韓 偉，湯偉畢，李 然，游 強(qiáng)

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

近年來，隨著內(nèi)河航運(yùn)的迅猛發(fā)展，通航船舶朝著大型化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，載質(zhì)量和吃水不斷增大，船舶數(shù)量也不斷增多，坐落在黃金水道上的通航建筑物如三峽船閘、葛洲壩船閘、三峽升船機(jī)運(yùn)行都面臨巨大壓力，許多問題亟待解決，其中最為突出的便是船舶超吃水問題。在利益的驅(qū)使下，一些船主置航運(yùn)安全于不顧，謊報(bào)船舶吃水，嚴(yán)重危及了船舶和通航建筑物的安全[1]。

目前內(nèi)河及港口常見的船舶吃水檢測(cè)手段有人工測(cè)量法、激光光幕法、多波束超聲波測(cè)量法等。人工測(cè)量法由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、水尺的精確性直接影響測(cè)量的結(jié)果，導(dǎo)致使用受限；激光光幕法對(duì)于水質(zhì)、環(huán)境要求較高，且激光在水中傳播距離短，汛期長(zhǎng)江渾濁的水質(zhì)大幅影響了測(cè)量的精度；多波束超聲波測(cè)量法的成本高、安裝復(fù)雜，且測(cè)量精度和測(cè)量范圍不能滿足需求。目前市場(chǎng)上的船舶吃水超限檢測(cè)系統(tǒng)均不能達(dá)到測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)性好、安裝方便等要求[2-3]。

為保證內(nèi)河通航建筑物及船舶的安全，須對(duì)船舶吃水進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)河船舶吃水檢測(cè)系統(tǒng)，能夠滿足船舶過閘或升船機(jī)的吃水檢測(cè)需求。

1 檢測(cè)原理

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，聲波在水中傳播遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，即部分聲波會(huì)繞至障礙物后繼續(xù)傳播，基于側(cè)掃單波束陣列的吃水檢測(cè)系統(tǒng)便是利用聲波的衍射測(cè)量船舶吃水，檢測(cè)原理如圖1[4]所示。在航道的兩邊分別安裝傳感器陣列，當(dāng)無船舶經(jīng)過時(shí)，接收到的超聲波信號(hào)完整；當(dāng)有船舶經(jīng)過時(shí)，超聲波信號(hào)由于船體的遮擋發(fā)生衍射，根據(jù)接收到的超聲波的延遲時(shí)間和波形強(qiáng)度判斷傳感器的遮擋程度，并結(jié)合當(dāng)時(shí)的水深確定船舶的實(shí)際吃水[5]。

圖1 檢測(cè)原理

2 檢測(cè)系統(tǒng)組成

側(cè)掃式吃水檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 側(cè)掃式吃水檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)超聲波發(fā)射陣列由12只超聲波傳感器組成，安裝于調(diào)節(jié)支架上，傳感器之間的間距為9 cm,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值發(fā)出特定頻率和持續(xù)時(shí)間的小角度超聲波脈沖,為滿足系統(tǒng)精度要求和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)所采用的傳感器中心頻率500 kHz，波束角2°～3°，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，超聲波接收陣列與發(fā)射陣列一一對(duì)應(yīng)，用于接收未被障礙物阻擋傳播來的超聲波，響應(yīng)時(shí)間小于1 μs,在系統(tǒng)里對(duì)發(fā)射端、接收端陣列中的傳感器進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)相同的發(fā)射端傳感器和接收端傳感器處于同一水平線上，從上至下，采取依次發(fā)射超聲波信號(hào)、延遲接收的方式，避免了傳感器之間的串?dāng)_。

2)水位檢測(cè)單元由2只水位計(jì)構(gòu)成，用于測(cè)量裝置離水面的距離，通過RS485將水深數(shù)據(jù)傳輸至下位機(jī)控制箱，換算成船舶吃水基準(zhǔn)線。

3)下位機(jī)控制箱主要包括發(fā)射端控制箱和接收端控制箱，由調(diào)制器、數(shù)據(jù)采集器和通訊裝置組成，發(fā)射端控制箱用于控制超聲波依次發(fā)射信號(hào)，接收端控制箱用于接收發(fā)射端傳感器的輸出信號(hào)和水位檢測(cè)單元數(shù)據(jù)，在剔除異常數(shù)據(jù)和對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行特征值提取后，將處理好的數(shù)據(jù)整合成一幀，通過光纖傳輸給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理單元。

4)調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要用于安裝超聲波傳感器單元，可調(diào)節(jié)傳感器的安裝角度和位置高度適應(yīng)安裝、測(cè)試環(huán)境的變化。

