技术领域
[0001] 本发明涉及船舶载重测算技术，更具体地说，它涉及一种船舶实时载重测算方法。
相关背景技术
[0002] 面对内河船队粗放的管理、国家节能减排要求的愈加严格，为实现内河航运绿色生态发展，通过船舶的实时载重来优化实时航行状态，使船舶保持高能效的运行状态，能够在获得高经济效益的同时减少排放。目前，船舶载重量的计算主要是依靠水尺计重的方法，以船舶作为计量工具，利用阿基米德原理来计算船舶载货量，其关键技术在于对船舶吃水深度的测量。
[0003] 我国内河航运船舶常用的吃水检测手段主要依靠人工观测法。但随着船舶智能化的不断发展，超声波探测技术、多传感器信息融合技术、压力传感器技术和激光测距技术等智能测量技术也逐渐应用于内河船舶的吃水检测中。然而船舶在水中状态多变，如横倾、纵倾等船倾状态，船体拱垂变形状态。而且由于水面的不平整，船艉和船艏的吃水深度也不一致。因此，如何提高测量数据的精度成为了本领域一个重要的课题。
具体实施方式
[0031] 下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
[0032] 参阅图1‑图6，本发明的一种船舶实时载重测算方法，基于超声波传感器实现。
[0033] 超声波测距是利用超声波反射特性和吸收特性进行距离的测量，以反射特性最为常用。平面声波在两种不同密度的介质分界面上，声波会被分界面反射和折射，如果不会发生声波的吸收现象，则反射波、入射波和折射波的声强关系如下式所示：
[0034]
[0035]
[0036] 上式中：Io为入射波声强；Ir为反射波声强；It为折射波声强；α为声波入射角；为声波折射角；z1、z2分别为两种介质中的波阻，z1＝ρ1v1，z2＝ρ2v2；ρi为第i种介质的密度；vi为声波在i种介质中的传播速度；i为自然数。
[0037] 若 即声波垂直入射，则声波不会发生反射。
[0038] 声波传播过程中遇到两种介质交界面发生反射时，反射波强度与入射波强度之比，称为反射系数，其计算公式如下式所示：
[0039]
[0040] 上式中：R为声波反射系数。
[0041] 透射波强度与入射波强度之比，称为透射系数，其定义如下式所示：
[0042]
[0043] 上式中：T为声波透射系数。
[0044] 显然，R+T＝1。从上述两个式可以看出：当z1＝z2时，R＝0，T＝1，即声波全部透射，声波不会发生反射。当z1>>z2或z1>>z2时，R＝1，T＝0，即全部反射，声波不会发生透射。当声波到达两种波阻相差较大介质的分界面时，大部分声波会发生反射，从而用来对两种不同波阻的介质进行定位，获取两者之间的距离。
[0045] 超声波测距的基本方法是渡越时间法(time‑of‑flight，TOF)，向超声波发射传感器输入脉冲电信号，压电晶体因变形而产生频率在20KHz以上的振动，从而产生超声波，经锥形共振盘放大后向某一方向定向发射出去，当超声波在传播介质中遇到障碍物或分界面时就会发生显著的反射回波，通过测量超声波传感器发射时刻和接收时刻的时间差以及超声波在传播介质中的传播速度，从而计算出测量点与被测物体之间的距离。本发明选用了自发自收的单探头超声波传感器。
[0046] 由图1单探头超声波传感器工作原理可知：根据计时器测出的超声波传感器发射和接收回波的时间差，即可计算超声波传播距离L1：
[0047]
[0048] 根据超声波收发换能器之间的距离即可计算出探头与被测物体之间的距离：
[0049]
[0050] 在自发自收的单探头方式下，其收发换能器相隔非常近，即d非常小，当探头与被测物体之间的距离远大于收发换能器之间的距离时，可认为探头与被测物体之间的距离与超声波传播距离近似相等，即：
[0051]
[0052] 超声波在介质中的传播速度易受介质中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如超声波在空气中传播时，温度每升高1℃，其传播速度增加约0.6m/s。因此要通过温度补偿的方式来修正超声波在介质中的传播速度，从而提高测距精度。其温度补偿修正式为：
[0053]
[0054] 式中，v为温度补偿后的超声波传播速度；T为环境摄氏温度。
[0055] 以下对本发明的船舶实时载重测算方法的步骤进行具体介绍。
[0056] 该方法首先以三点检测法获取船舶的外围平均吃水深度。
[0057] 如图2所示，三点检测法具体为，在船艏设置一超声波传感器，在船艉的两侧分别设置一超声波传感器，并使三个所述超声波传感器位于同一水平面上。依次采集三个所述超声波传感器与水面之间的实时间距，将所述超声波传感器与船底之间的固定间距与三个实时间距依次作差值运算，得到三个定点吃水深度。以三个所述定点吃水深度的和的均值作为外围平均吃水深度。
[0058] 根据图2超声波传感器安装图，已知船舶上安装的三个超声波传感器所形成的平面距船底的距离为H，故通过安装在船艉左、右和船艏三个超声波传感器最终所测得到的船舶吃水深度分别为：
