè)距儀測(cè)甲板到水面的高度，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，確定出此時(shí)波浪的周期T1。

2) 首先選定一個(gè)測(cè)量時(shí)間T，設(shè)定T為T1的整數(shù)倍，即T=kT1(k=2，3，4，…)，這樣在指定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的所有數(shù)據(jù)S的平均值S0就可以看作沒(méi)有波浪影響即船舶在靜水中時(shí)得到的數(shù)據(jù)[3]。

3) 以T為一個(gè)周期測(cè)量水面距測(cè)量?jī)x的距離，設(shè)激光信號(hào)一個(gè)來(lái)回所用的時(shí)間為t′，其在空氣中的傳輸速度為v，則可以確定高度S=vt′/2。由此可以得到n個(gè)數(shù)據(jù)S1、S2、S3…Sn，計(jì)算n個(gè)數(shù)據(jù)的平均值S0=(S1+S2+S3+…+Sn)/n。

4) 將上一個(gè)步驟重復(fù)3～4次，計(jì)算S0的平均值S′，再由T=D-S′得到測(cè)點(diǎn)的吃水深度T。

5) 對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)都采用同樣的方法得到各點(diǎn)的吃水深度dFP、dFS、dP、dS、dAP、dAS。

3.2 縱橫傾影響消除方法

3.2.1 計(jì)算船舶最終平均吃水

根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述方法確定船舶最終平均吃水。

1) 計(jì)算船舶左右舷平均吃水及吃水差t。

(1)

(2)

(3)

t=dF-dA

(4)

2) 對(duì)船舶首、尾吃水作垂線修正。

經(jīng)首尾垂線修正后的dF1和dA1分別為：

dF1=dF+CF

(5)

dA1=dA+CA

(6)

水線1-當(dāng)船舶?？吭诟劭谥?，未發(fā)生縱橫傾時(shí)的假設(shè)水線；水線2-當(dāng)船舶?？吭诟劭谥?，存在縱橫傾時(shí)的實(shí)際水線；LBP-船舶首尾垂線間長(zhǎng)度，m；LF-船舶觀測(cè)首吃水點(diǎn)至首垂線的水平距離，m；LA-船舶觀測(cè)尾吃水點(diǎn)至尾垂線的水平距離，m圖4 吃水的首尾垂線修

圖4中LF和LA的值可在船舶總布置圖或圖4上量取。由此可得船舶首垂線修正量CF和尾垂線修正量CA的求算公式

(7)

(8)

當(dāng)|t|<0.3 m時(shí)，可以不做此項(xiàng)修正。

3) 首尾平均吃水。

(9)

4) 計(jì)算經(jīng)拱垂變形修正后的最終平均吃水。

首尾與船中的平均吃水dM2為：

(10)

船舶的最終平均吃水dM3為：

(11)

3.2.2 求取船舶排水量

1) 根據(jù)最終吃水dM3，可以在船舶靜水力曲線圖上查取排水量V0。

2) 求取縱傾修正后的排水量V1。

船舶排水量V0的縱傾(漂心)修正如圖5所示。

圖5 排水量的縱傾修

由(12)式求得其修正量W[5]：

(12)

式中：TPC——每厘米吃水噸數(shù)，指裝卸少量貨物時(shí)船舶吃水平行于水線面增減1 cm所引起的排水量增減的噸數(shù)。

于是，縱傾修正后的船舶的排水量為：

V1=V0+W

(13)

應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)船舶吃水差的絕對(duì)值|t|<0.3 m時(shí)，不需進(jìn)行縱傾修正；當(dāng)0.3 m<|t|<1.0 m時(shí)，僅需進(jìn)行縱傾的一次修正；當(dāng)|t|>1.0 m時(shí)，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行一次修正和二次修正。

3) 經(jīng)港水密度修正后的排水量。

(14)

海運(yùn)實(shí)踐中應(yīng)使用上述方法求出船舶的排水量，最后進(jìn)行裝貨量的計(jì)算。

4) 求測(cè)量狀態(tài)下船舶的重量G。

G=ρVg

(15)

前后兩次載重量的差值即為船舶裝載(或卸載)貨物的重量。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中研制的船舶吃水測(cè)量?jī)x用激光測(cè)距的方法進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，消除了船舶吃水測(cè)量中波浪造成的不利影響和船舶縱橫傾斜產(chǎn)生的船舶吃水測(cè)量誤差，能夠較為精確地測(cè)得船舶吃水，從而能夠精確地計(jì)算出船舶裝卸貨物的重量，具有良好的測(cè)量適應(yīng)性。

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