圖3 調(diào)節(jié)支架

5)上位機(jī)為一臺(tái)高性能的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，安裝有基于微軟基礎(chǔ)類庫(MFC)的吃水檢測(cè)軟件，對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行提取后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得出船舶的吃水深度，并繪制船舶的吃水?dāng)M合線，側(cè)掃信息顯示界面如圖4所示,可以設(shè)置傳感器系數(shù)、警戒水位，顯示當(dāng)前水深、船舶吃水、安全距離以及吃水二維坐標(biāo)圖。

圖4 側(cè)掃信息顯示界面

3 系統(tǒng)在葛洲壩2#船閘的測(cè)試

吃水檢測(cè)系統(tǒng)在葛洲壩2#船閘進(jìn)行了安裝、測(cè)試，葛洲壩2#船閘閘室長(zhǎng)266 m、寬32.8 m，檢測(cè)裝置發(fā)射、接收陣列支架在上游左、右人字門內(nèi)對(duì)稱布置，安裝于第3層第2格，如圖5 所示，其中支架尺寸為290 mm×210 mm×2 200 mm(長(zhǎng)×寬×高)、門格尺寸為3 600 mm×2 700 mm×2 300 mm(長(zhǎng)×寬×高),裝置可檢測(cè)進(jìn)、出上閘首航槽內(nèi)船舶吃水[6]。

圖5 傳感器支架安裝位置

3.1 安裝原理

支架與人字門底板通過點(diǎn)焊方式固定，穩(wěn)定性好、可靠度高。根據(jù)安裝位置，可通過調(diào)節(jié)樣機(jī)安裝支架實(shí)現(xiàn)3.3～5.0 m范圍內(nèi)的船舶吃水檢測(cè)，為了保證檢測(cè)裝置(圖6)發(fā)射端與接收端傳感器安裝位置偏角在1°以內(nèi)，調(diào)節(jié)發(fā)射端傳感器位置以實(shí)現(xiàn)傳感器安裝架在y軸方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平行移動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)板角度(調(diào)節(jié)角度范圍±3°)，從而實(shí)現(xiàn)安裝架在y方向上的角度變化，并用螺栓鎖緊，通過調(diào)整傳感器安裝架安裝孔與調(diào)節(jié)板安裝孔之間的安裝間距即可實(shí)現(xiàn)傳感器在y軸方向上下平移。

圖6 傳感器支架

3.2 基準(zhǔn)定位

當(dāng)葛洲壩2#閘上游人字門處于開終狀態(tài)時(shí)，在閘面上選擇一個(gè)參考點(diǎn)，通過垂準(zhǔn)儀找到人字門縱向方向的安裝位置并做好標(biāo)記，同時(shí)利用垂準(zhǔn)儀在人字門第3層的底部和頂部進(jìn)行定位，從而找到相應(yīng)的位置焊接支架的支撐件，支架的支撐件由上支撐件和下支撐件組成，其中上支撐件焊接在第3層頂部板上，下支撐件焊接在第3層底部板上，上、下支撐件上均有兩個(gè)U形孔。

3.3 支架安裝

當(dāng)人字門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，使用起重設(shè)備將支架吊至相應(yīng)高度，然后通過螺栓將支架固定在上下支撐件上的U形孔中，經(jīng)過多次的人字門關(guān)閉和開啟測(cè)試并通過調(diào)整螺栓在U形孔中的位置，完成兩組支架裝置的準(zhǔn)確定位與安裝。

3.4 測(cè)試

本項(xiàng)目通過三峽海事部門在錨地中選取10艘信譽(yù)良好、水尺刻度清晰的待閘船舶，并提前對(duì)船舶吃水及水尺線精度進(jìn)行校核，確保船舶吃水結(jié)果的準(zhǔn)確性。在船舶通過吃水檢測(cè)裝置時(shí)，分別記錄了船舶船首、船中、船尾3處位置的水尺數(shù)值，根據(jù)水尺數(shù)值得出船舶實(shí)際吃水值，通過與檢測(cè)裝置的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比明確了系統(tǒng)誤差,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，側(cè)掃式吃水檢測(cè)裝置測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為0.086 m。

(1)

4 總結(jié)

1)本文設(shè)計(jì)了一種基于側(cè)掃單波束陣列的吃水檢測(cè)系統(tǒng)，主要由超聲波發(fā)射陣列、超聲波接收陣列、水位測(cè)量單元、下位機(jī)發(fā)射端控制箱、下位機(jī)接收端控制箱、上位機(jī)、調(diào)節(jié)支架組成。

2)側(cè)掃式吃水檢測(cè)系統(tǒng)在葛洲壩2#船閘上游人字門進(jìn)行安裝及測(cè)試，表明該系統(tǒng)易于安裝、維修方便，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差小于0.086 m。