[0059] d1＝|H‑H1|；
[0060] d2＝|H‑H2|；
[0061] d3＝|H‑H3|。
[0062] 式中：H1为左船艉的超声波传感器的测量值，即该超声波传感器与水面之间的实时间距；H2为左船艉的超声波传感器的测量值；H3为船艏的超声波传感器的测量值；d1、d2、d3为三个定点吃水深度，分别定义为，d1为左船艉吃水深度、d2为右船艉吃水深度、d3为船艏吃水深度。
[0063] 通过以上测量，在船舶装货后达到正浮无变形的理想状态时，船舶的理想平均吃水深度dm0为：
[0064]
[0065] 船舶在理想状态下，船舶的理想平均吃水深度dm0与船舯处吃水深度d0相等。
[0066] 由于船舶在航行过程中以及装载货物后，船舶会存在横倾或纵倾；同时因船舶各部分所受的重力和浮力不均匀，船体会产生纵向变形，即拱垂变形。因此在船舶艏、舯、艉处的吃水深度不同，在计算船舶平均吃水深度时需要进行小角度纵倾和拱垂变形的修正。
[0067] 船舶在正浮无变形的理想情况下，其平均吃水深度对应着确定的船舶排水量或排水体积，当船舶载货量一定时，无论船舶发生横倾还是纵倾，其仅影响船舶排水体积的形状，而不会影响船舶排水量。因此，找到船舶发生横倾和纵倾时的不变量，即可求出船舶正浮无变形理想情况下的平均吃水。船舶漂心是指船舶在水中与水面接触所形成的水线面面积的中心，在发生小角度纵倾时，船舶漂心位置不会发生改变，即船舶发生等容倾斜时水线面会绕着漂心旋转一个角度，因此船舶漂心处的吃水深度即为船舶平均吃水深度。
[0068] 如图3为船舶发生小角度纵倾时的示意图。从图3中可以看出，船舶漂心处吃水深度dm与船舯吃水d0深度相差了δ，根据三角函数关系可得：
[0069]
[0070] 式中：Xf为船舶漂心与船舯之间的距离；LBP为船艏垂线之和船艉垂线之间的间距；t为船艏和船艉的吃水深度差，t＝d3‑(d1+d2)/2。
[0071] 由此可见，考虑船舶倾斜时，其平均吃水深度为：
[0072]
[0073] 式中，dm1为船倾平均吃水深度。
[0074] 进一步的，
[0075]
[0076] 再参阅图3，由其三角函数关系可知，船舯处吃水深度d0为：
[0077]
[0078] 式中：L为船舶总长；l为超声波传感器伸出船舶舷边距离；θ为船舶纵倾角度。
[0079] 根据上述原理，船倾平均吃水深度为：
[0080]
[0081] 船舶产生拱垂变形示意图如图4‑图5所示。由于船舶出现中拱时，船艏、船艉吃水大于船舯吃水，会导致多计算船舶向上拱起部分的排水体积，使得测量船舶的平均吃水值偏高。当船舶发生中垂时，船艏、船艉吃水小于船舯吃水，会导致少计算船舶向下垂的排水体积，使得船舶平均吃水偏低。因此，在考虑船舶发生拱垂变形的情况下，使用上述公式会产生较大的误差，这就需要对船舶的平均吃水进行拱垂变形的修正。
[0082] 在工程实践中，采用对船舯吃水深度的加权修正来消除船舶产生拱垂变形的影响。其计算公式为：
[0083]
[0084] 式中：k为加权系数，一般取6。对于船长较长、平行中体较长的船舶，k可取7；对于船长较短、平行中体较短的船舶，k可取5。
[0085] 综上，船舶在出现横倾和纵倾且产生拱垂变形的情况下，其修正后的平均吃水如下式所示：
[0086]
[0087] 获取到船舶平均吃水深度后，根据所述船舶平均吃水深度确定插值区间，使用线性插值法对所述船舶的载重量进行计算。
[0088] 由于船舶载重量是根据船厂提供的《船舶载重与水尺对照表》查出，但部分载重量在表中无法查出。因此，在本发明中根据《船舶载重与水尺对照表》采用线性插值的方法来计算船舶载重量。即线性插值法可以计算出查表过程中表中没有的数值。
[0089] 线性插值是一种较为简单的插值方法，其几何意义是用两插值节点构成的直线近似原函数，插值函数为一次多项式。如图5所示为线性插值法示意图。
[0090] 在图6中，设函数y＝f(x)在xi、xi+1两点的值分别为yt、yt+1，求多项式为：
[0091]
[0092] 使其满足：
[0093]
[0094] 由解析几何知：
[0095]
[0096] 式中：y为第i插值区间的插值结果；x为第i插值区间自变量；xi为插值区间左端点自变量；xi+1为插值区间右端点自变量；yi为插值区间左端点函数值；yi+1为插值区间右端点函数值。
[0097] 根据测得的船舶吃水深度dm在《船舶载重与水尺对应表》上确定插值区间然后使用线性插值法进行船舶载重量的计算，其计算公式如下式所示。
[0098]
[0099] 式中：m为船舶的载重量；mi为插值区间左端点载重值；mi+1为插值区间右端点载重值；dmi为插值区间左端点吃水深度；dmi+1为插值区间右端点吃水深度。
[0100] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
